基于工艺特征识别技术的数控自动编程方法研究

基于工艺特征识别技术的数控自动编程方法研究导师：姓名：主要内容1.研究的目的、意义5.基于工艺特征的零件数控自动编程技术研究3.提取STEP文件信息的方法研究4.工艺特征提取与识别6.系统的设计与实现7.总结与展望2.研究内容与创新点一、研究的目的、意义（一）主要技术概述1、基于特征的数控自动编程技术数控自动编程是利用计算机和相应的编程软件编制数控加工程序的过程。自动编程系统发展到今天，己经出现了品种繁多，功能各异的编程系统。虽然现在有多种数控自动编程系统,但仍然具有以下问题：（1）只能从CAD系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息；（2）整个数控编程过程必须在经验丰富的工程师的参与下，通过图形交互操作来完成，自动化程度和编程速率低下。因此如何有效提高数控编程的质量与效率，成为了目前亟待解决的问题。要解决这些问题，从技术层面上来看，就是要实现CAD/CAPP/CAM的集成。一、研究的目的、意义2、特征识别技术特征识别是从零件的模型中获取相关特征信息，用于后续的工程应用。如图所示：特征识别方法主要分为两大类：一类是基于边界匹配的特征识别方法，另一类是基于立体分解的特征识别方法。特征识别的前提是特征信息提取，目前从几何造型中提取特征信息的方法主要有两类：（1）显式提取法：适用于已知特征属性的基础上；（2）隐式提取法：应用于实体属性未知的环境，从实体的存储方式入手(如文档、图片等)，从文件提取实体特征。特征识别示意图实体造型器特征识别特征提取特征一、研究的目的、意义（二）研究的目的和意义目前，国内外出现了很多基于特征的数控自动编程系统。国外优秀的特征自动编程系统如下：CAMWORKS、Tecnomatix、STEP-NC、FeatureCAM国内的一些研究人员，如：廖友军、李刚、刘峰、兰红波等也开发了类似于FeatureCAM的基于特征技术的制造加工系统，但都是建立在二维和2.5维图形文件的特征识别基础上，且识别出的特征都是零件的底层特征，完整的基于三维的工艺特征识别的自动编程系统还很少。综上所述，目前的特征识别系统都是针对零件底层特征，未能识别具有加工工艺信息的特征。所以在标准数据交换的基础上，研究面向产品工艺特征的自动识别方法，建立基于工艺特征识别技术的数控自动编程系统，对提高加工效率有着极其深远的意义。二、研究内容与创新点（一）研究内容本课题研究的主要内容包括：分析研究STEP中性文件，从中提取信息；建立特征工艺库、识别CAD三维图形文件；建立数据库形式的标准工艺库；研究开发自动化编程系统，具体研究内容如下：（1）研究STEP文件的实体构成方法。（2）研究从STEP中性文件提取数据信息的方法。包括研究和设计词法分析器。（3）研究基于属性邻接图的模型加工特征的自动识别方法。包括：建立零件的属性邻接图；建立工艺特征库。（4）根据加工工艺以及形状特征，为模具电极定义工艺特征。（5）建立加工工艺数据库，并在加工工艺与工艺特征之间建立映射关系。（6）在上述理论研究的基础上，结合建立好的数据库，研究开发基于工艺特征的数控自动编程系统。二、研究内容与创新点（二）创新点1、针对模具电极加工领域，提出了：通过STEP中性文件来读取电极信息，根据电极加工工艺与形状特征，为电极定义了工艺特征。并运用属性邻接图的方法，识别出电极的工艺特征。2、建立工艺特征与加工策略的映射关系，并建立具有学习功能的加工工艺库。根据工艺特征自动选择加工策略，生成NC程序，实现CAD/CAPP/CAM的无缝结合。三、STEP文件实体信息研究（一）产品数据交换标准STEP1、STEP标准的体系结构STEP标准组成部分集成资源集成通用通用（40~49）集成应用资源（100~199）应用解释构建（500~599）应用模块（1000以上）应用协议（200~299）实现方法（20~29）及一致性测试方法和框架（30~39）标准描述的方法（1~19）抽象测试套件（300~399）三、STEP文件实体信息研究2、STEP中性文件结构STEP中性文件结构HEADERHEADER_ENTITY1;HEADER_ENTITY2…….ENDSECDATAENTITY_INSTANCE1;ENTITY_INSTANCE2…….ENDSECEND-ISO-10303-21ISO-10303-21头段数据段文件开始文件结束三、STEP文件实体信息研究（二）STEPAP203信息模型研究1、边界表示法数据结构AP203采用的扩展边界表示法（Boundary/Representation，简称B-Rep），是以物体边界为基础，定义和描述几何体的方法。边界表示法建立了有效的数据结构，将描述形体的信息分层记录，描述形体的信息包括几何信息（Geometry）和拓扑信息（Topology），他们是独立却有相连的关系。在AP203的扩展边界表示法中，在体、面、边、顶点的概念中又添加了环(Loop)和壳(Shell)的概念。三、STEP文件实体信息研究根据B-Rep表示方法得到的基本的实体数据结构如右图所示。其中，椭圆中的信息属于拓扑信息，矩形中的信息属于几何信息。实体表达数据结构树Closed_shellAdvanced_faceFace_outer_boundEdge_loopOriented_edgeCurveCartesian_pointVectorDirectionCartesian_pointVertex_pointCartesian_pointSurfaceAxis2_placement_3DCartesian_pointDirectionCartesian_pointClosed_shellEdge_curveMainfold_solid_brep几何表示(geometric_representation_item)方向(direction)矢量(vector)点(point)曲线(curve)曲面(surface)坐标(placement)直线(line)表面曲线(surface_curve)边界曲线(bounded_curve)圆锥曲线(conic)初等曲面(elementary_surface)扫描曲面(swept_surface)边界曲面(bounded_surface)笛卡尔点(cartesion_point)3维参考坐标系(axis2_placement_3D)圆(circle)椭圆(ellipse)抛物线(parabola)B样条曲线(b_splin_curve)B样条曲面(b_splin_surface)延展曲面(surface_of_linear_extrusion)平面(plane)圆柱面(cylindrical_surface)三、STEP文件实体信息研究2、几何信息描述几何描述是以参数曲线和曲面为基础，将解析曲线和曲面表示为参数形式，用NURBS曲线和曲面描述。STEP文件的几何结构如图所示：STEP文件几何信息描述三、STEP文件实体信息研究3、拓扑信息描述拓扑元素是以分层方式定义的，每个拓扑元素有它自己的一套约束，上层元素的约束直接影响到下层元素。较低层的约束是由此低层到高层元素拓扑链的每个元素的约束的总和。STEP文件的拓扑结构如图所示：拓扑表示(topological_representation_item)顶点(Vertex)面(face)边(Edge)环(Loop)面边界(Face_bound)连通面集(connected_face_set)顶点：点(Vertex_point)有向边(Oriented_edge)曲线边(Edge_curve)边环(Edge_loopt)高级面(Advanced_face)封闭壳(Closed_shell)STEP文件拓扑信息描述四、工艺特征信息提取与识别（一）基于STEP文件的特征信息提取1、词法分析（1）数据段信息提取数据段信息提取的步骤如右图所示：数据段信息提取的步骤读入STEP文件的数据段拆分数据为数组，存入到Arr（）数组中。从Arr_ad（）数组读取实体的面边界、曲面以及表示实体拓扑方向与环方向是否相同的布尔值，分别存入数组找到CLOSED_SHELL所在的行，并记录ADVANCED_FACE所在行的行号，存入Arr_ad（）数组中实体面边界数组Face_bound_ID（）实体曲面数组Surface_ID（）布尔值Same_sense（）从面边界数组中读取有向边，存入Oriented_edge（）数组中从曲面数组中读取笛卡尔点坐标值及方向值从有向边数组中读取曲线边所在行和布尔方向标志，分别存入数组笛卡尔点数组Cartesian_point（）方向数组Direction（）X方向坐标值X（）Y方向坐标值Y（）Z方向坐标值Z（）X方向向量VX（）Y方向向量VY（）Z方向向量VZ（）曲线边数组Edge_curve（）布尔方向标志Orientation（）从曲线边数组读取曲线类型和曲线定点坐标值，分别存入数组中曲线类型数组curve_type（）四、工艺特征信息提取与识别（2）词法分析设计在提取数据信息的时候，以“，”、“=”、“#”、“‘”、“（”、“）”、“.”等符号作为分割符来读取Arr（）数组元素内的字符串，读取出实体信息以后，将字符转化为所需要的数据，从而得到诸如实体号、实体各属性值、组成该实体的实体号等信息，存入相应的数组中。以分析高级面Advanced_face所在的行“#24=ADVANCED_FACE(’NONE‘,(#140),#139,.F.);”为例，说明词法分析的具体流程。如右图所示。Advanced_face词法分析具体流程依次读入Arr_ad（）的数组元素，即Advanced_face所在的行，并去除该行中所有的空格查找第一个“）”和最后一个“，”，将这两个字符之间的数据“#139”提取，存入surface_ID数组中，即为曲面surface所在行的实体标志查找最后一个“（”和第一个“）”，将这两个字符之间的数据“#140”提取，存入Face_bound_ID（）数组中，即为面边界face_bound所在行的实体标志查找第一个“.”和最后一个“.”，将这两个字符之间的数据“F”提取，存入same_sense（）数组中，即表示拓扑方向与环方向是否相同的布尔值same_sense所在行的实体标志结束Advanced_face行的读取四、工艺特征信息提取与识别2、提取信息的工作格式以及信息存储前面已经提到，提取STEP文件信息是从CLOSED_SHELL所在的行入手，逐次读取ADVANCED_FACE、FACE_BOUND、SURFACE等信息。以ORIENTED_EDGE的读取为例，说明在VB中提取信息的工作格式。提取STEP信息工作格式ID=76，ORIENTED_EDGE读取Oriented_edge_ID=76定位曲线边ID：#77Orientation=F起点ID：#17终点ID：#18ID=77，EDGR_CURVE读取Edge_curve_ID=77定位曲线实体所在ID：#138ID=138，CURVE读取Curve_ID=138Curve_type=CIRCLE定位参考坐标ID：#137半径为：10.0ID=137，AXIS2_PLACEMENT_3D读取Axis_direction_ID=135Ref_direction_ID=134ID=135,Axis_direction读取Direction_ID=135Vx=0.0Vy=0.0Vz=1.0ID=134参考方向所在行，无需读取ID=17起点所在行，无需读取ID=18终点所在行，无需读取四、工艺特征信息提取与识别（二）工艺特征的定义及分类依据特征识别的前提是要对特征进行分类，具有相似属性的特征，要用可以唯一确定该类特征的表达方法来描述。针对模具电极加工领域，CAD/CAPP/CAM集成的关键不仅在于零件的几何特征描述，还在于工艺与制造特