基于Edgecam的实体加工在智能化编程中的应用

    一、引言
    CAM的发展是一个不断吸收和利用CAD及周边相关技术成果而不断发展的过程，它的基本处理方式及编程的目标对象对系统的结构、智能化水平等起着决定性的作用。CAM系统在APT时代，编程的目标对象为直接计算走刀轨迹。在曲面加工时代，CAM系统采用面相局部曲面的编程方式，系统可根据零件表面形状自动计算加工点位，很大程度上提高了编程的自动化程度。新一代的CAM系统将采用以实体模型为载体，面向工艺数据、实体特征的基本处理方式，自动加载加工信息，使系统的智能化程度大大提高。
    随着计算机技术和CAD技术的迅猛发展，创建一个高质量的零件实体模型已不再困难，同时实体模型在计算机辅助4C系统（CAD\CAE\CAPP\CAM）中的应用也越来越广泛，直接针对实体模型进行编程操作的实体加工方式，已成为当前主流的数控加工解决方案。而如何更有效的利用零件实体模型所携带的几何信息、工艺信息，完成更自动化、智能化的编程操作，是当前CAM技术面临的新议题。
    Edgecam做为实体加工的倡导者和推动者，采用实体特征加工的方式生成刀具路径，可更有效地利用实体模型中的几何信息、工艺信息，且编程过程简单直观，因此笔者在此以Edgecam为操作平台，探究如何更充分有效地利用实体模型的加工信息，实现自动化的编程操作。
   
    二、传统计算机辅助编程面临的问题
    由于历史的原因，众多的数控编程系统都采用的是针对曲面进行计算的处理方式，它以曲面模型为计算刀具路径的依据，根据曲面几何信息自动生成加工刀具轨迹，使数控加工的自动化程度得到了很大的提高。在计算机图形处理能力和数据存储能力有限的条件下，这种加工方式极大地推动了数控加工的发展。但随着计算机技术的发展，这种以CAD模型的几何形状为目标对象的处理方式，已经成为数控技术向智能化方向发展的制约因素。现代数控编程是以CAD模型为对象，以工艺为核心的工作过程，应该采取面向整体模型、面向工艺流程的处理方式。而这种非工程化概念的处理方式会带来一系列需要解决的问题：
    （1）不能有效地利用CAD模型的几何信息，如果无法自动提取模型的加工特征，只能靠人工提取，甚至靠重新模拟计算来取得必要的控制信息，影响了编程质量和效率，致使系统的智能化甚至自动化程度很低。
    （2）局部加工计算时靠人为干预才能防止过切现象，由于编程对象不是面向整体模型，系统没有从根本上杜绝过切现象产生的可能，因而无法满足对生产过程中安全系数的要求。
    （3）加工系统正朝着计算机辅助4C系统（CAD/CAE/CAPP/CAM）一体化集成的方向发展，零件模型数据的连贯性、完整性、准确性是加工系统集成的基础。然而基于曲面模型，面向零件全部或局部的处理方式不利于系统一体化的集成。
    近年来，随着CAD技术的高速发展，人们更愿意接受直接在零件实体模型上进行编程操作的方式，使数控编程变得更直观、更高效，更有效的承接上游CAD、CAE系统，实现整个加工系统的无缝兼容。然而，只是针对实体模型进行编程操作还远远不能实现编程智能化的目标。如果不能有效的提取和利用实体模型中的工艺信息，只将实体模型做为计算生成刀具路径的依据，那么实体编程和前面提到的曲面编程并无区别。
   
    三、基于实体特征的智能化加工
    在编程过程中，我们希望能将实体模型中所有对加工有用的信息，包括几何信息、工艺信息、零件材料信息等都提取出来，让CAM系统加以利用，将编程人员从这些繁琐的数据中解放出来。而对于编程的控制，编程人员只需掌控和调整系统无法决定的工艺参数、优化设置，从而在人工干预保证加工工艺的同时，实现快速、精准、智能化的编程操作。  
    由上所述，要实现智能化的编程操作，前提是系统能够自动识别实体模型中的相关加工信息，并将其加载到系统中。同时，系统必须根据识别的加工信息，帮助编程人员完成加工方法的选择、参数设置、刀具的选择、专家数据库的调用、切削用量的设定等操作，在编程人员少量人工干预的情况下，自动完成加工对象的编程操作。
    1.查找实体模型加工特征
    要对实体模型进行加工特征查找，一个重要前提便是实体模型没有任何数据丢失。任何中间数据格式的零件模型（如IGES、STL、STEP等）都会不同程度的丢失模型中的数据，造成无法充分利用实体模型的加工信息。因此，若要充分利用实体模型实现智能加工，直接读取CAD零件模型保证模型数据完整是至关重要的。
    在CAM系统中，我们将零件模型中需要的加工特征提取出来，系统自动找到模型的几何参数信息、工艺信息，将其做为后面编程操作的依据。如图1所示，系统查找出所有可加工的实体特征，每个实体特征包含丰富的加工信息。在后面编程操作时，这些加工信息全部由系统自动加载。
   

图1 零件加工特征

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    分页2.加工方法自动判定
   
    由于加工特征中包含了完整的加工信息，因此系统可根据这些加工信息自动筛选合适的加工方法，如图2所示。在传统的编程操作中，加工方法的选用都是由编程人员根据加工对象的特性和对预计刀具路径形状的判断，选择一种合适的加工方法。而要实现智能化编程，必须赋予系统自动判断加工方法的能力。实现了这关键的一步，意味着系统可根据加工方法识别并加载更多的加工信息。
    

图2 自动判定加工方法

    
    3.自动设置加工参数
    真正的实体加工，应当是充分利用实体模型所能承载的几何信息、材料信息、工艺信息，自动判断并调用所需的参数，实现更精确、智能的走刀控制。而在整个编程过程中，编程人员扮演的只是一个引导和协调的角色，减少了人工操作的不准确性对编程带来的影响，从根本上提高了程序的精度。如图3所示，系统自动加载所需的几何参数信息，同时根据选择的刀具和模型材料自动调用专家数据库，实现关键参数的自动设置。在此，工艺人员只需进行工艺设置和优化设置即可完成编程操作。
    

    图3 自动设置加工参数

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分页同时，CAM系统的智能化发展是离不开CAD系统的支持的。随着CAD周边技术的不断发展，原有的单一承载零件几何信息的实体模型已不能满足生产的需要。我们希望零件模型中能够包含零件材料、公差、粗糙度等工艺信息，满足CAPP/CAM系统对零件工艺设置的要求。目前各CAD厂商已意识到了这一点，但技术还有待成熟，而要直接将这些工艺信息读入到CAM系统中更是非常困难，阻碍了CAM智能化发展的步伐。目前在Edgecam中，我们可以通过Edgecam的CAD模块——Partmodeler为零件实体模型添加加工工艺信息，如图4所示。但不管采用何种处理方式，为实现CAM系统智能化的目标，零件模型中的工艺信息是必不可少的。在此我们也期望CAD技术与CAM技术协同发展，为CAM系统提供信息量更丰富更全面的零件模型。
    
   

图4 在Partmodeler中添加工艺信息

    
    4.基于特征加工技术的全自动编程
   
    若能有效地利用实体模型携带的丰富的加工信息，并通过系统自动识别加工特征、自动筛选加工方法、自动设置加工参数的功能，实现无人工干预的全自动的编程操作是完全可能的。在此，笔者利用Edgecam的二次开发工具，以特征加工为基本指导思想，简述基于特征加工技术实现全自动编程的一种方法。
   
    Edgecam为用户提供了一个定制自动化加工的二次开发工具——策略管理器，可将一些基本的加工方法，通过编程流程树的方式组合起来，形成一种全新的“加工方法”，我们将这种“加工方法”称之为“加工策略”。针对零件特征使用这种加工策略，系统可自行判断加工对象，并加载合适的加工参数，自动生成刀具路径。整个过程无需人工干预，实现了全自动编程的目标，是一种非常具有代表性的特征加工方法。
   
    首先，我们采用实体加工的编程方式生成一个最基本的加工工序，如预钻孔加工、沉头孔加工、50mm以下小型腔加工等。将这个加工工序复制并粘贴到策略管理器中，将其作为程序流程树中的一个基本加工节点。如图5所示。

图5 创建基本加工节点

    
    重复前面的操作，创建更多的基本加工节点。将这些加工节点拖拽到图形工作区中，按照一定的编程逻辑关系将其组成一个完整的加工流程树。在这个流程树中，可根据需要添加一些判断节点、组节点、结束节点等，如图6所示。
    
   

图6 加工流程树

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    在应用加工策略（加工流程树）时，需先查找出实体零件模型的加工特征，针对这些特征应用加工策略。系统可根据策略中设置的判断节点对特征类别加以判断，确定采用何种加工方法、加工参数、优化方式完成每一个特征的加工。如在图6中可以看到，该策略是一个完整的孔加工策略，在制定该加工策略时，添加了对特征进行判断的节点，因此这里可以选择所有的特征来应用这个加工策略。对于非孔类特征（如型腔和外形加工特征）不适合处理，则直接运行到“结束”节点结束流程。而对于孔特征，则按照策略流程树中设置的流程进行处理，流程运行结束即可得到完整的刀具路径。在此，笔者针对一个型腔类零件应用型腔和外轮廓加工的加工策略，得到的刀具路径如图7所示。

    

图7 应用加工策略

    在整个策略加工过程中，编程人员只需调用加工策略，无需设置任何加工参数，系统可自动识别并加载所需的加工信息，按照设置的加工流程完成全自动的编程操作，可以认为是一种真正的智能化编程方式。
   
   
    四、结束语
    可以看到，本文所说的实体加工和我们通常理解的在实体模型上进行加工编程是两种完全不同的概念。后者是把实体模型当作曲面模型来应用，而真正是实体加工应当能够充分利用实体模型的加工信息，实现更智能化的编程操作。本文中提到的特征加工是一种非常具有代表性的实体加工方式，应用特征加工可以实现更多的智能加工选项，甚至是全自动编程。随着人们对加工系统一体化集成和编程智能化有了更高的需求和更深的认识，实体模型在加工领域中扮演着越来越重要的角色，而实体加工已成为未来数控编程的一个发展方向，希望能有越来越多的CAM产品在此方向上进一步探索和发展。