了解“基于知識(shí)加工”
時(shí)間:2011-02-27 10:21:58 來(lái)源:
用CNC 設(shè)備進(jìn)行有效的加工，機(jī)床、刀具、夾具等方面的知識(shí)都是必要的。CAM 軟件開(kāi)發(fā)商不斷推出新的編程功能，使這些非常重要的知識(shí)成為CAM系統(tǒng)自動(dòng)化的一部分。這種自動(dòng)化有助于精簡(jiǎn)或整合NC程序的生成過(guò)程，從而優(yōu)化加工。 “基于知識(shí)加工”這個(gè)術(shù)語(yǔ)經(jīng)常應(yīng)用于這樣的功能，但是沒(méi)有任何標(biāo)準(zhǔn)的定義或精確的含義。該術(shù)語(yǔ)涉及各種各樣的能力，其含義因系統(tǒng)而異。
圖1：零件幾何模型必須同可加工特征相關(guān)聯(lián)，而這些特征又必須同機(jī)床上進(jìn)行的操作相關(guān)聯(lián)。“基于知識(shí)加工”有助于這個(gè)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化
只要看看幾個(gè)CAM系統(tǒng)，就能發(fā)現(xiàn)當(dāng)前可利用的“基于知識(shí)加工”的功能范圍。本文沒(méi)有涉及的系統(tǒng)中，也可發(fā)現(xiàn)其它許多創(chuàng)新。有一點(diǎn)必須牢記，“基于知識(shí)加工”代表CAM開(kāi)發(fā)商的努力，他們極力使CNC編程員的工作更有效、更一致，并使CNC操作更有效、更可靠。
工件特征
“基于知識(shí)加工”的一個(gè)共同思想是把工件特征同加工步驟聯(lián)系在一起。特征是一組特定加工程序可在零件上生成的幾何形狀，如孔、腔、槽和凸臺(tái)。同這些特征的加工過(guò)程相關(guān)的知識(shí)可以保存在數(shù)據(jù)庫(kù)里，這包括加工零件特征需要的工序以及每個(gè)工序?qū)?yīng)的加工參數(shù)。
零件幾何建模是CNC編程的起點(diǎn)，用戶可在CAM范圍內(nèi)根據(jù)圖紙并采用CAD工具建模，也可以從外部資源輸入模型，例如從另一個(gè)CAD/CAM 系統(tǒng)。以幾何方式表示的零件特征必須加以正確的標(biāo)識(shí)，而且必須同相應(yīng)的加工操作相聯(lián)系。
使用Engineering Geometry Systems公司的FeatureCAM 系列CAM軟件包，可以看出以幾何特征關(guān)聯(lián)加工知識(shí)的基本原理。該軟件采用不尋常的方式建模－采用一組特征建立零件幾何模型，而尺寸數(shù)據(jù)和其它屬性由用戶根據(jù)系統(tǒng)提示進(jìn)行添加。這種方式大大不同于選擇點(diǎn)、線和圓弧建模的常規(guī)方式。
采用FeatureCAM時(shí),用戶利用系統(tǒng)CAD 工具或鍵入尺寸確定零件的幾何特征。一旦用戶指示該零件有槽、腔、孔或其它特征，系統(tǒng)便詢問(wèn)問(wèn)題或提供選擇，以此收集該特征得以加工的一切必要信息，并使剩余的編程步驟自動(dòng)化。例如零件需要有一個(gè)矩形型腔，用戶可以利用CAD工具建立一個(gè)矩形，或者鍵入該型腔的尺寸和位置，然后，系統(tǒng)程序詢問(wèn)用戶是否想在槽腔上增加不同的元件，如倒角或底部倒圓。待用戶選擇后，程序自動(dòng)把這些元素附加到型腔上。
接著，程序決定每個(gè)特征需要的粗加工和精加工操作、選擇每項(xiàng)操作的工具、計(jì)算進(jìn)給率和速度、生成刀具路徑和后處理NC代碼。另外，即使在“基于知識(shí)加工”編程自動(dòng)化的情況下， FeatureCAM允許用戶修改程序。自動(dòng)編程由一組加工屬性加以控制，用戶可以對(duì)屬性進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)不同的切削策略。
輸入CAD文件建立零件幾何模型時(shí)，軟件自動(dòng)識(shí)別該零件相應(yīng)的特征。自動(dòng)特征識(shí)別對(duì)FeatureMILL2.5D是任選功能，對(duì) FeatureMILL3D是標(biāo)準(zhǔn)功能。自動(dòng)特征識(shí)別功能按照“零件以特征建模、編程自動(dòng)化”的方式，使孔、腔和槽等零件特征能夠同加工步驟相聯(lián)系。
采用這個(gè)3D軟件包，對(duì)零件模型進(jìn)行分析，找出所有的不能作為簡(jiǎn)單特征加以識(shí)別的復(fù)雜形狀。這些復(fù)雜形狀的表面被用作粗加工和精加工策略的基礎(chǔ)，而加工策略以用戶選擇的加工技術(shù)為依據(jù)，如橫向進(jìn)給粗銑、螺旋型精銑、陡錐度二次加工和Z平面半精加工等。
知識(shí)收集
提供速度/進(jìn)給率數(shù)據(jù)表、工具數(shù)據(jù)庫(kù)和其它機(jī)加數(shù)據(jù)是“基于知識(shí)加工”的一個(gè)層面，收集加工知識(shí)是“基于知識(shí)加工”系統(tǒng)的另一個(gè)強(qiáng)勁趨勢(shì)。Gibbs and Associates 公司的GibbsCAM可進(jìn)行有趣的“學(xué)習(xí)”，因?yàn)樵撥浖稍诓煌膶用妗笆占R(shí)”。
該軟件提供的加工數(shù)據(jù)庫(kù)為第一層，據(jù)說(shuō)Cutdata 任選數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)錄入70,000多個(gè)離散數(shù)據(jù)，使切削刀具、工件、切削方式、切削深度等數(shù)值同速度、進(jìn)給率、暫停時(shí)間及其它數(shù)值相匹配。用戶可以隨時(shí)修改和擴(kuò)充這些加工數(shù)據(jù)，使GibbsCAM“基于知識(shí)加工”軟件能夠在這個(gè)層面獲得有關(guān)加工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)。
知識(shí)收集的真正重點(diǎn)在另外兩個(gè)層面，該軟件允許用戶在下一個(gè)層面建立多工序零件程序模板。實(shí)際上，GibbsCAM 的這一功能稱作多工序編程。例如，加工一種孔的所有細(xì)節(jié)(試鉆、鉆孔、鉸孔、锪孔、倒角以及所需刀具的規(guī)格和有關(guān)加工參數(shù))形成一個(gè)模板。該模板存入數(shù)據(jù)庫(kù)，只要有類似的工件碰到這種孔，即可調(diào)用。
相同的工序系列和相同的加工參數(shù)可以組成一個(gè)新的零件程序，對(duì)這樣的順序和參數(shù)也可以修改。在合適的場(chǎng)合下還可以采用輔助模板，可以利用幾個(gè)模板建立一個(gè)完整的程序。模板可自動(dòng)重復(fù)利用知識(shí)，而不必重新輸入大量數(shù)據(jù)，它們代表編程過(guò)程的重要整合。
除了模板以外，下一步把用戶帶到另一個(gè)層面。在這個(gè)層面上，系統(tǒng)被賦予決策權(quán)。系統(tǒng)以用戶建立的“規(guī)則”為基礎(chǔ)進(jìn)行判斷，以體現(xiàn)用戶優(yōu)選的技術(shù)。按照用戶規(guī)則，系統(tǒng)自動(dòng)選擇工序步驟、切削刀具、速度和進(jìn)給率等，進(jìn)行計(jì)算并采用計(jì)算結(jié)果。例如，它根據(jù)用戶的設(shè)置，以刀具直徑的百分比設(shè)置暫停時(shí)間，并且為了給精加工留下均勻的切削余量而增加粗切補(bǔ)償量。
未來(lái)的知識(shí)
Esprit 開(kāi)發(fā)商對(duì)“基于知識(shí)加工”的前景作了有趣的展望, Esprit是DP Technology 公司開(kāi)發(fā)的CAM軟件。該公司認(rèn)為“基于知識(shí)加工”不僅對(duì)編程進(jìn)一步自動(dòng)化發(fā)揮關(guān)鍵作用，而且使加工現(xiàn)場(chǎng)的創(chuàng)新構(gòu)思得以實(shí)現(xiàn)，如STEP-NC。在這一方式下，“基于知識(shí)加工""對(duì)組織、管理和重復(fù)應(yīng)用加工步驟具有最大的價(jià)值，適合于幾何特征復(fù)雜、需要轉(zhuǎn)位才能加工幾個(gè)側(cè)面或需要很多不同操作的零件。因此，“基于知識(shí)加工”將演變成為一種高級(jí)的加工計(jì)劃形式。在這個(gè)意義上，加工計(jì)劃把加工一個(gè)成品零件所必須的所有操作綜合起來(lái)；將加工每
個(gè)零件特征的詳細(xì)數(shù)據(jù)收集在一起，形成一個(gè)“加工計(jì)劃”，它包括加工周期、切削刀具和生成刀具路徑所用的切削策略。
為了區(qū)分哪些特征正在被切削、如何切削以及使用什么刀具，Esprit“基于知識(shí)加工”項(xiàng)目經(jīng)理設(shè)計(jì)了一個(gè)“特征樹(shù)”，用圖說(shuō)明如何把工件劃分成可加工特征，如孔、槽和型腔。每個(gè)特征下面有一個(gè)切削操作子目錄，列出該特征所需要的操作。子目錄中的每一個(gè)操作也有一個(gè)子目錄，用來(lái)表示刀具庫(kù)中已經(jīng)被選擇的刀具。
順著這個(gè)樹(shù)的分支，用戶可以檢查、更改或重新安排該零件的加工計(jì)劃。加工計(jì)劃可以保存并在以后修改，以便為相似工件建立加工計(jì)劃。另外，不同的加工循環(huán)可以組合在一起，形成某個(gè)特征的標(biāo)準(zhǔn)工序。
加工計(jì)劃完成以后，程序員通過(guò)按鍵生成相應(yīng)的G代碼刀具路徑。DP Technology策劃者著眼未來(lái)，他們?yōu)榱瞬捎脴?biāo)準(zhǔn)化的可互換格式建立數(shù)字式產(chǎn)品模型，把正在建立的加工計(jì)劃視作設(shè)計(jì)和工程研究的一部分。這種格式稱為STEP-NC。顧名思義，STEP-NC要求生成G代碼刀具路徑的最后工序保持停止，直至該產(chǎn)品模型對(duì)應(yīng)的工件即將在CNC設(shè)備上加工。
圖2：“基于知識(shí)加工”正在發(fā)展成為一種加工計(jì)劃形式，利用它，可以按最合理的形式管理和編排切削操作
基于知識(shí)加工的樣板
真正優(yōu)化的進(jìn)給率 ：進(jìn)給率優(yōu)化是尋求最有效進(jìn)給率的編程技術(shù)，優(yōu)化過(guò)程隨著材料切除量和刀具路徑方向的變化而調(diào)整進(jìn)給率。
CNC Software公司的Mastercam提供“智能型”進(jìn)給率優(yōu)化功能，它根據(jù)加工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床的實(shí)際進(jìn)給率極限對(duì)進(jìn)給率進(jìn)行調(diào)節(jié)。Mastercam 可以分步引導(dǎo)用戶完成確定最大進(jìn)給率極限的過(guò)程。從本質(zhì)上看，該過(guò)程是在一個(gè)試驗(yàn)工件上切削圓周，然后逐漸提高進(jìn)給率重復(fù)切削，直到進(jìn)給率大于機(jī)床伺服系統(tǒng)的能力。這個(gè)值代表軟件給予該機(jī)床的進(jìn)給率上限。Mastercam利用這種知識(shí)，并根據(jù)材料切除量對(duì)二軸或三軸刀具路徑進(jìn)行優(yōu)化：刀具在切削余量比較大時(shí)放慢進(jìn)刀速度，在切削余量比較淺時(shí)加快進(jìn)刀速度，但是決不會(huì)大于試切削輸入的極限。同樣，在夾角處，進(jìn)刀速度將減慢，使刀具安全準(zhǔn)確地進(jìn)入夾角，然后再返回最佳速度。因?yàn)檫M(jìn)給率是由實(shí)際性能特征決定的，而不是理論值，因此優(yōu)化對(duì)保證刀具壽命、減少機(jī)床磨損是非常有效的，當(dāng)然還可以有效地縮短總切削時(shí)間。
非程序員用CNC ：有時(shí)候，編程人員忙的無(wú)法脫身，就需要非編程人員參與編程。Delcam 開(kāi)發(fā)的基于知識(shí)的PowerMill AutoCAM軟件，既可簡(jiǎn)化編程，又可提高刀具路徑的生成速度。現(xiàn)有的“基于知識(shí)加工”系統(tǒng)大多根據(jù)特征識(shí)別，使每個(gè)幾何元素(如孔或凸臺(tái))能夠在一定的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化方式下得以加工。PowerMill AutoCAM另辟蹊徑，它對(duì)CAD模型的所有表面進(jìn)行分析，然后利用分析結(jié)果為整個(gè)任務(wù)選擇最合適的加工方法。
用戶使用這個(gè)軟件，只須輸入待加工的CAD模型，指定材料毛坯的規(guī)格，并選擇機(jī)床，包括要求高速加工的刀具路徑，還是常規(guī)操作的刀具路徑。該軟件將自動(dòng)選擇刀具和切削策略，生成刀具路徑并對(duì)其進(jìn)行后處理，無(wú)須用戶進(jìn)一步干預(yù)。整個(gè)過(guò)程最多用幾分鐘，相比之下，在使用常規(guī)CAM系統(tǒng)時(shí)，熟練程序員大概要花許多小時(shí)才能完成。
100%適合于孔加工 ：孔加工是最頻繁的工序，也是“基于知識(shí)加工”的先進(jìn)之處。Surfware 公司的SurfCAM提供的Advanced Hole Processing(高級(jí)孔加工)自動(dòng)鉆孔軟件，允許用戶把多個(gè)循環(huán)操作合并為一個(gè)能反復(fù)調(diào)用的過(guò)程，以節(jié)約重復(fù)性任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。
用戶對(duì)如何控制一系列孔的加工順序有多個(gè)選擇，“類別-順序”選項(xiàng)包括：用戶定義的“人工分類”、“最短(孔間)距離”和“線性分類”，該選項(xiàng)使用戶能夠在其規(guī)定的帶寬范圍內(nèi)控制鉆孔的主方向和階進(jìn)方向。“計(jì)算”鍵用來(lái)生成每種順序的循環(huán)時(shí)間，使用戶能夠?qū)Ρ让總€(gè)過(guò)程，并作出最適合的選擇。任選功能“精密模式”可以按照用戶規(guī)定的進(jìn)給速度和距離同時(shí)移動(dòng)兩個(gè)軸坐標(biāo)，這樣，刀具從相同的方向接近每個(gè)孔位，就能消除“齒隙”誤差，保證所有孔的定位都在機(jī)床的重復(fù)精度極限范圍內(nèi)。