图形化交互式数控车削自动编程方法及系统的制作方法

专利名称：图形化交互式数控车削自动编程方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数控车削控制系统领域，尤其涉及有灵活制订数控加工工艺和切 削轨迹能力的图形化交互式数控车削自动编程方法及系统。
背景技术：
数控车削自动编程构建于两条成熟的技术路径之上，即自动编程工具APT 与计算机辅助设计和制造即CAD/CAM技术。目前基于APT基础上开发的面向加工，具有一定适用范围的小型编程系统 包括如美国的用于轮廓控制的ADATP和用于点位控制的AUTOSPOT系统。德 国的分别面向点位加工、车削加工和铣削加工研制出EXAPT(Extended Automatically Programmed Tools)-l 、 EXAPT-2和EXAPT-3系列小型自动编程系 统，以及日本的FAPT语言系统以及我国研制的ZCK和SKG等编程系统。由 APT衍生出的各种小型专用数控语言编程系统，被用于数控车削或铣削编程时 有以下三类缺点(l)编程人员需要学习和掌握数控语言，(2)需要将被加工零件 信息转换成文字或数字信息，不仅不直观，而且在转换过程中出错率高，(3)数 控语言编程目前还是采用批处理形式，即用数控语言编写的零件源程序，输入计 算机后只进行一次处理，且在处理过程中无法进行人工干预，从而无法对指令代 码的运行结果进行修改。计算机辅助编程是CAD/CAM领域的重要技术分支，也是设计和实现数控车 削自动编程的另一技术路径。80年代由德国开发的01(^ 自动编程系统属于早期 典型的图形化交互式自动编程系统，具备初步的图像编辑和代码生成功能；90 年代瑞士 Cimalog公司研制的Multi CAD/CAM⑧软件系统则具备了进行三维产品 设计功能，根据设计出的实体造型，可以生成刀具路径，配合工艺参数即可生成 数控指令，然后直接或通过穿孔带将加工程序输入数控机床。目前采用图形化交 互式自动编程概念进行开发、具备数控编程功能的CAD/CAM —体化软件主要 有美国CNC Software公司研制的MASTER CAM⑧软件，以及由EDS公司开发 的UG⑧系统。这些软件都集成了数控加工功能模块，能进行线框造型设计及基于非均匀有理B样条曲面造型设计、自动尺寸标注、NC代码校核与修正，以及 过切干涉检测，通过建立统一的加工工艺信息管理模型及生成机床控制系统代码 的通用后置处理，借助数控编程技术实现了无纸化高效自动加工。我国在70年代末参照APT的结构开发出相应的数控语言系统。比如南京 航天航空大学研制的SKG语言系统，太原重型机器厂研制的8八 1@系统等，都 属于APT衍生物。近年来，在个人微机(PC)及工业计算机(IPC)上开发的、基于 APT的各种专用编程系统也已初具规模，并正在发展成为一个大型、集成化计 算机软件CADEMAS(Computer Aided Development, Engineering Manufacturing and Support),其中一个重要部分是计算机自动数控编程系统(NCG APTX, APTX-GI)。另一方面，随着CAD/CAM技术的不断推进，我国也在引进国外先 进CAD/CAM技术的基础上，对如何实现数控加工程序的自动化编程及仿真进 行了初步研究和探讨，其中包括图形化数控车床辅助/半自动编程系统开发，但 无论是国外或者国内开发的数控编程系统，对于诸如跨平台特性、CAD图形数 据优化、数控加工工艺及刀具轨迹自动规划、以及基于虚拟现实的三维加工过程 仿真的研究仍停留在理论分析与方法论层面。针对国产高档数控系统这一快速发展的产业集群，在车削编程中的图形化交互式、计算机辅助或自动工艺课题解算 及工艺规程制订等配套技术领域未见具体技术和软件系统的实现。发明内容鉴于本发明基于上述环境；因此本发明主要目标是提供可以灵活、系统的制 订数控加工工艺或由系统根据零件制造特征自动生成加工工艺；或由系统自动 生成加工工艺后向工艺人员输出工艺链表，由工艺人员结合自身工艺经验进行修 改；或完全由工艺人员指定加工工艺；最终由系统根据形成的工艺链表计算刀具 路径，并生成数控指令代码，实现简单零件或复杂零件的高效率编程，能够提高 编程效率及NC代码质量、促进快速产品过程实现(RPPR)和集成化产品开发 (IPPD)过程。本发明的技术方案是图形化交互式数控车削自动控制方法，其特征是包括 下列步骤…-读入毛坯和零件图，去除冗余信息，并判断图形是否准确；——使图形具有实时交互功能，能够修正零件加工表面的信息，包括加工表面类型，准确的几何信息，表面粗糙度；-…一根据用户选择确定是进行自动编程、辅助编程还是混合编程；--…如果用户选择自动编程，则系统进入自动工序规划、轨迹生成及编程程 序，进入自动工序规划、轨迹生成及编程程序后，首先分别设置好工件坐标系、 退刀面和安全距离；由用户选择进行粗，精还是完整加工，如果选择进行粗加工， 则通过用户接口分别设置一组组合加工刀具，通用余量，通用切深，通用进给量 和切削速度；如果是只进行精加工，则通过用户接口分别设置精加工组合刀具， 切深，进给量和切削速度；若用户选择包含粗、精的完整加工，那么需要分别设 置粗精加工信息；当这些信息都设置完成以后，进入进行轨迹规划程序；…-当进入辅助/半自动工序规划、轨迹生成及编程程序，通过用户接口设置 工件坐标系，退刀面和安全距离；用户设定所需工步，在设定每一个工步时，需 要选取当前工步对应的加工表面，刀具，进退刀方式设置，主轴转向；对加工表 面同时或分别设置加工余量，切削深度，进给量，切削速度，在所有工步设定完 毕后，进入进行轨迹规划程序；—-当进入混合编程程序后，首先进入自动工序规划、轨迹生成及编程程序， 在完成自动工序规划、轨迹生成及编程程序后，系统输出工序列表至辅助/半自 动工序规划、轨迹生成及编程程序，系统可根据工艺人员的修改结果直接由生成 刀具路径程序实施轨迹规划，轨迹规划成功后，显示规划的轨迹；根据规划出来 的轨迹生成符合机床配置要求的NC代码，对代码进行编辑，对NC代码进行加 工仿真。所述自动工序规划、轨迹生成及编程程序具体包括下列步骤通过加载CAD 数据，识别、抽取、记录和分析零件制造特征，在获取完整零件加工轮廓后，根 据用户选择的加工方式即粗车、精车或粗精车，分别生成对应加工工序；(O粗 车加工工序的步骤是，首先确定零件外表面粗车轮廓，然后分别确定粗车轮廓中 端面切削范围、最外层外圆切削轮廓、以及凹陷轮廓；在加工顺序上，首先车端 面，既而对外圆切削轮廓进行刀具干涉检査，确定可实施粗车的单调递增外圆轮 廓，然后对可实施粗车的单调递增外圆轮廓实施粗车，然后车凹陷部分，再对凹 陷轮廓中的未加工完部分实施区域及清根补粗车，然后粗车外轮廓槽及螺纹、钻 孔、镗孔，最后加工内轮廓中的槽和螺纹；(2)精车加工工序的工作步骤是，首 先得到外表面精车轮廓，进行刀具干涉检查后，按序进行外轮廓精车、内轮廓精 车、精车槽、精车螺纹；(3)完整加工工序的工作步骤是，确定零件外表面粗车 轮廓，然后分别确定粗车轮廓中的端面切削范围、最外层外圆切削轮廓、以及凹 陷轮廓；在加工顺序上，首先车端面，既而对外圆切削轮廓进行刀具干涉检査， 确定可实施粗车的单调递增外圆轮廓，然后对可实施粗车的单调递增外圆轮廓实 施粗车，先车凹陷部分，再对凹陷轮廓未加工完的部分实施区域及清根补粗车，并精车外轮廓，然后实施清根精车；再按序进行粗车外轮廓槽、精车外轮廓槽、 粗车螺纹、精车螺纹、钻孔、镗孔、车内轮廓槽、车内轮廓螺纹；在获取轮廓， 按照某种顺序，生成对应工序时，将生成的各工序以链表形式存储在系统内存中； 该工艺链表中的各个可输出链表项记录了对应被加工表面、实施加工类型、工艺 装备，以及包括加工方法、加工余量、切削行距、主轴转速及转向等在内的主要 工艺信息。所述辅助/半自动工序规划、轨迹生成及编程程序具体包括下列歩骤首先 获取用户指定加工轮廓的起点，即首个加工面的右端点，并补全该起点前的加工 轮廓，然后将该部分加工轮廓，包括首个加工面，存储在链表当中；如果用户所 指定加工轮廓，包括首个加工面、最后一个加工面和这两者之间的其它加工面均 为连续表面，则直接存储加工面信息；若存在下列三种情况中的任意一种即(1) 首个加工面与下一个加工面不连续；(2)最后一个加工面与前一个加工面不连续； (3)首个加工面与最后一个加工面之间(不包括首个加工面、最后一个加工面) 存在非连续加工面，则算法首先获取前后加工面之间的零件轮廓特征，然后根据 "局部最高点"一次性生成新的、完整的加工轮廓，最后将新的补全后的加工轮 廓及其加工面信息存储在链表中，新的连续加工轮廓生成后系统将针对新轮廓实 施冗余点、局部重复线去除并得到一个不但是连续的、与毛坯之间呈闭合关系且 系统能够进行识别、处理，并以此为基础实施自动轨迹规划的完整加工轮廓。所述自动-辅助相结合的混合编程程序具体包括下列步骤主要判别零件当 前内、外轮廓是否与系统初始化后输入的最终零件的轮廓一致，如果不一致，则 自动获取未加工区域轮廓，并生成该区域补加工或清根补加工工序，确定零件加 工完全后，系统将结合用户输入刀具和切削参数以及系统决策结果，形成完整的 工序链表，并将其导入辅助编辑程序。图形化交互式数控车削自动编程系统，其特征是包括CAD数据读入模块， 它为用户提供工程图文数据接口 ，所述CAD数据读入模块包括负责加载和解析 CAD数据的CAD数据解析模块，用户可以通过信息录入和图形修正模块录入零 件尺寸、表面粗糙度、修改零件几何信息，CAD数据被负责CAD数据可视化的 用户显示模块接受；所述CAD数据读入模块分别与自动编程模块、辅助编程模 块和混合编程模块相连，所述自动编程模块包括加工参数订制模块和切削参数订 制模块，加工参数订制模块为用户提供制订数控加工工艺方案的用户接口和多种 制订模式，用户可使用该模块定义包括工件坐标系、进退刀面等参数在内的加工 参数，切削参数订制模块为粗、精车加工工艺定义包括切削用量在内的切削参数; 所述辅助编程模块包括工步方案排定模块和工步方案编辑模块，所述工步方案排定模块为用户编排数控加工工艺提供用户接口，工步方案编辑模块提供用户用于 修改上述加工工艺的用户接口；所述混合编程模块包括加工参数订制模块、切削 参数订制模块和工步方案编辑模块，用户借助加工参数订制模块设置加工参数， 根据切削参数订制模块提供的接口，为粗、精车工序定义切削参数，系统自动输 出按加工顺序排列的各工步即完整工步列表，工步方案编辑模块提供用于修改上 述工步列表的用户接口；自动编程模块、辅助编程模块和混合编程模块分别与自 动轨迹模块相连，自动轨迹规划模块为技术实现的核心功能模块，根据拟订工艺 方案生成带进退刀轨迹的优化刀具进给路线，所述自动轨迹规划模块包括轨迹解 算和优化模块、轨迹显示模块，所述轨迹解算和优化模块根据零件制造特征或用 户排定的工步方案自动实施轨迹规划，轨迹规划的结果由轨迹显示模块输出至图 象显示区域；自动轨迹规划模块与NC代码生成模块相连，NC代码生成模块包 括G、 M代码生成模块和后置处理模块，所述G、 M代码生成模块根据轨迹规 划的结果即输出的轨迹链表，结合用户指定的切削参数自动生成符合IS06983 的G、 M代码，生成的代码送入后置处理模块将其转换为机床控制器可以识别、 符合指定机床配置的代码；NC代码生成模块与车削过程仿真模块相连，车削过 程仿真模块包括环境构建模块和虚拟仿真模块，车削仿真模块对生成的NC代码进行仿真校验，环境构建模块渲染环境搭建，虚拟仿真模块提供用户以2D或3D 模式对加工过程进行可视化的接口 。本发明的效果是本发明的第一部分是跨平台图形化交互式数控车削自动编 程系统的所使用的开发技术。它支持并可以将图形化交互式数控车削自动编程系 统集成到在不同平台上运行的数控系统中去，也可以使其作为独立运行的离线数 控编程系统。基于QT, OpenGL， ANSI 0++开发的主程序及动态链接库可以在 Window 98/2000/NT/XP， Linux， RT Linux上运行。本发明的第二部分是图形化、交互式快速数控加工工艺规划的支持方法。它 用于支持包含多种模式的数控加工工艺制订，并给用户提供数据接口，通过在屏 幕上显示CAD图纸，采用热区响应支持用户选择加工面和加工顺序，采用表格 方式记载并支持用户对工艺链表进行修改，形成一整套创新的数控加工工艺制订流程。本方法包括的步骤由用户选择模式，该模式决定了数控加工工艺制订及 编程的方式；系统根据用户提供的模式选择信息，提供给用户相应的图形用户接 口、参数设置选项和输入界面，再由用户根据系统提示、以及提供的接口实施数 控加工工艺规划。本发明的第三部分是根据所述本发明第二部分的配套轨迹规划方法。该方法 包括对零件几何位置信息的处理，粗加工轮廓计算，最外层切削轮廓的计算以及系统轨迹规划方法等。零件几何位置信息的处理可进行有用CAD数据识别，包 括能够识别带有完整信息的回转体类图形，完整信息指在零件图上包括中心线， 标注，基准面，公差，粗糙度，轮廓，剖面线等。能够去除干扰，识别完整图形 中的轮廓，并且进一步识别实际标注和粗糙度，最终研究提取出各个面对应的尺 寸和粗糙度；目前，零件几何位置信息的处理采用"逆时针最小夹角法"识别零 件的外轮廓，在使用该方法前，零件几何位置信息的处理还包括对读入零件数据 的预处理，即清除轮廓外的其它信息，并识别各个图元是否属于零件轮廓图的一 部分，剔除粗糙度和其它干扰线；此外，零件几何位置信息的处理还包括对提取 出的零件轮廓所包含的各图元的排序。粗加工轮廓计算所采用的主要方法是在加 工面上留出一定余量，在具体求解粗加工轮廓时，通过每两个零件轮廓实体求出 其交点，把这些交点按照一定规则连接起来形成连续加工轮廓。粗加工轮廓计算 得到的是整个零件的最终粗加工轨迹，它通常是经过多个粗加工工序得到的最终 轨迹。对于最常见的加工形式，往往先进行大余量外圆切削。所以，在粗加工外 轮廓的基础上，还需要由最外层切削轮廓的计算方法求出最外层切削轮廓，该方 法针对大余量切削中无法加工的零件外缘凹陷部分进行识别并跳过凹陷部分，对 于跳过的凹陷部分，系统将记录下来以待后续自动实施区域补加工。轨迹规划方 法适用于粗、精加工，该方法主要解算各切削位置和上述切削轮廓的交点，系统 确定哪个实体和切削位置有交点后，求出所需各对交点，各对交点的连线即为切 削轨迹。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。


图1是本发明工作流程图，表示本发明的图形化交互式数控车削自动编程方 法的设计工作流程；图2是图1中所示自动工序规划、轨迹生成及编程方法的算法说明；图3是图1中所示辅助/半自动工序规划、轨迹生成及编程方法的算法说明；图4是图1中所示自动-辅助相结合的混合编程方法的算法说明；图5是本发明结构框图；图6是一张系统功能图，示出了本发明的图形化交互式数控车削自动编程系 统的实施例；图7示出了包含在图5中所示CAD直接数据接口的例子；图8示出了包含在图5中所示定义加工模式、加工参数和切削参数的例子；图9示出了应用自动工序规划、轨迹生成及编程方法生成加工轨迹的例子；图IO示出了包含在图5中所示制订数控加工工艺方案的例子； 图11示出了包含在图9中所示定义加工工步的例子；图12示出了应用辅助工序规划、轨迹生成及编程方法生成加工轨迹的例子； 图13示出了自动-辅助相结合的混合编程方法中，系统自动提取并向用户显 示工步列表的例子；图14示出了由用户修改包含在图12中工步列表，规划新加工工艺的例子；图15示出了应用自动-辅助相结合的混合编程方法生成加工轨迹的例子；图16示出了编辑NC代码的例子；图17示出了代码仿真的例子；图18示出了系统的外部硬件环境的运行机理。
具体实施方式
具体实施方式
部分分成两个部分，第一部分示出本发明设计的系统结构示意 图及工作流程、自动工序规划、轨迹生成及编程方法、辅助/半自动工序规划、 轨迹生成及编程方法以及自动-辅助相结合的混合编程方法实施时系统采用的具 体算法。第二部分为本发明的具体界面介绍。第一部分图1示出了本发明的图形化交互式数控车削自动控制方法的总体流程图。如 图1所表示，首先进入系统，在步骤1中对机床和刀具参数进行初始化设置，由步骤2读入毛坯和零件图，通过(1) CAD数据存储规范；(2) CAD图文的几 何对称及封闭性原则判断并去除包括尺寸标注信息、粗糙度等与轮廓无关的各类 冗余信息，并通过CAD图文数据中各图元之间的几何拓扑关系判断图文是否准 确在CAD零件图文中，任意两图元间存在交集，则该两图元间存在断点；若 任意两个图元之间不存在交集，则CAD零件图形中不存在断点；在CAD零件 图文中，若相邻两图元间相交但不连续，则两图元间存在越界；若任意两个相邻 图元间不存在上述非连续情形，则CAD零件图形中不存在越界；若CAD零件 图文中无上述断点和越界情形，则CAD零件图文正确。步骤3通过采用图形热 区响应技术，使图形具有实时交互功能，能够修正零件加工表面的信息，包括加 工表面类型，准确的几何信息，表面粗糙度等。自动程序4、辅助程序5及混合 编程单元6共享以上部分设置。接下来，由用户根据应用场合及加工要求确定是 进行自动编程、辅助编程还是混合编程。如果用户选择自动编程，则系统进入自 动工序规划、轨迹生成及编程单元4。当然用户也可以选择进入辅助/半自动工序规划、轨迹生成及编程单元5。进入自动工序规划、轨迹生成及编程单元4后， 首先在7、 8、 9单元中分别设置好工件坐标系、退刀面和安全距离。由用户通过 IO选择进行粗，精还是完整加工。如果选择进行粗加工，则通过用户接口 11， 12， 13， 14， 15分别设置一组组合加工刀具，通用余量，通用切深，通用进给 量和切削速度。如果是只进行精加工，则通过用户接口 16， 17， 18， 19分别设 置精加工组合刀具，切深，进给量和切削速度。若用户选择包含粗、精的完整加 工，那么需要分别设置粗精加工信息。当这些信息都设置完成以后，进入20进 行轨迹规划。当进入辅助/半自动工序规划、轨迹生成及编程单元5，也需要通 过用户接口7， 8， 9设置工件坐标系，退刀面和安全距离。与自动工序规划、轨 迹生成及编程单元4不同，这里的加工顺序、加工方法都由工艺人员借助用户接 口21决定，能够加工形状更加复杂，类型更加丰富的零件。用户设定所需工步， 在设定每一个工步时，需要选取当前工步对应的加工表面，刀具，进退刀方式设 置，主轴转向；对加工表面同时或分别设置加工余量，切削深度，进给量，切削 速度等。在所有工步设定完毕后，进入20进行轨迹规划。在混合编程模式6下， 系统用户首先进入自动工序规划、轨迹生成及编程单元4，在完成单元4的工作 后，系统输出工序列表至辅助/半自动工序规划、轨迹生成及编程单元5，用户 可以此为模版进行辅助工艺规划即针对工步列表中各工步及加工工艺信息进行 修改，系统可根据工艺人员的修改结果直接由单元20实施轨迹规划。单元20 及以下部分为自动单元4和辅助单元5共享，具体内容为单元20为生成刀具 路径、单元22为NC编程、单元23为轨迹显示、单元24为代码编辑、单元25 为单元仿真。轨迹规划成功后，由单元23显示出规划的轨迹。在此以前，单元 22已根据规划出来的轨迹生成符合机床配置要求的NC代码，用户可借助单元 24对代码进行编辑。最后由25对NC代码进行加工仿真。图2示出了图1中单元4所采用的自动工序规划、轨迹生成及编程方法的 算法说明。在图示算法中，系统通过加载CAD数据，识别、抽取、记录和分析 零件制造特征，在获取完整零件加工轮廓后，根据用户选择的加工方式即粗车、 精车或粗精车，分别生成对应加工工序第一，粗车加工工序订制算法的主要思 想是，首先确定零件外表面粗车轮廓，然后分别确定粗车轮廓中端面切削范围、 最外层外圆切削轮廓、以及凹陷轮廓；在加工顺序上，首先车端面，既而对外圆 切削轮廓进行刀具干涉检查，确定可实施粗车的单调递增外圆轮廓，然后对可实 施粗车的单调递增外圆轮廓实施粗车，然后车凹陷部分，再对凹陷轮廓中的未加工完部分实施区域及清根补粗车，然后粗车外轮廓槽及螺纹、钻孔、镗孔，最后 加工内轮廓中的槽和螺纹；第二，精车加工工序订制算法的主要思想是，首先得到外表面精车轮廓，进行刀具干涉检查后，按序进行外轮廓精车、内轮廓精车、 精车槽、精车螺纹；第三，完整加工工序订制算法的主要思想是，确定零件外表 面粗车轮廓，然后分别确定粗车轮廓中的端面切削范围、最外层外圆切削轮廓、 以及凹陷轮廓；在加工顺序上，首先车端面，既而对外圆切削轮廓进行刀具干涉 检查，确定可实施粗车的单调递增外圆轮廓，然后对可实施粗车的单调递增外圆 轮廓实施粗车，先车凹陷部分，再对凹陷轮廓未加工完的部分实施区域及清根补 粗车，并精车外轮廓，然后实施清根精车；再按序进行粗车外轮廓槽、精车外轮 廓槽、粗车螺纹、精车螺纹、钻孔、镗孔、车内轮廓槽、车内轮廓螺纹。在"获 取轮廓，按照数控车削典型加工工艺顺序，生成对应工序"时，系统已将生成的 各工序以链表形式存储在系统内存中；该工艺链表中的各个可输出链表项记录了 对应被加工表面、实施加工类型、工艺装备，以及包括加工方法、加工余量、切 削行距、主轴转速及转向等在内的主要工艺信息。图2所示自动工序规划、轨迹 生成及编程方案可实现对应工步切换的自动换刀。创新的"刀具组合"的概念是 实施上述自动换刀的前提，即系统初始化并加载CAD数据后，由用户使用系统 内建刀具表(刀具表由数据行组成，记录刀具类型，刀具几何参数以及刀座号等 信息)确定加工所需所有刀具并填写刀座号；完成"获取轮廓，按照某种顺序， 生成对应工序"后，生成加工轨迹和NC代码前，系统以刀座号为主键遍历系统 内建刀具表，通过比较刀具表中各数据行所记录的刀具类型、刀具几何参数等信 息，以及各链表项对应工序或工步中加工面的加工类型、加工方式及几何信息， 为工艺链表中各链表项对应工序或工步确定合适的刀具，并将决策结果记录到对 应链表项中。图3示出了图1中单元5所釆用的辅助工序规划、轨迹生成及编程方法的 算法说明。该算法首先获取加工轮廓起点，即首个加工面的右端点，并通过首个 加工面与右端面求交来解算起点前的轮廓，或通过先求取首个加工面右端点与右 端面之间区域(含首个加工面右端点)的局部最高点，然后通过半矩形桥式跨越 线连接首个加工面延长线与零件右端面交点、局部最高点，以及局部最高点、首 个加工面右端点，形成起点前加工轮廓，然后将起点前加工轮廓(包括首个加工 面)存储在链表当中。然后进一步分析用户所选择的最后一个加工面右端点、首 个加工面左端点之间的零件轮廓(注零件右端面编号为1,编号以逆时针方向为 序)，并判断该轮廓中各相邻实体的位置关系，如果相邻实体均连续，则直接存 储最后一个加工面右端点之前的零件轮廓信息；若不连续，则针对不连续的加工 面，寻找中间空白区域对应的当前零件轮廓，并通过对该部分零件轮廓几何位置 信息的分析，求解对应局部最高点，通过半矩形桥式跨越线分别连接不连续加工面中右侧加工面的终点、最高点，以及最高点、左侧加工面的起点，从而构建最 后一个加工面右端点之前的所有加工轮廓。，此时，新的加工轮廓范围跨越指定 加工轮廓中首个加工面右端点前的零件轮廓、指定加工轮廓中首个加工面左端点 与最后一个加工面右端点之间的连续表面或非连续面(当然包括首末加工面)，因 此，根据图示算法循环，系统进入左支即获取整个加工轮廓终点后，即用户选择 的最后一个加工面的左端点，并补全最后一个加工面的左端点至毛坯之间的加 工轮廓，最后与前述起点前加工轮廓、最后一个加工面右端点之前的所有加工轮 廓共同组成新的、完整的加工轮廓，该加工轮廓及所有加工面将以链表形式存储 在系统内存中。如图3，新的连续加工轮廓生成后系统将针对新轮廓实施冗余点、 局部重复线去除并得到一个不但是连续的、与毛坯之间呈闭合关系且系统能够进 行识别、处理，并以此为基础实施自动轨迹规划的完整的、正确的加工轮廓。图4示出了图1中单元6所采用的自动-辅助相结合的混合编程方法的算法 说明。该算法中，"是否加工完全"主要通过遍历、比较零件当前内、外轮廓及 最终零件的CAD图文数据即各图元的几何信息，判别零件当前内、外轮廓是否 与系统初始化后输入的最终零件的轮廓一致如果零件当前内、外轮廓的各个图 元与最终零件中各对应图元的类型(直线、圆弧还是其它方程曲线)、以及几何 参数(起点、终点、弧度等)均一致，则轮廓一致；反之则说明不一致，如果不 一致，则根据上述比对结果可自动获取未加工区域轮廓和形态，并生成相应的该 区域补加工或清根补加工工序。确定零件加工完全后，系统将结合用户输入(刀 具和切削参数)以及系统决策结果(自动选刀)，形成完整的工序链表，并将其导入 辅助编辑模块。第二部分为本发明的具体实施例，参照随后的副图6-18进行解释，图中数 字标号均属图6-18:图6给出了本发明的一个优选实施例，如图6所示，根据该优选例图形化交 互式车削自动编程系统包括图形显示部分1，它为CAD数据、工艺规划及轨迹 规划提供可视化用户接口。图形化交互式车削自动编程系统也包括编程工具部分 2， 2中提供直接CAD数据接口 5，它负责读取零件毛坯和最终形状图纸；工艺 规划用户接口6，用于实现自动工序规划、轨迹生成及编程方法中的加工和切削 参数设置；自动轨迹规划接口7，负责实现自动工序规划、轨迹生成及编程方法 中的刀具路径规划；工步编辑用户接口8，负责实现辅助工序规划、轨迹生成及 编程方法中的数控加工工艺规划，包括工步制订和排序，切削参数订制等；代码 生成用户接口9，负责根据刀位数据源文件以及机床配置信息生成NC代码；编 辑工件程序接口 IO则提供用户以修改指定NC代码的功能；轨迹仿真接口 11则负责将知指定NC代码段解析后送入渲染通道，进行代码的仿真和校验。图形化 交互式车削自动编程系统也包括笛卡尔坐标系部分3，信息提示窗口部分4。接 口 12则负责结束当前进程，并释放占用的系统内存，退回至操作系统主界面。 在图7的系统工具栏17上，显示了 CAD零件中某加工面(以红线标注) 的具体位置信息。图形显示部分l中所示外框为毛坯图，该毛坯图由读取毛坯接 口13加载；图形显示部分l中标注了表面顺序号的内框为零件图，由读取零件 接口 14加载；输入栏18及其他类似输入栏负责用户事件响应并记录用户输入， 系统根据用户输入刷新图形显示部分1中所显示图形；数据修正部分15则负责 修改零件中的直线、圆弧段、表面粗糙度等信息，并对螺纹等项进行设置。向后 18则负责将当前用户界面回退至图6所示界面。图6中工艺规划用户接口 6的启用将使系统进入图8.a示出的界面。图8.a 中提供了全局参数用户接口 19，粗车设置用户接口 20，精车设置用户接口 21 以及系统工具栏23。退出22则负责将当前用户界面回退至图6所示界面。其中 系统工具栏23根据用户在19、 20、 21之间切换情况，更新工具栏自身内容，提 供不同的下一级用户接口切换到19时，见图8.b编程工具部分2转至包括工 件坐标系24、进退刀面25、安全距离26、组合刀具27在内界面。系统工具栏 29当前显示为工件坐标系24接口被启用时的状态，系统工具栏29的内容即提 供的用户接口根据用户在24、 25、 26、 27之间切换情况，自动更新系统工具栏 29能够提供的下一级用户接口。退出28负责将当前用户界面回退至图8.a所示 界面；切换到20时上述内容中，系统工具栏17又被标注为23、 29、 38、 46，代表系统工具栏 在不同情形下所能够提供的不同的加工参数设置接口。图9示出了自动工序规划、轨迹生成及编程方法生成加工轨迹的例子。完整 的刀具路径显示在图形显示部分1中。图形显示部分1中的图像内容在用户启用 读取毛坯13、读取零件14后被系统清除。图6中CAD数据接口 5的启用加载了毛坯和最终零件图，在加载完CAD数 据后，启用工步编辑用户接口8，系统将提供用于实现辅助工序规划、轨迹生成 及编程方法中工艺规划的用户接口。如图10，图形显示部分1被工艺链表表单 47所取代，该表单被系统初始化后已包含一个默认列表项，该默认列表项以高 亮(蓝色区域)显示，增加工序接口48将向表单47插入新的默认列表项，删除 工序接口49将删除表单47中用户通过鼠标点选的、以高亮显示的列表项；编辑 工序接口 50则调入图11所显示界面；轨迹预览接口 51负责实现辅助工序规划、 轨迹生成及编程方法中加工轨迹的生成、显示。退出52负责将当前用户界面回退至图ll.C示出的界面。图ll.a示出了包含在图10中所示定义加工工步的例子。被定义的加工工步 为图10中表单47被初始化后已有的默认列表项。除非车加工中心不支持鼠标点 选否则用户可以通过鼠标为当前工步点选加工面，如图11中图形显示部分l， 被选中的加工面序号为2、 3、 4，以红色高亮显示；若车加工中心不支持鼠标等 外部设备，则加工面和方式用户接口 54的启用将刷新系统工具栏62并提供用于 输入加工面序号的输入框；输入框的形式与图11中系统工具栏62显示内容中用 于输入切削余量和切削行距的输入框一致；图11中当前系统工具栏62为用户启 用余量和切深接口 55后的内容；系统工具栏62的内容即提供的接口随用户在加 工面和方式接口54、余量和切深接口55、进给量接口56、可编程进给倍率57、 主轴转向接口 58、切削速度接口 59、快速进退刀接口 60之间切换而提供不同的 下一级用户接口。向后61则负责将当前用户界面回退至图ll.b示出的界面。图 形显示部分1着重显示了辅助工序规划、轨迹生成及编程方法中系统针对已有工 步实施轨迹规划的结果，为了便于区分，可将该显示方式定义为显示方式A;定义 一个零件的完整加工工艺通常需要定义多个工步，然后实施轨迹规划。不同于图 11，图12中表单47是一个包含了 5个表单项即相同数目工步的表单，该表单是 通过用户多次启用增加工序接口 48、编辑工序接口 50后生成的完整工艺链表表 单；不同于方式A，用户通过启用轨迹轨迹预览接口 51激活并跳出一个用于显 示轨迹的活动窗口63，该窗口可通过确定64关闭。图12中，活动窗口63显示 的加工轨迹并未加工完全部零件，这是由于用户选择的刀具类型不能满足加工完 整零件的要求-系统根据用户选择的刀具及其参数进行刀具干涉检查，决定加工 区域；对于未加工部分，类似的，用户可通过启用增加工序接口 48，选择未加 工区域对应的加工面，通过启用编辑工序接口 50向表单47中添加并定义新的针 对未加工区域的表单项，最终实现零件的完整加工。图9示出了应用自动工序规划、轨迹生成及编程方法生成的加工轨迹。启用 工步编辑接口 8，该加工轨迹对应加工工艺输出至工艺链表表单64。用户可启用 删除工序接口 49删除图13中以高亮显示的列表项，而后启用添加工序接口 48 添加新工步并形成新的工艺链表表单65。新工步即新的表单项以高亮显示。启 用编辑工序接口 50定义以高亮显示的表单项并形成最终的工艺链表表单66。启 用轨迹预览接口 51，可激活活动窗口 63并显示新的加工轨迹，如图15。图16示出了编辑NC代码的例子。代码显示区域67显示NC代码内容，所 显示的代码段通过文件接口 68选择，编辑接口 69、査找接口 70、查找下一个接口71、语法检测并重新编号借口 72提供用户编辑代码、定位地址字及语法检测 等功能；退出73负责退出当前用户界面。图17示出了代码仿真的例子。仿真区74显示仿真过程，文字栏85则示出 了当前仿真的代码段名称。启用连续方式接口 75或单段方式接口 76决定代码仿 真为多段连续方式或单段方式。测试开始接口 77和测试停止接口 78负责仿真起 停。G00进给速度接口 79调节仿真过程中虚拟刀具的进给速度。持续时间接口 81显示当前仿真时间，位置接口显示仿真中三坐标位置信息，NC程序段接口 84则显示当前仿真程序段和后两行程序段内容，进给接口 86以进度条形式给出 当前进给速度，图像内容控制栏83集成了控制仿真区74显示内容的工具。在上述实施例中，图形化交互式车削自动控制系统的硬件环境，如图18所 示，包括外部设备鼠标87、外部设备键盘88、软盘驱动器89、光盘驱动器90、 处理器91、内存缓冲区92、硬盘93、 CNC控制器94，它们均连接到系统总线 95上。直接从CAD数据接口 5读取的CAD数据由软盘驱动器89或光盘驱动器 90提供；用户和系统的所有交互行为通过外部设备鼠标87或外部设备键盘88 完成；CAD数据、用户输入数据及用户决策通过处理器生成的NC程序段被记 录介质比如硬盘93保存；数控系统可实时的将NC程序段从硬盘93中调入内存 缓冲区92，程序段再通过系统总线95被发送到CNC控制器94，实施多坐标的 插补和运动控制。
权利要求
1、图形化交互式数控车削自动编程方法，其特征是包括下列步骤----读入毛坯和零件图，去除冗余信息，并判断图形是否准确；-----使图形具有实时交互功能，能够修正零件加工表面的信息，包括加工表面类型，准确的几何信息，表面粗糙度；------根据用户选择确定是进行自动编程、辅助编程还是混合编程；------如果用户选择自动编程，则系统进入自动工序规划、轨迹生成及编程程序，进入自动工序规划、轨迹生成及编程程序后，首先分别设置好工件坐标系、退刀面和安全距离；由用户选择进行粗，精还是完整加工，如果选择进行粗加工，则通过用户接口分别设置一组组合加工刀具，通用余量，通用切深，通用进给量和切削速度；如果是只进行精加工，则通过用户接口分别设置精加工组合刀具，切深，进给量和切削速度；若用户选择包含粗、精的完整加工，那么需要分别设置粗精加工信息；当这些信息都设置完成以后，进入进行轨迹规划程序；----当进入辅助/半自动工序规划、轨迹生成及编程程序，通过用户接口设置工件坐标系，退刀面和安全距离；用户设定所需工步，在设定每一个工步时，需要选取当前工步对应的加工表面，刀具，进退刀方式设置，主轴转向；对加工表面同时或分别设置加工余量，切削深度，进给量，切削速度，在所有工步设定完毕后，进入进行轨迹规划程序；-----当进入混合编程程序后，首先进入自动工序规划、轨迹生成及编程程序，在完成自动工序规划、轨迹生成及编程程序后，系统输出工序列表至辅助/半自动工序规划、轨迹生成及编程程序，系统可根据工艺人员的修改结果直接由生成刀具路径程序实施轨迹规划，轨迹规划成功后，显示规划的轨迹；根据规划出来的轨迹生成符合机床配置要求的NC代码，对代码进行编辑，对NC代码进行加工仿真。
2、根据权利要求l所述的图形化交互式数控车削自动编程方法，其特征是 所述自动工序规划、轨迹生成及编程程序具体包括下列步骤通过加载CAD数据，识别、抽取、记录和分析零件制造特征，在获取完整零件加工轮廓后，根据用户选择的加工方式即粗车、精车或粗精车，分别生成对应加工工序；(l)粗车 加工工序的步骤是，首先确定零件外表面粗车轮廓，然后分别确定粗车轮廓中端 面切削范围、最外层外圆切削轮廓、以及凹陷轮廓；在加工顺序上，首先车端面， 既而对外圆切削轮廓进行刀具干涉检査，确定可实施粗车的单调递增外圆轮廓， 然后对可实施粗车的单调递增外圆轮廓实施粗车，然后车凹陷部分，再对凹陷轮廓中的未加工完部分实施区域及清根补粗车，然后粗车外轮廓槽及螺纹、钻孔、 镗孔，最后加工内轮廓中的槽和螺纹；(2)精车加工工序的工作步骤是，首先得 到外表面精车轮廓，进行刀具干涉检查后，按序进行外轮廓精车、内轮廓精车、 精车槽、精车螺纹；G)完整加工工序的工作步骤是，确定零件外表面粗车轮廓， 然后分别确定粗车轮廓中的端面切削范围、最外层外圆切削轮廓、以及凹陷轮廓； 在加工顺序上，首先车端面，既而对外圆切削轮廓进行刀具干涉检査，确定可实 施粗车的单调递增外圆轮廓，然后对可实施粗车的单调递增外圆轮廓实施粗车， 先车凹陷部分，再对凹陷轮廓未加工完的部分实施区域及清根补粗车，并精车外 轮廓，然后实施清根精车；再按序进行粗车外轮廓槽、精车外轮廓槽、粗车螺纹、 精车螺纹、钻孔、镗孔、车内轮廓槽、车内轮廓螺纹；在获取轮廓，按照某种顺 序，生成对应工序时，将生成的各工序以链表形式存储在系统内存中；该工艺链 表中的各个可输出链表项记录了对应被加工表面、实施加工类型、工艺装备，以 及包括加工方法、加工余量、切削行距、主轴转速及转向等在内的主要工艺信息。
3、 根据权利要求1或2所述的图形化交互式数控车削自动编程方法，其特 征是所述辅助/半自动工序规划、轨迹生成及编程程序具体包括下列步骤首先 获取用户所选择的加工轮廓的起点，即首个加工面的右端点，并补全该起点前的 加工轮廓，然后将该部分加工轮廓，包括首个加工面，存储在链表当中；如果用 户所选择的加工轮廓，包括首个加工面、最后一个加工面和两者之间的其它加工 面是连续表面，则直接存储加工面信息；若存在下列三种情况中的任意一种即(1)首个加工面与下一个加工面不连续；(2)最后一个加工面与前一个加工面 不连续；(3)首个加工面与最后一个加工面之间(不包括首个加工面、最后一个 加工面)存在非连续加工面，则算法首先获取前后加工面之间的零件轮廓特征， 然后根据局部最高点一次性生成新的、完整的加工轮廓，最后将新的补全后的加 工轮廓及其加工面信息存储在链表中，新的连续加工轮廓生成后系统将针对新轮 廓实施冗余点、局部重复线去除并得到一个不但是连续的、与毛坯之间呈闭合关 系且系统能够进行识别、处理，并以此为基础实施自动轨迹规划的完整加工轮廓。
4、 根据权利要求l所述的图形化交互式数控车削自动编程方法，其特征是 所述自动-辅助相结合的混合编程程序具体包括下列步骤主要判别零件当前内、 外轮廓是否与系统初始化后输入的最终零件的轮廓一致，如果不一致，则自动获 取未加工区域轮廓，并生成该区域补加工或清根补加工工序，确定零件加工完全 后，系统将结合用户输入刀具和切削参数以及系统决策结果，形成完整的工序链 表，并将其导入辅助编辑程序。
5、 图形化交互式数控车削自动控制系统，其特征是包括CAD数据读入模块，它为用户提供工程图文数据接口，所述CAD数据读入模块包括负责加载和 解析CAD数据的CAD数据解析模块，用户可以通过信息录入和图形修正模块 录入零件尺寸、表面粗糙度、修改零件几何信息，CAD数据被负责CAD数据可 视化的用户显示模块接受；所述CAD数据读入模块分别与自动编程模块、辅助 编程模块和混合编程模块相连，所述自动编程模块包括加工参数订制模块和切削 参数订制模块，加工参数订制模块为用户提供制订数控加工工艺方案的用户接口 和多种制订模式，用户可使用该模块定义包括工件坐标系、进退刀面等参数在内 的加工参数，切削参数订制模块为粗、精车加工工艺定义包括切削用量在内的切 削参数；所述辅助编程模块包括工步方案排定模块和工步方案编辑模块，所述工 步方案排定模块为用户初步编排数控加工工艺提供用户接口 ，工步方案编辑模块 提供用户用于修改上述加工工艺的用户接口；所述混合编程模块包括加工参数订 制模块、切削参数订制模块和工步方案编辑模块，用户借助加工参数订制模块设 置加工参数，根据切削参数订制模块提供的接口，为粗、精车工序定义切削参数， 系统自动输出按加工顺序排列的各工步即完整工步列表，工步方案编辑模块提供 用于修改上述工步列表的用户接口；自动编程模块、辅助编程模块和混合编程模 块分别与自动轨迹模块相连，自动轨迹规划模块为技术实现的核心功能模块，根 据拟订工艺方案生成带进退刀轨迹的优化刀具进给路线，所述自动轨迹规划模块 包括轨迹解算和优化模块、轨迹显示模块，所述轨迹解算和优化模块根据零件制 造特征或用户排定的工步方案自动实施轨迹规划，轨迹规划的结果由轨迹显示模 块输出至图象显示区域；自动轨迹规划模块与NC代码生成模块相连，NC代码 生成模块包括G、 M代码生成模块和后置处理模块，所述G、 M代码生成模块 根据轨迹规划的结果即输出的轨迹链表，结合用户指定的切削参数自动生成符合 IS06983的G、 M代码，生成的代码送入后置处理模块将其转换为机床控制器可 以识别、符合指定机床配置的代码；NC代码生成模块与车削过程仿真模块相连， 车削过程仿真模块包括环境构建模块和虚拟仿真模块，车削仿真模块对生成的 NC代码进行仿真校验，环境构建模块渲染环境搭建，虚拟仿真模块提供用户以 2D或3D模式对加工过程进行可视化的接口 。
全文摘要
能够提高编程效率及NC代码质量、促进快速产品过程实现(RPPR)和集成化产品开发(IPPD)过程的图形化交互式数控车削自动编程方法及系统。技术方案是图形化交互式数控车削自动编程方法，其特征是包括下列步骤读入毛坯和零件图，去除冗余信息，并判断图形是否准确；使图形具有实时交互功能，能够修正零件加工表面的信息，包括加工表面类型，准确的几何信息，表面粗糙度；根据用户选择确定是进行自动编程、辅助编程还是混合编程来执行相应的系统功能模块。图形化交互式数控车削自动控制系统，其特征是包括CAD数据读入模块，CAD数据读入模块分别与自动编程模块、辅助编程模块和混合编程模块相连，自动编程模块、辅助编程模块和混合编程模块分别与自动轨迹规划模块相连，自动轨迹规划模块与NC代码生成模块相连。
文档编号G05B19/4097GK101334657SQ20071017997
公开日2008年12月31日 申请日期2007年12月20日 优先权日2007年12月20日
发明者叶佩青, 辉 张, 王沛庆, 亮 谢, 彤 赵, 钱学雷 申请人:清华大学