一种车间编程系统的制作方法

本发明属于数控加工技术领域，具体涉及一种车间编程系统。

背景技术：

数控机床作为装备制造业的基础，广泛用于航空航天、能源装备、汽车制造、船舶制造以及3c加工等领域，以此来提高加工质量与效率。数控机床上一般都设置有程序控制系统，该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，从而控制机床的加工过程。经运算处理由数控系统发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

目前数控系统输入的nc程序仍然采用基于iso6983标准的g/m代码文本编程方式，这种编程方式只包括一些简单的运动指令和辅助指令，不包括零件的几何形状、刀具路径规划、刀具选择等信息，而是把这些信息留给编程人员来考虑。本质上这种编程方式是通过指定机床轴的运动来实现加工，它是面向过程的，不包含产品数据的其他信息。

实际上，g/m代码中只定义了机床轴的运动和开关动作，不包含所要加工零件的其他数据信息，因此数控系统根本不可能获得零件的完整信息，而且这种编程方式需要消耗大量时间，效率低下。传统的iso6983标准只能完成简单的直线或者圆弧插补，不能完成非常复杂的加工任务，比如样条曲线插补，其是根据机床轴对刀具中心点进行编程，而不是按照所要加工零件的制造特征来编程。一旦程序生成后，在车间现场环境中修改变得很困难，不能够根据车间现场的实际情况对加工过程进行调整，不能在数控机床上实现可视化加工、碰撞检测以及修改复杂的数控程序。由于缺乏统一的标准，不同的数控系统生产商的控制指令不完全一致，整个车间编程系统的兼容性比较差，nc程序在不同的数控系统中不能重复使用，从而导致车间编程的效率不高。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种数控车间编程方法，其可以包含零件从毛坯到产品的所有信息，使得数控系统可以获得完整的产品信息，真正实现智能化，还可以快速高效实现自动化编程，极大的提高工作效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种车间编程方法，其特征在于，包括

s1提取零件的几何信息并显示其三维模型；

s2根据零件的三维模型识别零件的制造特征，生成制造特征列表；

s3根据零件制造特征列表规划设置加工工艺；

s4根据所述零件制造特征和加工工艺生成数控程序。

本发明技术方案的方法，通过提取零件的几何信息，可以重新构建零件的三维模型，其中包含所需要的零件信息。在三维模型的基础上，可以进行特征提取，将一个零件分解出多个制造特征，形成该零件的制造特征列表。本发明技术方案的方法中，提供有各种加工工艺，根据零件的制造特征列表，可以找到与之对应的加工工艺，从而可以根据零件制造特征列表规划设置加工工艺过程。此外，还需根据零件的制造特征和上述加工工艺，通过数控程序转换算法，得到该零件加工的完整数控程序。

作为本发明的一个优选技术方案，步骤s1包括，

s11建立实体描述语言与程序设计语言之间的映射关系；

s12存储模型实体对象；

s13根据模型实体对象获取模型实体的几何信息和拓扑信息；

s14根据模型实体对象的几何信息和拓扑信息显示其三维模型。

本发明技术方案中，采用描述语言对实体进行描述，采用程序设计语言进行数控程序设计。操作时需要先将描述语言映射到程序设计语言中去，并进一步地获取零件实体对象的几何信息和拓扑信息。几何信息是指欧式空间中的位置和大小，包括点坐标、曲线和曲面等，拓扑信息是指实体的顶点、边、面的数目、类型以及相互之间的连同关系等。根据上述信息，最终可以显示零件具体的三维模型。

作为本发明的一个优选技术方案，步骤s2包括，

s21遍历模型实体，获取零件的制造特征；

s22确定制造特征的基面；

s23匹配制造特征类型并生成特征列表。

本发明技术方案中，多次遍历实体，以尽可能获取零件的全部特征，本发明技术方案优选三次。经过三次遍历所有实体的过程，基本上可以确定零件上的必要特征点。在此基础上，可以确定零件制造特征的基面，也称特征底面，进而可以与特征库中的特征完成匹配，确定特征类型名称，并生成实体的制造特征列表。

作为本发明的一个优选技术方案，步骤s4包括，

s41根据所述制造特征和加工工艺，生成数控代码片段；

s42对数控代码片段进行顺序编号，形成完整的数控加工程序。

一个制造特征代表一种加工类型，根据上述设置的加工工艺，通过nc程序转换算法，即用一条数控系统能够识别的固定格式指令来表示若干条有规律的基本数控指令，加入各类工艺参数，再加上机床功能和编程方法等准备指令，得到该制造特征对应的nc代码片段，每一个nc代码片段作为一个加工子程序并编号。采用主程序调用子程序的方式进行代码重组，整合成一个完整的nc程序。

按照本发明技术方案的另一个方面，提供了一种车间编程系统，其特征在于，包括

信息提取模块，用于提取零件的几何信息并显示其三维模型；

特征生成模块，用于根据零件的三维模型识别零件的制造特征，生成制造特征列表；

工艺设置模块，用于根据零件制造特征列表规划设置加工工艺；

程序生成模块，用于根据所述零件制造特征和加工工艺生成数控程序。

作为本发明的一个优选技术方案，信息提取模块包括

映射模块，用于建立实体描述语言与程序设计语言之间的映射关系；

存储模块，用于存储模型实体对象；

拓扑模块，用于根据模型实体对象获取模型实体的几何信息和拓扑信息；

显示模块，用于根据模型实体对象的几何信息和拓扑信息显示其三维模型。

作为本发明的一个优选技术方案，特征生成模块包括

提取模块，用于遍历模型实体，获取零件的制造特征；

基面模块，用于确定制造特征的基面；

列表模块，用于匹配特征类型并生成特征列表。

作为本发明的一个优选技术方案，程序生成模块包括

数控代码模块，用于根据所述制造特征和加工工艺，生成数控代码片段；

编号模块，用于对数控代码片段进行顺序编号，形成完整的数控加工程序。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本发明技术方案的方法，基于step-nc标准的编程方式，包含了零件从毛坯到产品的所有信息，这些信息包含零件的几何信息、刀具信息、制造特征信息以及工艺信息等，因此数控系统可以获得完整的产品信息，可以真正实现智能化；

2)本发明技术方案的方法，根据零件制造特征自动匹配制造特征加工类型模板库，系统采用人机交互的方式，操作简单直观，使得现场编程变得更容易，使用者可以快速高效实现自动化编程，极大的提高工作效率；

3)本发明技术方案的方法，整个系统是一个轻量化的系统，与cad/cam系统相比，占用较少的系统资源，可以在不增加数控系统硬件配置、不改变数控系统框架结构的情况下集成到数控系统中去，使得数控系统的功能更加丰富；

4)本发明技术方案的方法，技术人员可以针对某一具体的零件，生成定制化的数控加工程序，通过三维仿真模拟过程，可以提前检验出该数控程序是否具有没有观察到的缺陷，在实际的加工之前就可以进行修正，大大节约了加工成本，提高零件加工的精度，进一步的还可以提高数控加工机床的效率。

附图说明

图1是本发明技术方案的实施例的系统流程图；

图2是本发明技术方案的实施例的工艺规划流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

针对传统标准的缺陷，国际标准化组织制定了一种新的数控编程接口标准iso14649，即step-nc标准，用来替代传统的iso6983标准。step-nc标准使用面向对象的概念，描述的是加工过程而不是机床运动，它包括了零件从毛坯到产品的所有信息，这些信息包含零件的三维几何信息、刀具信息、制造特征信息以及工艺信息。采用step-nc标准编程使得现场修改变得容易，还能够提供复杂的加工功能，比如样条曲线插补等。此外，step-nc标准还是一个中性数据描述接口，其与cad/cam系统、数控系统等相对独立，因此系统之间具有良好的兼容性。

step-nc标准不仅弥补了传统标准的缺陷，还使数控技术能够向开放式、网络化发展，但是目前主流的数控系统厂商生产的系统还没有集成支持step-nc标准的编程系统，数控系统因为硬件资源和软件框架的限制，很难集成cad/cam等会消耗大量系统资源的系统，这样造成车间现场编程变得困难，因此本发明技术方案的实施例中展示了一种基于step-nc标准的车间编程系统，其根据零件的制造特征来编程，易于集成到数控系统中。

从实际加工过程来看，平面、通孔、型腔、岛屿、圆弧槽、圆周槽、凸台、刻字等零件制造特征最为常见，将这些零件制造特征对应的加工类型封装成标准的模板，形成制造特征加工类型模板库。本发明技术方案的实施例中的系统包含step文件信息提取模块、特征自动识别模块、工艺规划模块、后置处理模块。其中优选通过信息提取模块从step文件提取零件的几何信息并使用opengl接口显示零件的三维模型；特征识别模块根据零件的几何信息自动识别出零件特征；工艺规划模块根据识别出的零件的特征信息，与制造特征加工类型模板库进行匹配，自动选择合适的加工类型，并采取人机交互的方式进行工艺规划：包括加工方法、加工顺序、加工参数、刀具选择等信息；然后通过后置处理模块处理得到nc程序；通过三维校验仿真检查nc程序是否符合工艺要求；并且该系统与cad/cam等大型系统相比，占用较小的系统资源，易于集成到数控系统中。

下面结合实施例对本发明技术方案作出进一步的解释。

如图1所示，本发明公开了一种基于step-nc的车间编程系统的一个优选实施例，其中包括如下步骤：

⑴第一步：通过信息提取模块从step文件中提取零件的几何信息并显示其三维模型。其中包括一系列的子步骤：建立express实体与c++对象的映射关系、存储模型实体对象、获取模型实体拓普信息和三维模型显示。在一个优选的实施例中，具体来说，首先是将如step的文件中用来表达三维实体模型的所有几何信息和拓扑信息的实体地址进行预定义，给每一个实体一个索引值(key)和实体类型名称(value)，存储在map容器中。其次是将step文件以字符串的形式读入内存，对每个字符串进行逐行判断，通过对预定义关键词进行识别，将step文件中目标实体信息添加到一一映射的c++对象集合中。然后利用字符串分割方法，将实体拓扑信息存于动态数组中，用于后续遍历访问。step文件遵循的ap203协议引用b-rep关系表示法模型，根据该模型，通过实体对象集合的迭代器变量进行地址的传递，使迭代器变量始终指向下一层的地址，即可实现从顶层(closed_shell)到底层信息(如cartesian_point、direction)的逐层访问，获取实体模型壳-面-边-顶点-方向的数据信息。最后，根据实体模型信息优选利用opengl接口显示三维模型，模型显示以面、边、点为对象，可在特征识别与工艺规划等步骤中选取部分对象加亮显示，实现数控编程过程图形可视化。

需要特别指出的是，本发明技术方案的实施例优选采用step文件、express语言和c++语言，但是其他可以实现上述操作的描述语言和程序设计语言亦在本发明技术方案的保护范围之内。

⑵第二步：通过特征识别模块自动识别出制造特征并生成特征列表。特征列表的生成包括若干子步骤：遍历所有实体，确定特征的基面，匹配特征类型并生成特征列表。在一个优选的实施例中，由于在几何结构中，环是由边组成的面上的封闭边界，环中的边首尾相连、不能相交，构成一个封闭的环形边界。在step模型中将环分为内环(face_bound)和外环(out_face_bound)，几何模型中面的最大外边界称为外环，面中内孔、型腔或凸台等特征的环称为内环。故其具体如下：在第一次遍历所有实体的过程中，根据零件表面上的face_bound内环判断新特征的存在；第二次遍历所有实体，根据零件未标记的曲面判断新特征的存在；第三次遍历所有实体，根据零件未标记的非凸边判断新特征的存在。经过三次遍历所有实体的过程，基本上可以确定零件上的必要特征点，在此基础上，可以进行下一步骤。即确定零件特征的基面，也称特征底面，进而匹配特征类型并生成特征列表。所谓匹配特征，具体来说就根据预定义的特征信息匹配库对特征对象包含的面的数量、类型以及内环等数据信息进行匹配判断，以确定该特征的类型名称。

⑶第三步：通过工艺规划模块以人机交互的形式设置加工工艺。工艺规划实际上是根据零件特征与制造特征加工类型模板库进行匹配，自动选择合适的加工类型，本发明技术方案的实施例中，系统的制造特征加工类型模板库包括钻削、平面、铣削、凸台、型腔、刻字、自定义等类型。采用人机交互的方式设置加工工艺信息，包括设置零件几何参数、工艺方法参数、机床参数、刀具参数、编程参数等。上述设置完成后，生成加工工步并保存到工步列表，最后再根据实际需求给工步排序，确定零件加工的工艺顺序。工艺规划流程图如图2所示。

⑷第四步：根据零件制造特征和加工工艺通过nc程序转换算法生成数控程序。具体来说，一个制造特征代表一种加工类型，根据上述设置的加工工艺，通过nc程序转换算法，即用一条数控系统能够识别的固定格式指令来表示若干条有规律的基本数控指令，加入各类工艺参数，再加上机床功能和编程方法等准备指令，得到该制造特征对应的nc代码片段，每一个nc代码片段作为一个加工子程序并编号。采用主程序调用子程序的方式进行代码重组，整合成一个完整的nc程序。这个数控程序对应的加工结果，就是目标零件。也就是说，通过本发明技术方案的编程系统，技术人员可以针对某一具体的零件，生成定制化的数控加工程序，从而提高零件加工的精度，进一步的还可以提高数控加工机床的效率。

⑸第五步：通过三维校验仿真对nc程序进行仿真，检查nc程序是否符合工艺要求，不符合要求重复步骤3，符合要求则可以到机床进行加工。三维校验仿真的目的在于，模拟数控机床的加工过程，以三维模拟的零件加工结果与真实需求进行对比，确定第四步中生成的数控程序是符合待加工的零件的需求的。通过三维模拟，可以提前检验出该数控程序是否具有没有观察到的缺陷，从而在实际的加工之前就可以进行修正，大大节约了加工成本，提高了数控加工的精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。