（南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院， 南昌 330000）

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體骨架和氣動(dòng)外形的主要部分，加工特征類(lèi)型多、外形復(fù)雜、精度高、難度大，尤其是整體結(jié)構(gòu)件的使用使得加工難度大大增加。但不同種類(lèi)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件均包含槽、筋、孔、凸臺(tái)等相同的特征[1]。因此，特征成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工信息的載體。袁青[2]基于遺傳算法，通過(guò)擴(kuò)展加工元構(gòu)建優(yōu)先權(quán)系數(shù)矩陣，建立符合優(yōu)先權(quán)系數(shù)矩陣的初始種群完成了加工特征的排序，開(kāi)發(fā)了基于特征的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝決策系統(tǒng)。廖友軍[3]以特征識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)AutoCAD二維工程圖加工特征提取并進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。杜朋[4]在UG環(huán)境下提出零件的層次信息，設(shè)計(jì)基于特征表面層的制造特征提取的方法并進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了零件模型重構(gòu)。郝永濤等[5]針對(duì)孔提出基于知識(shí)推理的加工工藝規(guī)劃方法。Saleh等[6]把加工零件尺寸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為STEP AP224 XML數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)加工特征智能規(guī)劃排序。WANG等[7]通過(guò)幾何求交得到強(qiáng)化加工特征（Enriched Machining Feature，EMF）生成泛型加工特征順序。

本文借鑒以上加工排序的經(jīng)驗(yàn)，提出基于特征編碼的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)方法，該方法以特征編碼為基礎(chǔ)，結(jié)合特征識(shí)別，融入非幾何信息指導(dǎo)工藝決策，將飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工元進(jìn)行加工排序，基于CATIA平臺(tái)開(kāi)發(fā)快速編程模塊以完成飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工。

1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征分類(lèi)及編碼

1.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征分類(lèi)

根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征幾何形狀，加工特征分為槽特征、筋特征、孔特征、輪廓特征和輔助特征等5類(lèi)，每一類(lèi)又以加工方式不同分成多個(gè)子類(lèi)，如圖1所示。

1.2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征編碼

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征編碼就是借鑒成組技術(shù)將飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中相同或相似的特征歸類(lèi)，并按照一定的規(guī)則用特定的字符進(jìn)行標(biāo)識(shí)形成特征族，針對(duì)特征族制定成組工藝。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征編碼是由字母和數(shù)字組成8位碼，前3碼位表示特征類(lèi)別，第4碼位及以后為輔助碼。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征編碼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

將飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征分類(lèi)編碼的主要用途是檢索有關(guān)特征從設(shè)計(jì)、工藝到生產(chǎn)的各種信息。特征分類(lèi)編碼如表1所示，基于CATIA V5后置處理常用加工方式、刀具類(lèi)型以及進(jìn)/退刀方式編碼如表2所示。以R（Rib）代表筋，C（Contour）代表輪廓，H（Hole）代表孔，TB（Technology Boss）代表工藝凸臺(tái)，S（Slot）代表槽。

2 基于特征編碼的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)

2.1 特征識(shí)別

隨著CAD/CAPP/CAM 技術(shù)的快速發(fā)展，零件設(shè)計(jì)信息和工藝信息的集成是CIMS發(fā)展的必然要求，特征識(shí)別技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息和工藝信息集成的橋梁。

基于圖的特征識(shí)別是一種采用面邊圖來(lái)表示零件的邊界模式，將零件面邊圖中的適當(dāng)子圖與預(yù)定義的特征子圖進(jìn)行匹配來(lái)識(shí)別特征的方法[8-10]。面邊圖是以零件的面為結(jié)點(diǎn)，以面之間的鄰接關(guān)系為弧的圖。零件屬性鄰接圖（AAG）是在面邊圖的基礎(chǔ)上引入邊的凹凸性，使得零件邊界模式更加完整的圖。本文用“1” 表示凸邊，“ 0”表示凹邊?；趫D的特征識(shí)別的策略是將AAG中所有凸邊去掉得到全凹的鄰接子圖，在全凹的鄰接子圖中去掉代表毛坯面的結(jié)點(diǎn)得到零件加工特征子圖，再將加工特征子圖與預(yù)定義的特征子圖匹配，如圖3所示，用數(shù)字1～16分別表示模型的18個(gè)面。

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征分類(lèi)Fig.1 Features classification of aircraft structure parts

圖2 特征編碼結(jié)構(gòu)Fig.2 Coding structure of features

表1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征分類(lèi)編碼

表2 基于CATIA V5常用后置處理編碼

2.2 加工元排序

加工元是組成加工特征的基本單元[11]，幾乎包含了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中所有的加工特征。加工元均有其加工方向。定義最低且法向?yàn)閆向（加工方向）的面為基準(zhǔn)面，以基準(zhǔn)面法向矢量作為基準(zhǔn)方向V，根據(jù)基準(zhǔn)方向V將飛機(jī)結(jié)構(gòu)件模型中的面劃分為與基準(zhǔn)方向近似垂直的水平面集HPi和與基準(zhǔn)方向近似平行的垂直面集VPi，每一個(gè)HPi與其所有凹鄰接關(guān)系VPi組成加工元，加工元用E表示，如圖4所示。

用Pocket表示簡(jiǎn)單槽，E1、E2、E3分別表示簡(jiǎn)單槽的3個(gè)加工元，以槽外輪廓底面HP4為基準(zhǔn)面，以基準(zhǔn)面法向矢量作為基準(zhǔn)方向V。則簡(jiǎn)單槽可表示為：

E1=HP1∪VP1

E2=HP2∪（VP2∪ VP3∪ VP6∪ VP5）

E3=HP3∪（VP3∪ VP3∪ VP3）

Pocket= E1∪ E2∪ E3

圖3 簡(jiǎn)單零件模型及特征子圖Fig.3 Simple part models and feature subplot

加工排序[12]是CAPP系統(tǒng)工藝決策的主要依據(jù)，加工元排序策略：選定基準(zhǔn)面，按基準(zhǔn)方向V把飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征分層得到加工元，將第i層上的加工元與特征編碼表匹配，檢索對(duì)應(yīng)成組工藝，以減少換刀次數(shù)和空刀行程為優(yōu)化目標(biāo)將加工元進(jìn)行排序。

Step1：檢索第一層加工元M11、M12刀具信息，如果M12和M11刀具相同，則M12排在M11之后。

Step2：檢索M13，…，M1j所用的刀具信息，如表3所示。如果 M1（j+1）所用的刀具和 M1j相同，則 M1（j+1）排在M1j之后。一直檢索直到最后一個(gè)加工元或加工元選用刀具與前一加工元不同，則轉(zhuǎn)跳至下一加工元或下一層級(jí)。

圖4 簡(jiǎn)單槽的加工元Fig.4 Processing element of simple slot

表3 加工元刀具信息

Step3：檢索第一層未匹配成功的加工元，按Step1、Step2的方式排序，直到第一層所有加工元排序完畢。工步排序如表4所示。

Step4：執(zhí)行i=i+1，繼續(xù)檢索第i層的加工刀具信息，按Step1、 Step2和Step3的方式排序。一直檢索，直到i=n，j=k，結(jié)束排序。

表4 加工元工步排序

2.3 基于特征編碼的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工工序多，精度要求高，使得飛機(jī)制造業(yè)越來(lái)越趨勢(shì)于自動(dòng)化和數(shù)字化制造[13]?；谔卣骶幋a的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)件特征識(shí)別與分類(lèi)得到特征族，將特征分解得到加工元后與特征編碼表匹配，檢索特征族對(duì)應(yīng)的成組工藝，最后對(duì)加工元排序的一種工藝設(shè)計(jì)方法。基于特征編碼的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)方法流程如圖5所示。

Step1 將飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征分類(lèi)編碼，構(gòu)建結(jié)構(gòu)件特征編碼表，制定特征族成組工藝。

Step2 對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行工件預(yù)處理，選擇裝夾方案。

Step3 以飛機(jī)結(jié)構(gòu)件MBD模型為唯一依據(jù)，標(biāo)注飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征并進(jìn)行特征識(shí)別。

Step4 判斷特征是否屬于輪廓。

Step5 加工特征分解得到加工元。

Step6 將加工元與特征編碼表匹配，提取對(duì)應(yīng)的刀具信息，將加工元排序，傳遞給CAPP系統(tǒng)進(jìn)行工藝決策。

圖5 基于特征編碼的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Processing flow chart of aircraft structure parts based on the features coding

Step7 根據(jù)CAPP系統(tǒng)提供的工藝決策結(jié)果，進(jìn)行仿真加工，檢測(cè)是否出現(xiàn)干涉、撞刀等現(xiàn)象，若出現(xiàn)，則反饋給CAPP系統(tǒng)修改，直到仿真合格后選擇機(jī)床，對(duì)刀軌后處理，生成NC代碼。

3 應(yīng)用實(shí)例

以槽腔結(jié)構(gòu)件為例分析基于特征編碼的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)方法，基于CATIA V5平臺(tái)開(kāi)發(fā)特征識(shí)別系統(tǒng)和工藝設(shè)計(jì)模塊，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的特征標(biāo)注如圖6所示。

Step1對(duì)槽腔結(jié)構(gòu)件進(jìn)行特征識(shí)別，與特征編碼表匹配，提取成組工藝信息。

Step2 加工元排序。為便于排列表達(dá)，將加工元編號(hào)（見(jiàn)圖7） 排序如下： C111→S121→S151→S111→S112→S131→TB111→S141→S1 42→S143→R121→R131→H132→H131→H133。

按上述方法，通過(guò)在CATIA V5中進(jìn)行仿真加工，修改不合理的刀軌，以避免干涉、撞刀等現(xiàn)象，生成并導(dǎo)出NC代碼，使用代木在銑床上完成零件的加工。

圖6 飛機(jī)槽腔結(jié)構(gòu)件Fig.6 Pocket of aircraft structure parts

圖7 編碼特征Fig.7 Serial number of features coding

4 結(jié)論

加工結(jié)果驗(yàn)證了基于特征編碼的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)方法的可行性。以特征編碼為基礎(chǔ)，提取特征族非幾何信息指導(dǎo)工藝決策，以減少換刀次數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)加工元進(jìn)行排序，縮短了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工工藝決策周期，提高了加工工藝決策效率和自動(dòng)化程度。

參考文獻(xiàn)

[1]王細(xì)洋.飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的高速切削工藝[J].航空制造技術(shù)，2013(14):64-69.

WANG Xiyang. High-speed cutting processing of aircraft structure parts[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(14):64-69.

[2]袁青.基于特征的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝決策技術(shù)[D].南京:南京航空航天大學(xué)， 2010.

YUAN Qing. Decision process technology of aircraft structural parts based on features[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2010.

[3]廖友軍. 基于二維工程圖特征識(shí)別的數(shù)控車(chē)床自動(dòng)編程系統(tǒng)[D]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)， 2007.

LIAO Youjun. CNC automatic programming system based on twodimensional engineering drawings feature recognition[D]. Changsha: Central South University, 2007.

[4]杜朋. 面向三維CAPP的制造特征提取與工藝過(guò)程設(shè)計(jì)的研究[D].武漢:華中科技大學(xué)， 2011.

DU Peng. Research on manufacturing feature extraction for 3D CAPP and processing design[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2011.

[5]郝永濤，馬晶穎.基于知識(shí)的孔加工自動(dòng)工藝規(guī)劃方法[J].計(jì)算機(jī)工業(yè)，2006,57:297-304.

HAO Yongtao, MA Jingying. A knowledge-based auto-reasoning methodology in hole-machining process planning[J]. Computer in Industry,2006,57:297-304.

[6]SALEH M, AMAITIK S, KILIC E. An intelligent process planning system for prismatic parts using STEP features[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007, 31(9): 978-993.

[7]WANG L, CAI N, FENG H Y. Enriched machining featurebased reasoning for generic machining process sequencing[J]. International Journal of Production Research, 2006, 44(8): 1479-1501.

[8]周煒. 基于圖的邊界模型的加工特征識(shí)別技術(shù)[D].南京：南京航空航天大學(xué)， 2006.

ZHOU Wei. Processing feature recognition technology of the model boundary based on diagram[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2006.

[9]劉曉平，吳敏，金燦. 采用圖分解的特征識(shí)別算法研究[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2010(1):67-71.

LIU Xiaoping，WU Min，JIN Can. Research on feature recognition algorithm using exploded[J]. Journal of Engineering Graphics, 2010(1):67-71.

[10]王永，徐創(chuàng)文. 基于屬性鄰接圖的加工特征識(shí)別研究[J]. 機(jī)械， 2010(2):49-52.

WANG Yong, XU Chuangwen. Research on machining feature recognition based AAG[J]. Machinery, 2010(2):49-52.

[11]惲志東, 李海標(biāo)．基于特征加工技術(shù)在自動(dòng)數(shù)控編程中的應(yīng)用[J]．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)， 2011(1):91-93.

YUN Zhidong, LI Haibiao. Processing technology application in automatic numerical control programming based on features[J]. Combined Machine Tool and Automatic Machining Technology， 2011(1):91-93.

[12] 王偉，楚王偉，李迎光，等. 面向加工過(guò)程的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征排序方法[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2010, 29(12):1638-1645.

WANG Wei, CHU Wangwei, LI Yingguang, et al. A sequence procee of machining characteristics of aircraft structures based on machining[J].Mechanical Science and Technology, 2010, 29(12):1638-1645

[13]范玉青，梅中義，陶劍. 大型飛機(jī)數(shù)字化制造工程[M]. 北京：航空工業(yè)出版社， 2011.

FAN Yuqing, MEI Zhongyi, TAO Jian. Digital manufacturing engineering of large aircraft[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2011.