了解“基于知识加工”
时间:2011-02-27 10:21:58 来源:
用CNC 设备进行有效的加工，机床、刀具、夹具等方面的知识都是必要的。CAM 软件开发商不断推出新的编程功能，使这些非常重要的知识成为CAM系统自动化的一部分。这种自动化有助于精简或整合NC程序的生成过程，从而优化加工。 “基于知识加工”这个术语经常应用于这样的功能，但是没有任何标准的定义或精确的含义。该术语涉及各种各样的能力，其含义因系统而异。
图1：零件几何模型必须同可加工特征相关联，而这些特征又必须同机床上进行的操作相关联。“基于知识加工”有助于这个过程的标准化和自动化
只要看看几个CAM系统，就能发现当前可利用的“基于知识加工”的功能范围。本文没有涉及的系统中，也可发现其它许多创新。有一点必须牢记，“基于知识加工”代表CAM开发商的努力，他们极力使CNC编程员的工作更有效、更一致，并使CNC操作更有效、更可靠。
工件特征
“基于知识加工”的一个共同思想是把工件特征同加工步骤联系在一起。特征是一组特定加工程序可在零件上生成的几何形状，如孔、腔、槽和凸台。同这些特征的加工过程相关的知识可以保存在数据库里，这包括加工零件特征需要的工序以及每个工序对应的加工参数。
零件几何建模是CNC编程的起点，用户可在CAM范围内根据图纸并采用CAD工具建模，也可以从外部资源输入模型，例如从另一个CAD/CAM 系统。以几何方式表示的零件特征必须加以正确的标识，而且必须同相应的加工操作相联系。
使用Engineering Geometry Systems公司的FeatureCAM 系列CAM软件包，可以看出以几何特征关联加工知识的基本原理。该软件采用不寻常的方式建模－采用一组特征建立零件几何模型，而尺寸数据和其它属性由用户根据系统提示进行添加。这种方式大大不同于选择点、线和圆弧建模的常规方式。
采用FeatureCAM时,用户利用系统CAD 工具或键入尺寸确定零件的几何特征。一旦用户指示该零件有槽、腔、孔或其它特征，系统便询问问题或提供选择，以此收集该特征得以加工的一切必要信息，并使剩余的编程步骤自动化。例如零件需要有一个矩形型腔，用户可以利用CAD工具建立一个矩形，或者键入该型腔的尺寸和位置，然后，系统程序询问用户是否想在槽腔上增加不同的元件，如倒角或底部倒圆。待用户选择后，程序自动把这些元素附加到型腔上。
接着，程序决定每个特征需要的粗加工和精加工操作、选择每项操作的工具、计算进给率和速度、生成刀具路径和后处理NC代码。另外，即使在“基于知识加工”编程自动化的情况下， FeatureCAM允许用户修改程序。自动编程由一组加工属性加以控制，用户可以对属性进行修改，以实现不同的切削策略。
输入CAD文件建立零件几何模型时，软件自动识别该零件相应的特征。自动特征识别对FeatureMILL2.5D是任选功能，对 FeatureMILL3D是标准功能。自动特征识别功能按照“零件以特征建模、编程自动化”的方式，使孔、腔和槽等零件特征能够同加工步骤相联系。
采用这个3D软件包，对零件模型进行分析，找出所有的不能作为简单特征加以识别的复杂形状。这些复杂形状的表面被用作粗加工和精加工策略的基础，而加工策略以用户选择的加工技术为依据，如横向进给粗铣、螺旋型精铣、陡锥度二次加工和Z平面半精加工等。
知识收集
提供速度/进给率数据表、工具数据库和其它机加数据是“基于知识加工”的一个层面，收集加工知识是“基于知识加工”系统的另一个强劲趋势。Gibbs and Associates 公司的GibbsCAM可进行有趣的“学习”，因为该软件可在不同的层面“收集知识”。
该软件提供的加工数据库为第一层，据说Cutdata 任选数据库已经录入70,000多个离散数据，使切削刀具、工件、切削方式、切削深度等数值同速度、进给率、暂停时间及其它数值相匹配。用户可以随时修改和扩充这些加工数据，使GibbsCAM“基于知识加工”软件能够在这个层面获得有关加工现场的实践和经验的知识。
知识收集的真正重点在另外两个层面，该软件允许用户在下一个层面建立多工序零件程序模板。实际上，GibbsCAM 的这一功能称作多工序编程。例如，加工一种孔的所有细节(试钻、钻孔、铰孔、锪孔、倒角以及所需刀具的规格和有关加工参数)形成一个模板。该模板存入数据库，只要有类似的工件碰到这种孔，即可调用。
相同的工序系列和相同的加工参数可以组成一个新的零件程序，对这样的顺序和参数也可以修改。在合适的场合下还可以采用辅助模板，可以利用几个模板建立一个完整的程序。模板可自动重复利用知识，而不必重新输入大量数据，它们代表编程过程的重要整合。
除了模板以外，下一步把用户带到另一个层面。在这个层面上，系统被赋予决策权。系统以用户建立的“规则”为基础进行判断，以体现用户优选的技术。按照用户规则，系统自动选择工序步骤、切削刀具、速度和进给率等，进行计算并采用计算结果。例如，它根据用户的设置，以刀具直径的百分比设置暂停时间，并且为了给精加工留下均匀的切削余量而增加粗切补偿量。
未来的知识
Esprit 开发商对“基于知识加工”的前景作了有趣的展望, Esprit是DP Technology 公司开发的CAM软件。该公司认为“基于知识加工”不仅对编程进一步自动化发挥关键作用，而且使加工现场的创新构思得以实现，如STEP-NC。在这一方式下，“基于知识加工""对组织、管理和重复应用加工步骤具有最大的价值，适合于几何特征复杂、需要转位才能加工几个侧面或需要很多不同操作的零件。因此，“基于知识加工”将演变成为一种高级的加工计划形式。在这个意义上，加工计划把加工一个成品零件所必须的所有操作综合起来；将加工每
个零件特征的详细数据收集在一起，形成一个“加工计划”，它包括加工周期、切削刀具和生成刀具路径所用的切削策略。
为了区分哪些特征正在被切削、如何切削以及使用什么刀具，Esprit“基于知识加工”项目经理设计了一个“特征树”，用图说明如何把工件划分成可加工特征，如孔、槽和型腔。每个特征下面有一个切削操作子目录，列出该特征所需要的操作。子目录中的每一个操作也有一个子目录，用来表示刀具库中已经被选择的刀具。
顺着这个树的分支，用户可以检查、更改或重新安排该零件的加工计划。加工计划可以保存并在以后修改，以便为相似工件建立加工计划。另外，不同的加工循环可以组合在一起，形成某个特征的标准工序。
加工计划完成以后，程序员通过按键生成相应的G代码刀具路径。DP Technology策划者着眼未来，他们为了采用标准化的可互换格式建立数字式产品模型，把正在建立的加工计划视作设计和工程研究的一部分。这种格式称为STEP-NC。顾名思义，STEP-NC要求生成G代码刀具路径的最后工序保持停止，直至该产品模型对应的工件即将在CNC设备上加工。
图2：“基于知识加工”正在发展成为一种加工计划形式，利用它，可以按最合理的形式管理和编排切削操作
基于知识加工的样板
真正优化的进给率 ：进给率优化是寻求最有效进给率的编程技术，优化过程随着材料切除量和刀具路径方向的变化而调整进给率。
CNC Software公司的Mastercam提供“智能型”进给率优化功能，它根据加工现场机床的实际进给率极限对进给率进行调节。Mastercam 可以分步引导用户完成确定最大进给率极限的过程。从本质上看，该过程是在一个试验工件上切削圆周，然后逐渐提高进给率重复切削，直到进给率大于机床伺服系统的能力。这个值代表软件给予该机床的进给率上限。Mastercam利用这种知识，并根据材料切除量对二轴或三轴刀具路径进行优化：刀具在切削余量比较大时放慢进刀速度，在切削余量比较浅时加快进刀速度，但是决不会大于试切削输入的极限。同样，在夹角处，进刀速度将减慢，使刀具安全准确地进入夹角，然后再返回最佳速度。因为进给率是由实际性能特征决定的，而不是理论值，因此优化对保证刀具寿命、减少机床磨损是非常有效的，当然还可以有效地缩短总切削时间。
非程序员用CNC ：有时候，编程人员忙的无法脱身，就需要非编程人员参与编程。Delcam 开发的基于知识的PowerMill AutoCAM软件，既可简化编程，又可提高刀具路径的生成速度。现有的“基于知识加工”系统大多根据特征识别，使每个几何元素(如孔或凸台)能够在一定的标准化、自动化方式下得以加工。PowerMill AutoCAM另辟蹊径，它对CAD模型的所有表面进行分析，然后利用分析结果为整个任务选择最合适的加工方法。
用户使用这个软件，只须输入待加工的CAD模型，指定材料毛坯的规格，并选择机床，包括要求高速加工的刀具路径，还是常规操作的刀具路径。该软件将自动选择刀具和切削策略，生成刀具路径并对其进行后处理，无须用户进一步干预。整个过程最多用几分钟，相比之下，在使用常规CAM系统时，熟练程序员大概要花许多小时才能完成。
100%适合于孔加工 ：孔加工是最频繁的工序，也是“基于知识加工”的先进之处。Surfware 公司的SurfCAM提供的Advanced Hole Processing(高级孔加工)自动钻孔软件，允许用户把多个循环操作合并为一个能反复调用的过程，以节约重复性任务的执行时间。
用户对如何控制一系列孔的加工顺序有多个选择，“类别-顺序”选项包括：用户定义的“人工分类”、“最短(孔间)距离”和“线性分类”，该选项使用户能够在其规定的带宽范围内控制钻孔的主方向和阶进方向。“计算”键用来生成每种顺序的循环时间，使用户能够对比每个过程，并作出最适合的选择。任选功能“精密模式”可以按照用户规定的进给速度和距离同时移动两个轴坐标，这样，刀具从相同的方向接近每个孔位，就能消除“齿隙”误差，保证所有孔的定位都在机床的重复精度极限范围内。