了解“基于知識加工”
時間:2011-02-27 10:21:58 來源:
用CNC 設備進行有效的加工，機床、刀具、夾具等方面的知識都是必要的。CAM 軟件開發商不斷推出新的編程功能，使這些非常重要的知識成為CAM系統自動化的一部分。這種自動化有助于精簡或整合NC程序的生成過程，從而優化加工。 “基于知識加工”這個術語經常應用于這樣的功能，但是沒有任何標準的定義或精確的含義。該術語涉及各種各樣的能力，其含義因系統而異。
圖1：零件幾何模型必須同可加工特征相關聯，而這些特征又必須同機床上進行的操作相關聯。“基于知識加工”有助于這個過程的標準化和自動化
只要看看幾個CAM系統，就能發現當前可利用的“基于知識加工”的功能范圍。本文沒有涉及的系統中，也可發現其它許多創新。有一點必須牢記，“基于知識加工”代表CAM開發商的努力，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
“基于知識加工”的一個共同思想是把工件特征同加工步驟聯系在一起。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。同這些特征的加工過程相關的知識可以保存在數據庫里，這包括加工零件特征需要的工序以及每個工序對應的加工參數。
零件幾何建模是CNC編程的起點，用戶可在CAM范圍內根據圖紙并采用CAD工具建模，也可以從外部資源輸入模型，例如從另一個CAD/CAM 系統。以幾何方式表示的零件特征必須加以正確的標識，而且必須同相應的加工操作相聯系。
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聯加工知識的基本原理。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，而尺寸數據和其它屬性由用戶根據系統提示進行添加。這種方式大大不同于選擇點、線和圓弧建模的常規方式。
采用FeatureCAM時,用戶利用系統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，系統便詢問問題或提供選擇，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化。例如零件需要有一個矩形型腔，用戶可以利用CAD工具建立一個矩形，或者鍵入該型腔的尺寸和位置，然后，系統程序詢問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，程序自動把這些元素附加到型腔上。
接著，程序決定每個特征需要的粗加工和精加工操作、選擇每項操作的工具、計算進給率和速度、生成刀具路徑和后處理NC代碼。另外，即使在“基于知識加工”編程自動化的情況下， FeatureCAM允許用戶修改程序。自動編程由一組加工屬性加以控制，用戶可以對屬性進行修改，以實現不同的切削策略。
輸入CAD文件建立零件幾何模型時，軟件自動識別該零件相應的特征。自動特征識別對FeatureMILL2.5D是任選功能，對 FeatureMILL3D是標準功能。自動特征識別功能按照“零件以特征建模、編程自動化”的方式，使孔、腔和槽等零件特征能夠同加工步驟相聯系。
采用這個3D軟件包，對零件模型進行分析，找出所有的不能作為簡單特征加以識別的復雜形狀。這些復雜形狀的表面被用作粗加工和精加工策略的基礎，而加工策略以用戶選擇的加工技術為依據，如橫向進給粗銑、螺旋型精銑、陡錐度二次加工和Z平面半精加工等。
知識收集
提供速度/進給率數據表、工具數據庫和其它機加數據是“基于知識加工”的一個層面，收集加工知識是“基于知識加工”系統的另一個強勁趨勢。Gibbs and Associates 公司的GibbsCAM可進行有趣的“學習”，因為該軟件可在不同的層面“收集知識”。
該軟件提供的加工數據庫為第一層，據說Cutdata 任選數據庫已經錄入70,000多個離散數據，使切削刀具、工件、切削方式、切削深度等數值同速度、進給率、暫停時間及其它數值相匹配。用戶可以隨時修改和擴充這些加工數據，使GibbsCAM“基于知識加工”軟件能夠在這個層面獲得有關加工現場的實踐和經驗的知識。
知識收集的真正重點在另外兩個層面，該軟件允許用戶在下一個層面建立多工序零件程序模板。實際上，GibbsCAM 的這一功能稱作多工序編程。例如，加工一種孔的所有細節(試鉆、鉆孔、鉸孔、锪孔、倒角以及所需刀具的規格和有關加工參數)形成一個模板。該模板存入數據庫，只要有類似的工件碰到這種孔，即可調用。
相同的工序系列和相同的加工參數可以組成一個新的零件程序，對這樣的順序和參數也可以修改。在合適的場合下還可以采用輔助模板，可以利用幾個模板建立一個完整的程序。模板可自動重復利用知識，而不必重新輸入大量數據，它們代表編程過程的重要整合。
除了模板以外，下一步把用戶帶到另一個層面。在這個層面上，系統被賦予決策權。系統以用戶建立的“規則”為基礎進行判斷，以體現用戶優選的技術。按照用戶規則，系統自動選擇工序步驟、切削刀具、速度和進給率等，進行計算并采用計算結果。例如，它根據用戶的設置，以刀具直徑的百分比設置暫停時間，并且為了給精加工留下均勻的切削余量而增加粗切補償量。
未來的知識
Esprit 開發商對“基于知識加工”的前景作了有趣的展望, Esprit是DP Technology 公司開發的CAM軟件。該公司認為“基于知識加工”不僅對編程進一步自動化發揮關鍵作用，而且使加工現場的創新構思得以實現，如STEP-NC。在這一方式下，“基于知識加工""對組織、管理和重復應用加工步驟具有最大的價值，適合于幾何特征復雜、需要轉位才能加工幾個側面或需要很多不同操作的零件。因此，“基于知識加工”將演變成為一種高級的加工計劃形式。在這個意義上，加工計劃把加工一個成品零件所必須的所有操作綜合起來；將加工每
個零件特征的詳細數據收集在一起，形成一個“加工計劃”，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“基于知識加工”項目經理設計了一個“特征樹”，用圖說明如何把工件劃分成可加工特征，如孔、槽和型腔。每個特征下面有一個切削操作子目錄，列出該特征所需要的操作。子目錄中的每一個操作也有一個子目錄，用來表示刀具庫中已經被選擇的刀具。
順著這個樹的分支，用戶可以檢查、更改或重新安排該零件的加工計劃。加工計劃可以保存并在以后修改，以便為相似工件建立加工計劃。另外，不同的加工循環可以組合在一起，形成某個特征的標準工序。
加工計劃完成以后，程序員通過按鍵生成相應的G代碼刀具路徑。DP Technology策劃者著眼未來，他們為了采用標準化的可互換格式建立數字式產品模型，把正在建立的加工計劃視作設計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，直至該產品模型對應的工件即將在CNC設備上加工。
圖2：“基于知識加工”正在發展成為一種加工計劃形式，利用它，可以按最合理的形式管理和編排切削操作
基于知識加工的樣板
真正優化的進給率 ：進給率優化是尋求最有效進給率的編程技術，優化過程隨著材料切除量和刀具路徑方向的變化而調整進給率。
CNC Software公司的Mastercam提供“智能型”進給率優化功能，它根據加工現場機床的實際進給率極限對進給率進行調節。Mastercam 可以分步引導用戶完成確定最大進給率極限的過程。從本質上看，該過程是在一個試驗工件上切削圓周，然后逐漸提高進給率重復切削，直到進給率大于機床伺服系統的能力。這個值代表軟件給予該機床的進給率上限。Mastercam利用這種知識，并根據材料切除量對二軸或三軸刀具路徑進行優化：刀具在切削余量比較大時放慢進刀速度，在切削余量比較淺時加快進刀速度，但是決不會大于試切削輸入的極限。同樣，在夾角處，進刀速度將減慢，使刀具安全準確地進入夾角，然后再返回最佳速度。因為進給率是由實際性能特征決定的，而不是理論值，因此優化對保證刀具壽命、減少機床磨損是非常有效的，當然還可以有效地縮短總切削時間。
非程序員用CNC ：有時候，編程人員忙的無法脫身，就需要非編程人員參與編程。Delcam 開發的基于知識的PowerMill AutoCAM軟件，既可簡化編程，又可提高刀具路徑的生成速度。現有的“基于知識加工”系統大多根據特征識別，使每個幾何元素(如孔或凸臺)能夠在一定的標準化、自動化方式下得以加工。PowerMill AutoCAM另辟蹊徑，它對CAD模型的所有表面進行分析，然后利用分析結果為整個任務選擇最合適的加工方法。
用戶使用這個軟件，只須輸入待加工的CAD模型，指定材料毛坯的規格，并選擇機床，包括要求高速加工的刀具路徑，還是常規操作的刀具路徑。該軟件將自動選擇刀具和切削策略，生成刀具路徑并對其進行后處理，無須用戶進一步干預。整個過程最多用幾分鐘，相比之下，在使用常規CAM系統時，熟練程序員大概要花許多小時才能完成。
100%適合于孔加工 ：孔加工是最頻繁的工序，也是“基于知識加工”的先進之處。Surfware 公司的SurfCAM提供的Advanced Hole Processing(高級孔加工)自動鉆孔軟件，允許用戶把多個循環操作合并為一個能反復調用的過程，以節約重復性任務的執行時間。
用戶對如何控制一系列孔的加工順序有多個選擇，“類別-順序”選項包括：用戶定義的“人工分類”、“最短(孔間)距離”和“線性分類”，該選項使用戶能夠在其規定的帶寬范圍內控制鉆孔的主方向和階進方向。“計算”鍵用來生成每種順序的循環時間，使用戶能夠對比每個過程，并作出最適合的選擇。任選功能“精密模式”可以按照用戶規定的進給速度和距離同時移動兩個軸坐標，這樣，刀具從相同的方向接近每個孔位，就能消除“齒隙”誤差，保證所有孔的定位都在機床的重復精度極限范圍內。