飛機結(jié)構(gòu)零件以其結(jié)構(gòu)尺寸大、理論外形復雜、設備能力要求高等特點牽引著航空數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展。隨著國家大型民用客機項目的啟動，從數(shù)控加工的角度看，由于飛機結(jié)構(gòu)件尺寸顯著增大，零件結(jié)構(gòu)日趨復雜，幾何精度不斷提高，采用的材料也逐漸從過去的以鋁合金為主變?yōu)殇X合金和鈦合金并重的局面，其加工難度、工藝程編工作量和質(zhì)量控制難度大幅增加。

　　目前飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工效率的技術(shù)瓶頸已經(jīng)逐漸發(fā)生改變，從之前的數(shù)控設備能力不足逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)控工藝程編效率低下。數(shù)控工藝程編準備周期過長已經(jīng)成為高效數(shù)控加工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，已不能適應新形勢下客戶和市場的需要，所以迫切要求對工藝程編技術(shù)進行技術(shù)革新，提高工藝程編的效率和質(zhì)量。

　　高效數(shù)控工藝程編技術(shù)現(xiàn)狀

　　高效數(shù)控工藝程編技術(shù)主要包括快速工藝設計、高效程序編制、通用的后置處理和嚴密的仿真質(zhì)量控制4部分內(nèi)容，任何一個方面的技術(shù)不過關(guān)都無法實現(xiàn)高效、高質(zhì)量的工藝程編。

　　目前，國外數(shù)控程編技術(shù)已經(jīng)朝著智能化、集成化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展，并在成熟的CAD/CAM軟件平臺上進行了大量定制開發(fā)，構(gòu)建了快捷的基于知識或特征的工藝程編平臺。而國內(nèi)數(shù)控行業(yè)工藝程編技術(shù)還處于通用CAD/CAM軟件的單項應用階段，軟件本身提供的通用功能無法滿足企業(yè)的個性需求，導致飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程工作量大,編程規(guī)范性差、加工策略受限、自動化程度低、系統(tǒng)集成度差，在高端應用上沒有針對行業(yè)特點對CAD/CAM軟件進行高級定制開發(fā)，快速程編理念尚未達成行業(yè)共識。從長遠角度看，提高工藝準備效率、加快工藝工作步伐、減輕工藝員工作強度、縮短工藝準備周期已經(jīng)勢在必行。

　　1 國外先進數(shù)控工藝程編技術(shù)特點

　　國外先進制造企業(yè)在工藝設計及程編技術(shù)方面已經(jīng)探索了很長一段時間，基本實現(xiàn)了工藝、程編、仿真、機床、控制系統(tǒng)在CAD/CAM系統(tǒng)下的集成應用，可在工藝設計及程序編制的同時實現(xiàn)程序質(zhì)量控制和加工結(jié)果的仿真，并且在智能編程技術(shù)方面實現(xiàn)基于特征的程編，大大提高了數(shù)控程編和加工效率。

　　目前，國外數(shù)控制造行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)以下主要特點：

　　· 工藝程編一體化程度高，工藝、程編、后置、控制系統(tǒng)、機床、仿真有效統(tǒng)一在CAD/CAM/PDM集成平臺下，集成度高，可真實模擬制造過程，工藝準備效率高;

　　· 工藝設計與數(shù)控程編可實現(xiàn)并行，能及時發(fā)現(xiàn)工藝隱患，可實現(xiàn)工藝、設計、程編的有機協(xié)同;

　　· 設計、制造資源與工藝資源形成統(tǒng)一的基礎數(shù)據(jù)庫，使用單一的數(shù)據(jù)源，不存在信息孤島，自動化程度高，工藝程編流程簡潔有效;

　　· 基于特征的程編設計達到了實際應用的階段，專家知識融入工藝程編過程，開創(chuàng)了智能編程、自動編程的新局面。

　　2 國內(nèi)數(shù)控工藝程編技術(shù)特點

　　國內(nèi)缺乏獨立的適合于飛機復雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的CAD/CAM系統(tǒng)，工藝程編技術(shù)主要沿用或借鑒國外CAD/CAM軟件自身的功能，在工藝程編技術(shù)自主創(chuàng)新方面存在先天不足的缺陷。總結(jié)起來具有以下特點：

　　· 刀具、切削參數(shù)、工裝、機床等制造資源與工藝設計系統(tǒng)存在信息孤島;

　　· 工藝程編基礎數(shù)據(jù)庫尚未形成，工藝設計系統(tǒng)與程編系統(tǒng)相對孤立;

　　· 工藝程編質(zhì)量控制主要依賴于編程人員個人技術(shù)水平和經(jīng)驗，編程過程中加工特征的選取、加工方法的選擇有較大的隨意性，無法進行有效規(guī)范，更無法進行精細管理和優(yōu)化;

　　· 零件變形控制、仿真應用技術(shù)水平較為落后，自主創(chuàng)新力度不夠。

　　高效數(shù)控工藝程編技術(shù)發(fā)展趨勢

　　目前，高效數(shù)控工藝程編技術(shù)引起了各國航空工業(yè)的足夠重視，在高效工藝程編技術(shù)方面均投入了大量的資金、人力和物力，以謀求在此項技術(shù)上取得率先突破。各制造行業(yè)已經(jīng)在CAD/CAM/CAPP/PDM領(lǐng)域形成了新一輪技術(shù)熱潮。綜合國際國內(nèi)數(shù)控工藝程編技術(shù)發(fā)展情況，高效數(shù)控工藝程編技術(shù)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。

　　(1)基于特征的高效工藝程編技術(shù)受到數(shù)控制造業(yè)的青睞，工藝程編效率可提高50%。

　　基于特征的快速工藝決策及數(shù)控編程技術(shù)是數(shù)控工藝編程發(fā)展的趨勢，被稱為下一代數(shù)控工藝編程技術(shù)。該技術(shù)主要包含加工特征自動識別、快速工藝決策和自動特征加工3項關(guān)鍵技術(shù)。

　　· 加工特征自動識別技術(shù)。

　　加工特征識別技術(shù)的主要內(nèi)容是基于實體建模內(nèi)核構(gòu)建加工特征知識庫，對不同CAD軟件輸出格式的實體模型進行特征快速識別，識別的結(jié)果是重建實體模型的特征，并結(jié)合特征知識庫構(gòu)建用戶可自定義的加工特征(如筋、槽、孔特征)。在特征識別過程中，可融入企業(yè)知識和行業(yè)規(guī)范，自行定制加工特征。

　　飛機結(jié)構(gòu)件加工特征復雜，包含了自由形狀曲面、相交特征和碎面等不固定特征，無法用現(xiàn)有的特征表示方法來描述。有鑒于此，南京航空航天大學的快速程編系統(tǒng)提出了基于全息屬性面邊圖的特征識別方法(見圖1)，很好地解決了復雜拓撲不固定特征表示問題。

　　· 快速工藝決策技術(shù)。

　　快速工藝決策技術(shù)(見圖2)的主要內(nèi)容是以企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(PDM)為信息支撐平臺，集成工藝資源和制造資源，針對零件結(jié)構(gòu)特點，在行業(yè)已有工藝經(jīng)驗積累的基礎上，進行工藝分析，不斷總結(jié)歸納，實現(xiàn)工藝信息建模、工藝模板建模、分類編碼、建庫，結(jié)合加工特征識別技術(shù)，構(gòu)建加工特征、工藝模板和加工工藝之間的內(nèi)在聯(lián)系，并與工藝制造資源(如切削參數(shù)、刀具、機床、工裝等)進行緊密連接和自動選取，形成基于三維模型的飛機結(jié)構(gòu)件制造工藝知識體系和專家知識庫，最終完成加工特征的排序、加工知識的融合和數(shù)控加工工藝文檔的自動快速編制。

　　· 自動特征加工技術(shù)。

　　自動特征加工技術(shù)的主要內(nèi)容是在特征識別和工藝決策的基礎上，以CAD/CAM/CAPP作為信息支撐平臺，為結(jié)合行業(yè)通用解決方案，融合企業(yè)新工藝方法、新的加工策略，快速、自動地完成刀具軌跡的生成，最終完成數(shù)控程序編制。

　　目前國內(nèi)部分院校和企業(yè)已經(jīng)在基于特征的快速程編和快速工藝設計方面進行了大量的研究工作，有代表性的有南京航空航天大學的基于CATIA V5平臺的快速程編設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ACIS實體建模內(nèi)核，結(jié)合企業(yè)已有的制造資源庫，可實現(xiàn)特征快速識別、快速工藝決策及基于特征的刀位軌跡生成和仿真，特征刀軌生成率、正確率達到80%以上。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在部分航空制造企業(yè)中得到初步應用，工藝編程效率可較原來提高50%左右，具有較高的應用價值和發(fā)展?jié)摿Α?/P>

　　未來的高效程編工藝設計系統(tǒng)將在特征識別率、特征加工率、工藝決策可靠性、計算效率等方面進行重點突破，以實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)數(shù)控機加產(chǎn)品的快速工藝及程編設計，提高工藝準備效率。

　　(2)基于數(shù)控加工過程的物理仿真分析技術(shù)逐步走向?qū)嵱茫瑒恿W仿真技術(shù)成為物理仿真分析技術(shù)的排頭兵;數(shù)控程序質(zhì)量仿真控制技術(shù)向復合材料制造、機器人操控方向發(fā)起沖擊，使制造過程虛擬化成為現(xiàn)實。

　　數(shù)控加工過程仿真技術(shù)是虛擬制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。數(shù)控加工過程仿真可分為幾何仿真和物理仿真。幾何仿真主要用于檢查數(shù)控程序刀具軌跡的正確性和機床、工裝、毛坯、刀具等幾何體之間的干涉碰撞問題;物理仿真可以結(jié)合加工刀具、被切削材料、加工工藝對實際切削加工的狀況進行有限元分析及模擬計算，得出切削加工中的物理特征(如力、溫度，以及被加工材料和刀具在切削過程中的受力變形、殘余應力等數(shù)據(jù))，以進行裝夾方案的改進和工藝程序的優(yōu)化。目前數(shù)控加工行業(yè)比較有代表性的幾何仿真軟件有Cgtech公司的Vericut、法國SPRING公司的NCSIMUL;物理仿真軟件有美國Third Wave Systems公司的AdvantEdge等。

　　Vericut軟件(見圖3)在幾何仿真領(lǐng)域具備較好的客戶市場和應用環(huán)境，該軟件主要用于NC程序的幾何仿真和質(zhì)量控制，可實現(xiàn)數(shù)控機床仿真、探頭檢測仿真、數(shù)控程序仿真及優(yōu)化、復合材料鋪帶仿真、機器人操控動作仿真，并在多工位、高柔性仿真、控制系統(tǒng)仿真方面也具備較強的仿真應用能力。結(jié)合企業(yè)自身條件，構(gòu)建刀具、刀柄、切削參數(shù)庫、仿真機床庫，該軟件還能作為企業(yè)NC程序質(zhì)量控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)“一次做好，缺陷為零”的產(chǎn)品質(zhì)量控制目標。

　　美國Third Wave Systems公司的AdvantEdge軟件以有限元分析技術(shù)為解算內(nèi)核，主要用于數(shù)控加工過程中的刀具結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化、數(shù)控加工過程刀具切削力、機床負載、加工溫度變化仿真以及零件應力應變分布和整體變形的仿真預測，在物理仿真技術(shù)及應用方面走在世界的前列，但在零件應力應變分布和整體變形預測的解算效率方面離實際工程應用還有一定差距，一旦突破解算速度的局限，該軟件的工程化應用能力將得到充分體現(xiàn)。

　　國內(nèi)在物理仿真方面起步較晚，目前在物理仿真方面有代表性的是北京航空航天大學的Simucut和Dyncut軟件。該軟件以銑削動力學為基礎，研究刀具系統(tǒng)在加工過程中的銑削力、變形以及振動等物理量，通過建立銑削過程動力學系統(tǒng)實驗模態(tài)分析測試平臺，測試具體加工機床和不同長徑比刀具的動力學特性，獲取特定機床、不同刀具特性的切削穩(wěn)定域和優(yōu)化的銑削參數(shù)，從而在抑制大長徑比刀具的切削顫振現(xiàn)象的基礎上有效選擇刀具進給速度和切削深度，提高零件材料的去除效率，能較好地解決銑削加工時產(chǎn)生切削振紋的難題，并能有效改善銳角、薄壁等難加工特征的加工質(zhì)量。

　　(3)通用、靈活、自優(yōu)化的后置處理系統(tǒng)正在改變市場觀念。

　　后置處理技術(shù)作為連接零件工藝程編和最終零件加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其地位一直不被人重視，但近幾年來后置處理在技術(shù)革新方面和行業(yè)應用方面發(fā)展很快，改變了以往市場對該技術(shù)的觀念，其發(fā)展方向從之前簡單的代碼“直譯”發(fā)展成為“智能”的“翻譯官”，可根據(jù)機床結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)特性進行代碼過濾、自優(yōu)化甚至仿真，在功能集成方面實現(xiàn)了較大的跨越。

　　國內(nèi)后置處理起步較晚，形成商品化軟件的后置處理軟件市場上相對較少，但發(fā)展方向上更貼近企業(yè)實際的應用需求，如提高后置處理軟件的通用性，采用統(tǒng)一的機床配置、前置處理、后處理平臺，為用戶提供便捷的擴展方式，能針對各種結(jié)構(gòu)的機床、不同類型的控制系統(tǒng)、不同格式的前置文件生成滿足產(chǎn)品制造需求的NC程序，并增強五軸后置處理附加功能，實現(xiàn)代碼優(yōu)化、代碼逆向處理技術(shù)和五軸擺角自優(yōu)化，可有效提高零件表面質(zhì)量和減少程序過切的情況，這也是未來后置處理發(fā)展的方向。

　　(4)基于PDM的CAD/CAM/CAPP/CAQ集成技術(shù)繼續(xù)深入應用，PDM數(shù)據(jù)管理層次逐步從工序級細化到工步級，車間級MES系統(tǒng)集成技術(shù)應用日趨成熟，制造過程將實現(xiàn)無紙化、可視化。

　　快速工藝決策和工藝設計離不開基于PDM的CAD/CAM/CAPP/CAQ集成系統(tǒng)(簡稱P-4C)的支撐,企業(yè)自身的工藝資源庫、制造資源庫是快速工藝設計和高效程編的必要前提。目前P-4C在數(shù)控加工行業(yè)已形成流行趨勢，但數(shù)據(jù)管理僅限于工序級的數(shù)據(jù)管理和維護，無法實現(xiàn)快速工藝決策所需要的工步級的工藝流程控制和制造資源管理，如未能對單一工步使用的刀具、刀柄、NC程序代碼、加工作業(yè)時間、加工過程視頻及加工結(jié)果等信息實現(xiàn)有效管理，而這些信息與工藝決策、加工特征刀軌的生成、生產(chǎn)作業(yè)計劃、調(diào)度管理、工時管理、質(zhì)量控制方面均有著密切聯(lián)系。

　　MES系統(tǒng)作為數(shù)控加工企業(yè)最為直接的生產(chǎn)管理資源配備的信息化作業(yè)系統(tǒng)，可實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息、加工工藝信息、計劃信息、控制信息、制造信息等數(shù)據(jù)流的傳遞與運轉(zhuǎn)，集成了生產(chǎn)計劃指令的發(fā)放、制造資源的配備、加工現(xiàn)場的實時監(jiān)控、數(shù)控設備效能的評估以及后續(xù)工藝過程的優(yōu)化等功能，構(gòu)成了制造企業(yè)工藝數(shù)字化的主體。隨著企業(yè)精益制造需求的不斷增加，企業(yè)對數(shù)控加工過程的控制將逐步細化，伴隨著信息技術(shù)的不斷進步，制造過程的無紙化和可視化將成為可能。

　　結(jié)束語

　　飛機結(jié)構(gòu)件的高效工藝程編技術(shù)一直引領(lǐng)著國內(nèi)數(shù)控行業(yè)的發(fā)展方向，該技術(shù)發(fā)展的快慢直接影響著重點型號的研制進度和質(zhì)量。隨著計算機及信息技術(shù)的高速發(fā)展，未來5年，國際、國內(nèi)將在高效數(shù)控工藝程編技術(shù)方面取得重要突破，國內(nèi)數(shù)控行業(yè)只有認清目前國內(nèi)外航空制造業(yè)之間存在的差距，才能明確未來高效數(shù)控工藝程編技術(shù)的發(fā)展重點。本文從飛機結(jié)構(gòu)件的高效數(shù)控工藝程編技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點出發(fā)，對大型航空結(jié)構(gòu)件的高效數(shù)控程編技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進行了探討，為數(shù)控加工行業(yè)尤其是航空制造企業(yè)的數(shù)控加工技術(shù)提出了高效數(shù)控工藝程編的解決思路。