飛機結構零件以其結構尺寸大、理論外形復雜、設備能力要求高等特點牽引著航空數控加工技術的發展。隨著國家大型民用客機項目的啟動，從數控加工的角度看，由于飛機結構件尺寸顯著增大，零件結構日趨復雜，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為鋁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量控制難度大幅增加。

　　目前飛機結構件數控加工效率的技術瓶頸已經逐漸發生改變，從之前的數控設備能力不足逐漸轉變為數控工藝程編效率低下。數控工藝程編準備周期過長已經成為高效數控加工過程中的薄弱環節，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進行技術革新，提高工藝程編的效率和質量。

　　高效數控工藝程編技術現狀

　　高效數控工藝程編技術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量控制4部分內容，任何一個方面的技術不過關都無法實現高效、高質量的工藝程編。

　　目前，國外數控程編技術已經朝著智能化、集成化、網絡化方向發展，并在成熟的CAD/CAM軟件平臺上進行了大量定制開發，構建了快捷的基于知識或特征的工藝程編平臺。而國內數控行業工藝程編技術還處于通用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的個性需求，導致飛機結構件數控編程工作量大,編程規范性差、加工策略受限、自動化程度低、系統集成度差，在高端應用上沒有針對行業特點對CAD/CAM軟件進行高級定制開發，快速程編理念尚未達成行業共識。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勢在必行。

　　1 國外先進數控工藝程編技術特點

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

　　目前，國外數控制造行業的發展呈現以下主要特點：

　　· 工藝程編一體化程度高，工藝、程編、后置、控制系統、機床、仿真有效統一在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;

　　· 工藝設計與數控程編可實現并行，能及時發現工藝隱患，可實現工藝、設計、程編的有機協同;

　　· 設計、制造資源與工藝資源形成統一的基礎數據庫，使用單一的數據源，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，開創了智能編程、自動編程的新局面。

　　2 國內數控工藝程編技術特點

　　國內缺乏獨立的適合于飛機復雜結構件數控加工的CAD/CAM系統，工藝程編技術主要沿用或借鑒國外CAD/CAM軟件自身的功能，在工藝程編技術自主創新方面存在先天不足的缺陷。總結起來具有以下特點：

　　· 刀具、切削參數、工裝、機床等制造資源與工藝設計系統存在信息孤島;

　　· 工藝程編基礎數據庫尚未形成，工藝設計系統與程編系統相對孤立;

　　· 工藝程編質量控制主要依賴于編程人員個人技術水平和經驗，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，無法進行有效規范，更無法進行精細管理和優化;

　　· 零件變形控制、仿真應用技術水平較為落后，自主創新力度不夠。

　　高效數控工藝程編技術發展趨勢

　　目前，高效數控工藝程編技術引起了各國航空工業的足夠重視，在高效工藝程編技術方面均投入了大量的資金、人力和物力，以謀求在此項技術上取得率先突破。各制造行業已經在CAD/CAM/CAPP/PDM領域形成了新一輪技術熱潮。綜合國際國內數控工藝程編技術發展情況，高效數控工藝程編技術呈現以下發展趨勢。

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

　　基于特征的快速工藝決策及數控編程技術是數控工藝編程發展的趨勢，被稱為下一代數控工藝編程技術。該技術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項關鍵技術。

　　· 加工特征自動識別技術。

　　加工特征識別技術的主要內容是基于實體建模內核構建加工特征知識庫，對不同CAD軟件輸出格式的實體模型進行特征快速識別，識別的結果是重建實體模型的特征，并結合特征知識庫構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，可融入企業知識和行業規范，自行定制加工特征。

　　飛機結構件加工特征復雜，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。

　　快速工藝決策技術(見圖2)的主要內容是以企業產品數據管理系統(PDM)為信息支撐平臺，集成工藝資源和制造資源，針對零件結構特點，在行業已有工藝經驗積累的基礎上，進行工藝分析，不斷總結歸納，實現工藝信息建模、工藝模板建模、分類編碼、建庫，結合加工特征識別技術，構建加工特征、工藝模板和加工工藝之間的內在聯系，并與工藝制造資源(如切削參數、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構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控加工工藝文檔的自動快速編制。

　　· 自動特征加工技術。

　　自動特征加工技術的主要內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，為結合行業通用解決方案，融合企業新工藝方法、新的加工策略，快速、自動地完成刀具軌跡的生成，最終完成數控程序編制。

　　目前國內部分院校和企業已經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。該系統基于ACIS實體建模內核，結合企業已有的制造資源庫，可實現特征快速識別、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。目前該系統已經在部分航空制造企業中得到初步應用，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展潛力。

　　未來的高效程編工藝設計系統將在特征識別率、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，以實現行業內數控機加產品的快速工藝及程編設計，提高工藝準備效率。

　　(2)基于數控加工過程的物理仿真分析技術逐步走向實用，動力學仿真技術成為物理仿真分析技術的排頭兵;數控程序質量仿真控制技術向復合材料制造、機器人操控方向發起沖擊，使制造過程虛擬化成為現實。

　　數控加工過程仿真技術是虛擬制造技術的關鍵技術之一。數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、殘余應力等數據)，以進行裝夾方案的改進和工藝程序的優化。目前數控加工行業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)在幾何仿真領域具備較好的客戶市場和應用環境，該軟件主要用于NC程序的幾何仿真和質量控制，可實現數控機床仿真、探頭檢測仿真、數控程序仿真及優化、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、控制系統仿真方面也具備較強的仿真應用能力。結合企業自身條件，構建刀具、刀柄、切削參數庫、仿真機床庫，該軟件還能作為企業NC程序質量控制系統，可實現“一次做好，缺陷為零”的產品質量控制目標。

　　美國Third Wave Systems公司的AdvantEdge軟件以有限元分析技術為解算內核，主要用于數控加工過程中的刀具結構設計及優化、數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。

　　國內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實驗模態分析測試平臺，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定域和優化的銑削參數，從而在抑制大長徑比刀具的切削顫振現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量。

　　(3)通用、靈活、自優化的后置處理系統正在改變市場觀念。

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

　　國內后置處理起步較晚，形成商品化軟件的后置處理軟件市場上相對較少，但發展方向上更貼近企業實際的應用需求，如提高后置處理軟件的通用性，采用統一的機床配置、前置處理、后處理平臺，為用戶提供便捷的擴展方式，能針對各種結構的機床、不同類型的控制系統、不同格式的前置文件生成滿足產品制造需求的NC程序，并增強五軸后置處理附加功能，實現代碼優化、代碼逆向處理技術和五軸擺角自優化，可有效提高零件表面質量和減少程序過切的情況，這也是未來后置處理發展的方向。

　　(4)基于PDM的CAD/CAM/CAPP/CAQ集成技術繼續深入應用，PDM數據管理層次逐步從工序級細化到工步級，車間級MES系統集成技術應用日趨成熟，制造過程將實現無紙化、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(簡稱P-4C)的支撐,企業自身的工藝資源庫、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在數控加工行業已形成流行趨勢，但數據管理僅限于工序級的數據管理和維護，無法實現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、加工作業時間、加工過程視頻及加工結果等信息實現有效管理，而這些信息與工藝決策、加工特征刀軌的生成、生產作業計劃、調度管理、工時管理、質量控制方面均有著密切聯系。

　　MES系統作為數控加工企業最為直接的生產管理資源配備的信息化作業系統，可實現產品數據信息、加工工藝信息、計劃信息、控制信息、制造信息等數據流的傳遞與運轉，集成了生產計劃指令的發放、制造資源的配備、加工現場的實時監控、數控設備效能的評估以及后續工藝過程的優化等功能，構成了制造企業工藝數字化的主體。隨著企業精益制造需求的不斷增加，企業對數控加工過程的控制將逐步細化，伴隨著信息技術的不斷進步，制造過程的無紙化和可視化將成為可能。

　　結束語

　　飛機結構件的高效工藝程編技術一直引領著國內數控行業的發展方向，該技術發展的快慢直接影響著重點型號的研制進度和質量。隨著計算機及信息技術的高速發展，未來5年，國際、國內將在高效數控工藝程編技術方面取得重要突破，國內數控行業只有認清目前國內外航空制造業之間存在的差距，才能明確未來高效數控工藝程編技術的發展重點。本文從飛機結構件的高效數控工藝程編技術的發展現狀和特點出發，對大型航空結構件的高效數控程編技術的發展現狀和趨勢進行了探討，為數控加工行業尤其是航空制造企業的數控加工技術提出了高效數控工藝程編的解決思路。