基于NXFBM系统的自动化编程技术应用

毕忠梁 王伟

摘 要：随着智能制造技术的飞速发展，产品的生命周期持续缩短，传统CAM 软件手动编程模式已经难以应对零件设计和尺寸的不断变化。NX的FBM 系统可以实现基于特征的自动化编程，通过识别产品CAD模型中的特征信息，自动确定最佳的加工工艺，选择适合的刀具自动产生刀具路径;还可以随着CAD模型的变化，智能调整加工方案，实现数控编程的自动化和智能化。文章以机械臂零件的数控加工为例，对FBM 系统原有特征库进行了扩充，同时对MKE知识库进行了二次开发，实现了自动编程加工，最后比较了传统编程方式和自动化编程方式的差异，展示了自动化编程的优越性。

关键词：FBM 系统;自动编程;特征加工

中圖分类号： TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-9699（2023）06-0038-05

传统的制造模式，设计模块与加工模块相对独立。这样的模式导致产品开发周期长，效率低且质量很难保证。随着智能制造技术的高速发展及数控技术的全面应用，传统的制造模式发生了根本性变化，提出了全新的基于产品数字化模型的自动化制造模式[1]。

具体来说，对于数控编程工程师而言，最常见的问题是对于形状或特征相似的零件需要重复编程劳动，这会浪费大量的时间。而对于车间的操作人员而言，往往会遇到切削参数选择不合理或者刀具选择错误等问题。如果采用自动化数控编程就可以解决这些问题———它极大地减少了耗时的、重复的手工编程工作，简化了程序生成的过程，减少了生成NC代码所需要的交互操作数量，最重要的是减少了手工编程过程中出错的概率，提高了程序的准确性[2]。

以NX软件为例，要实现自动化编程，如果采用Open API技术二次开发，对一般的数控编程工程师而言比较困难。而利用NX软件内置的自动编程系统，只要熟悉数控加工工艺就可以轻松实现自动化编程的开发。

1 FBM 智能编程系统应用

1.1 FBM 系统介绍

基于特征的加工系统（feature based machining，FBM）是一种自动化编程系统。基于特征的FBM 加工系统允许将产品的CAD模型直接导入到CAM 程序中，然后FBM 快速分析CAD实体模型中的设计和产品制造信息（product manufacturing information，PMI），查找出相关特征，确定每个特征的最佳加工工艺，最后自动生成每个操作的刀具轨迹。FBM 可以将数控编程时间减少多达90%，同时减少了编程中可能出现的错误，减少机器设置时间[3]。

从图1上可以看到，基于FBM 的自动化编程省略了大量的重复性操作，提高了编程效率。NX的FBM 系统适用于车削、铣削以及线切割模块。系统内包含了一个开箱即用（out of the box，OOTB）的基础加工知识库，基础知识库包含了常见的特征及加工规则，例如各种类型的孔、型腔和其他简单形状的特征。如果需要利用FBM 自动加工复杂的特征类型，则需要在加工知识库中开发新的特征和加工规则。

1.2 实际案例分析

在设计双臂scara打印机的过程中，机械臂的相关零件有很多类型，在这些机械臂的零件上大多都设计了一种圆角U 型槽，主要目的是减轻机械臂重量以及美观。如图2所示，这些圆角U 型槽的槽型一般不深，底部是平面结构，侧面为包含R 的圆角，结构大致相同，只是圆角半径，槽宽、槽长等尺寸不同[4]。现需要对这些圆角U 型槽分别加工。

对于单个圆角U 型槽的加工工艺并不复杂，如果利用NX 软件加工则基本过程如下：首先利用圆角立铣刀对圆角U 型槽整体粗加工，使用型腔铣操作;接着利用球头铣刀精加工侧面的圆角，使用等高加工策略;最后利用平底铣刀精加工U 型槽的底部平面，使用底壁铣操作完成加工。

对于多个圆角U 型槽批量自动加工，由于槽的结构基本相同，因此其加工工艺基本相似，可以使用FBM 功能，自动查找出圆角U 型槽的加工特征，然后自动创建出特征工艺，自动生成刀具路径。由于NX的FBM 自带的特征知识库中，并不包含圆角U型槽这个特殊的几何特征，所以必须首先在FBM系统中开发新特征并同时分配新的加工操作规则。由于圆角U 型槽的尺寸不同，为了保证加工质量和效率，在分配合适的加工操作规则时还要求系统可以进行智能化设置，例如公差、刀具选择、材料等参数[5]，具体要求见表1。

为了保证FBM 系统可以根据不同尺寸智能选择刀具及切削参数，就需要在机械加工知识库编辑器中进行二次开发。加工知识库编辑器（machiningknowledge editor，MKE）是NX 一个独立的工具，负责管理FBM 系统所有特征规则、加工规则的数据库，可用于修改定义加工过程规则，新建和映射特征等。

1.3 示教特征库扩充

FBM 系统自带的特征库中没有圆角U 型槽，要系统能识别圆角U 型槽并加工，需要先添加该特征并示教。为了防止其他特征干扰，我们可以新建一个零件，其中只包含圆角U 型槽这个单一的特征，如图3所示。

无论什么特征都是由不同的属性组成，这些属性将其与相似的元素区分开来。属性可以是几何尺寸、粗糙度、颜色、公差等，这些属性可以作为变量，在MKE中作为条件的判断。创建新特征时，PMI注释可以用于创建属性。PMI的标注使用有其原则，必须使用基本的长度尺寸，例如水平、垂直、半径、直径等。单纯的PMI只是一个数字标注，FBM系统可以获取PMI值，但是不知道这个值所对应的变量是什么，应该如何调用这个值。因此需要将PMI注释添加为变量，在相应的PMI标注后添加附加文本注释，这样MKE就会自动识别文本作为变量引用。如图所示，在标注后缀添加如LENGTH、WIDTH、RADIUS、FLOOR等文本注释，作为圆角U 型槽的长度、宽度、圆角半径值，如图3所示，这样示教特征时系统会识别出这些变量，相应的特征中就会包含这些属性。

使用“示教特征”命令可以将新特征添加至FBM 特征库中。首先选择添加新特征类型，这里可以指定新特征的添加位置和新特征的名称，接着需要选择特征的识别规则选项，NX7之前的版本特征的识别仅能通过颜色识别，现在识别参数选项有很多，它包括颜色、几何属性，以及几何的名称等。在识别规则中选择PMI注释的选项，即用户自定义添加的属性。最后选择要示教的特征面，图4所示。示教特征完成后，需要验证这个新特征的识别规则是否正确。

1.4 MKE知识库的二次开发

新的特征添加完成后，还需要在MKE 加工知识库中开发新的加工规则才可以实现自动编程。首先针对识别出来的圆角U 型槽手动创建一次完整的操作工序作为加工规则，包含三个操作步骤：型腔铣、深度轮廓铣和底壁铣。然后将这三个手动创建的操作分配给识别出来的特征几何图形，FBM 系統会将这些操作关联到圆角U 型槽特征并写入MKE。

当示教操作完成之后，所有的加工操作都是固定的，包括操作的参数，使用的刀具以及切削参数都不能更改，要求和当前的示教特征一致。这样直接使用FBM 自动创建特征工艺是没有考虑到圆角U型槽其实是参数化的，槽的深度，宽度，圆角半径的尺寸都是变化的，刀具和切削参数的设置需要考虑特征的几何尺寸变化，智能判断加工条件。所以在示教操作之后，需要在MKE编辑器中修改这些操作，开发智能判断的加工条件，这些加工条件将确定加工规则、刀具以及切削条件的适用性。

打开MKE，进入Machining Knowledge选项列表，选择示教的操作，打开后可以看到对于每个加工策略，MKE都建立了一系列特征以及加工操作定义的条件。Conditions选项卡中包含了该操作的执行准则、刀具选择准则、加工前的特征属性、操作工序的属性以及具体的设置参数。

打开型腔铣的策略条件选项卡，在刀具选用准则下添加以下判别规则：

REM Tool Criteria

IFmwf.WIDTH <= 8.0

THEN （tool.Diameter = 6.0 AND tool.CorRad1 = 1.0 ）

ELSE（tool.Diameter = 10.0 AND tool.CorRad1 = 1.0 ）;

表示当圆角U 型槽槽底的宽度小于等于8mm时，选择直径6mm 圆角半径1mm 的圆角立铣刀粗加工;当槽底宽度大于8mm 时，选择直径10mm 圆角半径1mm 的圆角立铣刀粗加工。

深度轮廓铣的策略条件选项卡中，在刀具选用准则下添加以下判别规则：

REM Tool Criteria

tool.Diameter < （mwf.RADIUS-1.0）*2;表示自动选择半径小于圆角U 型槽侧面R 角半径减1mm 的球头立铣刀，这样既能保证加工效率，也不会造成球头铣刀半径过大导致加工失败情况。在FBM 自动加工的时候，系统会智能地从NX刀具库中搜索符合匹配条件最大的球头铣刀加工。底壁铣的策略条件选项卡中，同样在刀具选用准则下添加以下判别规则：

REM Tool Criteria

tool.Diameter < mwf.WIDTH -1.0;

表示选用的立铣刀的直径小于槽底的宽度减1mm，系统会从NX刀具库中搜索符合匹配条件最大的平底立铣刀加工。设置完成后，保存MKE，示教特征完成。

1.5 智能自动编程流程

自动编程时，首先进入FBM 特征自动加工系统，选择查找特征，在要识别的特征中选中之前示教的特征名称，系统会自动将符合我们创建的示教特征的圆角U 型槽一次性全部查找出来，并且正确识别到了槽宽、槽长、圆角半径等参数，如图7所示。

选中所有特征，选择创建特征工艺，在知识库中选择之前示教的操作名称，系统会将之前示教的三个操作自动添加到特征上，并且会根据不同尺寸智能选择对应规格的刀具，还会自动设置相匹配的切削参数，生成刀具路径，实现了编程自动化和智能化。加工完成的机械臂零件安装到双臂scara打印机上的效果如图8所示。

2 自动编程效率评估

将手动编程与FBM 自动编程进行比较，统计二者在NX 操作时的交互次数，包括编程员在编程时设置编程参数使用鼠标单击或键盘按键的次数。手动编程在编写单个圆角U 型槽程序时，需要生成三个加工操作，每个操作都需要重复设置几何体，切削层，切削余量、切削参数、公差、刀具等工作，需要交互次数大约是100～200次，总共耗费时间大约是5分钟，而且与编程者的操作水平和熟练度有很大的关系。圆角U 型槽数量越多，交互次数和耗费时间就越多，虽然操作可以复制粘贴，但是一些重复的参数设置还是必需的。而采用FBM 自动编程时，特征查找和创建特征工艺都是自动完成，并且与圆角U 型槽数量无关，无论图中有多少个圆角U 型槽，自动编程的交互次数和时间都是差不多的。具体对比结果见表2。

从表2可以看到，对于这四个圆角U 型槽零件，FBM 自动编程比手动编程交互次数减少了90%左右，编程时间缩短了80%左右。

3 总结

基于特征的FBM 自动化编程技术在未来的智能制造中有着非常重要的地位。智能制造的特点决定了零件的设计和尺寸会不断变化，传统的手工编程面对不断发生设计变化的工作环境力不从心。FBM 是根据模型几何特征以及PMI等参数自动选择加工策略，自动进行编程，一旦模型设计或尺寸更改，FBM 也会智能更改加工过程，无须编程者进行任何干预操作，极大地提高了生成效率。同时每个企业还可以按照自己的生产习惯，设定加工工艺及操作顺序，实现高效的生产。

参考文献：

[1]刘红军，伞雷，纪俐，等.基于UG特征识别的典型孔槽类零件数控加工技术[J].航空制造技术，2014（Z2）：100-102

[2]Angelo Corallo，Manuela Marra，Claudio Pascarelli.Knowledge-Based Manufacturing：Management and Deploymentof Manufacturing Rules through Product Lifecycle ManagementSystems[J].Aerospace，2019，6（4）：41-58.

[3]M. Marra， C. Pascarelli， M. Lazoi ，et al.KNOWLEDGE-BASED MANUFACTURING： A PROPOSAL TO MANAGEMANUFACTURING RULES [C]//15th International DesignConference.2018：359-368.

[4]花锋.基于NX二次开发的特征识别技术研究[J].机械制造与自动化，2010，12（39）：99-100.

[5]荣奇，张芬，李建勋.基于加工特征的UG/CAM 编程自动化系统研究[J].机床与液压，2015（15）：112-115.

[6]黄国祥.基于加工特征和UG 的NC代码自动生成研究[D].杭州：浙江大学，2006.

责任编辑：肖祖铭