“飞机复杂结构件快速数控编程系统”是 “高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项2012年度立项实施的课题之一，实施期限为2012年1月至2014年12月。课题实施一年来，取得了多项成果，包括：申请发明专利6项，发表论文9篇，形成相关技术文档6份；通过项目的实施，培养了快速编程系统专职研发人员25人，完成了专项目标，也为后续工作的顺利进行做好了人才储备工作；提前完成了相关算法的设计和相关模块的开发，并完成了186项零件的测试，测试通过了135项；通过快速数控编程系统在飞机结构件上的应用，显著降低了劳动量和劳动强度，相对于原始的手动编程，编程周期缩短了70%以上，加工效率提高了30%以上,并创造了显著的经济效益。

课题立项意义重大

近年来，数控加工技术在军工制造业中得到了广泛应用，各企业通过高新工程等技改项目引进了大量的先进数控设备，但由于配套技术发展滞后，设备应用效率一直处于较低水平。同时，新一代飞机高性能、高质量、短周期和低成本的研制要求，对制造技术尤其是数控加工技术的发展也提出了新的挑战。高性能如高机动性和隐身性等，要求零件整体化、轻质化，从而导致零件结构的大型化、复杂化和材料的多样化，传统的数控编程等准备工作已成为制约数控效率发挥、新机快速研制的关键因素。因此，在飞机结构件数控加工过程中，针对复杂构件的结构及加工工艺特点，突破现有的数控加工工艺规划以及手动编程中的一系列难题就显得非常必要和迫切。本课题的立项目标是：自主开发飞机复杂结构件快速数控编程系统，并将系统应用于飞机制造产品工程中，实现加工工艺方案的快速设计，提高数控编程效率，完成典型航空构件的示范应用验证。因此，课题的立项对于解决上述问题具有重要意义。

图1 快速编程系统编辑对话框

技术研究的创新和突破

飞机复杂结构件快速数控编程系统以零件的三维数字化模型为基础，突破了一系列关键技术，包括：集成并打通了数控加工方案规划、工艺规程设计、程序编制、变形分析和后置处理等加工准备关键环节，实现了在同一平台上快速、高效和高质量地开展飞机构件数控加工准备各项工作，从而最大程度地提高了工艺设计、数控加工编程等各单项技术和工具的有效性，使这些技术工具发挥出最大效能；自动构建和疏通了数控加工准备数据流，使得其中的加工方案、工艺规程、数控程序、夹具布局和加工代码等准备数据得以直接传递、使用、反馈和保存，从而避免了大量的重复手工输入，显著减少了加工准备过程中的人机交互量；在工艺知识库、机床设备库、刀具库和切削参数库等加工资源库及相关知识驱动技术的支持下，实现并提供了各项智能化和自动化的加工准备功能，提升了加工准备过程的自动化水平，缩短了加工准备时间。

飞机复杂结构件快速数控编程系统以CATIA环境为平台，开发了相应的功能模块，其实现的部分界面如图1～图4所示。

图2 零件信息及相似加工方案图

飞机复杂结构件快速数控编程系统的主要创新点包括：

1. 构建并开发了“飞机复杂结构件快速数控编程系统”结构体系。此结构体系建立在零件的三维数字化模型基础上，较为系统而准确地体现并支持了飞机复杂构件数控加工工艺准备及编程的专业化流程。

2. 提出并形成了一套较为完整的“数控加工自动编程”理论及技术体系，很好地解决了诸如壁板等飞机复杂构件加工自动编程中的一系列关键性问题。其中包括：

（1）针对飞机壁板的结构特点，创造性地将刀轨分层生成技术推广应用到构件加工特征的识别和构造上，有效地解决了壁板加工自动编程中加工区域获取、刀具选择和刀轨计算等基础性问题；

（2）对现有的刀具自动理论依据——Voronoi Mountain定义域和切削轮廓45?拔模体进行修正，并在此基础上设计了基于几何特性的刀具自动选取算法，为在保证加工质量和加工时间最短的前提下，确定所需刀具的数量和尺寸提供了方法依据；

（3）按照分级规划原理，以广义槽关联树为基础，构建了于知识推理的特征排序方法。

图3 加工设定

相关技术综合比较

相对于常规的人工手动程序编制，飞机复杂结构件快速数控编程系统具有以下优点：

1. 程序编制的效率高。普通结构件的编程时间在30～60min，较复杂零件的编程时间在1～4h，最大零件的编程时间在30～40h。

2. 工作量明显减少。对于采用常规编程方式需点击鼠标上万次才可完成的一个结构件编程，使用PrtRMP系统时，只需点击鼠标几十次。

3. 程序重复性好，易于形成标准模式。同种类型的零件，系统编制的零件加工程序的顺序及方法是相同的，而人工编程则需要依靠个人的经验，相互间差距较大。

4. 切削参数修改方便。一般情况下，人工编程对于转数和进给的更改是方便的，但是对于切深及切宽的更改则很难实现，因为更改切深和切宽，相当于重新编制程序，需要的周期长。而采用系统编程，则仅需要将加工方案中的刀具切削参数更改后，重新进行系统编程，即可得到新的程序，因此易于实现。

图4 生成加工方案模板

5. 能够建立机床－刀具切削参数库。切削参数库是机加企业很重要的一个数据库，是否能够形成有效的切削参数库，代表一个企业的加工能力水平。如果程序编制不再是一种负担，那么，工艺人员可将更多的精力放到优化切削参数上，这样才能够建立一套有效的机床－刀具切削参数库。

飞机复杂结构件快速数控编程系统与国内外相关技术相比所具有的优势如表所示。该快速编程系统将零件数控加工准备当作一个完整的专业化过程来研究，集成其中各项相关的技术和工具，使之形成综合化系统，以便在同一系统上有效地开展和完成零件数控加工的各项准备工作，因而达到国际领先水平。

研究成果应用前景广阔

飞机复杂结构件快速数控编程系统在使用过程中运行稳定，效果显著。目前，沈阳飞机工业（集团）有限公司（以下简称“沈飞”）已应用该系统完成了壁板、梁、肋和框等类型的多项零件的加工准备工作，平均缩短加工准备时间达70%以上，提高加工效率30%以上。值得一提的是，作为2013年度专项支持的“高档数控系统在航空领域的示范应用”课题承担单位，沈飞与华中数控股份有限公司为确保课题的圆满实施，提前对沈飞部分机床进行了国产数控系统改造，飞机复杂结构件快速数控编程系统也在改造后的国产数控系统上得到了成功应用。今后，飞机复杂结构件快速数控编程系统还将被全面推广应用到新研型号的飞机制造过程中。同时，该系统也将被推广应用到其他航空制造企业中。

企业创新能力获得提升

实践证明，飞机复杂结构件快速数控编程系统已具备较强的智能化水平，其中采用的某些关键技术具有前瞻性与创新性，可实现飞机复杂构件数控加工准备的技术革新，并从根本上解决当前飞机复杂构件数控加工准备过程中面临的瓶颈问题。快速数控编程为飞机复杂构件数控加工准备提供了全新的技术思路与实现方法，能够缩短加工准备周期，提高加工效率与质量，适应当前及后续的飞机快速、精准研制的需要和任务，同时也大大提高了沈飞的自主创新能力，激发了公司员工的创新意识。