本文是一篇机械自动化类论文，本文进一步提出了基于知识图谱的工艺知识表示方法，通过现有的蜂窝芯零件加工编程技术推理出合适的工艺路线和工艺参数。最后，采用UG NX 12.0的二次开发技术构建了自动编程原型系统。
第一章 绪论
1.1 论文研究的目的及意义
蜂窝复合材料作为夹层结构增强材料，具有较高的比强度、比刚度和较好的隔音、隔振、耐冲击等优点[1-3]，在航空、航天等领域的应用越来越广泛，其加工技术在国内外也得到了快速的发展[4]，如图1.1所示。蜂窝芯零件的高效优质加工作为蜂窝复合材料从研制到应用的关键一步，影响蜂窝复合材料最终的使用前景。由于蜂窝复合材料的正交各向异性和非均质结构，具有高的强度对重量比和良好的刚度，传统的蜂窝材料加工方式有高速铣削加工、超声加工等[5]，但铣削加工存在切削力大、切削温度高、纤维拔出严重、加工效率低等问题[6]。
超声数控加工作为一种新兴技术，可以减少刀具磨损，有效克服传统铣削加工的缺点[7]。在刀具切割过程中会产生超声微级振动，同时产生振动冲击和超声空化。与传统铣削工艺相比，超声数控加工通过在刀具上叠加了几十um的高频振幅，可以减小切削力，提高加工效率。被加工表面不会出现撕裂、塌陷等缺陷，同时能耗更低，且无粉尘危害等诸多优点[8]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 特征识别技术
特征识别是将特征从产品实体模型中自动识别的过程[11]。这项技术广泛应用于各种领域，从计算机视觉到数据分析，再到机械设计和制造。在不同的应用背景下，特征识别可以帮助系统理解、分析和处理数据，提高自动化和智能化水平。
（一）基于边界的特征识别方法
特征识别通过在预设边界模式内搜索，匹配目标区域的特征。基于边界的特征识别技术可以分为三种类型：基于规则的、基于图的和基于痕迹的方法。这三种类型各具特色，适用于不同的工程环境和应用需求。
基于规则的特征识别方法通过每条规则以几何和拓扑信息为基础进行定义，例如面与边之间的关系、凹凸特性、内外环结构等。基于规则的识别方法能够有效地识别特征的几何形态，但其适用性往往受规则库完备性的限制，需对复杂的几何关系进行详尽的规则设定。因此，这类方法通常适用于几何结构较为清晰的零件识别任务，且对规则库的构建和维护提出了较高要求。
Henderson等人[12]提出的基于规则的特征识别方法。这种方法通过预定义规则对特征识别解析出来的几何和拓扑信息进行约束[13]。每个规则通过对几何元素设定一系列充分必要条件，如垂直性、凹凸性或邻接性，从而精确定义特征，并对待识别特征的几何与拓扑信息施加约束。刑忠文等人[14]针对汽车覆盖件提出了一种启发式规则特征识别算法，实现了自由曲面上内型孔特征、外型孔特征和翻边类特征的自动识别。Babic等人[15]对几何特征提取的方法进行了深入的研究，强调了STEP标准的应用，回顾了基于规则的特征识别模式的研究状况。Zhang等人[16]提出了一种基于知识驱动的特征识别方法，利用定义的知识规则基于推理识别加工特征，并且在UG NX系统中验证了该方法的可行性和开放性。
第二章 蜂窝芯零件的特征识别
2.2 蜂窝芯零件典型特征分析
2.2.1 特征的定义
“特征”概念在上世纪70年代由麻省理工学院的Gossard[63]提出，在他指导的学士论文中首次用特征来表达CAD模型。特征在不同领域内概念存在一定差别，在制造和机械工程中，特征指加工件上因加工过程而形成的具体几何形状或尺寸特性。这包括孔和孔系（如盲孔、通孔等），通过钻孔、镗孔形成；槽和凹槽，常通过铣削、刨削或磨削加工；加工件的外形轮廓，可通过车削、铣削加工成所需形状；表面纹理和粗糙度，通过磨削、抛光等表面处理工艺控制；以及螺纹、凸缘、肩部、键槽和销孔等特征，这些都需精确加工以确保配合和功能。这些特征的精度和质量直接影响产品的性能、耐久性和可靠性，是评估加工质量和工艺水平的重要标准。
2.2.2 蜂窝芯零件结构特点
在航空领域，蜂窝材料的应用包括机头雷达罩、机翼的前缘和后缘面板、襟翼、垂直和水平尾翼、方向舵、襟翼导轨的整流罩、腹部整流罩、桨叶以及机身地板等部件。在航天领域，则被用于制造卫星的太阳翼基板、卫星平台和固面反射器等，应用机型如表2.1所示。
2.3 基于规则和痕迹的特征识别
通过对航空蜂窝芯零件的特征分析，可以发现此类零件主要由平面、曲面、腔槽等特征组成。尽管基于图的特征识别方法较为成熟，且邻接矩阵匹配方法已成为主流，但邻接图的构建与匹配过程需要处理大量的几何和拓扑信息，导致计算复杂度较高，尤其是在面对复杂零件时，计算效率显著下降。基于图的方法在处理包含数百个面的零件时，计算时间可能呈指数级增长。
相比之下，基于规则和痕迹的特征识别方法通过预定义的特征规则和提取的操作痕迹信息，能够显著减少计算量。相同硬件条件下，基于规则和痕迹的方法对典型航空蜂窝芯零件的特征识别时间平均减少了约40%，同时识别准确率保持在95%以上。该方法能够灵活适应不同特征类型的规则定义，例如通过几何约束（如平面法向量、曲率）和参数约束（如腔槽深度、宽度）快速筛选候选特征，从而避免了邻接图构建和匹配的高计算量。
基于规则和痕迹的方法还支持动态规则扩展，能够适应不同设计需求。当零件设计规范发生变化时，只需调整规则库中的约束条件，而无需重新设计算法。这种灵活性使得该方法在工程实践中更具实用性和可扩展性。
因此，本文采用基于规则和痕迹的信息来识别大多数特征，以减少计算复杂度并提高识别效率。
第三章 基于知识图谱的蜂窝芯零件工艺表示 ................... 28
3.1 前言 ...................................... 28
3.2 蜂窝芯零件超声加工工艺 ....................... 28
第四章 蜂窝芯零件数控加工编程技术研究 .................. 41
4.1 前言 ........................ 41
4.2 蜂窝芯零件数控超声加工工艺路线规划 .................................... 41
第五章 蜂窝芯零件超声数控加工原型系统开发 ................... 47
5.1 前言 ................................. 47
5.2 UG NX二次开发技术基础 ........................ 47
第五章 蜂窝芯零件超声数控加工原型系统开发
5.2 UG NX二次开发技术基础
UG NX（现称为Siemens NX）是由西门子公司开发的集成化CAD、CAM和CAE软件，广泛应用于工业设计、工程和制造领域。UG NX具备强大的三维建模、装配、工程分析和数控加工功能，适用于从概念设计到生产制造的整个产品开发周期。UG NX在通用功能基础上，构建了完整的二次开发工具体系UG Open，如图5.1所示。UG NX通过UG Open API（应用程序接口）帮助用户在产品设计中复用已有的知识和经验，大幅提高了系统的灵活性。UG Open API作为核心，提供统一的跨语言接口，支持多种编程语言，以确保系统特性的兼容性。API内置近2000个函数，覆盖大多数操作，用户可通过调用这些函数和自主开发的函数，结合Block UI Styler设计的交互界面，全面展现用户的知识经验和设计意图[74]。
1．UG/Open GRIP 语言
UG/Open GRIP 是UG NX早期用于自动化和简单脚本开发的专用语言，具有简洁易学的语法，适合基础几何操作和简单的设计自动化。尽管功能有限，GRIP曾帮助用户在设计过程中提高效率，但已逐渐被更现代的NX Open API和其他编程语言取代。
2．UG/Open API 程
UG/Open API(Application Programming Interface，应用编程接口)[75]，专门用于二次开发和定制化功能扩展。该API通过提供编程接口，使开发者能够使用C++、C#和Java等编程语言直接访问UG NX的核心功能，从而实现自动化设计流程、特征识别、参数化建模、加工路径生成以及数据集成等高级功能。在工程设计和制造领域，很多流程存在重复性操作，UG/ Open API可以帮助开发者创建自定义的程序或脚本，以自动化这些步骤，减少人为干预并提高工作效率。此外，UG/ Open API还可以集成其他外部系统，实现数据交换和信息共享，使UG NX平台在更广泛的工程环境中得到应用。这一API的优势在于其灵活性和高效性，能够满足企业或个人用户的特殊需求，是增强UG NX软件应用的强大工具。
第六章 总结与展望
6.1 总结
随着工业生产对航空蜂窝芯零件数控编程的高效性和规范性要求不断提高，使用现有CAM软件编程存在编程效率低、人机交互繁琐、无法实现超声加工六轴后处理等问题。针对这些问题，本文提出了一种基于规则和痕迹的特征识别方法，实现了蜂窝芯零件典型加工特征的自动识别。在此基础上，本文进一步提出了基于知识图谱的工艺知识表示方法，通过现有的蜂窝芯零件加工编程技术推理出合适的工艺路线和工艺参数。最后，采用UG NX 12.0的二次开发技术构建了自动编程原型系统。主要研究成果如下：
（1）依据蜂窝芯零件结构特点和加工工艺对特征进行分类，对特征信息存储表达，提出了基于规则和痕迹的蜂窝芯零件特征识别方法，通过提取零件特征的边界信息和痕迹信息，建立典型特征识别知识，完成了对蜂窝芯零件典型特征的识别与信息提取。
（2）分析了蜂窝芯零件与常规加工的不同之处，具体介绍了超声加工工艺及原理，通过知识图谱的方式对蜂窝芯零件进行工艺知识表
