變型零件快速數(shù)控編程方法*

蘭 芳

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，廣西 南寧 530001)

0 引言

變型設(shè)計可以大大提高設(shè)計的速度和質(zhì)量，同時又可以重用企業(yè)的已有資源，使企業(yè)對市場變化作出快速地響應(yīng)，高效、高質(zhì)量、低成本地開發(fā)新品種，滿足用戶的需求［1］。隨著產(chǎn)品需求的多樣化、個性化及產(chǎn)品市場的全球化的發(fā)展，變型設(shè)計在現(xiàn)代企業(yè)設(shè)計中占有越來越大的比例，變型零件工藝設(shè)計、數(shù)控編程等方面的研究也正越來越得到業(yè)界的重視。

本文在分析研究變型設(shè)計技術(shù)及編程特點的基礎(chǔ)上，提出了一種基于零件族數(shù)控程序母模板快速生成變型零件數(shù)控加工程序的編程方法。

1 變型設(shè)計與快速編程原理

1.1 變型設(shè)計

變型設(shè)計是指在原有零部件或產(chǎn)品模型基礎(chǔ)上，通過對它們的參數(shù)和尺寸關(guān)系的改變，最終生成與原有零部件和產(chǎn)品相似的零部件或產(chǎn)品的設(shè)計方法［2］。

變型設(shè)計的種類很多，按照變型的方法可以分為:基于裝配模型的變型設(shè)計、模塊化變型設(shè)計、基于特征的變型設(shè)計、基于參數(shù)化和變量化設(shè)計方法的變型設(shè)計、基于實例推理技術(shù)的變型設(shè)計、基于關(guān)系型產(chǎn)品模型的變型設(shè)計等等［3-4］;按照變型的層次可以分為:特征級變型，零件級變型、部件級變型和產(chǎn)品級變型等。本文主要研究基于事物特性表的尺寸變型零件的數(shù)控編程。

變型零件是通過修改原有典型零件的尺寸或結(jié)構(gòu)而形成的，通常有尺寸變型和結(jié)構(gòu)變型兩種形式。

基于事物特性表的變型設(shè)計是在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上，通過改變事物特性表中的特性值而得到相似產(chǎn)品的設(shè)計方法。事物特性表(tabular layouts of article characteristics)是表征產(chǎn)品(包括部件、零件)的功能、幾何、制造等事物特性，并以固定格式表的形式反映的信息集合［5］。

事物特性表由表行和表列構(gòu)成，零件變型設(shè)計中事物特性表的表列內(nèi)容對應(yīng)零件幾何模型中的相關(guān)設(shè)計參數(shù)變量，表中的每一個表行數(shù)據(jù)對應(yīng)一個具體的變型零件。

基于事物特性表的變型設(shè)計過程可以用圖1描述。首先分析零件幾何形狀和拓撲結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，進行零件族規(guī)劃，然后用參數(shù)型CAD系統(tǒng)(如Solidworks，UG、Pro/E等)構(gòu)建零件族的三維模型，并創(chuàng)建與三維模型變量之間關(guān)聯(lián)的事物特性表，這樣零件母模型就建立了。當(dāng)需要得到變型實例時，只需根據(jù)客戶要求，對事物特性表的表行數(shù)據(jù)分別賦予不同的數(shù)值，就可以快速自動生成滿足用戶要求的變型零件。

圖1 基于事物特性表的變型設(shè)計

1.2 數(shù)控程序快速編程原理

由變型設(shè)計產(chǎn)生出的一系列的變型零件，如果用傳統(tǒng)CAM系統(tǒng)進行編程，則需對各個變型零件分別進行幾何數(shù)據(jù)提取、工藝參數(shù)設(shè)置等繁瑣的交互操作，需要花費大量的時間和精力，無法達到變型設(shè)計提高效率、縮短周期、降低成本的目的。

基于事物特性表的變型設(shè)計產(chǎn)生的變型零件，由于僅是尺寸的改變，而拓撲結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，變型零件與母模型零件是相似的。對于結(jié)構(gòu)相同，尺寸大小不同的零件，它們的加工方法、加工順序、加工策略、走刀路線是相同的，不同的僅是加工幾何信息和部分隨零件尺寸變化的工藝參數(shù)，如刀具直徑、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度，因此變型零件與零件母模型的加工工藝是相似的，變型零件與母模型零件的數(shù)控程序也是相似的?？梢酝ㄟ^構(gòu)建基于母模型零件的數(shù)控程序母模板，用事物特性表“驅(qū)動”數(shù)控程序母模板，派生出變型零件的數(shù)控程序，實現(xiàn)變型零件數(shù)控程序的快速編制?；谑挛锾匦员淼某叽缱冃土慵臄?shù)控程序快速編程正是應(yīng)用這一原理。

首先根據(jù)零件族母模型和加工工藝庫創(chuàng)建數(shù)控程序母模板，然后用事物特性表和變型工藝參數(shù)克隆和變異數(shù)控程序母模板產(chǎn)生數(shù)控程序變型實例，經(jīng)后處理即可得到變型零件數(shù)控G代碼。變型零件數(shù)控程序快速編程原理如圖2。

圖2 變型零件數(shù)控程序快速編程原理

2 變型零件快速數(shù)控編程方法

2.1 數(shù)控程序母模板設(shè)計

從變型零件數(shù)控程序編程原理可以看出，數(shù)控程序母模板是實現(xiàn)變型零件數(shù)控程序快速生成的基礎(chǔ)，母模板的合理設(shè)計可以提高變型零件數(shù)控編程的效率和質(zhì)量。每一零件族有一對應(yīng)的數(shù)控程序母模板。

本文數(shù)控母模板以加工特征為基本單元來組織加工信息，每個單元包含該特征加工所需的幾何信息、加工工藝信息。

2.1.1 加工特征的定義和劃分

特征概念的首次提出可以追朔到1978年M·I·T的一篇學(xué)士論文《CAD零件的表示》。但至今對特征仍無統(tǒng)一的定義。特征的定義依賴于其具體的應(yīng)用環(huán)境，由于特征在設(shè)計、分析、制造等不同階段中應(yīng)用的領(lǐng)域的不一致，造成各階段定義特征的方法和所建立特征模型也不相同，使特征具有了多方面的含義［6］。

在工程領(lǐng)域，特征模型往往是按照應(yīng)用需求進行定義和分類的。通常加工特征是指一種能夠代表加工要求、加工意圖和用于構(gòu)建零部件形狀的抽象幾何體。本文為了便于數(shù)控程序母模板的構(gòu)建和靈活變型，將加工特征定義為形狀結(jié)構(gòu)和加工工藝相同或相似的的數(shù)控加工單元。依據(jù)這個定義對加工特征進行劃分時，不僅強調(diào)形狀結(jié)構(gòu)的相似性，更強調(diào)加工工藝的相似性。對形狀結(jié)構(gòu)完全相同但加工工藝不同(如使用的刀具類型、加工的精度等)的加工單元應(yīng)劃分為不同的加工特征。例如兩個大小相同精度要求不同的孔是兩個不同的加工特征。根據(jù)加工特征的定義，零件的加工特征可以分為:平面圓環(huán)區(qū)域加工、平面矩形區(qū)域加工、圓環(huán)輪廓加工、矩形輪廓加工、孔加工等。

因此，零件的加工過程可以看成對組成該零件的加工特征進行加工的總和，對整個加工特征按一定的順序加工后即完成了零件的加工?？梢员硎緸椋?］:

其中P是最終加工完成的零件，BL是毛胚或半成品，MF是加工特征。

2.1.2 數(shù)控程序母模板內(nèi)容和結(jié)構(gòu)

數(shù)控程序母模板是中間文件，其內(nèi)容為加工代碼的生成提供足夠的數(shù)據(jù)信息和工藝信息。其結(jié)構(gòu)決定了變型零件數(shù)控編程的效率。

數(shù)控程序母模板應(yīng)具有以下特點:

(1)數(shù)控程序母模板應(yīng)有足夠、完整的零件加工所需的幾何和工藝信息，即數(shù)控程序母模板應(yīng)是全面描述零件的加工的工藝路線安排、加工策略、刀具參數(shù)、加工參數(shù)以及相關(guān)的幾何元素信息等的文件。

(2)數(shù)控程序母模板應(yīng)有一定的穩(wěn)定性。數(shù)控程序母模板與零件族數(shù)控程序變型實例的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)是一致的，不同的僅是某些加工特征的幾何數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)等。也就是說數(shù)控程序母模板的加工方法、加工順序、走刀路線應(yīng)是零件族所有零件通用的，應(yīng)能被變型零件數(shù)控程序變型實例快捷地克隆重用。

(3)數(shù)控程序母模板應(yīng)有一定的可變性。當(dāng)零件變型時，數(shù)控程序母模板的相應(yīng)幾何數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)能產(chǎn)生相應(yīng)的改變，以派生出變型零件數(shù)控程序變型實例。

本文數(shù)控程序母模板的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)如圖3。模板中以符號“＆＆”開頭的字段為標(biāo)識字段。以符號“##”開頭的字段是模板的數(shù)據(jù)段。模板以加工特征為信息單元，按工藝規(guī)劃中加工特征的加工順序來存放數(shù)據(jù)。每個加工特征的信息單元包含加工特征標(biāo)識、加工特征類型、加工特征工藝數(shù)據(jù)、加工特征幾何數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)控程序母模板內(nèi)容和結(jié)構(gòu)

(1)加工特征標(biāo)識是描述和區(qū)分加工特征的符號，以便于程序進行變型時查詢和調(diào)用。

(2)加工特征類型用來標(biāo)識加工特征的加工方法，如銑削、鉆削等。

(3)加工特征工藝數(shù)據(jù)是加工該特征的工藝參數(shù)，包括走刀方式、進退刀方式、刀具參數(shù)、進給速度、背吃刀量、主軸轉(zhuǎn)速等。母模板的工藝參數(shù)是根據(jù)零件母模型確定的。

(4)加工特征幾何數(shù)據(jù)是與加工特征的形狀尺寸和位置尺寸相關(guān)的數(shù)字信息，這些數(shù)據(jù)的獲取通過人機交互的方式從零件母模型的三維CAD模型中提取。

這種結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控程序母模板的優(yōu)點在于:以加工特征為單元，對加工特征分別設(shè)置相應(yīng)的加工工藝和存儲加工特征幾何數(shù)據(jù)。當(dāng)變型時，能充分利用加工特征易于參數(shù)化處理的特點，對需變型的加工特征可通過事物特性表驅(qū)動其幾何參數(shù)和加工工藝來實現(xiàn)變更，而不需變型的加工特征，其幾何參數(shù)和加工參數(shù)能快速地克隆利用，從而快速派生出變型零件的數(shù)控程序。

2.2 零件族數(shù)控程序母模板創(chuàng)建

零件族數(shù)控程序母模板基于零件母模型及相關(guān)數(shù)控加工工藝進行創(chuàng)建，創(chuàng)建步驟如圖4。

(1)根據(jù)母模型零件的加工要求，進行加工工藝分析，并根據(jù)本文2.1加工特征劃分的原則，進行零件母模型加工特征劃分。

(2)進行各個加工特征的加工順序安排。

(3)加工特征加工信息設(shè)置。在CAD/CAM系統(tǒng)中，按加工順序，逐一對每一個加工特征進行加工信息設(shè)置。每一加工特征的加工信息設(shè)置以人機交互的方式進行，包括設(shè)定加工方法，提取特征幾何信息，設(shè)定加工刀具，加工策略、加工參數(shù)等過程。

(4)判斷是否完成了所有加工特征的加工信息設(shè)置，如果完成即結(jié)束母模板創(chuàng)建，生成母模板文件，否則繼續(xù)進行加工特征的加工信息設(shè)置，直至最末一個加工特征完成。

零件族數(shù)控程序母模板的創(chuàng)建流程如圖4。

圖4 零件族數(shù)控程序母模板創(chuàng)建流程

2.3 變型零件數(shù)控加工G代碼生成

在由數(shù)控程序母模板生成變型零件數(shù)控加工G代碼過程如圖5所示。

圖5 變型零件加工G代碼生成流程

首先調(diào)用相應(yīng)的數(shù)控程序母模板文件，對零件族事物特性表賦值，在CAD/CAM環(huán)境下母模板中與事物特性表關(guān)聯(lián)的加工特征的幾何數(shù)據(jù)將自動更改。同時在工藝知識庫的支持下，系統(tǒng)對變型零件的加工參數(shù)重新進行優(yōu)化，得到變型特征工藝參數(shù)，用該參數(shù)對相應(yīng)加工特征的加工工藝進行修正，完成后即生成數(shù)控程序母模板變型實例文件。然后對主模板變型實例進行分析、計算、編譯生成變型零件加工刀位文件。該刀位文件是通用性的中間文件，由于不同的數(shù)控系統(tǒng)，在數(shù)控代碼的含義、程序段格式、刀具半徑補償，坐標(biāo)表示方式等方面都存在差異，為此，需根據(jù)不同的CNC系統(tǒng)，對刀位文件進行后置處理，最終生成符合特定數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控加工G代碼。

3 變型零件快速編程應(yīng)用實例

基于以上的原理和分析，本文以UG軟件為平臺，運用UG提供的二次開發(fā)工具包UG/Open API和VC++建立了變型零件快速編程模塊，實現(xiàn)零件族數(shù)控程序母模板的創(chuàng)建和變型零件加工G代碼的快速生成和管理。該模塊主要包括零件族數(shù)控程序母模板庫、零件族數(shù)控程序母模板創(chuàng)建、變型零件加工G代碼庫、變型零件加工G代碼生成等子模塊。

現(xiàn)以圖6泵蓋零件的加工G代碼生成過程為例進行說明。

圖6 泵蓋零件

首先對泵蓋進行加工工藝分析確定其加工特征及加工順序為:銑B面;鉆D1孔;鉆2－D2孔;加工MD3螺紋孔;加工2-MD4螺紋孔;鉆3-D5、D6臺階孔;翻轉(zhuǎn)零件，銑A面;銑腰形槽Ⅰ、Ⅱ;擴、鉸D1孔;擴、鉸2-D2孔。然后按這加工順序進行每一加工特征的加工信息設(shè)置和幾何信息提取，建立泵蓋零件族數(shù)控程序母模板。

當(dāng)需要改變尺寸生成新泵蓋時，例如改變夾角α和D0，只要對泵蓋母模型事物特性表中相應(yīng)的參數(shù)賦予值就可實現(xiàn)新泵蓋零件生成，同時，由于數(shù)控程序母模板是與事物特性表相關(guān)聯(lián)的，此時數(shù)控程序母模板的相關(guān)加工參數(shù)也就隨之改變，生成新泵蓋的數(shù)控程序?qū)嵗瑢ζ溥M行相應(yīng)的后處理即可生成新泵蓋的加工G代碼。如圖7所示。

圖7 快速編程實例

4 結(jié)束語

通過對變型設(shè)計技術(shù)及變型零件編程特點進行分析，基于零件族母模型設(shè)計了數(shù)控程序母模板，在零件事物特性表的驅(qū)動下由數(shù)控程序母模能快捷得到變型零件的數(shù)控加工G代碼，有效地提高了變型零件的數(shù)控編程效率和質(zhì)量。變型零件編程技術(shù)的研究對提高企業(yè)市場快速響應(yīng)能力，降低成本有積極意義。

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