基于Pro/E的大型斜床身數(shù)控車床的程序設(shè)計(jì)

孟國(guó)興

（大連機(jī)床集團(tuán)技術(shù)中心，遼寧大連 116620）

基于Pro/E的大型斜床身數(shù)控車床的程序設(shè)計(jì)

孟國(guó)興

（大連機(jī)床集團(tuán)技術(shù)中心，遼寧大連 116620）

以DL50大型數(shù)控車床為例，詳細(xì)介紹了裝配的參數(shù)化及程序設(shè)計(jì)方法和技巧。

公稱參數(shù) 程序設(shè)計(jì) 條件語(yǔ)句 EXECUTE語(yǔ)句

不同于小型數(shù)控車床，即使在同一加工直徑或同一床身的前提下，大型數(shù)控車床也應(yīng)有多種不同加工長(zhǎng)度、不同機(jī)床承重和不同功能配置，最終必須形成產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)。這樣，才能用最低的成本，組成多種不同性能的機(jī)床，來(lái)滿足不同領(lǐng)域的不同要求。要在極短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出多種相似的系列產(chǎn)品，就必須借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，如Pro/E的參數(shù)化及程序設(shè)計(jì)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)就是將零件模型中的定量信息變量化，使之成為可調(diào)整的參數(shù)，當(dāng)對(duì)變量化參數(shù)賦予不同數(shù)值時(shí)，就可得到不同大小和形狀的新零件模型。參數(shù)化設(shè)計(jì)可以大大提高模型的生成和修改速度，在產(chǎn)品的系列設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)方面具有極大的應(yīng)用價(jià)值。要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，參數(shù)化模型的建立極為關(guān)鍵。

程序是Pro/E工程設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)提供的、格式為TXT、記錄全部操作過(guò)程，它記錄著三維模型自始至終的建模步驟，包括裝配和特征的建立過(guò)程、參數(shù)設(shè)置、尺寸以及關(guān)系等模型信息。而程序設(shè)計(jì)就是根據(jù)需要編輯該程序，是Pro/E的一種高級(jí)應(yīng)用。通過(guò)編輯可以實(shí)現(xiàn)全局參數(shù)自上而下的傳遞、零部件的自動(dòng)裝配和替換、自動(dòng)隱含及恢復(fù)、自動(dòng)更改參數(shù)化模型及名稱等。參數(shù)化的零件模型必須結(jié)合裝配的程序設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和智能化?；赑ro/E的參數(shù)化及程序設(shè)計(jì)的大型斜床身數(shù)控車床（見圖1）應(yīng)具備以下功能：①輸入?yún)?shù)后，Pro/E自動(dòng)生成全部裝配、零件三維模型，自動(dòng)修改零件名稱和機(jī)床型號(hào);②依據(jù)裝配、零件三維模型生成工程圖、總部件目錄及各種零件目錄、外購(gòu)件目錄等。

本文以大型斜床身數(shù)控車床DL50為例，詳細(xì)介紹基于Pro/E的裝配參數(shù)化及程序設(shè)計(jì)的方法和技巧。

1 大型斜床身數(shù)控車床公稱參數(shù)的確定

依據(jù)Pro/E參數(shù)化及程序設(shè)計(jì)要求，綜合本臺(tái)數(shù)控車床的動(dòng)力參數(shù)、幾何參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，能夠充分表征機(jī)床特性和能力的最主要的參數(shù)，可歸納為下面7個(gè)，其可供選擇的參數(shù)值如后面的程序中所述：①工件長(zhǎng)度;②加工直徑;③機(jī)床承重;④尾座形式;⑤中心架規(guī)格;⑥刀臺(tái)形式;⑦卡盤規(guī)格。

2 機(jī)床參數(shù)化及程序設(shè)計(jì)流程

上述7項(xiàng)參數(shù)設(shè)定后，便可開始機(jī)床設(shè)計(jì)，依據(jù)Pro/E同步設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按下述流程：

（1）首先創(chuàng)建一個(gè)布局文件，見圖2，圖號(hào)為DL50—001.lay。本文件用來(lái)定義機(jī)床的主要外型尺寸、參數(shù)及相互之間的裝配和位置關(guān)系，創(chuàng)建重要裝配基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸線、提出注釋和技術(shù)要求等。

（2）創(chuàng)建機(jī)床的總裝配，圖號(hào)為DL50—001.asm。在總裝配中，依據(jù)工程知識(shí)、模塊化設(shè)計(jì)思想，分別創(chuàng)建本機(jī)床的全部子裝配。此時(shí)，因子裝配或零件中還沒(méi)有任何幾何實(shí)體，也可能沒(méi)有裝配約束關(guān)系，可以不裝配到位，這樣做的目的是快速建立起本產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)，便于自上而下地同步開展各子裝配的設(shè)計(jì)。

（3）根據(jù)布局文件，在總裝配及各子裝配中創(chuàng)建骨架模型，圖號(hào)為DL50—1001～8601_SKEL.PRT。將總裝配及各子裝配聲明到布局和名稱中，通過(guò)發(fā)布幾何和復(fù)制幾何將骨架模型中的重要基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳遞到各零件中。

（4）打開總裝配DL50—001.asm的程序，進(jìn)行參數(shù)化及程序設(shè)計(jì)，詳細(xì)見下文所述。

（5）各子裝配開始設(shè)計(jì)，建立參數(shù)化零件模型，開展有限元、動(dòng)態(tài)仿真等。

（6）隨時(shí)修改、調(diào)整、完善總裝配。

（7）設(shè)計(jì)工程圖、目錄、檢圖、交檔等。

3 總裝配的參數(shù)化及程序設(shè)計(jì)

打開總裝配DL50－001.asm，點(diǎn)選工具→程序→編輯程序，即可打開Pro/E自動(dòng)創(chuàng)建的原程序（圖3）。DL50－001.asm原程序的組成為：

第一部分：抬頭。這部分的內(nèi)容由Pro/E自動(dòng)產(chǎn)生，用來(lái)標(biāo)識(shí)文件，可不做任何修改。

第二部分：在INPUT……END INPUT語(yǔ)句之間。此處為設(shè)置輸入提示句與參數(shù)的位置，讓設(shè)計(jì)者輸入?yún)?shù)值或其它設(shè)計(jì)信息，來(lái)控制參數(shù)化零件模式的設(shè)計(jì)變更，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。首次進(jìn)入時(shí)，此部分呈空白狀態(tài)。

第三部分：在RELATIONS……END RELATIONS語(yǔ)句之間。此處為設(shè)置關(guān)系式的位置。凡是可以在工具→關(guān)系里設(shè)置的關(guān)系式，在這里也可以設(shè)置，并且兩者是互通的，這部分內(nèi)容由設(shè)計(jì)者編輯時(shí)自行填入，首次進(jìn)入時(shí)，此部分呈空白狀態(tài)。

第四部分：在ADD FEATURE#……END ADD語(yǔ)句之前。此處設(shè)置為全局參數(shù)傳遞程序位置。使用EXECUTE指令，該指令僅能將參數(shù)傳遞到相鄰的下一級(jí)，通過(guò)下一級(jí)裝配中的EXECUTE指令繼續(xù)向下下級(jí)傳遞直至最底層。參數(shù)傳遞到相關(guān)級(jí)后，便可開始本級(jí)的參數(shù)化及程序設(shè)計(jì)。

第五部分：在ADD FEATURE#……END ADD之間。每個(gè)ADD FEATURE到END ADD代表著一個(gè)特征，而介于ADD FEATURE到END ADD之間的文字為該特征的建立過(guò)程與參數(shù)設(shè)置。這部分所占的比例最多，由Pro/E自動(dòng)產(chǎn)生，不能做任何修改。但可包容在某個(gè)或多個(gè)嵌套條件語(yǔ)句之間，從而控制該特征的產(chǎn)生與否。即滿足條件時(shí)產(chǎn)生該特征，否則不產(chǎn)生。

第六部分：在MASSPROP……END MASSPROP之間。此處為設(shè)置質(zhì)量性質(zhì)的位置。這部分的內(nèi)容由設(shè)計(jì)者編輯時(shí)自行填入。第一次進(jìn)入時(shí)，此部分呈空白狀態(tài)。如使用標(biāo)準(zhǔn)模板時(shí)，事先可填好。

正如前面設(shè)計(jì)流程第4項(xiàng)所述，在各子裝配開始設(shè)計(jì)前，要初步完成總裝配參數(shù)化及程序設(shè)計(jì)。主要應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下5個(gè)功能。

3.1 設(shè)置參數(shù)輸入提示句

（1）設(shè)置參數(shù)輸入提示句

在提示語(yǔ)句的后面一定要注明可供選擇的參數(shù)值，便于以后或其他設(shè)計(jì)員操作此裝配。例如：

此后，當(dāng)設(shè)計(jì)者更新總裝配時(shí)，自動(dòng)彈出參數(shù)輸入對(duì)話框，見圖4，可根據(jù)提示句輸入?yún)?shù)值。

（2）校驗(yàn)新輸入?yún)?shù)的有效性

每次輸入時(shí)，難免輸入不正確參數(shù)，如用此不正確參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型，會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的嚴(yán)重后果。因此，必須對(duì)每次、每個(gè)輸入的參數(shù)做有效性校驗(yàn)，如輸入不正確，系統(tǒng)將維持上次的參數(shù)值不變，并且保證此次的不正確參數(shù)值不會(huì)顯示在提示語(yǔ)句的后面。如下面程序所示，這是一種有效的校驗(yàn)方法：將本參數(shù)各個(gè)許用值組成的多個(gè)條件語(yǔ)句串聯(lián)起來(lái)，滿足某個(gè)條件時(shí)便做一次賦值操作，被賦值參數(shù)在程序的最后再重新賦值給本參數(shù)，不正確參數(shù)值便不會(huì)顯示在提示語(yǔ)句的后面，見圖5，其程序?yàn)椋?/p>

3.2 要將3項(xiàng)模型驅(qū)動(dòng)參數(shù)自上而下傳遞至各相關(guān)零件，以便建立參數(shù)化零件模型

根據(jù)3項(xiàng)參數(shù)的意義，容易確定與之相關(guān)的各部件及零件。即：

①工件長(zhǎng)度：用來(lái)驅(qū)動(dòng)床身、Z軸滾珠絲杠、排屑器、防護(hù)等組中相關(guān)零件的總長(zhǎng)度。

②工件直徑：用來(lái)驅(qū)動(dòng)床頭箱、尾座、刀臺(tái)中心高。

③機(jī)床承重：用來(lái)驅(qū)動(dòng)床頭箱主軸及軸承直徑、尾座套筒直徑。

注意，程序設(shè)計(jì)首先要將通過(guò)窗口輸入的參數(shù)，經(jīng)裝配傳遞給裝配內(nèi)的各零件，方法之一就是使用“EXECUTE”語(yǔ)句。采用布局和聲明布局的方法也可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能。

布局方法適合大型的裝配，即需要控制的參數(shù)多。在大型裝配的自上而下設(shè)計(jì)中可充分發(fā)揮它的功能。而程序設(shè)計(jì)中的“EXECUTE”語(yǔ)句適合較少裝配的參數(shù)傳遞。采用“EXECUTE”語(yǔ)句，零件的參數(shù)名與裝配參數(shù)名稱可以不同，而采用聲明布局方法，零件與裝配的參數(shù)名則必須相同。

程序輸入?yún)?shù)比布局傳遞參數(shù)更靈活。例如，按模塊化設(shè)計(jì)要求，床頭箱雖然為本機(jī)床重要部件，同時(shí)也要考慮到被其它機(jī)床借用。如該部件已聲明某個(gè)布局，當(dāng)床頭箱的某個(gè)參數(shù)不適用新機(jī)床時(shí)，是不能修改已聲明的布局的;而用程序輸入?yún)?shù)的方法，床頭箱的參數(shù)只受控于上級(jí)裝配的程序或布局，因此，床頭箱可作為獨(dú)立的模塊廣泛用于其它產(chǎn)品當(dāng)中。

另外，布局優(yōu)先于程序。即已程序化的裝配或零件，一旦聲明布局后，程序中的參數(shù)將被布局中的同名參數(shù)屏蔽掉，但程序中傳遞參數(shù)的指令仍然可有效地向下傳遞參數(shù)。當(dāng)取消聲明后，程序輸入?yún)?shù)的功能也將自動(dòng)恢復(fù)。利用此特點(diǎn)，可以很好地解決大型子裝配的參數(shù)傳遞。例如大型斜床身車床的防護(hù)，零件數(shù)量眾多，如采用程序傳遞參數(shù)，會(huì)十分不便，這時(shí)可將各參數(shù)加入到布局中，然后與參數(shù)相關(guān)的眾多零件通過(guò)布局關(guān)聯(lián)起來(lái)。而本組內(nèi)，為了設(shè)計(jì)參照方便而裝入的諸如床身、床頭箱等參考零件，不要與此布局文件關(guān)聯(lián)，這些零件的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，仍是通過(guò)布局再經(jīng)過(guò)裝配中傳遞參數(shù)指令傳遞過(guò)來(lái)的。這些零件才允許再次檢回到公共空間。

3.3 根據(jù)4項(xiàng)功能規(guī)格參數(shù)，自動(dòng)選擇并完成各功能部件的替換

有些獨(dú)立部件，如卡盤或尾座會(huì)有多種規(guī)格和樣式，但每臺(tái)機(jī)床只需一套，因此要根據(jù)參數(shù)信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)替換。方法有四種：

（1）用裝配族表替換

當(dāng)裝配至少有一個(gè)是表驅(qū)動(dòng)零件時(shí)，如圖6床頭箱中的各種軸承等，此裝配便可做成裝配族表，用族表替換簡(jiǎn)單易行，在程序中可直接指定實(shí)例各稱來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)替換，程序同下。

如圖7所示，本機(jī)床可分別安裝三爪卡盤、四爪卡盤及中空卡盤。但三種卡盤模型因形狀或結(jié)構(gòu)相差較大，必須用3個(gè)零件族表來(lái)表示。這時(shí)可先組成3個(gè)子裝配族表，每個(gè)子裝配族表如圖8所示，表中可直接寫入各零件的實(shí)例名稱。在總裝配中實(shí)現(xiàn)替換前，要先將每個(gè)子裝配族表中的普通模型及總裝配事先聲明布局、名稱后，才可在總裝配中，用指定實(shí)例名稱辦法實(shí)現(xiàn)直接替換。

程序如下：

如裝配中無(wú)族表驅(qū)動(dòng)零件，但又希望用裝配族表方法替換，也可組成一種特殊的裝配族表。此時(shí)，要通過(guò)不同零件的組合方式或不同的定位尺寸等，來(lái)生成不同的實(shí)例。在族表中可用“Y”表示選擇了該零件，用“N”表示不選擇或直接寫入某零件的件號(hào)（已裝入到裝配中）。注意，件號(hào)不要用N開頭，系統(tǒng)易誤操作，導(dǎo)致本件不會(huì)出現(xiàn)在裝配中。

（2）用指令直接替換

當(dāng)部件功能、形狀相差較大，不能組成族表時(shí)，可獨(dú)立成部。如本機(jī)床的尾座，用直接在程序中指定名稱的方法直接替換，但必須將3個(gè)安裝基準(zhǔn)先在布局中聲明名稱，程序同上。

（3）用條件語(yǔ)句隱含或恢復(fù)的辦法實(shí)現(xiàn)替換

此方法，用在部件只有兩、三種，如本機(jī)床中心架，可先將兩種中心架全部裝配到總裝配中，通過(guò)程序輸入選用條件后，用條件語(yǔ)句隱含或恢復(fù)該部件，因要獨(dú)自裝配到組件中，故不用事先聲明布局名稱。本例程序如下：

以上三種替換，都是建立在各部件均裝配在骨架模型之上，相互間沒(méi)有任何參照關(guān)系，本部件的替換不會(huì)影響其它部件。反之，這種替換會(huì)引起與之相關(guān)部件基準(zhǔn)參照的丟失，造成特征生成失敗。這時(shí)，必須用下面的方法替換。

（4）用互換文件替換

點(diǎn)選創(chuàng)建→組件→互換，可生成一個(gè)互換文件，如圖9。該文件可建立起兩個(gè)需互換零件在指定的總裝配中，所有已用參照和被用參照的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣，即可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)替換。

上述幾種替換方法，自動(dòng)替換后就不可再手動(dòng)替換。否則，程序中的變量部件名稱會(huì)自動(dòng)修改為手動(dòng)替換時(shí)指定的部件名稱，下次就不能自動(dòng)替換了。另外，自動(dòng)替換時(shí)，同名稱基準(zhǔn)面按“對(duì)齊”方式，因此，聲明名稱時(shí)，一定要考慮基準(zhǔn)面的方向也應(yīng)相同。在布局文件中，用草繪創(chuàng)建基準(zhǔn)面時(shí)，可用基準(zhǔn)面?zhèn)让婕t色輔助線來(lái)標(biāo)記平面的法線方向。

3.4 根據(jù)7項(xiàng)參數(shù)，自動(dòng)變更機(jī)床型號(hào)、銘牌、參數(shù)內(nèi)的機(jī)床型號(hào)名稱等

商品機(jī)床都有自己的機(jī)床銘牌，其上注明機(jī)床型號(hào)、規(guī)格、主要參數(shù)等。如圖10，“DL”表示產(chǎn)品系列，“50”表示最大加工直徑的1/20，“Z”表示為加重型，“×4”表示最大加工長(zhǎng)度為4 m。以上內(nèi)容均應(yīng)隨參數(shù)的變化而自動(dòng)更改。故機(jī)床參數(shù)先要傳遞到該零件，可用一條語(yǔ)句，傳遞全部參數(shù)，即：

在利用條件語(yǔ)句、字符串運(yùn)算語(yǔ)句等，編程生成機(jī)床型號(hào)并放置在指定的變量參數(shù)內(nèi)。該銘牌上的文字是用3個(gè)拉伸文本特征創(chuàng)建的，文本要用“插入?yún)?shù)”功能，插入?yún)?shù)內(nèi)對(duì)應(yīng)的文字（程序?qū)⒃谙挛闹杏懻摚?/p>

3.5 按布局文件中各部件極限位置、工作狀態(tài)等參數(shù)，驅(qū)動(dòng)模型動(dòng)態(tài)切換

在總裝配中，有些獨(dú)立部件可有不同的安裝位置和工作狀態(tài)。如床鞍的左右極限位置、刀臺(tái)的上下極限位置以及這些部件所用的拖鏈、軟油管、伸縮防護(hù)罩等，也應(yīng)隨移動(dòng)部件的位置，動(dòng)態(tài)改變形狀和位置。這些重要信息，是機(jī)床設(shè)計(jì)者必須熟知的。因此，可用輔助參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)這些模型。這些參數(shù)，不能像全局參數(shù)那樣通過(guò)程序輸入窗口輸入，以免太多的全局參數(shù)會(huì)影響程序設(shè)計(jì)的效率。此時(shí)，可用布局文件內(nèi)的參數(shù)并通過(guò)聲明布局傳遞到各組件及零件。如圖11，D16：1及D173：35是床鞍的左右、刀臺(tái)的上下位置約束尺寸代碼，分別在總裝配及子裝配中編程，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)切換位置。程序如下：

為使布局中的參數(shù)能集中顯示出來(lái)，可在布局中先創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)報(bào)表的格式文件，如圖12。先創(chuàng)建表格，再創(chuàng)建“重復(fù)區(qū)域”，輸入如圖所示的“報(bào)告符號(hào)”，更新表格，便生成如圖13參數(shù)表。先單擊在雙擊表中的參數(shù)值，輸入有效參數(shù)即可驅(qū)動(dòng)總裝配中的模型。

4 結(jié)語(yǔ)

到此，總裝配的程序設(shè)計(jì)完畢。各子裝配的程序設(shè)計(jì)，也用同樣的方法，只是有些內(nèi)容不一樣（如替換的不是部件而是零件等）。當(dāng)參數(shù)傳遞到最底層的零件后，便可開展零件模型的參數(shù)化建模。

實(shí)踐證明，參數(shù)化設(shè)計(jì)的床身、中心架支架等，鑄造及加工工藝性良好，鑄造成本降低，程序穩(wěn)定可靠。該系列產(chǎn)品現(xiàn)已定型生產(chǎn)。

基于Pro/E的DL50系列大型數(shù)控車床的參數(shù)化及程序設(shè)計(jì)，使機(jī)床的設(shè)計(jì)周期由一年減少到三個(gè)月，綜合效益十分顯著，且為二次開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。

作者：孟國(guó)興，男，1963年生，工程師，主要從事數(shù)控車床研發(fā)及制造技術(shù)、Pro/E應(yīng)用研究。

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Programme Design of Large Inclined Lathe Bed NC Lathe Based on Pro/E

MENG Guoxing
（DMTG Technical Dep.，Dalian 116620，CHN）

This article takes DL50 large NC lathe as example to introduce the method and technique of assembly parameterization and program design.

Nominal Parameter;Program Design;Conditional Statement;Execute Statement

（編輯 李 靜）（

2009―07―16）

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