基于三位一體制造基因庫的裝配式數(shù)控編程實現(xiàn)

Implementation of Assembly CNC Programming

Based on Trinitarian Manufacturing Gene Pool

唐　俊

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 德陽　618000)

基于三位一體制造基因庫的裝配式數(shù)控編程實現(xiàn)

Implementation of Assembly CNC Programming

Based on Trinitarian Manufacturing Gene Pool

唐俊

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 德陽618000)

摘要：以“零件”為研究對象形成的傳統(tǒng)編程模式只能逐一對零件進行編程，該方法費工費時?，F(xiàn)從構(gòu)成零件的幾何要素出發(fā)，將零件要加工的各個部位，按某一特定的幾何要素剝離成一個或多個微小單元；通過對微小單元的特性分析與制造方法研究，建立由CAD型面參數(shù)圖形、CAPP工藝信息與CNC數(shù)控程序三位一體構(gòu)成的制造基因，實現(xiàn)零件不同但幾何要素相同的微小單元可調(diào)用同一制造基因編程。該方法從根本上解決了幾何要素相同的不同零件的重復(fù)設(shè)計、重復(fù)編程的問題，實用價值明顯。

關(guān)鍵詞：零件構(gòu)成分解與恢復(fù)型面與位置參數(shù)化設(shè)計R參數(shù)基因庫裝配式數(shù)控編程

Abstract：The traditional programming mode formed with “part” as the research object is time and labor intensive because it only can program for parts one by one. Based on the geometric elements of constituting parts, each position of the part to be machined is decomposed into one or more micro units in accordance with specific geometric elements; through analyzing the characteristics of micro unit and researching the machining method, the trinitarian manufacturing gene which combines CAD profile parameters graphic, CAPP process information, and CNC numerical control program is established, thus different parts but with the same micro unit of geometric elements may call the same manufacturing gene for programming. The problem of repeat design and repeat programming for different parts with same geometric elements is solved fundamentally, so the practical value is significant.

Keywords：Parts formationDecomposition and recoveryProfile and positionParametric designR parameterGene pool

Modular NC programming

0引言

成組技術(shù)揭示和利用事物間的相似性，認(rèn)為幾何形狀相似的零件具有相似的加工工藝方案[1]。這是從加工工藝方面找出了不同零件之間的內(nèi)在聯(lián)系，而具有相似工藝方案的一類零件并不意味著數(shù)控程序相似。進一步說，成組技術(shù)解決了相似零件之間的工藝問題，但并沒有解決相似零件之間數(shù)控程序的問題。其原因在于加工工藝方案是解決一個比較宏觀的問題，是指導(dǎo)工人加工零件的原則性文件，加工中的細(xì)節(jié)問題仍是由工人具體操作與控制的；而數(shù)控程序解決比較微觀的問題，細(xì)到能夠控制刀具運動的速度、位置與方向等，一個程序就代替了工人對機床的具體操作。盡管零件相似，但對機床的具體操作卻不一定相同，只能逐個零件地編程，這導(dǎo)致重復(fù)工作量很大、工作效率不高。研究發(fā)現(xiàn)，以零件為最小單位，將各個零件孤立開來，勢必增大工作量。因此，有必要從“零件”源頭進行分析，找出不同零件之間的內(nèi)在聯(lián)系，盡可能解決零件不同但幾何要素(型面)相同的重復(fù)設(shè)計、重復(fù)編程的問題。

1零件之間內(nèi)在規(guī)律研究

從組成機構(gòu)或機器這個角度來說，“零件”是不可分拆的單個制件，因而把“零件”看成一個整體，那“零件”又是由什么構(gòu)成的呢？根據(jù)作者長期研究，任何機械零件都可以看成是由外圓、內(nèi)孔、平面、成形面(如齒面、凸輪面)等幾何要素組成的。

如圖1(a)所示的軸，在它上面有外圓、端面、臺階面、鍵槽、環(huán)形槽等幾何要素。這些幾何要素不是單純具有數(shù)學(xué)幾何意義，更具有代表產(chǎn)品特性的意義?，F(xiàn)把這種具有產(chǎn)品特性意義、又不能再分割的幾何圖形稱之為微小單元，并被定義為“型面”[2]。于是，從構(gòu)成零件的幾何要素出發(fā)，可以將零件要加工的各個部位按某一特定幾何要素從零件上剝離成一個或多個微小單元，這就是零件“型面”化處理。

圖1　組成零件的幾何要素及型面化

如圖1(b)所示的底座，若零件的毛坯是一個長度體，則可“剝離”成名稱為平面的型面、名稱為“臺階面”的型面、名稱為“孔”的型面。每個型面具有明顯的產(chǎn)品特征，現(xiàn)用“型面特征”這個術(shù)語來描述，如前面所提到的內(nèi)孔、鍵槽、成形面以及矩形凸臺、凹槽等型面均具有十分明顯的幾何與產(chǎn)品特征。

作者研究發(fā)現(xiàn)，型面特征相同的微小單元不僅具有相似的制造工藝，而且還具有相似或完全相同的程序。這就是不同零件之間在數(shù)控方面具有的內(nèi)在規(guī)律。如名為“五角星”的型面，無論其大小、位置如何，其加工方法、程序也是一樣的。因而，“型面”化處理是分析各零件之間數(shù)控加工內(nèi)在規(guī)律的關(guān)鍵。

2型面按位置特征裝配成零件

零件是各個型面的載體,如圖2所示。

圖2　型面“位置特征”描述圖

圖2所示零件有兩個特征為矩形凸臺的型面，無論凸臺的長、寬尺寸及圓角是否相同，它們的基本特征是一樣的，即均為矩形凸臺，這就是它的型面特征。每個型面在一個具體的零件中有一個相對固定的位置[3-4]，可用術(shù)語“位置特征”來描述。雖然兩個矩形凸臺在零件上所處的位置不同，但可通過坐標(biāo)進行準(zhǔn)確描述。假定凸臺的原始位置在工件坐標(biāo)系中的原點位置，則第一個凸臺的位置可理解為從原點平移到了(10，10)的位置(單位：mm)，這就是第一個凸臺的位置特征。另一個凸臺則是：①從坐標(biāo)原點平移到(45，10)的位置；②然后繞著Y軸沿順時針方向旋轉(zhuǎn)30°；③再沿著X方向平移5 mm,這就是第二個凸臺的位置特征。

根據(jù)文獻[5]~[7]可知，一個任意復(fù)雜的零件均可以分解成若干個型面即型面化處理，零件加工則相當(dāng)于將各型面按位置特征進行“裝配”。由此找到了破解零件不同但幾何(型面)要素相同的重復(fù)設(shè)計、重復(fù)編程困惑的方法。

3制造基因及其構(gòu)建

3.1　制造基因

前面所提到的內(nèi)孔、鍵槽、矩形凸臺、螺紋等型面，是構(gòu)成零件的微小單元。由于微小單元包含了各自型面的圖形設(shè)計、制造工藝、數(shù)控程序等內(nèi)容，從而形成了集型面設(shè)計、工藝、程序“三位一體”的微小制造單元，因此被定義為“制造基因”。如圖1(a)所示的鍵槽、圖1(b)所示的孔、圖2所示的矩形凸臺以及圖3所示的五角星基因圖等。

圖3　“五角星”基因圖

3.2　制造基因的特點

三位一體的制造基因必須具有實用性、通用性、方便性與快捷性。實用性是指所構(gòu)建的制造基因能夠用于零件的制造，否則就失去了研究價值，如名為“鍵槽”的制造基因就能用于加工包括圖1(a)在內(nèi)的各種鍵槽。通用性是指制造基因能夠用于具有相同特征的同類型面，如圖2所示的各個矩形凸臺。只要構(gòu)建一個名為“矩形凸臺”的制造基因，就能夠用于加工包括大小不同、位置不同、旋轉(zhuǎn)角度不同的任意矩形凸臺的型面。方便性與快捷性是指只要給定相關(guān)參數(shù)直接調(diào)用即可。由此可見，“三位一體”制造基因必須要求型面的形狀、大小設(shè)計參數(shù)化,制造工藝參數(shù)化,加工程序參數(shù)化,才能滿足上述要求。

3.3　制造基因的建立

要建立三位一體制造基因，應(yīng)首先廣泛收集、整理或創(chuàng)建典型的參數(shù)型面(型面的形狀、大小參數(shù)化)，然后分別針對某一種特征型面，制定該型面的實際加工方法，并確定刀具運行軌跡、余量分配等工藝參數(shù),(制造工藝參數(shù)化)形成相應(yīng)的“工藝基因”。在此基礎(chǔ)上編寫該型面的數(shù)控程序(程序參數(shù)化)，形成相應(yīng)的“程序基因”。這樣由型面“工藝基因”與“程序基因”所構(gòu)成 的“制造基因”就表達了一個具有實際工程意義上的幾何型面的制造全過程?，F(xiàn)以“五角星”型面為例說明三位一體組合制造基因的建立過程。

① 型面設(shè)計參數(shù)化

如圖3所示的五角星型面采用了參數(shù)CAD設(shè)計方式，其幾何形狀通過R參數(shù)確定，實現(xiàn)型面的形狀、大小設(shè)計參數(shù)化。根據(jù)其特點，只要一個參數(shù)就能確定形狀與大小。設(shè)計時，用參數(shù)R01代表五角星的外接圓半徑，其值由最終用戶給定，滿足了所設(shè)計型面的通用性。

② 型面制造工藝參數(shù)化

型面的制造工藝包括刀具類型及規(guī)格、走刀路線、切削參數(shù)等計算機輔助工藝(computer aided process planning,CAPP)信息。據(jù)此可以形成名為“五角星”型面的工藝基因。再按型面所給定的參數(shù)，從工藝知識庫中自動選擇合適的刀具半徑參數(shù)R02及切削用量，并確定起刀點ST(X=R01+2R02，Y=0)及走刀路線P1→P2→P3→P4→……→P1。

③ 型面加工程序參數(shù)化

編寫帶參數(shù)的數(shù)控加工程序，形成名為“五角星”的“程序基因”(因程序是在初始狀態(tài)下編寫的，也稱為原始子程序)。它包含了五角星的大小、起刀點位置、走刀路線等各待定參數(shù)，以適應(yīng)不同五角星的加工。程序基因如下。

YUANWJXZ.SPF；

∥子程序名

N05 R03=R01*SIN(18)/SIN(54)；

∥P2點的半徑

N10 G01 G42 D02 X=R01+2*R02 Y0；

∥走到ST點并完成的刀補

N15G01 X=R01；

∥走到P1點，開始加工

N20 KK： G111 X0 Y0；

∥五角星REPEAT循環(huán)開始

N25 RP=R03AP=IC(36)；

∥走到P2點，開始加工，IC為增量方式

N30 RP=R01AP=IC(36)；

∥走到P3點加工出五分之一的五角星

N30 REPEAT KK P=4；

∥程序段重復(fù)4次

N35 G40 X=R01Y0；

N40 RET；

④ 型面在零件中的加工位置參數(shù)化

上述程序包含了設(shè)計/工藝/數(shù)控程序(CAD/CAPP/CNC)等信息且名為“YUANWJXZ”(五角星)的三位一體制造基因。建立制造基因的過程是將零件從設(shè)計、工藝到程序進行模塊式分割；編寫主程序(加工)時，則是將各“型面”按其在零件中的相應(yīng)位置進行“裝配式”編程。如由鍵槽、孔等型面構(gòu)成的下底座零件，只要將各型面按其大小、位置、旋轉(zhuǎn)角度給定相關(guān)參數(shù)，即可“裝配式”完成編程，提高了效率。

3.4　制造基因庫的建立

制造基因庫的建立是一個龐大的工程，可先在某一行業(yè)或某一領(lǐng)域內(nèi)建立一個小范圍內(nèi)的制造基因庫;在取得經(jīng)驗后，根據(jù)需要再逐步擴大或豐富制造基因庫的內(nèi)容。根據(jù)經(jīng)驗知識的特點，領(lǐng)域?qū)＜冶仨殞χR工程師整理出的知識進行檢查；知識工程師應(yīng)及時根據(jù)領(lǐng)域?qū)＜曳答伒囊庖娦拚@取的知識[8-9]，確保制造基因庫的正確性、先進性。因此，要建立某一行業(yè)或領(lǐng)域內(nèi)的制造基因庫，必須廣泛收集、整理這一特定范圍內(nèi)的產(chǎn)品或零件圖，確定具有代表性的型面或創(chuàng)建一些典型型面并建立相應(yīng)的“型面圖形”庫。之后，逐個建立對應(yīng)的工藝基因，形成“工藝基因”庫及“程序基因”庫，“三庫”合一，最終建立起“三位一體”的制造基因庫。

4制造基因庫應(yīng)用及效果

以某壓模下底座為例，其外形尺寸175 mm×136 mm×18.5 mm，材料45鋼，零件底面及尺寸為175 mm、136 mm的兩端面均加工完成，試編寫上表面、各鍵槽、孔的加工程序。

4.1　零件型面化處理

根據(jù)已知條件，該零件需要加工的內(nèi)容可以處理成如下幾個型面：一個“平面”型面、兩個“孔”型面、三個“鍵槽”型面。

假定制造基因庫中已建立了平面、孔、鍵槽等型面的三位一體組合制造基因，那么就可以從制造基因庫中將它們一一調(diào)出來，給定相應(yīng)的幾何參數(shù)，以確定各型面的大??；再按其位置參數(shù)確定各型面在零件中的相應(yīng)位置，進行“裝配式”編程。

4.2　數(shù)控主程序“裝配式”編程

采用“裝配式”編程，具體步驟如下。

① 主程序初始化。設(shè)定坐標(biāo)零點、編程方式及輔助指令(M)、轉(zhuǎn)速(S)、進給(F)等內(nèi)容。

② 形狀特征參數(shù)。確定型面的形狀、大小等參數(shù)。

③ 位置特征參數(shù)。確定各型面在零件圖上的位置。

④ 調(diào)出制造基因，完成裝配。從庫中調(diào)出所需的制造基因進行裝配。

⑤ 主程序結(jié)束。完成退刀、停轉(zhuǎn)、關(guān)冷卻液等。

壓模下底座主程序如下。

PEIHEJIAN.MPF；

∥主程序名

……；

∥初始化內(nèi)容(按標(biāo)準(zhǔn)裝配)

N100 R01=175 R02=136；

∥給定“平面”型面長、寬

N105 R03=80 R04=0.67；

∥確定銑刀直徑及切寬比系數(shù)

N110 R05=10；

∥安全距離

N115 PINMIAN；

∥選擇并調(diào)用“平面”制造基因(“裝配1”)

……；

∥換刀等內(nèi)容(略)

N200 R01=73 R02=25；

∥給定“鍵槽”型面的長、寬

N205 R03=18.5 R04=10；

∥槽深與過渡圓半徑

N215 G00 X63.95 Y0；

∥定位在P1點

N220PPL=270；

∥平面內(nèi)鍵槽逆時針轉(zhuǎn)90°

N225 JIANCAO；

∥選擇并調(diào)用“鍵槽”制造基因(“裝配2”)

N230 G00 X68.9 Y32.9；

∥定位在P2點

N235PPL=155+1/60；

∥平面內(nèi)鍵槽旋轉(zhuǎn)155°1′

N240 JIANCAO；

∥(“裝配3”)

N245 G00 X-66.62 Y15.7；

∥定位在P3點

N255PPL=36+36/60；

∥平面內(nèi)鍵槽旋轉(zhuǎn)36°36′

N260 JIANCAO；

∥(“裝配4”)

……；

∥孔加工(略)

……；

∥結(jié)束部分(略)

4.3　特點與應(yīng)用效果

三位一體組合制造基因庫的建立，解決了長期困擾編程人員的“結(jié)構(gòu)型面相同、不同零件的重復(fù)編程”的難題。三位一體組合制造基因庫具有如下幾個顯著特點。

① 無論什么零件，只要結(jié)構(gòu)型面相同，則可采用同一型面的制造基因?qū)崿F(xiàn)不同零件的同方案、同程序加工，保證制造水平相同，不會因不同編程人員、不同操作者水平參差不齊而降低制造水平。

② 從基因庫中直接調(diào)出相應(yīng)基因進行裝配式編程，減少了重復(fù)編程，效率明顯提高，節(jié)省了人力物力。

③ 減少了零件造型環(huán)節(jié)，基本不使用昂貴軟件，節(jié)省了軟件投資與造型成本。

④ 三位一體組合制造基因庫是四川省科技支撐計劃(2010GZ0071)項目取得的成果之一，已在中國重大技術(shù)裝備制造業(yè)基地等企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，解決了大批重型裝備零部件重復(fù)編程的難題，效果顯著。

5結(jié)束語

長期以來，機械制造均是以“零件”為研究對象的。現(xiàn)緊緊抓住“由各種型面構(gòu)建零件”這個源頭，并通過引入制造基因的概念，將各個孤立零件的編程聯(lián)系起來，找出不同零件之間的內(nèi)在聯(lián)系，由此建立了CAD/CAPP/CNC組合制造基因庫。再通過形狀特征與位置特征進行“裝配式”編程,實現(xiàn)了從設(shè)計理念到加工手段的一體化設(shè)計，大幅減少了重復(fù)工作，經(jīng)濟成本與時間成本明顯降低，對機械制造業(yè)具有積極意義。

需要指出的是：對于復(fù)雜空間曲面，采用三位一體組合制造基因庫編程受到一定的限制；基因庫的建立，前期要投入大量的人力與物力，也需要有一個較長的試運行期；基因庫一旦成功建立，后期的維護與使用成本很低，效率與效益就會逐漸體現(xiàn)出來。

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中圖分類號：TH166

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502001

四川省科技支撐計劃基金資助項目(編號：2010GZ0071)。

修改稿收到日期：2014-07-14。

作者唐俊(1967-)，女,1992年畢業(yè)于西南石油學(xué)院礦場機械專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，副教授；主要從事機械類課程的教學(xué)以及機械設(shè)計與數(shù)控技術(shù)研究。