1 面向變型零件的數(shù)控編程原理

　　零件的變型設計是指在已有的主模型零件的基礎上，對已存在零件的設計結(jié)構(gòu)的局部調(diào)整或/和某些設計參數(shù)的修改，這種修改一般不破壞原設計的基本原理和幾何結(jié)構(gòu)特征。本文主要考慮相對于主模型零件只有幾何參數(shù)的改變，而幾何結(jié)構(gòu)特征不改變的變型零件的NC程序快速生成方法。

　　變型設計的原理決定了變型零件與主模型零件是相似的，而變型零件與主模型零件的相似性決定了變型零件的NC程序和主模型零件的NC程序之間具有相似性。利用這種相似性，建立基于主模型零件的NC程序主模板，用變型零件的加工特征的幾何數(shù)據(jù)驅(qū)動NC程序主模板，生成變型零件的NC程序。

　　1.1 數(shù)控程序主模板

　　NC程序主模板是實現(xiàn)變型零件NC程序數(shù)據(jù)驅(qū)動式生成的基礎，它定義了零件各個加工特征的幾何形狀和尺寸、加工順序、走刀方式、工藝參數(shù)和切削參數(shù)等，而不是具體的NC加工程序。

　　在變型設計中，變型零件相對于主模型零件只是尺寸在一定范圍內(nèi)的調(diào)整，而幾何拓撲結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。所以，變型零件的每個加工特征的幾何特征不會發(fā)生變化，相應的加工方式和走刀方式也不會發(fā)生變化。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，那么對各個加工特征依次加工后即完成了零件的加工。

　　可見，NC程序主模板是以零件的各個加工特征為基本單元進行構(gòu)建的，每個單元的數(shù)據(jù)包括該加工特征的加工工藝數(shù)據(jù)，以及描述該加工特征的幾何數(shù)據(jù)。NC程序主模板以零件的加工特征為單元，可以實現(xiàn)模板結(jié)構(gòu)的模塊化。同時，針對每類加工特征單元，設計相應的NC程序生成模塊，通過對模板的分析處理，實現(xiàn)加工該特征的NC加工程序的自動生成。

　　1.1.1 零件加工特征的劃分

　　零件的加工特征是零件的組成單元，包含各種幾何實體造型信息、工藝信息和制造信息，并且能被設計系統(tǒng)、工藝編制系統(tǒng)和制造系統(tǒng)充分有效利用而設計并加工成形的集合單元，如平面、外切削環(huán)、槽、孔、倒角等都是零件的加工特征。這些加工特征可進一步細分，如平面按形狀分為圓環(huán)面、矩形面等，按與相鄰面之間的關系分為凸臺面、凹槽面、臺階面等。對加工特征的細分有助于編制與加工特征相應的NC程序生成模塊，保證生成的NC程序的正確性與高效率。

　　1.1.2 數(shù)控程序主模板的結(jié)構(gòu)

　　NC程序主模板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，模板中的數(shù)據(jù)單元按照工藝規(guī)劃中的各個加工特征的加工順序來存放，每個數(shù)據(jù)單元包括相應加工特征的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)段和幾何數(shù)據(jù)段。

　　圖1 NC程序主模板的結(jié)構(gòu)

　　(1)工藝參數(shù) 包括刀具的選擇、切削用量的確定、走刀方式的確定、對刀點和換刀點的選擇，以及刀具的補償?shù)刃畔ⅰＴ趧?chuàng)建NC程序主模板的時候，這些數(shù)據(jù)是按照主模型零件來設置的。在由NC程序主模板生成所對應的主模型零件的NC程序時，直接使用NC程序主模板的工藝參數(shù)即可;而生成其變型零件的NC程序時，需要在工藝決策庫的支持下，根據(jù)變型后的零件尺寸調(diào)整工藝參數(shù)。

　　(2)幾何數(shù)據(jù) 用于描述加工特征的幾何形狀、位置和尺寸。該數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)存儲格式為：“$$特征對象的類型 對象名稱 (起點坐標X，起點坐標y) (終點坐標X，終點坐標y) (圓心坐標X，圓心坐標y) 半徑 順/逆時針 ”。該數(shù)據(jù)存儲格式可以完整地描述組成零件加工特征區(qū)域的對象信息。各數(shù)據(jù)項的含義如表1所示。

　　表1

　　1.2 變型零件數(shù)控程序生成原理

　　首先，在主模型零件建立后，對其進行加工工藝分析，確定零件各加工特征的加工順序以及各加工特征的工藝參數(shù);其次，在二次開發(fā)的計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)/計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)軟件環(huán)境下，在已有的工藝分析基礎上，通過人機交互，建立主模型零件的NC程序主模板;再次，對主模型零件進行變型設計，生成新的變型零件實例后，在CAD/CAM軟件環(huán)境下，系統(tǒng)讀取變型零件的加工特征的幾何數(shù)據(jù)，更新主模板中相應的幾何數(shù)據(jù)，并在工藝決策庫的支持下，根據(jù)新零件的幾何尺寸，自動判別，選取合適的工藝參數(shù);最后，通過NC程序生成模塊的處理，生成相應變型零件的G代碼。變型設計與NC編程的原理如圖2所示。

　　圖2 基于零件變型設計的Nc編程原理

　　2 系統(tǒng)功能模型

　　基于上述原理開發(fā)的NC編程系統(tǒng)主要包括NC程序主模板生成模塊、刀位文件生成模塊、后置處理模塊、NC程序仿真模塊和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)接口模塊5個功能模塊，如圖3所示。

　　圖3 系統(tǒng)功能模塊

　　(1)NC程序主模板生成模塊 通過人機交互的方式，在CAD/CAM 環(huán)境下提取零件加工特征區(qū)域的幾何數(shù)據(jù)，并與該加工特征的加工工藝參數(shù)一起，以特定的數(shù)據(jù)格式保存為模板文件。

　　(2)刀位文件生成模塊 該模塊以NC程序主模板文件為數(shù)據(jù)輸入，通過分析處理加工特征的幾何數(shù)據(jù)，判斷加工特征類型，調(diào)用相應的程序處理模塊，并結(jié)合工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，生成刀位文件。

　　(3)后置處理模塊 不同的NC系統(tǒng)，在NC代碼的含義、程序段格式、刀具半徑補償、坐標表示方式等方面都存在差異。后置處理就是對一定規(guī)范化格式的刀位文件進行閱讀、分析和判斷，編譯成相應NC系統(tǒng)的NC加工代碼，最后將NC加工代碼以一定的格式儲存起來。

　　(4)NC程序仿真模塊 對系統(tǒng)生成的NC加工G代碼文件在虛擬環(huán)境下進行仿真，以檢驗程序的正確性。

　　(5)PDM 接口模塊 通過對PDM 進行二次開發(fā)，實現(xiàn)NC編程系統(tǒng)與PDM 系統(tǒng)的集成，進一步實現(xiàn)零件主模型、NC程序主模板、變型零件3維模型，以及NC加工程序的有效管理和共享。

　　限于篇幅，本文主要討論與NC程序生成直接相關的前3個模塊的實現(xiàn)。

　　3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

　　3.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

　　基于以上分析，本文以Solid Edge 15為CAD系統(tǒng)平臺，以Microsoft SQL Server 2000為數(shù)據(jù)庫管理平臺，并以TiPDM 為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理支撐環(huán)境，以Visual Basic 6.0為編程工具，開發(fā)了面向變型設計零件的NC程序快速編程系統(tǒng)，系統(tǒng)總體設計框架如圖4所示。

　　圖4 NC編程系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

　　NC編程系統(tǒng)內(nèi)部各功能模塊的數(shù)據(jù)流如圖4所示。利用Solid Edge提供的二次開發(fā)接口對Solid Edge進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了零件加工特征的幾何數(shù)據(jù)的提取。工藝決策數(shù)據(jù)與PDM 的產(chǎn)品數(shù)據(jù)一起封裝在一個數(shù)據(jù)庫中，由PDM 系統(tǒng)統(tǒng)一管理，NC程序生成過程中的工藝數(shù)據(jù)通過訪問PDM 系統(tǒng)獲得。同時，與PDM 的集成實現(xiàn)了模板文件和G代碼文件的存儲和管理。

　　3.2 系統(tǒng)運行模式

　　3.2.1 數(shù)控程序主模板的生成

　　首先，對主模型零件進行工藝分析，確定待加工的各加工特征及加工順序。然后，按已確定的工序依次設置各加工特征的工藝參數(shù)，在CAD環(huán)境中選取相應的特征加工對象，提取選擇對象的名稱和幾何數(shù)據(jù)，直到完成所有的加工特征，如圖5所示。這一過程結(jié)束后，NC程序主模板即完成建立。

　　圖5 NC程序主模板建立流程

　　3.2.2 由數(shù)控程序主模板生成G代碼

　　NC程序主模板定義了主模型零件的工藝信息和幾何信息，由它可以生成主模型零件及其變型零件的G代碼。圖6表示了系統(tǒng)的工作流程。

　　圖6 基于NC程J予主模板的數(shù)控G代碼生成

　　變型零件生成后，系統(tǒng)調(diào)用相應的NC程序主模板，在CAD/CAM一體化環(huán)境下對模板的幾何數(shù)據(jù)自動進行更新，即用變型零件的加工特征的幾何數(shù)據(jù)替換NC程序主模板中相對應的數(shù)據(jù)(如果生成主模型零件的NC程序則不需要這個過程)。然后，依次讀取主模板中包含的各加工特征的工藝數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)，根據(jù)加工特征的類型，調(diào)用與該加工特征類型對應的NC程序生成模塊，生成該加工特征的刀位文件。當模板中所有加工特征的刀位文件生成后，鏈接各刀位文件生成變型零件的刀位文件。最后，對刀位文件進行后置處理生成變型零件的G代碼。

　　系統(tǒng)針對每種類型的加工特征都有相對應的程序處理模塊。由于對特定類型的加工特征有成熟的加工工藝，針對各種類型的加工特征開發(fā)相應的處理模塊能更合理地生成符合加工要求的G代碼。

　　在由NC程序主模板生成G代碼的過程中，需要在工藝決策庫的支持下對其進行工藝決策。零件變型后，由于加工特征幾何尺寸的變化超出一定的范圍，使原有的刀具、主軸轉(zhuǎn)速和進給速度等不再適合的時候，就需要工藝決策庫的支持。根據(jù)決策庫所規(guī)定的規(guī)則，自動選取合適的刀具、主軸轉(zhuǎn)速和進給速度等。工藝決策庫定義了各個加工特征在不同尺寸范圍內(nèi)所對應的工藝數(shù)據(jù)。當變型零件加工特征的尺寸不在工藝決策庫定義的尺寸范圍時，工藝人員依據(jù)工藝要求，向工藝決策庫添加滿足當前變型零件尺寸的工藝數(shù)據(jù)，以生成當前變型零件的G代碼。

　　4 實例

　　現(xiàn)以紡織機械零件扇形齒臂為例進行說明。如圖7所示，對扇形齒臂主模型零件進行工藝分析，確定其加工特征的加工順序為：銑大圓環(huán)面，銑弧形臺階面，鏜大圓孔內(nèi)壁，鉆小圓孔，鉆圓形陣列孔，鉆弧形陣列孔。在Solid Edge和NC編程系統(tǒng)支持下按此加工順序依次提取各加工特征的信息，建立NC程序主模板。

　　圖7 扇形齒臂主模型零件加工特征

　　根據(jù)不同客戶的不同需求，在主模型零件的基礎上進行變型設計，如調(diào)整大圓孔與小圓孔的直徑，以及弧形臺階面所對應的圓心角，生成新的變型零件。系統(tǒng)通過調(diào)用主模型零件的NC程序主模板，在CAD/CAM集成環(huán)境下，自動生成了變型零件的G代碼，如圖8所示。

　　圖8 系統(tǒng)運行實例

　　5 結(jié)束語

　　基于零件變型設計的原理特點，本文提出了基于主模型零件NC程序主模板的變型零件NC程序的快速生成方法，提高了變型零件NC程序的編制效率，并開發(fā)了相應的CAM 軟件系統(tǒng)。以紡機零件扇形齒臂為例對該系統(tǒng)進行了演示，該系統(tǒng)已應用在某紡機集團的劍桿織機變型設計系統(tǒng)中。