1 面向變型零件的數控編程原理

　　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構的局部調整或/和某些設計參數的修改，這種修改一般不破壞原設計的基本原理和幾何結構特征。本文主要考慮相對于主模型零件只有幾何參數的改變，而幾何結構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據驅動NC程序主模板，生成變型零件的NC程序。

　　1.1 數控程序主模板

　　NC程序主模板是實現變型零件NC程序數據驅動式生成的基礎，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、工藝參數和切削參數等，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的調整，而幾何拓撲結構沒有發生變化。所以，變型零件的每個加工特征的幾何特征不會發生變化，相應的加工方式和走刀方式也不會發生變化。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建的，每個單元的數據包括該加工特征的加工工藝數據，以及描述該加工特征的幾何數據。NC程序主模板以零件的加工特征為單元，可以實現模板結構的模塊化。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、工藝編制系統和制造系統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、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 數控程序主模板的結構

　　NC程序主模板的結構如圖1所示，模板中的數據單元按照工藝規劃中的各個加工特征的加工順序來存放，每個數據單元包括相應加工特征的工藝參數數據段和幾何數據段。

　　圖1 NC程序主模板的結構

　　(1)工藝參數 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，以及刀具的補償等信息。在創建NC程序主模板的時候，這些數據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，根據變型后的零件尺寸調整工藝參數。

　　(2)幾何數據 用于描述加工特征的幾何形狀、位置和尺寸。該數據段的數據存儲格式為：“$$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 ”。該數據存儲格式可以完整地描述組成零件加工特征區域的對象信息。各數據項的含義如表1所示。

　　表1

　　1.2 變型零件數控程序生成原理

　　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;其次，在二次開發的計算機輔助設計(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軟件環境下，系統讀取變型零件的加工特征的幾何數據，更新主模板中相應的幾何數據，并在工藝決策庫的支持下，根據新零件的幾何尺寸，自動判別，選取合適的工藝參數;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 系統功能模型

　　基于上述原理開發的NC編程系統主要包括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程序仿真模塊和產品數據管理(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 環境下提取零件加工特征區域的幾何數據，并與該加工特征的加工工藝參數一起，以特定的數據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據輸入，通過分析處理加工特征的幾何數據，判斷加工特征類型，調用相應的程序處理模塊，并結合工藝參數數據，生成刀位文件。

　　(3)后置處理模塊 不同的NC系統，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 對系統生成的NC加工G代碼文件在虛擬環境下進行仿真，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，實現NC編程系統與PDM 系統的集成，進一步實現零件主模型、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。

　　3 系統設計與實現

　　3.1 系統框架結構

　　基于以上分析，本文以Solid Edge 15為CAD系統平臺，以Microsoft SQL Server 2000為數據庫管理平臺，并以TiPDM 為產品數據管理支撐環境，以Visual Basic 6.0為編程工具，開發了面向變型設計零件的NC程序快速編程系統，系統總體設計框架如圖4所示。

　　圖4 NC編程系統框架結構

　　NC編程系統內部各功能模塊的數據流如圖4所示。利用Solid Edge提供的二次開發接口對Solid Edge進行二次開發，實現了零件加工特征的幾何數據的提取。工藝決策數據與PDM 的產品數據一起封裝在一個數據庫中，由PDM 系統統一管理，NC程序生成過程中的工藝數據通過訪問PDM 系統獲得。同時，與PDM 的集成實現了模板文件和G代碼文件的存儲和管理。

　　3.2 系統運行模式

　　3.2.1 數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，在CAD環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據，直到完成所有的加工特征，如圖5所示。這一過程結束后，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表示了系統的工作流程。

　　圖6 基于NC程J予主模板的數控G代碼生成

　　變型零件生成后，系統調用相應的NC程序主模板，在CAD/CAM一體化環境下對模板的幾何數據自動進行更新，即用變型零件的加工特征的幾何數據替換NC程序主模板中相對應的數據(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據和幾何數據，根據加工特征的類型，調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。根據決策庫所規定的規則，自動選取合適的刀具、主軸轉速和進給速度等。工藝決策庫定義了各個加工特征在不同尺寸范圍內所對應的工藝數據。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據，以生成當前變型零件的G代碼。

　　4 實例

　　現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：銑大圓環面，銑弧形臺階面，鏜大圓孔內壁，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。系統通過調用主模型零件的NC程序主模板，在CAD/CAM集成環境下，自動生成了變型零件的G代碼，如圖8所示。

　　圖8 系統運行實例

　　5 結束語

　　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，并開發了相應的CAM 軟件系統。以紡機零件扇形齒臂為例對該系統進行了演示，該系統已應用在某紡機集團的劍桿織機變型設計系統中。