研究变型零件数控程序快速生成系统

　　1 面向变型零件的数控编程原理

　　零件的变型设计是指在已有的主模型零件的基础上，对已存在零件的设计结构的局部调整或/和某些设计参数的修改，这种修改一般不破坏原设计的基本原理和几何结构特征。本文主要考虑相对于主模型零件只有几何参数的改变，而几何结构特征不改变的变型零件的NC程序快速生成方法。

　　变型设计的原理决定了变型零件与主模型零件是相似的，而变型零件与主模型零件的相似性决定了变型零件的NC程序和主模型零件的NC程序之间具有相似性。利用这种相似性，建立基于主模型零件的NC程序主模板，用变型零件的加工特征的几何数据驱动NC程序主模板，生成变型零件的NC程序。

　　1.1 数控程序主模板

　　NC程序主模板是实现变型零件NC程序数据驱动式生成的基础，它定义了零件各个加工特征的几何形状和尺寸、加工顺序、走刀方式、工艺参数和切削参数等，而不是具体的NC加工程序。

　　在变型设计中，变型零件相对于主模型零件只是尺寸在一定范围内的调整，而几何拓扑结构没有发生变化。所以，变型零件的每个加工特征的几何特征不会发生变化，相应的加工方式和走刀方式也不会发生变化。零件的加工过程可以看成对组成该零件的加工特征进行加工的总和，那么对各个加工特征依次加工后即完成了零件的加工。

　　可见，NC程序主模板是以零件的各个加工特征为基本单元进行构建的，每个单元的数据包括该加工特征的加工工艺数据，以及描述该加工特征的几何数据。NC程序主模板以零件的加工特征为单元，可以实现模板结构的模块化。同时，针对每类加工特征单元，设计相应的NC程序生成模块，通过对模板的分析处理，实现加工该特征的NC加工程序的自动生成。

　　1.1.1 零件加工特征的划分

　　零件的加工特征是零件的组成单元，包含各种几何实体造型信息、工艺信息和制造信息，并且能被设计系统、工艺编制系统和制造系统充分有效利用而设计并加工成形的集合单元，如平面、外切削环、槽、孔、倒角等都是零件的加工特征。这些加工特征可进一步细分，如平面按形状分为圆环面、矩形面等，按与相邻面之间的关系分为凸台面、凹槽面、台阶面等。对加工特征的细分有助于编制与加工特征相应的NC程序生成模块，保证生成的NC程序的正确性与高效率。

　　1.1.2 数控程序主模板的结构

　　NC程序主模板的结构如图1所示，模板中的数据单元按照工艺规划中的各个加工特征的加工顺序来存放，每个数据单元包括相应加工特征的工艺参数数据段和几何数据段。

　　图1 NC程序主模板的结构

　　(1)工艺参数 包括刀具的选择、切削用量的确定、走刀方式的确定、对刀点和换刀点的选择，以及刀具的补偿等信息。在创建NC程序主模板的时候，这些数据是按照主模型零件来设置的。在由NC程序主模板生成所对应的主模型零件的NC程序时，直接使用NC程序主模板的工艺参数即可;而生成其变型零件的NC程序时，需要在工艺决策库的支持下，根据变型后的零件尺寸调整工艺参数。

　　(2)几何数据 用于描述加工特征的几何形状、位置和尺寸。该数据段的数据存储格式为：“$$特征对象的类型 对象名称 (起点坐标X，起点坐标y) (终点坐标X，终点坐标y) (圆心坐标X，圆心坐标y) 半径 顺/逆时针 ”。该数据存储格式可以完整地描述组成零件加工特征区域的对象信息。各数据项的含义如表1所示。

　　表1

　　1.2 变型零件数控程序生成原理

　　首先，在主模型零件建立后，对其进行加工工艺分析，确定零件各加工特征的加工顺序以及各加工特征的工艺参数;其次，在二次开发的计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)/计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)软件环境下，在已有的工艺分析基础上，通过人机交互，建立主模型零件的NC程序主模板;再次，对主模型零件进行变型设计，生成新的变型零件实例后，在CAD/CAM软件环境下，系统读取变型零件的加工特征的几何数据，更新主模板中相应的几何数据，并在工艺决策库的支持下，根据新零件的几何尺寸，自动判别，选取合适的工艺参数;最后，通过NC程序生成模块的处理，生成相应变型零件的G代码。变型设计与NC编程的原理如图2所示。

　　图2 基于零件变型设计的Nc编程原理

　　2 系统功能模型

　　基于上述原理开发的NC编程系统主要包括NC程序主模板生成模块、刀位文件生成模块、后置处理模块、NC程序仿真模块和产品数据管理(Product Data Management，PDM)接口模块5个功能模块，如图3所示。

　　图3 系统功能模块

　　(1)NC程序主模板生成模块 通过人机交互的方式，在CAD/CAM 环境下提取零件加工特征区域的几何数据，并与该加工特征的加工工艺参数一起，以特定的数据格式保存为模板文件。

　　(2)刀位文件生成模块 该模块以NC程序主模板文件为数据输入，通过分析处理加工特征的几何数据，判断加工特征类型，调用相应的程序处理模块，并结合工艺参数数据，生成刀位文件。

　　(3)后置处理模块 不同的NC系统，在NC代码的含义、程序段格式、刀具半径补偿、坐标表示方式等方面都存在差异。后置处理就是对一定规范化格式的刀位文件进行阅读、分析和判断，编译成相应NC系统的NC加工代码，最后将NC加工代码以一定的格式储存起来。

　　(4)NC程序仿真模块 对系统生成的NC加工G代码文件在虚拟环境下进行仿真，以检验程序的正确性。

　　(5)PDM 接口模块 通过对PDM 进行二次开发，实现NC编程系统与PDM 系统的集成，进一步实现零件主模型、NC程序主模板、变型零件3维模型，以及NC加工程序的有效管理和共享。

　　限于篇幅，本文主要讨论与NC程序生成直接相关的前3个模块的实现。

　　3 系统设计与实现

　　3.1 系统框架结构

　　基于以上分析，本文以Solid Edge 15为CAD系统平台，以Microsoft SQL Server 2000为数据库管理平台，并以TiPDM 为产品数据管理支撑环境，以Visual Basic 6.0为编程工具，开发了面向变型设计零件的NC程序快速编程系统，系统总体设计框架如图4所示。

　　图4 NC编程系统框架结构

　　NC编程系统内部各功能模块的数据流如图4所示。利用Solid Edge提供的二次开发接口对Solid Edge进行二次开发，实现了零件加工特征的几何数据的提取。工艺决策数据与PDM 的产品数据一起封装在一个数据库中，由PDM 系统统一管理，NC程序生成过程中的工艺数据通过访问PDM 系统获得。同时，与PDM 的集成实现了模板文件和G代码文件的存储和管理。

　　3.2 系统运行模式

　　3.2.1 数控程序主模板的生成

　　首先，对主模型零件进行工艺分析，确定待加工的各加工特征及加工顺序。然后，按已确定的工序依次设置各加工特征的工艺参数，在CAD环境中选取相应的特征加工对象，提取选择对象的名称和几何数据，直到完成所有的加工特征，如图5所示。这一过程结束后，NC程序主模板即完成建立。

　　图5 NC程序主模板建立流程

　　3.2.2 由数控程序主模板生成G代码

　　NC程序主模板定义了主模型零件的工艺信息和几何信息，由它可以生成主模型零件及其变型零件的G代码。图6表示了系统的工作流程。

　　图6 基于NC程J予主模板的数控G代码生成

　　变型零件生成后，系统调用相应的NC程序主模板，在CAD/CAM一体化环境下对模板的几何数据自动进行更新，即用变型零件的加工特征的几何数据替换NC程序主模板中相对应的数据(如果生成主模型零件的NC程序则不需要这个过程)。然后，依次读取主模板中包含的各加工特征的工艺数据和几何数据，根据加工特征的类型，调用与该加工特征类型对应的NC程序生成模块，生成该加工特征的刀位文件。当模板中所有加工特征的刀位文件生成后，链接各刀位文件生成变型零件的刀位文件。最后，对刀位文件进行后置处理生成变型零件的G代码。

　　系统针对每种类型的加工特征都有相对应的程序处理模块。由于对特定类型的加工特征有成熟的加工工艺，针对各种类型的加工特征开发相应的处理模块能更合理地生成符合加工要求的G代码。

　　在由NC程序主模板生成G代码的过程中，需要在工艺决策库的支持下对其进行工艺决策。零件变型后，由于加工特征几何尺寸的变化超出一定的范围，使原有的刀具、主轴转速和进给速度等不再适合的时候，就需要工艺决策库的支持。根据决策库所规定的规则，自动选取合适的刀具、主轴转速和进给速度等。工艺决策库定义了各个加工特征在不同尺寸范围内所对应的工艺数据。当变型零件加工特征的尺寸不在工艺决策库定义的尺寸范围时，工艺人员依据工艺要求，向工艺决策库添加满足当前变型零件尺寸的工艺数据，以生成当前变型零件的G代码。

　　4 实例

　　现以纺织机械零件扇形齿臂为例进行说明。如图7所示，对扇形齿臂主模型零件进行工艺分析，确定其加工特征的加工顺序为：铣大圆环面，铣弧形台阶面，镗大圆孔内壁，钻小圆孔，钻圆形阵列孔，钻弧形阵列孔。在Solid Edge和NC编程系统支持下按此加工顺序依次提取各加工特征的信息，建立NC程序主模板。

　　图7 扇形齿臂主模型零件加工特征

　　根据不同客户的不同需求，在主模型零件的基础上进行变型设计，如调整大圆孔与小圆孔的直径，以及弧形台阶面所对应的圆心角，生成新的变型零件。系统通过调用主模型零件的NC程序主模板，在CAD/CAM集成环境下，自动生成了变型零件的G代码，如图8所示。

　　图8 系统运行实例

　　5 结束语

　　基于零件变型设计的原理特点，本文提出了基于主模型零件NC程序主模板的变型零件NC程序的快速生成方法，提高了变型零件NC程序的编制效率，并开发了相应的CAM 软件系统。以纺机零件扇形齿臂为例对该系统进行了演示，该系统已应用在某纺机集团的剑杆织机变型设计系统中。