蘭 芳

(廣西工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程系，廣西 南寧 530001)

0 引言

變型設計可以大大提高設計的速度和質量，同時又可以重用企業(yè)的已有資源，使企業(yè)對市場變化作出快速地響應，高效、高質量、低成本地開發(fā)新品種，滿足用戶的需求［1］。隨著產(chǎn)品需求的多樣化、個性化及產(chǎn)品市場的全球化的發(fā)展，變型設計在現(xiàn)代企業(yè)設計中占有越來越大的比例，變型零件工藝設計、數(shù)控編程等方面的研究也正越來越得到業(yè)界的重視。

本文在分析研究變型設計技術及編程特點的基礎上，提出了一種基于零件族數(shù)控程序母模板快速生成變型零件數(shù)控加工程序的編程方法。

1 變型設計與快速編程原理

1.1 變型設計

變型設計是指在原有零部件或產(chǎn)品模型基礎上，通過對它們的參數(shù)和尺寸關系的改變，最終生成與原有零部件和產(chǎn)品相似的零部件或產(chǎn)品的設計方法［2］。

變型設計的種類很多，按照變型的方法可以分為:基于裝配模型的變型設計、模塊化變型設計、基于特征的變型設計、基于參數(shù)化和變量化設計方法的變型設計、基于實例推理技術的變型設計、基于關系型產(chǎn)品模型的變型設計等等［3-4］;按照變型的層次可以分為:特征級變型，零件級變型、部件級變型和產(chǎn)品級變型等。本文主要研究基于事物特性表的尺寸變型零件的數(shù)控編程。

變型零件是通過修改原有典型零件的尺寸或結構而形成的，通常有尺寸變型和結構變型兩種形式。

基于事物特性表的變型設計是在原有產(chǎn)品基礎上，通過改變事物特性表中的特性值而得到相似產(chǎn)品的設計方法。事物特性表(tabular layouts of article characteristics)是表征產(chǎn)品(包括部件、零件)的功能、幾何、制造等事物特性，并以固定格式表的形式反映的信息集合［5］。

事物特性表由表行和表列構成，零件變型設計中事物特性表的表列內容對應零件幾何模型中的相關設計參數(shù)變量，表中的每一個表行數(shù)據(jù)對應一個具體的變型零件。

基于事物特性表的變型設計過程可以用圖1描述。首先分析零件幾何形狀和拓撲結構，在此基礎上，進行零件族規(guī)劃，然后用參數(shù)型CAD系統(tǒng)(如Solidworks，UG、Pro/E等)構建零件族的三維模型，并創(chuàng)建與三維模型變量之間關聯(lián)的事物特性表，這樣零件母模型就建立了。當需要得到變型實例時，只需根據(jù)客戶要求，對事物特性表的表行數(shù)據(jù)分別賦予不同的數(shù)值，就可以快速自動生成滿足用戶要求的變型零件。

圖1 基于事物特性表的變型設計

1.2 數(shù)控程序快速編程原理

由變型設計產(chǎn)生出的一系列的變型零件，如果用傳統(tǒng)CAM系統(tǒng)進行編程，則需對各個變型零件分別進行幾何數(shù)據(jù)提取、工藝參數(shù)設置等繁瑣的交互操作，需要花費大量的時間和精力，無法達到變型設計提高效率、縮短周期、降低成本的目的。

基于事物特性表的變型設計產(chǎn)生的變型零件，由于僅是尺寸的改變，而拓撲結構沒有發(fā)生變化，變型零件與母模型零件是相似的。對于結構相同，尺寸大小不同的零件，它們的加工方法、加工順序、加工策略、走刀路線是相同的，不同的僅是加工幾何信息和部分隨零件尺寸變化的工藝參數(shù)，如刀具直徑、主軸轉速、進給速度，因此變型零件與零件母模型的加工工藝是相似的，變型零件與母模型零件的數(shù)控程序也是相似的。可以通過構建基于母模型零件的數(shù)控程序母模板，用事物特性表“驅動”數(shù)控程序母模板，派生出變型零件的數(shù)控程序，實現(xiàn)變型零件數(shù)控程序的快速編制?；谑挛锾匦员淼某叽缱冃土慵臄?shù)控程序快速編程正是應用這一原理。

首先根據(jù)零件族母模型和加工工藝庫創(chuàng)建數(shù)控程序母模板，然后用事物特性表和變型工藝參數(shù)克隆和變異數(shù)控程序母模板產(chǎn)生數(shù)控程序變型實例，經(jīng)后處理即可得到變型零件數(shù)控G代碼。變型零件數(shù)控程序快速編程原理如圖2。

圖2 變型零件數(shù)控程序快速編程原理

2 變型零件快速數(shù)控編程方法

2.1 數(shù)控程序母模板設計

從變型零件數(shù)控程序編程原理可以看出，數(shù)控程序母模板是實現(xiàn)變型零件數(shù)控程序快速生成的基礎，母模板的合理設計可以提高變型零件數(shù)控編程的效率和質量。每一零件族有一對應的數(shù)控程序母模板。

本文數(shù)控母模板以加工特征為基本單元來組織加工信息，每個單元包含該特征加工所需的幾何信息、加工工藝信息。

2.1.1 加工特征的定義和劃分

特征概念的首次提出可以追朔到1978年M·I·T的一篇學士論文《CAD零件的表示》。但至今對特征仍無統(tǒng)一的定義。特征的定義依賴于其具體的應用環(huán)境，由于特征在設計、分析、制造等不同階段中應用的領域的不一致，造成各階段定義特征的方法和所建立特征模型也不相同，使特征具有了多方面的含義［6］。

在工程領域，特征模型往往是按照應用需求進行定義和分類的。通常加工特征是指一種能夠代表加工要求、加工意圖和用于構建零部件形狀的抽象幾何體。本文為了便于數(shù)控程序母模板的構建和靈活變型，將加工特征定義為形狀結構和加工工藝相同或相似的的數(shù)控加工單元。依據(jù)這個定義對加工特征進行劃分時，不僅強調形狀結構的相似性，更強調加工工藝的相似性。對形狀結構完全相同但加工工藝不同(如使用的刀具類型、加工的精度等)的加工單元應劃分為不同的加工特征。例如兩個大小相同精度要求不同的孔是兩個不同的加工特征。根據(jù)加工特征的定義，零件的加工特征可以分為:平面圓環(huán)區(qū)域加工、平面矩形區(qū)域加工、圓環(huán)輪廓加工、矩形輪廓加工、孔加工等。

因此，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，對整個加工特征按一定的順序加工后即完成了零件的加工?？梢员硎緸椋?］:

其中P是最終加工完成的零件，BL是毛胚或半成品，MF是加工特征。

2.1.2 數(shù)控程序母模板內容和結構

數(shù)控程序母模板是中間文件，其內容為加工代碼的生成提供足夠的數(shù)據(jù)信息和工藝信息。其結構決定了變型零件數(shù)控編程的效率。

數(shù)控程序母模板應具有以下特點:

(1)數(shù)控程序母模板應有足夠、完整的零件加工所需的幾何和工藝信息，即數(shù)控程序母模板應是全面描述零件的加工的工藝路線安排、加工策略、刀具參數(shù)、加工參數(shù)以及相關的幾何元素信息等的文件。

(2)數(shù)控程序母模板應有一定的穩(wěn)定性。數(shù)控程序母模板與零件族數(shù)控程序變型實例的結構形式應是一致的，不同的僅是某些加工特征的幾何數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)等。也就是說數(shù)控程序母模板的加工方法、加工順序、走刀路線應是零件族所有零件通用的，應能被變型零件數(shù)控程序變型實例快捷地克隆重用。

(3)數(shù)控程序母模板應有一定的可變性。當零件變型時，數(shù)控程序母模板的相應幾何數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)能產(chǎn)生相應的改變，以派生出變型零件數(shù)控程序變型實例。

本文數(shù)控程序母模板的內容和結構如圖3。模板中以符號“＆＆”開頭的字段為標識字段。以符號“##”開頭的字段是模板的數(shù)據(jù)段。模板以加工特征為信息單元，按工藝規(guī)劃中加工特征的加工順序來存放數(shù)據(jù)。每個加工特征的信息單元包含加工特征標識、加工特征類型、加工特征工藝數(shù)據(jù)、加工特征幾何數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)控程序母模板內容和結構

(1)加工特征標識是描述和區(qū)分加工特征的符號，以便于程序進行變型時查詢和調用。

(2)加工特征類型用來標識加工特征的加工方法，如銑削、鉆削等。

(3)加工特征工藝數(shù)據(jù)是加工該特征的工藝參數(shù)，包括走刀方式、進退刀方式、刀具參數(shù)、進給速度、背吃刀量、主軸轉速等。母模板的工藝參數(shù)是根據(jù)零件母模型確定的。

(4)加工特征幾何數(shù)據(jù)是與加工特征的形狀尺寸和位置尺寸相關的數(shù)字信息，這些數(shù)據(jù)的獲取通過人機交互的方式從零件母模型的三維CAD模型中提取。

這種結構形式的數(shù)控程序母模板的優(yōu)點在于:以加工特征為單元，對加工特征分別設置相應的加工工藝和存儲加工特征幾何數(shù)據(jù)。當變型時，能充分利用加工特征易于參數(shù)化處理的特點，對需變型的加工特征可通過事物特性表驅動其幾何參數(shù)和加工工藝來實現(xiàn)變更，而不需變型的加工特征，其幾何參數(shù)和加工參數(shù)能快速地克隆利用，從而快速派生出變型零件的數(shù)控程序。

2.2 零件族數(shù)控程序母模板創(chuàng)建

零件族數(shù)控程序母模板基于零件母模型及相關數(shù)控加工工藝進行創(chuàng)建，創(chuàng)建步驟如圖4。

(1)根據(jù)母模型零件的加工要求，進行加工工藝分析，并根據(jù)本文2.1加工特征劃分的原則，進行零件母模型加工特征劃分。

(2)進行各個加工特征的加工順序安排。

(3)加工特征加工信息設置。在CAD/CAM系統(tǒng)中，按加工順序，逐一對每一個加工特征進行加工信息設置。每一加工特征的加工信息設置以人機交互的方式進行，包括設定加工方法，提取特征幾何信息，設定加工刀具，加工策略、加工參數(shù)等過程。

(4)判斷是否完成了所有加工特征的加工信息設置，如果完成即結束母模板創(chuàng)建，生成母模板文件，否則繼續(xù)進行加工特征的加工信息設置，直至最末一個加工特征完成。

零件族數(shù)控程序母模板的創(chuàng)建流程如圖4。

圖4 零件族數(shù)控程序母模板創(chuàng)建流程

2.3 變型零件數(shù)控加工G代碼生成

在由數(shù)控程序母模板生成變型零件數(shù)控加工G代碼過程如圖5所示。

圖5 變型零件加工G代碼生成流程

首先調用相應的數(shù)控程序母模板文件，對零件族事物特性表賦值，在CAD/CAM環(huán)境下母模板中與事物特性表關聯(lián)的加工特征的幾何數(shù)據(jù)將自動更改。同時在工藝知識庫的支持下，系統(tǒng)對變型零件的加工參數(shù)重新進行優(yōu)化，得到變型特征工藝參數(shù)，用該參數(shù)對相應加工特征的加工工藝進行修正，完成后即生成數(shù)控程序母模板變型實例文件。然后對主模板變型實例進行分析、計算、編譯生成變型零件加工刀位文件。該刀位文件是通用性的中間文件，由于不同的數(shù)控系統(tǒng)，在數(shù)控代碼的含義、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，為此，需根據(jù)不同的CNC系統(tǒng)，對刀位文件進行后置處理，最終生成符合特定數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控加工G代碼。

3 變型零件快速編程應用實例

基于以上的原理和分析，本文以UG軟件為平臺，運用UG提供的二次開發(fā)工具包UG/Open API和VC++建立了變型零件快速編程模塊，實現(xiàn)零件族數(shù)控程序母模板的創(chuàng)建和變型零件加工G代碼的快速生成和管理。該模塊主要包括零件族數(shù)控程序母模板庫、零件族數(shù)控程序母模板創(chuàng)建、變型零件加工G代碼庫、變型零件加工G代碼生成等子模塊。

現(xiàn)以圖6泵蓋零件的加工G代碼生成過程為例進行說明。

圖6 泵蓋零件

首先對泵蓋進行加工工藝分析確定其加工特征及加工順序為:銑B面;鉆D1孔;鉆2－D2孔;加工MD3螺紋孔;加工2-MD4螺紋孔;鉆3-D5、D6臺階孔;翻轉零件，銑A面;銑腰形槽Ⅰ、Ⅱ;擴、鉸D1孔;擴、鉸2-D2孔。然后按這加工順序進行每一加工特征的加工信息設置和幾何信息提取，建立泵蓋零件族數(shù)控程序母模板。

當需要改變尺寸生成新泵蓋時，例如改變夾角α和D0，只要對泵蓋母模型事物特性表中相應的參數(shù)賦予值就可實現(xiàn)新泵蓋零件生成，同時，由于數(shù)控程序母模板是與事物特性表相關聯(lián)的，此時數(shù)控程序母模板的相關加工參數(shù)也就隨之改變，生成新泵蓋的數(shù)控程序實例，對其進行相應的后處理即可生成新泵蓋的加工G代碼。如圖7所示。

圖7 快速編程實例

4 結束語

通過對變型設計技術及變型零件編程特點進行分析，基于零件族母模型設計了數(shù)控程序母模板，在零件事物特性表的驅動下由數(shù)控程序母模能快捷得到變型零件的數(shù)控加工G代碼，有效地提高了變型零件的數(shù)控編程效率和質量。變型零件編程技術的研究對提高企業(yè)市場快速響應能力，降低成本有積極意義。

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