变型零件快速数控编程方法*

兰 芳

(广西工业职业技术学院机械工程系，广西 南宁 530001)

0 引言

变型设计可以大大提高设计的速度和质量，同时又可以重用企业的已有资源，使企业对市场变化作出快速地响应，高效、高质量、低成本地开发新品种，满足用户的需求［1］。随着产品需求的多样化、个性化及产品市场的全球化的发展，变型设计在现代企业设计中占有越来越大的比例，变型零件工艺设计、数控编程等方面的研究也正越来越得到业界的重视。

本文在分析研究变型设计技术及编程特点的基础上，提出了一种基于零件族数控程序母模板快速生成变型零件数控加工程序的编程方法。

1 变型设计与快速编程原理

1.1 变型设计

变型设计是指在原有零部件或产品模型基础上，通过对它们的参数和尺寸关系的改变，最终生成与原有零部件和产品相似的零部件或产品的设计方法［2］。

变型设计的种类很多，按照变型的方法可以分为:基于装配模型的变型设计、模块化变型设计、基于特征的变型设计、基于参数化和变量化设计方法的变型设计、基于实例推理技术的变型设计、基于关系型产品模型的变型设计等等［3-4］;按照变型的层次可以分为:特征级变型，零件级变型、部件级变型和产品级变型等。本文主要研究基于事物特性表的尺寸变型零件的数控编程。

变型零件是通过修改原有典型零件的尺寸或结构而形成的，通常有尺寸变型和结构变型两种形式。

基于事物特性表的变型设计是在原有产品基础上，通过改变事物特性表中的特性值而得到相似产品的设计方法。事物特性表(tabular layouts of article characteristics)是表征产品(包括部件、零件)的功能、几何、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构成，零件变型设计中事物特性表的表列内容对应零件几何模型中的相关设计参数变量，表中的每一个表行数据对应一个具体的变型零件。

基于事物特性表的变型设计过程可以用图1描述。首先分析零件几何形状和拓扑结构，在此基础上，进行零件族规划，然后用参数型CAD系统(如Solidworks，UG、Pro/E等)构建零件族的三维模型，并创建与三维模型变量之间关联的事物特性表，这样零件母模型就建立了。当需要得到变型实例时，只需根据客户要求，对事物特性表的表行数据分别赋予不同的数值，就可以快速自动生成满足用户要求的变型零件。

图1 基于事物特性表的变型设计

1.2 数控程序快速编程原理

由变型设计产生出的一系列的变型零件，如果用传统CAM系统进行编程，则需对各个变型零件分别进行几何数据提取、工艺参数设置等繁琐的交互操作，需要花费大量的时间和精力，无法达到变型设计提高效率、缩短周期、降低成本的目的。

基于事物特性表的变型设计产生的变型零件，由于仅是尺寸的改变，而拓扑结构没有发生变化，变型零件与母模型零件是相似的。对于结构相同，尺寸大小不同的零件，它们的加工方法、加工顺序、加工策略、走刀路线是相同的，不同的仅是加工几何信息和部分随零件尺寸变化的工艺参数，如刀具直径、主轴转速、进给速度，因此变型零件与零件母模型的加工工艺是相似的，变型零件与母模型零件的数控程序也是相似的。可以通过构建基于母模型零件的数控程序母模板，用事物特性表“驱动”数控程序母模板，派生出变型零件的数控程序，实现变型零件数控程序的快速编制。基于事物特性表的尺寸变型零件的数控程序快速编程正是应用这一原理。

首先根据零件族母模型和加工工艺库创建数控程序母模板，然后用事物特性表和变型工艺参数克隆和变异数控程序母模板产生数控程序变型实例，经后处理即可得到变型零件数控G代码。变型零件数控程序快速编程原理如图2。

图2 变型零件数控程序快速编程原理

2 变型零件快速数控编程方法

2.1 数控程序母模板设计

从变型零件数控程序编程原理可以看出，数控程序母模板是实现变型零件数控程序快速生成的基础，母模板的合理设计可以提高变型零件数控编程的效率和质量。每一零件族有一对应的数控程序母模板。

本文数控母模板以加工特征为基本单元来组织加工信息，每个单元包含该特征加工所需的几何信息、加工工艺信息。

2.1.1 加工特征的定义和划分

特征概念的首次提出可以追朔到1978年M·I·T的一篇学士论文《CAD零件的表示》。但至今对特征仍无统一的定义。特征的定义依赖于其具体的应用环境，由于特征在设计、分析、制造等不同阶段中应用的领域的不一致，造成各阶段定义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义［6］。

在工程领域，特征模型往往是按照应用需求进行定义和分类的。通常加工特征是指一种能够代表加工要求、加工意图和用于构建零部件形状的抽象几何体。本文为了便于数控程序母模板的构建和灵活变型，将加工特征定义为形状结构和加工工艺相同或相似的的数控加工单元。依据这个定义对加工特征进行划分时，不仅强调形状结构的相似性，更强调加工工艺的相似性。对形状结构完全相同但加工工艺不同(如使用的刀具类型、加工的精度等)的加工单元应划分为不同的加工特征。例如两个大小相同精度要求不同的孔是两个不同的加工特征。根据加工特征的定义，零件的加工特征可以分为:平面圆环区域加工、平面矩形区域加工、圆环轮廓加工、矩形轮廓加工、孔加工等。

因此，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，对整个加工特征按一定的顺序加工后即完成了零件的加工。可以表示为［7］:

其中P是最终加工完成的零件，BL是毛胚或半成品，MF是加工特征。

2.1.2 数控程序母模板内容和结构

数控程序母模板是中间文件，其内容为加工代码的生成提供足够的数据信息和工艺信息。其结构决定了变型零件数控编程的效率。

数控程序母模板应具有以下特点:

(1)数控程序母模板应有足够、完整的零件加工所需的几何和工艺信息，即数控程序母模板应是全面描述零件的加工的工艺路线安排、加工策略、刀具参数、加工参数以及相关的几何元素信息等的文件。

(2)数控程序母模板应有一定的稳定性。数控程序母模板与零件族数控程序变型实例的结构形式应是一致的，不同的仅是某些加工特征的几何数据和工艺参数等。也就是说数控程序母模板的加工方法、加工顺序、走刀路线应是零件族所有零件通用的，应能被变型零件数控程序变型实例快捷地克隆重用。

(3)数控程序母模板应有一定的可变性。当零件变型时，数控程序母模板的相应几何数据、工艺参数能产生相应的改变，以派生出变型零件数控程序变型实例。

本文数控程序母模板的内容和结构如图3。模板中以符号“＆＆”开头的字段为标识字段。以符号“##”开头的字段是模板的数据段。模板以加工特征为信息单元，按工艺规划中加工特征的加工顺序来存放数据。每个加工特征的信息单元包含加工特征标识、加工特征类型、加工特征工艺数据、加工特征几何数据。

图3 数控程序母模板内容和结构

(1)加工特征标识是描述和区分加工特征的符号，以便于程序进行变型时查询和调用。

(2)加工特征类型用来标识加工特征的加工方法，如铣削、钻削等。

(3)加工特征工艺数据是加工该特征的工艺参数，包括走刀方式、进退刀方式、刀具参数、进给速度、背吃刀量、主轴转速等。母模板的工艺参数是根据零件母模型确定的。

(4)加工特征几何数据是与加工特征的形状尺寸和位置尺寸相关的数字信息，这些数据的获取通过人机交互的方式从零件母模型的三维CAD模型中提取。

这种结构形式的数控程序母模板的优点在于:以加工特征为单元，对加工特征分别设置相应的加工工艺和存储加工特征几何数据。当变型时，能充分利用加工特征易于参数化处理的特点，对需变型的加工特征可通过事物特性表驱动其几何参数和加工工艺来实现变更，而不需变型的加工特征，其几何参数和加工参数能快速地克隆利用，从而快速派生出变型零件的数控程序。

2.2 零件族数控程序母模板创建

零件族数控程序母模板基于零件母模型及相关数控加工工艺进行创建，创建步骤如图4。

(1)根据母模型零件的加工要求，进行加工工艺分析，并根据本文2.1加工特征划分的原则，进行零件母模型加工特征划分。

(2)进行各个加工特征的加工顺序安排。

(3)加工特征加工信息设置。在CAD/CAM系统中，按加工顺序，逐一对每一个加工特征进行加工信息设置。每一加工特征的加工信息设置以人机交互的方式进行，包括设定加工方法，提取特征几何信息，设定加工刀具，加工策略、加工参数等过程。

(4)判断是否完成了所有加工特征的加工信息设置，如果完成即结束母模板创建，生成母模板文件，否则继续进行加工特征的加工信息设置，直至最末一个加工特征完成。

零件族数控程序母模板的创建流程如图4。

图4 零件族数控程序母模板创建流程

2.3 变型零件数控加工G代码生成

在由数控程序母模板生成变型零件数控加工G代码过程如图5所示。

图5 变型零件加工G代码生成流程

首先调用相应的数控程序母模板文件，对零件族事物特性表赋值，在CAD/CAM环境下母模板中与事物特性表关联的加工特征的几何数据将自动更改。同时在工艺知识库的支持下，系统对变型零件的加工参数重新进行优化，得到变型特征工艺参数，用该参数对相应加工特征的加工工艺进行修正，完成后即生成数控程序母模板变型实例文件。然后对主模板变型实例进行分析、计算、编译生成变型零件加工刀位文件。该刀位文件是通用性的中间文件，由于不同的数控系统，在数控代码的含义、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，为此，需根据不同的CNC系统，对刀位文件进行后置处理，最终生成符合特定数控系统的数控加工G代码。

3 变型零件快速编程应用实例

基于以上的原理和分析，本文以UG软件为平台，运用UG提供的二次开发工具包UG/Open API和VC++建立了变型零件快速编程模块，实现零件族数控程序母模板的创建和变型零件加工G代码的快速生成和管理。该模块主要包括零件族数控程序母模板库、零件族数控程序母模板创建、变型零件加工G代码库、变型零件加工G代码生成等子模块。

现以图6泵盖零件的加工G代码生成过程为例进行说明。

图6 泵盖零件

首先对泵盖进行加工工艺分析确定其加工特征及加工顺序为:铣B面;钻D1孔;钻2－D2孔;加工MD3螺纹孔;加工2-MD4螺纹孔;钻3-D5、D6台阶孔;翻转零件，铣A面;铣腰形槽Ⅰ、Ⅱ;扩、铰D1孔;扩、铰2-D2孔。然后按这加工顺序进行每一加工特征的加工信息设置和几何信息提取，建立泵盖零件族数控程序母模板。

当需要改变尺寸生成新泵盖时，例如改变夹角α和D0，只要对泵盖母模型事物特性表中相应的参数赋予值就可实现新泵盖零件生成，同时，由于数控程序母模板是与事物特性表相关联的，此时数控程序母模板的相关加工参数也就随之改变，生成新泵盖的数控程序实例，对其进行相应的后处理即可生成新泵盖的加工G代码。如图7所示。

图7 快速编程实例

4 结束语

通过对变型设计技术及变型零件编程特点进行分析，基于零件族母模型设计了数控程序母模板，在零件事物特性表的驱动下由数控程序母模能快捷得到变型零件的数控加工G代码，有效地提高了变型零件的数控编程效率和质量。变型零件编程技术的研究对提高企业市场快速响应能力，降低成本有积极意义。

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