基于成組技術(shù)的數(shù)控編程

方振紅,李銳陽(yáng),周德民,張 偉,彭華武

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)江山重工研究院,湖北 襄陽(yáng) 441100)

1 引言

為適應(yīng)市場(chǎng)的需要,大批量個(gè)性化定制已成為制造業(yè)的主流生產(chǎn)方式。客戶需求的多樣化,導(dǎo)致了產(chǎn)品種類的多樣化,進(jìn)一步導(dǎo)致了零部件的多樣化,增加了制造成本和響應(yīng)時(shí)間。盡管數(shù)控設(shè)備適合于加工多品種、小批量零件,能提高生產(chǎn)效率,但是如果對(duì)每種數(shù)控加工的零件都單獨(dú)進(jìn)行程序編制和調(diào)試,就會(huì)增加編程人員的工作量,限制數(shù)控設(shè)備的產(chǎn)能[1]。

在大批量定制的生產(chǎn)模式下,修改成熟零件的模型參數(shù)是生成新零件的常用方法。參數(shù)化設(shè)計(jì)、零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化產(chǎn)生大量幾何形狀、結(jié)構(gòu)、功能、工藝等特性相似的零部件[2]。

一方面,大批量的個(gè)性化定制會(huì)給企業(yè)帶來(lái)生存危機(jī)。只有低成本地快速滿足客戶的個(gè)性化需求,企業(yè)才能從大批量個(gè)性化定制中獲利。如何減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)內(nèi)部零件的多樣性,適應(yīng)快節(jié)奏的產(chǎn)品更替,迎合多樣化的用戶需求,成為制造企業(yè)必須考慮、認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題。另一方面,個(gè)性化定制集中產(chǎn)生的眾多相似零部件,也給人們提供了從全局看問(wèn)題的機(jī)遇,給了成組技術(shù)施展的舞臺(tái)。

成組技術(shù)(Group Technology, GT)是一門(mén)逐步發(fā)展的新技術(shù),它突破了局限于單一產(chǎn)品的批量概念,以多個(gè)產(chǎn)品的成組批量代替單獨(dú)批量。成組技術(shù)是研究如何識(shí)別、發(fā)掘、匯集、應(yīng)用事物的相似性,尋求解決這一組問(wèn)題相對(duì)統(tǒng)一的最優(yōu)方案,以期取得規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益的一門(mén)工程技術(shù)[3]。成組技術(shù)從全局察看相近性的思想,貫穿于設(shè)計(jì)、制造、管理各個(gè)階段。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化減少了零件品種規(guī)格;在制造階段,按幾何形狀、工藝過(guò)程相似性原則,把不同產(chǎn)品中結(jié)構(gòu)、工藝相似的零件合并成一個(gè)加工組或零件族,針對(duì)零件族編制工藝規(guī)程,設(shè)計(jì)工藝裝備,從而擴(kuò)大了成組加工批量,實(shí)現(xiàn)科學(xué)的生產(chǎn)管理,縮短生產(chǎn)周期,降低生產(chǎn)成本。典型零件、典型工藝是應(yīng)用成組技術(shù)進(jìn)行工藝規(guī)程編制的產(chǎn)物。

通常,零件由一到多個(gè)加工(工藝)特征組成,數(shù)控加工時(shí),一個(gè)特征對(duì)應(yīng)一個(gè)程序組段。數(shù)控編程完全可引入“成組技術(shù)”的理念,對(duì)零件程序進(jìn)行模塊化分割,基于成組技術(shù)對(duì)零件族及其加工特征進(jìn)行數(shù)控編程[4]。

2 基于成組技術(shù)編程

基于成組技術(shù)進(jìn)行數(shù)控編程,不再僅針對(duì)一個(gè)具體零件設(shè)計(jì)程序,而是將大量分散的零件按相似性歸并成組,針對(duì)零件族及其加工特征進(jìn)行編程,讓編程過(guò)程集中進(jìn)行、信息重復(fù)使用,避免低效重復(fù)勞動(dòng),使程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、高效化[5]。

基于成組技術(shù)編程有兩種方式:自動(dòng)編程與手工編程。

2.1 自動(dòng)編程

以UG NX軟件為例,同族零件的CAM編程過(guò)程、加工策略、參數(shù)設(shè)置幾乎完全一致。基于成組技術(shù)的自動(dòng)編程,常用部件族工具、定制加工模板的方法。

2.1.1 部件族工具

使用部件族工具的前提條件是創(chuàng)建部件族。首先創(chuàng)建并應(yīng)用表達(dá)式,進(jìn)行典型零件的參數(shù)建模[6-7];接著依據(jù)工藝為典型零件創(chuàng)建加工工序;然后應(yīng)用部件族工具,創(chuàng)建并調(diào)用Excel表格中的參數(shù)賦值,得到附帶工序刀路、尺寸不同、結(jié)構(gòu)相似的多個(gè)同族零件;最后對(duì)各零件所帶工序刀軌進(jìn)行重生及后處理,即可獲得具體零件的數(shù)控程序。

UG NX的部件族工具菜單如圖1所示。

圖1 UG部件族工具菜單

這些同族零件的UG文檔屬性為只讀,所以在刀軌重生后,需改名另存,從而實(shí)現(xiàn)“從共性到個(gè)性”的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化重用。

2.1.2 定制加工模板

定制加工模板的前提條件是設(shè)置完成復(fù)合零件的典型工序的各類參數(shù)。進(jìn)行模板設(shè)置時(shí),要分別在幾何視圖、機(jī)床視圖下全選視圖對(duì)象及其各級(jí)子項(xiàng),在快捷菜單中選擇“對(duì)象”下的“模板設(shè)置”命令,在彈出的“模板設(shè)置”對(duì)話框中,勾選模板設(shè)置欄的兩處復(fù)選項(xiàng)(見(jiàn)圖2)。

圖2 模板設(shè)置復(fù)選項(xiàng)

完成參數(shù)配置和模板設(shè)置后,將其存儲(chǔ)在NX安裝目錄下的metric模板文件夾中,使其成為待選模板文件。最后,打開(kāi)加工類型選項(xiàng)文件cam_general.opt,添加選項(xiàng)并保存,從而完成加工模板的定制。

加工模板定制是基于通用工藝特征的刀軌設(shè)計(jì)進(jìn)行的。相對(duì)于部件族工具,其適用性更廣,只要工藝特征相似即可調(diào)用,能使工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、編程勞動(dòng)輕量化。

2.1.3 CAM編程實(shí)例

例如:某彎管機(jī)構(gòu)有7種規(guī)格的圓模零件,其設(shè)計(jì)圖及尺寸RA、RB、RC數(shù)值系列如圖3所示。因其結(jié)構(gòu)、工藝相似,歸并為圓模零件族。

圖3 圓模零件族設(shè)計(jì)圖

圓模零件族典型零件的三維模型及工序刀軌如圖4所示。

圖4 圓弧環(huán)槽曲面加工

同族的具體零件,其曲面加工工序往往采用中心軌跡編程,其刀軌與零件的尺寸密切相關(guān),而且CAM軟件生成的加工程序容量較大,修改不便。因此,CAM軟件生成的典型零件的數(shù)控程序無(wú)法為同族零件所共用。但這是CAM軟件編程的共同缺點(diǎn),能共享過(guò)程,不能共享結(jié)果。

2.2 手工編程

基于成組技術(shù)手工編程,常借助參數(shù)化宏程序。

在自動(dòng)編程技術(shù)高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)在,手工編程仍然無(wú)法被完全取代,正是因?yàn)槭止ぞ幹频暮瓿绦蚓哂卸绦【贰⑿薷撵`活的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),恰好彌補(bǔ)了CAM軟件編程的缺點(diǎn)[8]。

含有變量、算術(shù)或邏輯運(yùn)算、循環(huán)語(yǔ)句,用于完成一定功能的程序稱為宏程序。用變量代替具體的特征尺寸規(guī)格,是參數(shù)化宏程序最基本的特點(diǎn),它完美契合了“基于成組技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化編程”的理念[9-10]。參數(shù)化宏程序通常以加工(工藝)特征為基本單元進(jìn)行編程,一個(gè)宏程序?qū)?yīng)一個(gè)加工特征。

參數(shù)化宏程序編制流程如圖5所示。

圖5 參數(shù)化宏程序編制流程

銑錐孔、銑螺紋、銑方槽、銑腰槽、銑斜面、倒圓角、插銑斜線、插銑圓弧……只要能用參數(shù)或代數(shù)方程表示的加工特征,都可以編制出參數(shù)化宏程序。有了加工特征參數(shù)化宏程序,零件的數(shù)控程序就能夠在宏程序共享(調(diào)用)的基礎(chǔ)上編制完成。

參數(shù)化宏程序共享有兩種方式:指令模塊調(diào)用和子程序調(diào)用。

2.2.1 指令模塊調(diào)用

首先,將參數(shù)化宏程序當(dāng)作系統(tǒng)程序,寫(xiě)入系統(tǒng)RAM中。

接著,修改數(shù)控設(shè)備的系統(tǒng)參數(shù),指定宏程序和代碼間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,定制指令模塊。

這些定制的指令模塊,對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的參數(shù)化宏程序,能完成特定的加工內(nèi)容。只是其中較難理解的算術(shù)、邏輯運(yùn)算過(guò)程已經(jīng)整理固化。所以,在進(jìn)行模塊編程時(shí),不需要任何的推理。

使用指令模塊編程時(shí),在寫(xiě)入代碼的同時(shí)還要指定其位置、尺寸、刀具等參數(shù)信息,通過(guò)變量將信息傳送到對(duì)應(yīng)的宏程序中。指令模塊編程增加了系統(tǒng)代碼的適應(yīng)能力和柔性,又被稱為柔性模塊編程。但是,用戶宏程序變?yōu)橄到y(tǒng)程序后,會(huì)長(zhǎng)期占用系統(tǒng)內(nèi)存。定制的指令模塊數(shù)量越多,功能越復(fù)雜,占用的內(nèi)存量就越多,會(huì)影響其他零件的加工。這種方式對(duì)內(nèi)存較小的老舊設(shè)備不太適用。

法那科0i-MA系統(tǒng)可以分別定義10個(gè)G代碼、10個(gè)M代碼。這種定制的G(M)代碼必須與系統(tǒng)自帶的G(M)代碼指令不同。

0i-MA系統(tǒng)G指令調(diào)用宏程序,參數(shù)號(hào)與程序號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)號(hào)與程序號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(G指令)

0i-MA系統(tǒng)M指令調(diào)用宏程序,參數(shù)號(hào)與程序號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 參數(shù)號(hào)與程序號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(M指令)

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)子程序調(diào)用

法那科系統(tǒng)的M98指令可調(diào)用子程序,上級(jí)子程序可調(diào)用下級(jí)子程序,最多可嵌套4級(jí)。零件程序可看作一系列標(biāo)準(zhǔn)子程序按工藝內(nèi)容的排列、組合。

前文說(shuō)過(guò),只要能用參數(shù)或代數(shù)方程表示的加工特征,都可以編制出子程序格式的參數(shù)化宏程序。與模塊調(diào)用方式不同的是,這些標(biāo)準(zhǔn)子程序保存在DNC服務(wù)器或個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)部文件夾中,不受機(jī)床內(nèi)存的限制,能夠不斷補(bǔ)充。收集的加工特征子程序越多,零件的編程效率就越高。標(biāo)準(zhǔn)子程序已成為企業(yè)知識(shí)庫(kù)的一個(gè)組成部分。

通常,根據(jù)具體零件的加工特征及其分類,先找出其對(duì)應(yīng)的參數(shù)化宏程序;再根據(jù)該加工特征的尺寸規(guī)格,修改宏程序中的特征參數(shù)賦值,模擬無(wú)誤后,才將主程序和子程序同時(shí)發(fā)送到數(shù)控機(jī)床中,加工完成后,程序可刪除。因此,并不長(zhǎng)期占用系統(tǒng)內(nèi)存。

2.2.3 參數(shù)化宏程序運(yùn)用實(shí)例

前文所提到的圓模零件族,其腰部有3個(gè)加工特征——凸臺(tái)中部環(huán)槽及其上、下圓角。采用標(biāo)準(zhǔn)子程序調(diào)用方式進(jìn)行編程。

工件坐標(biāo)系原點(diǎn)為工件上表面RB圓弧的圓心。3個(gè)加工特征的編程原點(diǎn)皆為圓弧圓心。

Z向分層銑削3個(gè)特征曲面。角度為自變量,X、Z坐標(biāo)為因變量。用勾股定理計(jì)算下緣圓弧圓心的Z軸坐標(biāo),用反正弦函數(shù)計(jì)算圓弧間的切點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的角度。

刀具為厚6 mm帶R3圓角的φ100可轉(zhuǎn)位T型槽銑刀,槽刀片的圓心軌跡是圖6所示的3段粗實(shí)線,是由XZ截面上的特征輪廓圓弧向外偏移3 mm形成。

圖6 T型槽刀片圓心軌跡

主程序如下,相應(yīng)子程序如圖7右側(cè)部分所示。

a)仿真界面

O0101 (主程序號(hào))

T01 M06

G54 G90 G17 G80 G40 G0

G43 H1 Z300 M03 S500

#1=33 (輪廓直線部分長(zhǎng)度)

#2=30 (輪廓半徑RB)

#3=9 (環(huán)槽半徑RC)

#7=50 (T型槽刀盤(pán)名義半徑)

#8=3 (T型槽刀盤(pán)刀片圓弧半徑)

#9=#7-#8 (T型槽刀盤(pán)的圓柱部分半徑)

#11=#1+#7+10 (安全下刀點(diǎn)的Y軸坐標(biāo))

X-80 Y-#11 M08

M98 P0102 (調(diào)用環(huán)槽上緣R2子程序)

M98 P0103 (調(diào)用RC環(huán)槽子程序)

M98 P0104 (調(diào)用環(huán)槽下緣R2子程序)

G00 Z300 M05

M30

執(zhí)行主程序,逐級(jí)調(diào)用子程序。應(yīng)用VERICUT軟件對(duì)程序進(jìn)行模擬仿真,仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)模型完全重合(見(jiàn)圖7)。

加工其他規(guī)格圓模零件,操作人員只需修改主程序中RB、RC的變量賦值;想要提高加工效率,可加大相應(yīng)子程序中的角度步距#5的賦值。

因此,基于成組技術(shù)的參數(shù)化宏程序能最大限度地重用信息。適當(dāng)修改宏程序中參數(shù)就能滿足全族零件的加工需要,避免了重復(fù)編程、輸入、調(diào)試,能大幅度地縮短輔助時(shí)間,降低出錯(cuò)概率[11]。

3 結(jié)語(yǔ)

基于成組技術(shù)進(jìn)行數(shù)控編程,傳統(tǒng)的數(shù)控編程被簡(jiǎn)化為以加工(工藝)特征為模塊的數(shù)控編程,不僅簡(jiǎn)化了數(shù)控程序的設(shè)計(jì)過(guò)程,提高了數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)率和質(zhì)量的穩(wěn)定性,還有利于數(shù)控程序設(shè)計(jì)的智能化、模塊化和自動(dòng)化,是適應(yīng)大批量個(gè)性化定制的需求,適應(yīng)快節(jié)奏的產(chǎn)品更替,實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備高效產(chǎn)出的有效途徑。

相較于CAM軟件編程,手工編制參數(shù)化宏程序是基于成組技術(shù)對(duì)零件族及其加工特征進(jìn)行數(shù)控編程的最佳選擇。