宏程序在多品種小批量生產中的應用

郭偉民，袁世先，李義龍

(河南職業技術學院，河南鄭州450046)

隨著需求的多樣化發展，多品種小批量生產(產品屬于一大類，其結構相似，加工過程相似，每批數量不大) 在制造業中的位置越來越突出。相較于傳統的大批量生產，多品種小批量生產對制造技術水平提出了許多更高的要求，其中之一就是要求加工程序更有靈活性并且安全可靠，宏程序在這方面就顯示出一定的優越性: 利用變量賦值和條件語句等，在分析產品特征的基礎上，經過反復實驗、總結，有可能建立起通用性較強、易于修改且安全性較高的程序。

1 多品種小批量生產中的撞刀問題

圖1 為某類鋁合金產品的一個簡化工序圖。該類產品結構相似，加工過程相似，每批數量不大，構成了多品種小批量生產。假定當前工序只有兩個尺寸需精加工，分別是上端面到定位孔2－φ8H7 的尺寸L和背面圓弧尺寸R (單位，mm，以下略) 。所用刀具分別為φ100 的盤銑刀 (粗、精加工上端面) 、φ40左右的波刃粗皮銑刀(粗加工背面) 和四刃精加工立銑刀(精加工背面) 。使用的設備是FANUC 系統立式加工中心，夾具通用，工件2 (通過4-M10 螺釘3) 被固定在夾具4 上，具體裝夾和加工方式詳見圖2 和圖3。

生產中逐漸為它們建立了通用程序(詳見文獻［1］) 。在建立的通用宏程序中，只有幾個基本變量隨品種而變化，需結合具體圖紙確定并在程序中賦值。使用通用宏程序后，程序的調整變得便捷、安全，節省了編程時間，減少了程序中的失誤，因此生產效率大大提高。普通的操作者經過學習后，也能夠調整程序，這樣，夜班也可以進行試加工了。

圖1 (簡化) 工序圖

圖2 上端面加工

圖3 背面加工

基本變量中就包括工件坐標系的Y 和Z。每次試加工之前，Y 和Z 值需要測量、計算并輸入程序，例如下面橫線上的數字:

如圖2 所示，待切削的上端面高出夾具上表面(即H ＞h) ，φ100 的盤銑刀1 沿圖中箭頭指示的方向下刀、切削、然后提刀。在這個運行過程中，如果Z值處理不當，容易造成盤銑刀1 或撞到工件2 上，或撞到夾具3 上。特別是后者，不僅盤銑刀受損，還會造成夾具松動，甚至會影響機床的主軸精度。

同樣，如圖3 (b) 所示，φ40 左右的粗(精)加工立銑刀沿軌跡ACA“線順銑背面輪廓，其中在下刀點A 和提刀點A”距夾具3 最近(見圖中W 表示的寬度) 。處理不當的話，立銑刀下刀時可能會撞在夾具上。

或許正是由于通用宏程序的便捷、省心，一些似乎不該出現的人為輸入錯誤卻逐漸出現了。例如有的操作者不小心，或習慣使然，或在疲勞狀態下，受機床坐標值(負值) 的影響，竟把工件坐標Z 輸成負值，這樣就會導致盤銑刀快速撞到夾具上。同樣，由于是套改通用宏程序，隨著坐標值Y 的變化，個別情況下會出現W≤0 的現象，如果相關人員麻痹大意，則立銑刀下刀時會撞在夾具上。

由于撞刀問題發生在現場，常常是操作人員的失誤引起的，所以一般也都是在操作層面上找原因并提出對策。但操作人員畢竟是人，即便很有經驗，也有疏忽大意的時候(何況很多時候是新手) ，所以轉換思維，可不可以利用宏程序來有效預防這類撞刀現象呢?

2 解決措施

2.1 避免盤銑刀的碰撞

需要說明的是，對刀和工件坐標系的建立都是以機床工作臺上表面為基準平面的。也就是說，刀具是通過置于工作臺上表面的對刀儀進行測量并固定在機床上; 同時，工件坐標系的Z 值是工件坐標原點(精加工后的上表面) 相對于工作臺上表面的高度(H 值) ; 另外，夾具上表面相對于工作臺上表面的高度h 也是確定的(假定為140) 。這樣，三者的基準面統一，于是可以在程序里利用條件語句，先對工件坐標系的Z 值進行預判，當Z 值低于夾具高度h時，機床報警，屏幕上顯示“輸入錯誤”字樣; 刀具不加工，直接返回機床原點。這個判斷過程就是下面的條件語句:

該程序經過實際應用，效果很好。但還有不夠理想的地方，即這時的條件語句只是避免了刀具和夾具的惡性碰撞，還不能完全避免刀具和工件毛坯的碰撞。基于此，在該條件語句的上一行，可再加入一句:

用這一句替換原句也不是不行，只是該句中的184.5 并非常量，每建立一次工件坐標系，該值都需要調整。從安全上考慮，保留原句更好。

2.2 避免立銑刀的碰撞

在背面加工過程中，有一個大的原則: 在保證安全下刀的前提下，起刀點和退刀點的位置要盡量距工件毛坯近些，以減少空行程。

工件毛坯上的尺寸b 和t (見圖1) 為兩個確定值(t=19，b=13) ，安全距離W 不妨事先設定一個值(如令W =1) ，這樣就可以確定一個安全線A'B(見圖4) 。背面圓弧R 的延長線與A'B 線交于點A'。若刀具外切于點A'下刀的話，能夠保證安全。

圖4 確定下刀點

若R=355，在三角形OA'B 中(O 為圓弧R 圓心)，OA'=OC=R，OB=OC－BC=R－t +b+W，可確定∠A'OB≈9.63°。該角度若規整為9°，并作9°線，交圓弧R 線于點A。點A 同原定的點A'在水平方向上向外移動了0.63，即此時W=1.63，可用。故取∠AOB=9°，由此可確定起刀點坐標(X = AB = Rsin(9.0) ，Y=OB=Rcos(9.0) ) ，其在程序中的格式如下:

#102 =355.0//變量R 賦值

#117 =#102sin ［9.0］//起刀點坐標X

#118 =#102cos ［9.0］//起刀點坐標Y

又因工件對稱，則退刀點的坐標值為“X－ #117，Y#118”。這樣，起刀點和退刀點的位置均可依據基本變量R 確定。

在其他條件保持不變的情況下(特別是工件上的尺寸t 保持不變)，隨著圓弧R 在一定范圍內(310 ＜R ＜370) 的變化，圓心O 在OC 線上左右移動，相應圓弧同9°線的交點A 也在變化，如圖5 所示。下面考察變化后的點A 是否影響下刀安全。

圖5 確定下刀點變動范圍

當R=310 時，新交點A310較之于原交點A355的變化見圖5 (b) 。下刀點沿水平方向向工件外側移動0.55，垂直方向向中心線OC 移動7.04。

當R=370 時，新交點A370較之于原交點A355的變化亦見圖5 (b) 。下刀點沿水平方向向工件一側移動0.19，垂直方向背離中心線OC 移動2.35。

上述分析表明，在310 ～370 之間(生產中圓弧R 一般都在這個范圍內) ，這樣的設定(9°) 可滿足要求。當R 越來越小時，交點A 越來越靠近毛坯，同時安全距離W 也越來越寬; 當R 值越來越大時，安全距離相對越來越小，空行程也越來越多，所以必要情況下，可把角度適當縮小1° ～2°。

上述分析亦說明，依據基本變量R，通過變量編程，可設定立銑刀的安全下刀點和提刀點。從實際使用效果看，基本滿足要求，但在試加工時仍需仔細檢查。

在此基礎上，也可采用類似盤銑刀的條件語句IF ［#135GT14.0］GOTO100 加以防范。數字“14.0”是個極限值，當工件坐標Y (=#135) 大于“14.0”時，立銑刀不進行加工，直接返回機床原點，避免在下刀過程中和緊鄰的夾具發生碰撞。但不足之處是，該值隨工件坐標Y (也就是基本尺寸R) 的變化需要調整，不是一個常量。不過程序里加了這一句后，對調試者能起到提醒的作用。

3 結束語

上述產品的特點是: 多品種小批量生產; 加工形狀簡單，手工編程即可。多品種小批量產品往往有共同的基本特征或變化規律，在此基礎上利用宏程序有關指令，設法編制出更有安全保障的程序，可以提高生產的安全性，減輕操作人員的負擔，降低人為失誤，從而提高生產效率。具體到文中來說，由于夾具高度是個固定值，所以采用條件語句規避盤銑刀撞到夾具上; 而在背面加工中，通過選擇合適的下刀點，實現安全加工。

［1］郭偉民．宏程序在模具加工中的應用［J］．模具技術，2014(3) :59－63．