基于成組技術的數控編程

方振紅,李銳陽,周德民,張 偉,彭華武

(中國兵器工業(yè)集團江山重工研究院,湖北 襄陽 441100)

1 引言

為適應市場的需要,大批量個性化定制已成為制造業(yè)的主流生產方式。客戶需求的多樣化,導致了產品種類的多樣化,進一步導致了零部件的多樣化,增加了制造成本和響應時間。盡管數控設備適合于加工多品種、小批量零件,能提高生產效率,但是如果對每種數控加工的零件都單獨進行程序編制和調試,就會增加編程人員的工作量,限制數控設備的產能[1]。

在大批量定制的生產模式下,修改成熟零件的模型參數是生成新零件的常用方法。參數化設計、零部件的標準化、模塊化產生大量幾何形狀、結構、功能、工藝等特性相似的零部件[2]。

一方面,大批量的個性化定制會給企業(yè)帶來生存危機。只有低成本地快速滿足客戶的個性化需求,企業(yè)才能從大批量個性化定制中獲利。如何減少生產環(huán)節(jié)內部零件的多樣性,適應快節(jié)奏的產品更替,迎合多樣化的用戶需求,成為制造企業(yè)必須考慮、認真對待的問題。另一方面,個性化定制集中產生的眾多相似零部件,也給人們提供了從全局看問題的機遇,給了成組技術施展的舞臺。

成組技術(Group Technology, GT)是一門逐步發(fā)展的新技術,它突破了局限于單一產品的批量概念,以多個產品的成組批量代替單獨批量。成組技術是研究如何識別、發(fā)掘、匯集、應用事物的相似性,尋求解決這一組問題相對統(tǒng)一的最優(yōu)方案,以期取得規(guī)模經濟效益的一門工程技術[3]。成組技術從全局察看相近性的思想,貫穿于設計、制造、管理各個階段。在產品設計階段,通過標準化、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、工藝過程相似性原則,把不同產品中結構、工藝相似的零件合并成一個加工組或零件族,針對零件族編制工藝規(guī)程,設計工藝裝備,從而擴大了成組加工批量,實現科學的生產管理,縮短生產周期,降低生產成本。典型零件、典型工藝是應用成組技術進行工藝規(guī)程編制的產物。

通常,零件由一到多個加工(工藝)特征組成,數控加工時,一個特征對應一個程序組段。數控編程完全可引入“成組技術”的理念,對零件程序進行模塊化分割,基于成組技術對零件族及其加工特征進行數控編程[4]。

2 基于成組技術編程

基于成組技術進行數控編程,不再僅針對一個具體零件設計程序,而是將大量分散的零件按相似性歸并成組,針對零件族及其加工特征進行編程,讓編程過程集中進行、信息重復使用,避免低效重復勞動,使程序設計標準化、模塊化、高效化[5]。

基于成組技術編程有兩種方式:自動編程與手工編程。

2.1 自動編程

以UG NX軟件為例,同族零件的CAM編程過程、加工策略、參數設置幾乎完全一致。基于成組技術的自動編程,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)建并應用表達式,進行典型零件的參數建模[6-7];接著依據工藝為典型零件創(chuàng)建加工工序;然后應用部件族工具,創(chuàng)建并調用Excel表格中的參數賦值,得到附帶工序刀路、尺寸不同、結構相似的多個同族零件;最后對各零件所帶工序刀軌進行重生及后處理,即可獲得具體零件的數控程序。

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,從而實現“從共性到個性”的標準化、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置完成復合零件的典型工序的各類參數。進行模板設置時,要分別在幾何視圖、機床視圖下全選視圖對象及其各級子項,在快捷菜單中選擇“對象”下的“模板設置”命令,在彈出的“模板設置”對話框中,勾選模板設置欄的兩處復選項(見圖2)。

圖2 模板設置復選項

完成參數配置和模板設置后,將其存儲在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,打開加工類型選項文件cam_general.opt,添加選項并保存,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計進行的。相對于部件族工具,其適用性更廣,只要工藝特征相似即可調用,能使工藝參數標準化、編程勞動輕量化。

2.1.3 CAM編程實例

例如:某彎管機構有7種規(guī)格的圓模零件,其設計圖及尺寸RA、RB、RC數值系列如圖3所示。因其結構、工藝相似,歸并為圓模零件族。

圖3 圓模零件族設計圖

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,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控程序無法為同族零件所共用。但這是CAM軟件編程的共同缺點,能共享過程,不能共享結果。

2.2 手工編程

基于成組技術手工編程,常借助參數化宏程序。

在自動編程技術高度發(fā)達的現在,手工編程仍然無法被完全取代,正是因為手工編制的宏程序具有短小精悍、修改靈活的獨特優(yōu)點,恰好彌補了CAM軟件編程的缺點[8]。

含有變量、算術或邏輯運算、循環(huán)語句,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,是參數化宏程序最基本的特點,它完美契合了“基于成組技術進行參數化編程”的理念[9-10]。參數化宏程序通常以加工(工藝)特征為基本單元進行編程,一個宏程序對應一個加工特征。

參數化宏程序編制流程如圖5所示。

圖5 參數化宏程序編制流程

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……只要能用參數或代數方程表示的加工特征,都可以編制出參數化宏程序。有了加工特征參數化宏程序,零件的數控程序就能夠在宏程序共享(調用)的基礎上編制完成。

參數化宏程序共享有兩種方式:指令模塊調用和子程序調用。

2.2.1 指令模塊調用

首先,將參數化宏程序當作系統(tǒng)程序,寫入系統(tǒng)RAM中。

接著,修改數控設備的系統(tǒng)參數,指定宏程序和代碼間的對應關系,定制指令模塊。

這些定制的指令模塊,對應著相應的參數化宏程序,能完成特定的加工內容。只是其中較難理解的算術、邏輯運算過程已經整理固化。所以,在進行模塊編程時,不需要任何的推理。

使用指令模塊編程時,在寫入代碼的同時還要指定其位置、尺寸、刀具等參數信息,通過變量將信息傳送到對應的宏程序中。指令模塊編程增加了系統(tǒng)代碼的適應能力和柔性,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,會長期占用系統(tǒng)內存。定制的指令模塊數量越多,功能越復雜,占用的內存量就越多,會影響其他零件的加工。這種方式對內存較小的老舊設備不太適用。

法那科0i-MA系統(tǒng)可以分別定義10個G代碼、10個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指令調用宏程序,參數號與程序號之間的對應關系見表1。

表1 參數號與程序號之間的對應關系(G指令)

0i-MA系統(tǒng)M指令調用宏程序,參數號與程序號之間的對應關系見表2。

表2 參數號與程序號之間的對應關系(M指令)

2.2.2 標準子程序調用

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

前文說過,只要能用參數或代數方程表示的加工特征,都可以編制出子程序格式的參數化宏程序。與模塊調用方式不同的是,這些標準子程序保存在DNC服務器或個人計算機內部文件夾中,不受機床內存的限制,能夠不斷補充。收集的加工特征子程序越多,零件的編程效率就越高。標準子程序已成為企業(yè)知識庫的一個組成部分。

通常,根據具體零件的加工特征及其分類,先找出其對應的參數化宏程序;再根據該加工特征的尺寸規(guī)格,修改宏程序中的特征參數賦值,模擬無誤后,才將主程序和子程序同時發(fā)送到數控機床中,加工完成后,程序可刪除。因此,并不長期占用系統(tǒng)內存。

2.2.3 參數化宏程序運用實例

前文所提到的圓模零件族,其腰部有3個加工特征——凸臺中部環(huán)槽及其上、下圓角。采用標準子程序調用方式進行編程。

工件坐標系原點為工件上表面RB圓弧的圓心。3個加工特征的編程原點皆為圓弧圓心。

Z向分層銑削3個特征曲面。角度為自變量,X、Z坐標為因變量。用勾股定理計算下緣圓弧圓心的Z軸坐標,用反正弦函數計算圓弧間的切點所對應的角度。

刀具為厚6 mm帶R3圓角的φ100可轉位T型槽銑刀,槽刀片的圓心軌跡是圖6所示的3段粗實線,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,相應子程序如圖7右側部分所示。

a)仿真界面

O0101 (主程序號)

T01 M06

G54 G90 G17 G80 G40 G0

G43 H1 Z300 M03 S500

#1=33 (輪廓直線部分長度)

#2=30 (輪廓半徑RB)

#3=9 (環(huán)槽半徑RC)

#7=50 (T型槽刀盤名義半徑)

#8=3 (T型槽刀盤刀片圓弧半徑)

#9=#7-#8 (T型槽刀盤的圓柱部分半徑)

#11=#1+#7+10 (安全下刀點的Y軸坐標)

X-80 Y-#11 M08

M98 P0102 (調用環(huán)槽上緣R2子程序)

M98 P0103 (調用RC環(huán)槽子程序)

M98 P0104 (調用環(huán)槽下緣R2子程序)

G00 Z300 M05

M30

執(zhí)行主程序,逐級調用子程序。應用VERICUT軟件對程序進行模擬仿真,仿真結果與設計模型完全重合(見圖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,可加大相應子程序中的角度步距#5的賦值。

因此,基于成組技術的參數化宏程序能最大限度地重用信息。適當修改宏程序中參數就能滿足全族零件的加工需要,避免了重復編程、輸入、調試,能大幅度地縮短輔助時間,降低出錯概率[11]。

3 結語

基于成組技術進行數控編程,傳統(tǒng)的數控編程被簡化為以加工(工藝)特征為模塊的數控編程,不僅簡化了數控程序的設計過程,提高了數控機床的生產率和質量的穩(wěn)定性,還有利于數控程序設計的智能化、模塊化和自動化,是適應大批量個性化定制的需求,適應快節(jié)奏的產品更替,實現數控設備高效產出的有效途徑。

相較于CAM軟件編程,手工編制參數化宏程序是基于成組技術對零件族及其加工特征進行數控編程的最佳選擇。