基于型位特征構(gòu)建箱形零件CAPP/CNC雙碼信息制造技術(shù)

楊順田 彭美武

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽(yáng)618000)

大型軋機(jī)機(jī)架是典型的箱形類零件，手工編寫(xiě)工藝與編程和自動(dòng)編程是目前普遍采用的兩種方法。它們均是以某個(gè)具體或假想的“零件”為研究對(duì)象進(jìn)行CAPP與CNC研究的。這適用于大多數(shù)零件的數(shù)控加工工藝與程序編制，但對(duì)于重大、重型裝備的制造業(yè)中的大型非回轉(zhuǎn)軋機(jī)機(jī)架類零件手工方式就顯得力不從心了。用自動(dòng)編程，幾何形狀復(fù)雜，圖形描述困難，編制復(fù)雜，同樣也難以實(shí)現(xiàn)。即或是零件結(jié)構(gòu)類似，或同一零件組的零件，也不可能建立若干的典型零件的數(shù)控加工程序，因?yàn)閿?shù)控程序不像普通機(jī)加工工藝那樣有較大的模糊性或彈性。數(shù)控程序要求非常具體和準(zhǔn)確，程序與零件具有“一對(duì)一”的關(guān)系，這是實(shí)現(xiàn)CAPP/CNC一體化最根本的難點(diǎn)［1］。

為解決這一系列難題，首先創(chuàng)立了零件型位特征理論［2］。其要點(diǎn)是:“型面特征”是從一般零件中抽象出來(lái)具有代表意義而又相對(duì)獨(dú)立的幾何元素，是型面的基本特性;“位置特征”是特征型面在零件中具有相對(duì)的位置關(guān)系;一個(gè)任意復(fù)雜的零件均可以分解成若干個(gè)基本型面。零件的工藝編制過(guò)程和NC程序編制過(guò)程就是零件的“分解”過(guò)程。零件的加工制作過(guò)程就是零件的“恢復(fù)”過(guò)程。

在當(dāng)時(shí)，提出“零件型位特征理論”只是純理論上的一個(gè)設(shè)想，還沒(méi)有什么實(shí)際的價(jià)值。

1 大型非回轉(zhuǎn)體類零件特點(diǎn)分析

以成組技術(shù)為基礎(chǔ)的CAPP，是建立在以零件為研究對(duì)象的基礎(chǔ)上的。以大型軋機(jī)機(jī)架為代表的大型非回轉(zhuǎn)體類零件的數(shù)控加工，由于起吊、裝卡、找正都比較困難，一般采取工序集中的原則，零件的關(guān)鍵部位，重要控制尺寸，精度要求高的型面等均在數(shù)控加工中一次裝卡完成。這類零件若繼續(xù)按“成組技術(shù)”為基礎(chǔ)建立CAPP顯然是不太適合的，理由有兩點(diǎn):一是這類零件相似程度很低，不易成組，即使勉強(qiáng)成組，成組件或復(fù)合件也非常復(fù)雜［3-6］;二是成組件對(duì)同類零件的覆蓋面很低，無(wú)論是檢索式還是創(chuàng)成式CAPP都無(wú)法很好地滿足要求。

若不再按“成組技術(shù)”為基礎(chǔ)建立CAPP，尋求新的方法就成了研究的核心?，F(xiàn)提出以零件“型面要素”為研究對(duì)象的型面工藝基因與型面程序基因構(gòu)建的雙碼信息制造基因技術(shù)。

2 型面工藝基因與型面程序基因構(gòu)建技術(shù)

型面工藝基因與型面程序基因構(gòu)建技術(shù)是指特征型面的加工工藝與特征型面數(shù)控加工參數(shù)程序兩項(xiàng)技術(shù)。它表達(dá)了一個(gè)具有實(shí)際工程意義上的幾何型面的制造過(guò)程，表達(dá)了包括走刀起始點(diǎn)、運(yùn)行軌跡、刀具型號(hào)、切削用量等工藝信息。先是形成CAPP工藝基因，在此基礎(chǔ)上，編寫(xiě)該特征型面的參數(shù)(形狀參數(shù)化、位置參數(shù)化)化數(shù)控程序代碼，再形成對(duì)應(yīng)的CNC程序基因的完整過(guò)程。由于兩個(gè)基因合二為一，最后形成一個(gè)同時(shí)具備雙碼信息的CAPP/CNC高度集成的特征型面制造基因，從而解決工藝與編程難題。

3 制造基因庫(kù)的建立

3.1 制造基因庫(kù)的依據(jù)

由上可知，制造基因包括兩個(gè)不可分割的部分:CAPP工藝基因、CNC程序基因。先創(chuàng)立制造工藝基因庫(kù)，根據(jù)型位特征理論關(guān)于“型面特征”的描述，一個(gè)不可再分割的“從一般零件中抽象出來(lái)具有代表意義而又相對(duì)獨(dú)立的幾何元素”就是基本型面。一個(gè)基本型面的加工工藝具有相對(duì)固定性與相對(duì)獨(dú)立性，在以后的生產(chǎn)過(guò)程中其工藝與程序基本保持不變。把這樣的基本型面的加工工藝與數(shù)控程序合二為一成為一個(gè)基本型面的制造基因。再把某一類零件的制造基因部分或全部建立起來(lái)形成某一類零件的“制造基因庫(kù)”，有了這樣的基因庫(kù)，某個(gè)零件的具體工藝方案只需要根據(jù)該零件所屬類別，從相應(yīng)的“基因庫(kù)”中調(diào)出各基因進(jìn)行“恰當(dāng)”的組合。這種“恰當(dāng)”的組合就是按照型位特征理論中關(guān)于“位置特征”的描述進(jìn)行的。為了便于分析問(wèn)題，將特征型面進(jìn)行必要的分類。

(1)按型面的維數(shù)分

所謂維數(shù)，是指描述一個(gè)型面所需的最大坐標(biāo)數(shù)目，也就是在數(shù)控加工時(shí)，需要用幾個(gè)坐標(biāo)才能合理加工出來(lái)。如加工一個(gè)與機(jī)床坐標(biāo)軸平行的直線，只需一個(gè)坐標(biāo)就可以了，這就是一維型面。加工一個(gè)不與機(jī)床坐標(biāo)軸平行的坐標(biāo)平面內(nèi)斜線，就需要兩個(gè)坐標(biāo)才能完成，這就是二維型面。同樣，空間斜線就是三維型面，圓或圓弧是二維型面，圓錐體、螺旋則是三維型面。當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)同類型的不同維數(shù)的型面時(shí)，按維數(shù)最多的考慮。實(shí)際加工中，二維型面最大坐標(biāo)數(shù)目是數(shù)控加工時(shí)所需的坐標(biāo)。二維型面實(shí)際表現(xiàn)為平面幾何圖形，如方槽，圓柱體、直孔、矩形臺(tái)等。注意，這里的型面不含深度坐標(biāo)，是因?yàn)樯疃茸鴺?biāo)不影響型面的特征。同樣三維型面描述型面所需要的最大坐標(biāo)數(shù)目是3，實(shí)際表現(xiàn)為球、圓錐體、錐孔等。

(2)按型面軌跡分

按型面軌跡分為直線型面、圓弧型面、直線圓弧型面、螺旋型面、非圓型面。

(3)按虛實(shí)分

按虛實(shí)可分為實(shí)型面和虛型面及平面。實(shí)型面:在某一基本型面上增加一部分實(shí)體材料而構(gòu)成的型面。虛型面:在某一基本型面上去掉一部分實(shí)體材料而構(gòu)成的型面。

3.2 基本特征型面的確定

某類零件的制造基因庫(kù)的建立首先要確定基本特征型面，建立起基本特征型面庫(kù)。基本特征型面就是通過(guò)分解零件得到型面元素集。對(duì)于軋鋼、鍛壓、礦山等大型非回轉(zhuǎn)體機(jī)架箱體類零件，它們的共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工層次多，但型面本身并不復(fù)雜，一般都是由比較簡(jiǎn)單的常見(jiàn)型面構(gòu)成，三維以上的空間型面即特型曲面并不多見(jiàn)。就型面的輪廓曲線而言也大多是由直線和圓弧構(gòu)成，這就給該類零件的基本特征型面的確定帶來(lái)了極大方便。抓住這些常見(jiàn)的型面特征，也就抓住了這類零件的關(guān)鍵，而對(duì)其中個(gè)別的特殊型面，再做具體處理，這樣就分清了它們的主次關(guān)系，問(wèn)題就容易解決了。

經(jīng)過(guò)分析與資料統(tǒng)計(jì)，歸納總結(jié)出了箱形類零件常見(jiàn)的特征型面如表1所示。

表1 大型非回轉(zhuǎn)體機(jī)架箱體類零件特征型面及特征程序單元庫(kù)

3.3 型面工藝基因建立的步驟

數(shù)控工藝比一般機(jī)加工藝要求詳細(xì)，為了編制數(shù)控程序的需要，還要對(duì)每一個(gè)所加工的工位進(jìn)行詳細(xì)描述，以便數(shù)控程序與加工型面對(duì)號(hào)入座。本系統(tǒng)采取兩步走的形式，一是根據(jù)零件組編制典型工藝，通過(guò)工藝檢索模塊進(jìn)行檢索;二是為了降低對(duì)典型工藝的依賴程度，采用型面特征法和位置特征法創(chuàng)立工藝單元，形成工藝基因庫(kù)，通過(guò)工藝決策模塊［8-9］生成所需工藝，這樣做的根本原因是使其對(duì)于單件、多品種的非回轉(zhuǎn)體零件有更寬的適應(yīng)性。

3.3.1 型面元素的命名

對(duì)每一個(gè)型面元素命名，命名規(guī)則為6個(gè)英文字母和5位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，6個(gè)英文字母表示型面基本名稱，5位阿拉伯?dāng)?shù)字示型面屬性。第一位數(shù)字表示型面最大維數(shù);第二位數(shù)字表示型面組別，如1為平面組、2為凸臺(tái)組、3為凹槽組、4為孔組等;第三位數(shù)字表示曲面類型，“0”表示虛型面，“1”表示實(shí)型面，平面做為一種特殊型面用“3”表示;第四位數(shù)字表示加工的輪廓性質(zhì)，內(nèi)輪廓加工為“0”，外輪廓加工為“1”;第五位數(shù)字表示刀具軸，X軸為“1”，Y軸為“2”，Z軸為“3”。如矩形臺(tái)型面是二維型面，第一位數(shù)字是“2”，矩形臺(tái)加工屬輪廓加工，第二位數(shù)字是“2”，加工時(shí)是去除一部分實(shí)體材料，第三位數(shù)字是“1”，矩形臺(tái)是外輪廓，第四位數(shù)字是“1”，加工時(shí)刀具軸與Z軸一致，第五位數(shù)字是“3”。因此矩形臺(tái)型面命名為:JUXINT22113。由此可以看出，型面命名就已包含了許多工藝信息。

3.3.2 制定型面加工方法，建立CAPP工藝基因

針對(duì)某一個(gè)具體特征型面，制定該型面的實(shí)際加工方法，并確定刀具運(yùn)行軌跡、進(jìn)刀位置、退刀位置、工件檢查、余量分配等工藝參數(shù)。

JUXINT22113矩形臺(tái)外輪廓各參數(shù)設(shè)定如圖1所示，矩形臺(tái)的長(zhǎng)度為R1，寬度為R2，刀具半徑(精確數(shù)據(jù))為R3，刀具的Z向進(jìn)給深度為R4(絕對(duì)值)，矩形凸臺(tái)的圓角為R5。圖1中的R1、R2、R3、R4、R5是型面特征碼(型面特征參數(shù))，用于確定該型面的幾何特征，這就是“零件型位特征理論”中的“型”的概念。之所以是這個(gè)“型”字，這因?yàn)樗粌H包含了幾何尺寸信息，還包含了工藝信息，若是用“形”就單純指幾何形狀了。矩形凸臺(tái)幾何中心坐標(biāo)為R6、R7是位置特征碼(位置特征參數(shù))，用于確定該型面在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的位置，用位置特征碼反映各型面在一個(gè)零件的相互位置關(guān)系。各R參數(shù)見(jiàn)圖示，虛線表示刀具的中心軌跡，加工起點(diǎn)為S點(diǎn)，其余R參數(shù)為必要的中間變量。

3．3．3 確定主要的工輔具

加工某一特征型面所需的主要工輔具，包括量具、輔具。如JUXINT22113，需鍵槽銑刀、千分尺等。

3.3.4 基本工時(shí)定額

對(duì)于某一特征面，是以參數(shù)來(lái)定義特征型面的，基本工時(shí)定額也是與特征型面的主要參數(shù)聯(lián)系起來(lái)的。如JUXINT2213，是用矩形臺(tái)的長(zhǎng)、寬、深度定義的，相應(yīng)的基本工時(shí)也是矩形臺(tái)基本參數(shù)的函數(shù)，即:

式中:R1為矩形臺(tái)的長(zhǎng)度;R2為寬度;R4為刀具的Z向進(jìn)給深度;R5為矩形凸臺(tái)的圓角;S、F為銑健槽的刀具轉(zhuǎn)速及走刀速度。

最后形成工藝基因文件，該型面的工藝數(shù)據(jù)如加工方法、刀具、工輔具、工時(shí)等內(nèi)容全部包含在工藝基因JUXINT22113.TEC文件中了。

3．4 建立型面CNC程序基因

建立了型面工藝基因之后，就可以建立型面的CNC程序基因。上述的JUXINT22113程序基因如下:

最后形成程序基因文件，該型面的數(shù)控加工參數(shù)、程序代碼等內(nèi)容全部包含在程序基因文件JUXINT22113.SPF中了。

3.5 特征型面工藝與編程制造基因庫(kù)的建立

在單個(gè)地建立了型面工藝基因與型面程序基因形成的基礎(chǔ)上，就可以為某一類零件建立特征型面工藝與編程(CAPP/CNC)集成制造基因庫(kù)了。

制造基因庫(kù)包括兩種文件，一是以TEC為后綴名的工藝基因(××.TEC)文件;另一個(gè)是以SPF為后綴名的程序基因(××.SPF)文件。制造基因庫(kù)就是以特征型面與位置特征為基礎(chǔ)，建立起主要包括這兩種文件在內(nèi)的制造基因庫(kù)。庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括型面名稱碼、位置特征碼、工裝代碼、主要工輔具碼等。某類零件的制造基因庫(kù)一旦建立，就可以非常方便、迅速地制定該類零件的加工工藝與數(shù)控程序。制造基因庫(kù)的內(nèi)容也是一個(gè)不斷增加與完善的過(guò)程，平常對(duì)庫(kù)的維護(hù)是必不可少的。

4 制造基因庫(kù)的應(yīng)用

大型軋機(jī)機(jī)架上有若干型面要素要加工，當(dāng)把所有要加工的型面加工完成，整個(gè)機(jī)架也就完成了。假定這類零件的制造基因庫(kù)已建立，現(xiàn)以該件(圖2)上的一個(gè)矩形凹槽型面的加工為例(圖3)，說(shuō)明制造基因庫(kù)的應(yīng)用及效果。

第一步:確定該件要加工的型面，并在庫(kù)中調(diào)出所對(duì)應(yīng)的型面工藝基因。本例的型面工藝基因名是矩形槽型面:JUXINC23103.TEC，先從制造基因庫(kù)調(diào)出，其中:特征碼R1為槽長(zhǎng);R2為槽寬;R3為刀具半徑;R4為刀具進(jìn)深;R5為槽內(nèi)圓角半徑;位置碼R6為X坐標(biāo)、R7為Y坐標(biāo)。

矩形凹槽型面工藝基因JUXINC22103.TEC包含加工方法、刀具、工輔具和工時(shí)等全部?jī)?nèi)容。

第二步:在庫(kù)中調(diào)出所對(duì)應(yīng)的型面程序基因JUXINC23103.SPF。矩形凹槽型面程序基因如下:

第三步:給特征碼、位置碼各參數(shù)賦值。

型面程序基因是含有許多參數(shù)的程序，通過(guò)主程序給上述各參數(shù)賦值。矩形凹槽型面主程序如下:

5 結(jié)語(yǔ)

提出理論是一種假想，是一種思維方式的突破?，F(xiàn)在成功地解決了大型復(fù)雜零件數(shù)控加工與編程的難題，十六年前提出的理論現(xiàn)在成功著陸了。其核心就是一個(gè)轉(zhuǎn)變，改變了成組技術(shù)以“零件”為研究對(duì)象轉(zhuǎn)變以“型面要素”為研究對(duì)象，引入型面特征碼(型面特征參數(shù))與位置特征碼(位置特征參數(shù))改變了現(xiàn)行數(shù)控編程方法是只以具體零件為研究對(duì)象的單一格局，創(chuàng)立了含有型面信息碼、位置信息碼的雙碼信息制造基因技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了CAPP/CNC的高度集成，對(duì)機(jī)械制造業(yè)、特別是國(guó)家重大、重型裝備的制造具有十分重要的意義。

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