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模块化数控编程技术研究 摘要 本文将模块化产品设计及成组技术的思想应用于数字制造领域，以某雷达的关 键件平板裂缝天线零件为主要研究对象，构建了基于数字制造特征同时面向产 品的快速变型设计、蕴含丰富的数控加工知识的标准化模块体系及通用性n c 编程 母板。在自行开发的应用软件环境下，以模块作为各类信息传递与共享的载体，通 过基础模块的分解拼装、几何尺寸驱动、工艺参数映射，实现了一般零件的实例 化过程，结合数控系统的宏参数功能，最终完成了平板裂缝天线零件料精加工、试 切削校验及特定工装制作等各类n c 程序的自动、高效生成。经实践检验，系统输 出的n c 代码准确、优质、规范，解决了长期以来该类高精密、复杂结构件的数控 编程及调试瓶颈，为其他相似典型结构件n c 程序的复用提供了新方法。 关键词：模块化宏参数编程成组技术特征参数实例化几何尺寸驱动 程顺l 学位沧史模块汜数摔编程技术研究 a b s t r a c t t h ea r t i c z ea p p i i e st h ei d e ao fm o d u f a r i l e dp r o d u c td e s i g na n dg r o u p t e c h n o f o g yt ot h ef i e l do fd i g i t i z e dm a n u f a e t u r i n g t h es l o t t e da r r a y a n t e n n ap a r t s ，w h i c ha r ek e ye 【e m e n t sa n dc o m p o n e n t so fa i r b o r n ef ir ec o n t r o l r a d a r ，a r et a k e na st h ee s s e n t i a lo b j e c t sm a i n l yc o n c e r n e di nt h er e s e a r c h as t a n d a r ds y s t e mo fm o d u l e s ，w h i c hi sb a s e do nd i g i t i z e dm a n u f a c t u r i n g f e a t u r e s ，d i r e c t l yf a c i n gd e s i g no ff a s tt y p e c h a n g i n gp r o d u c t s ，c o n t a i n i n g a b u n d a n tn cm a n u f a c t u r i n gk n o w l e d g ea sw e l ji sc o n s t r u c t e d a n ds oa r e u n i v e r s a ln cp r o g r a m m i n gt e m p l a t e s u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fs e l f - d e v e l o p e d a p p li c a t i o ns o f t w a r e ，t h e p r o c e d u r eo fi n s t a n t i a t i o nf o rg e n e r a lp a r t si sa c c o m p l js h e da n dv a r i o u s n cp r o g r a m so fp l a n a rs l o t t e da r r a ya n t e n n ap a r t s ，n a m e l y ，p r o g r a m sf o rr o u g h m a c h i n i n g ，f i n i s hm a c h i n i n g ，t r i a le u t t i n ga n df a b r i c a t i o no fs p e c i a ij i g s t o o ls c a nb eg e n e r a t e da u t o m a t i c a l l ya n dh i g he f f i c i e n t l yb ym e a n so f d is a s s e m b l y r e c o n s t r u c t i o f fo ff u n d a m e n t a lm o d u l e s ，d r i vi n g0rg e o m e t r i c d i m e n s i o n s ，m a p p i n go f t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e rw h i l ec o m b i n i n gm a c r oa n d p a r a m e t e rf u n c t i o n so fn cs y s t e ma sw e l la st a k i n gm o d u l ea st h em e d i u mo f i n f o r m a t i o nt r a n s f e r r i n ga n ds h a r i n g t h r o u g hm a n u f a c t u r i n gp r a c t i c e ，t h e o u t p u tn cc o d ef r o mt h es y s t e misv e r i f i e dt ob ec o r r e c t s t a n d a z 、dw i t hh i g h q u a l i t y t h eb u t t l e n e c ko fh i g hp r e c i s i o na n dc o m p l e xm e c h a n i c a lp a r t so f t h i s k i n di nn cp r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n go v e rt h e s e s y e a r sh a sb e e n e l i m i n a t e db yt h ea p p l i c a t i o no fm o d u t a r i z e dn cp r o g r a m m i n g a n da n e wm e t h o d f o rr e p e t i t i r eu s a g eo fn cp r o g r a m so fo t h e rt y p i c a lm e c h a n i c a lp a r t sw i t h c o n s i d e r a b l es i m i l a r i t yi s p u tf o r w a r d k e yw o r d s ：m o d u l a r i z a t i o n m a c r op a r a m e t e rp r o g r a m m i n g g r o u pt e c h n o l o g y ( g t )i n s t a n c e db yt h ea c t u a lf e a t u r ep a r a m e t e r sd r i v e nb yg e o m e t r i c d i m e n s i o n s 模块化般控编程技术研究 1 绪论 1 1 数控编程技术的应用现状与发展趋势 1 1 1 数控编程技术历史及应用现状 先进制造技术的重要特征是优质、高效、低耗、清洁、灵活生产。其最终目标 是提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力。卜世纪5 0 年代计算机技术 的兴起，促使机床的控制信息流出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性 自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。在信息技术的支持下，发展 先进数控技术来推进制造装备及其控制运行过程的自动化、网络化和智能化的数字 化技术，将是构成企业制造系统现代化的关键。 数控编程技术的发展对提高数控d n m 的生产效率、发挥数控机床的潜力及改善 产品加工质量都具有十分重要作用。数控加工自动编程经历了第一代a p t 编程、 第二代图形编程和第三代基于特征的c a m 编程，其发展方向是c a d c a m 系统的 柔性化、可视化、优化、自动化和智能化以及计算机仿真和虚拟加工技术。 在当前多品种变批量的生产方式为主流的生产环境下，发展柔性结构体系的数 控制造装备及制造系统是实现在快速多变而不确定市场环境中对用户驱动的市场 需求作出灵活、快速响应的关键。作为评定数控机床及系统效能的基本指针也将由 传统的工作精度和切削能力改为达到高效柔性化和高精化的程度来衡量。 先进的信息控制技术的应用对提高数控机床的生产率和加工精度起着重大作 用。然而，数控机床潜在的效能能否得到充分发挥，还受到企业的生产组织和管理 等方面一系列因素的制约。根据2 0 世纪9 0 年代初对在多品种小批量生产条件下， 数控机床使用情况的统计分析结果：由于生产准备工作的不及时引起的待工工时约 占整个工时的l l 3 0 ，因设备故障和正常维护所引起的停机时间约占 9 1 5 ”1 。也就是说，数控机床的利用率在良好的使用条件下为8 0 ，而通常仪 为6 0 左右。其中，由于数控机床待工的工时损失占据主要部分。数控机床主要待 加工因素组成见图1 1 1 ，可以看出n c 程序准备及时的重要性和必要性。 夹具1 6 设定参数 试切2 2 其它9 心艘绷， 图1 1 1数控机床待加工因素组成饼图 模块化数控编程技术例宄 1 1 2 数控编程方法 常用数控编程方式分属于两大范畴：手工编程和自动编程。随着计算机技术的 迅猛发展，数控加工设备种类的增多，零件品种、数量和复杂性的增加，手工编程 在现代制造业中的使用已不多见。 自动编程又分为数控语言自动编程和计算机高级语言自动编程( 或称计算机辅 助编程) 。 数控语言自动编程以国际上流传最广、影响最深的a p t 语言为代表。经过半 个世纪发展的a p t 语言词汇丰富，几何模型多，能够适应多坐标数控机床曲面曲 线加工的需要，并配有多种后置处理程序，应用广泛。国内外各研究机构借助a p t 语言的思想体系，开发出许多各具特色的数控编程软件系统，如美国的a d a p t 、 a v t o s p o t 、u n i a p t ，德国的e x a p t ，英国的2 c l ，日本的f a p t 等。采用a p t 语言编程能描述图形的数学关系、可靠性高、易于用户进行二次开发，但直观性差， 编程过程复杂不易掌握，编制过程中不便于进行阶段性检查。 一种可直接将零件的几何图形信息自动转化为数控加工程序的计算机辅助编 程技术“图形交互自动编程”已成为目前国内外先进的c a d c a m 软件所普遍 采用的数控编程方法。它弥补了上述两种编程方法的不足，具有速度快、精度高、 直观性好、使用方便、便于检查等优点。国内外主流软件有u g 、p r o e 、i - d e a s 等。 近年来，出现了几种数控自动编程的新方法“1 ： 1 ) 基于特征的编程法( f e a t u r e b a s e dp r o g r a m m i n g ) ：把零件视为几何特征集 合，而不是一组无意义的直线、圆弧、曲线和表面。针对这些特征建立一 个包括几何形状及拓扑关系、表面粗糙度、公差、毛坯材料、可用机床和 刀具、定位夹紧、工装等信息的知识库，通过人机交互，审查知识库中各 种有效方法，获取特征加工所需知识、自动选择制造方法、生成刀具路径。 2 ) 成组编程法( p a r t f a m il yp r o g r a m m i n g ) ：把零件族中共同或相似的加工元 素归类成组，编制成一个主程序。通过适当地编辑修改，利用c n c 系统本 身的运算及逻辑判断功能，即可为该零件族中的任一零件快速地制作出n c 程序。成组编程法可减少编程、维护和加工三方面的费用，从而提高n c 加 工的效益。 3 ) c n c 过程建模法( c n cp r o c e s sm o d e l i n g ) ：把刀具路径信息与机床描述、加 工顺序等结合起来，面向n c 加工过程，建立关于工件、刀具和机床的心理 模型，存储在计算机中。用户不必遵守严格的编程步骤，修改模型之后， 无需进行再处理，即可随时获得机器代码。 1 1 3 数控程序评价 模块化数控编程技术研究 数控加工程序在数控机床运行中处于极其重要的地位。一个好的加工程序不仅 能保证加工出符合要求的工件，还应能充分发挥数控机床的功能，使其安全、可靠、 高效地运行。一个工件的数控加工程序不是唯一的，在诸多程序方案中，肯定有最 优的。可以从零件加工质量、编程和运行成本、生产效率等方面进行评价，具体如 一 加 r： 1 ) 程序正确、安全、可靠，零件加工质量稳定，符合图纸和工艺要求( 尺寸 精度、形位公差、表面光洁度) ； 2 ) 程序运行效率高，在满足设计要求的前提下，加工时间最短，刀具寿命最 氏： 3 ) 程序通用性好，复用率高： 4 ) 程序可读性好，方便调试和修改； 5 ) 程序短小精悍，占用内存空问少，方便传输和校验； 6 ) 编程周期短、成本低，所需人工费用和机器费用低。 数控编程人员在保证程序正确的前提下，应尽可能使刀具轨迹最优。优化数控 程序主要从以下几方面考虑”1 ： 1 ) 发挥刀具半径补偿功能，实现不同直径刀具、不同加工阶段加工程序共享； 2 ) 利用数控系统提供的功能，特别是宏指令、固定循环指令、加：c 坐标系偏 置指令简化编程、提高加工程序的通用性、柔性； 3 ) 利用子程序调用功能简化编程； 4 ) 以圆弧插补功能代替直线逼近，大幅削减程序段。 1 1 4 数控编程技术发展趋势及预测 今后数控自动编程发展的总趋势是： 1 ) 图形输入更快捷、可靠；工艺处理能力更完善，使加工过程处于最佳化； 2 ) 系统结构模块化，用户可自由选择不同模块组成专用系统，实用性更强大； 3 ) 程序动态仿真、过切检查手段更完备： 4 ) 系统几何造型更丰富、算法更先进、误差更小； 5 ) 输出有通用通信软件和d n c 软件； 6 ) c a m 与c a d 、c a p p 、c a t 一体化： 7 ) 后置处理形式通用性好，以满足多用户需要。 1 2 从产品模块化设计到模块化数控编程的构思 l | 2 1 模块化快速响应设计n 造的关键技术 现代科学技术的发展，加速了产品更新换代的周期。产品设计的标准化、模块 比是多品种企业生产和新产品开发有序、高效的基础。 垦堡兰兰笪兰l 堡垫些垫芝塑翌垫查坐室 模块化设计是以功能分析为基础的一种现代设计方法，它采用分解和组合的方 法，建立模块体系，并将若干具有相同或不同功能、可以互换的模块及通用模块的 选择和组合，构成不同产品，因此这种方法可以有效地简化系统设计，具有很强的 灵活性和适应性巴 模块化制造( 也称模块化生产) 是一种并行制造的哲理，是新型的柔性制造概 念，其本质是在现代计算机技术和信息技术的支持下，采用模块化原理对产品及其 制造系统进行全面建模，以提高系统的柔性和可变性墙1 。模块化制造系统不仅在产 品和制造装备设计中采用模块化原则，而且以产品模块为基础组织生产，进行制造 和管理，其鲜明特点是模块性，即可重构、可重用、规模可调性，满足敏捷制 造的基本要求。 按照模块化思想，产品的构成将发生重大变化，模块是设汁和制造的基本单元， 。品的结构层次减少，易于建立可变型的产品模型，在原有产品设计的基础上按市 豸需求进行结构重组，因而最大限度地重复利用企业已有的成熟产品资源，从而缩 豆产品研制周期、提高产品设计质量、降低产品成本，提高企业对市场的快速响应 悲力，满足传统相对稳定的静态产品结构体系向现代多变的动态体系转变的需求。 2 2 模块化动态联盟有效实旖的关键技术 动态联盟的提出基于资源集成的思想，它的顺利实施对其成员企业提出了一定 g 求： 联盟内各成员企业之间在功能上是相互独立的并且是相互完整的，成员企业可 ( 很方便地退出或进入而不影响联盟的正常运转，也就是企业外部功能模块化。 另外，联盟中各成员企业生产的产品要模块化即各模块要有一定的封闭性和独 ：性。动态联盟实际上是由核心成员企业在对新产品进行概念化设计、模块化设计， ：对每个模块的性能、参数等关键指标标准化后，就每个模块( 指在概念设计下产 各个独立部分的框架及其功能) 进行公开招标，挑选出最优台作伙伴而组成的， 各成员企业就具体的产品模块进行二次设计并试制。 模块化的实质就是将产品进行功能模块匹配，其目的可以使各个模块分散在各 企业中进行开发、生产，以便联盟集中优势资源从事产品开发、设计到制造直至 后服务的各个环节的商务活动，以最短的反应时间和最少的投资、最大限度地满 市场需求，这正是动态联盟的核心。因此，模块化是动态联盟实施的关键因素引。 2 3 模块化新型生产模式下数控编程的关键技术 模块化数控编程是一种创新式数控编程概念及方法，其基本思想来源于模块化 锗设计，并融入了成组、特征、参数化等先进制造前沿技术，是模块化产品理念 殴控编程领域的延伸和升华。它采用“分解一组合”的方法，以结构上具有一定规 4 律性的相似零部件或系列产品为研究对象，在深入研究并总结其结构、工艺特点和 共性的基础上，通过构建同时利于产品设计及制造的基本单元标准模块，通过 模块拆分( 选择) 、特征参数的实例化、模块拼装构成现实系列化产品。在这个过 程中，模块承担了设计信息、工艺信息和制造信息的统一载体作用，一方面模块是 产品结构设计的功能性要素，具有相应的几何属性( 包含形状尺寸和定位尺寸) ， 另一方面它还蕴含了成熟的数控加工知识和经验( 如机床和刀具选用、粗精加工策 略、切削参数、进退刀方式、铣削方向、转角过渡等等) ，是优化的工艺方案及工 艺参数、优化的走刀路径、优化的数控程序结构的集中体现。模块对象本身具有标 准化、通用化、参数化的特点。 模块化编程既是模块化产品设计对数控编程的要求，也是数控编程技术自身发 展的需要和趋势。模块化编程符合柔性指标的组成项目：缩短调整和试切周期、扩 大加工零件族( 组) 的能力、技术准备和生产安排的及时性、低重构成本。采用模 块化编程可以大幅度提高数控程序编制的自动化程度，并在加快整个生产周期的同 时，有效控制成本和保证质量“1 。 i 3 研究任务概况 1 3 1 任务来源 本研究任务来源于中电集团公司南京第十四研究所所控课题“模块化数控编程 技术研究”( 2 0 0 2 1 0 2 0 0 4 1 2 ) 。 1 3 2 选题背景与意义 随着我所雷达产品种类目益繁多、研制节奏明显加快，一些高精密、复杂结构 件的数控编程逐渐成为数控加工中的瓶颈。数控加工程序复用率低、编程准备时间 及首件程序调试周期较长，阻碍了加工效率的进一步提高。突出问题有： 1 ) 多品种小批量的生产模式、零件的复杂性和互异性，使得产品难以形成批 量化和系列化生产。 2 ) 现有数控加2 i i2 1 2 艺和数控编程手段不完善，产品更新快，而数控编程响应 速度不够、系列产品的数控程序复用率低。 3 ) 我所现有的3 0 余台数控设备覆盖了7 种数控系统，不同系统间代码通常不 能兼容。 4 ) 数控加工程序缺少统一规范，不同编程人员编制的程序格式各异，可读性 差，调试困难且占机时间长( 约为单件加工时间的3 5 倍) 。 针对上述问题，开展模块化数控编程技术研究，为编程人员提供通用灵活、高 效快捷的编程助手，提高同类型产品的数控加工程序复用率：减少程序差错率：加 快数控编程对设计、工艺及生产计划变更的响应速度；规范并优化数控加工代码； 模块化数衽编程技忙研究 简化试切削过程，大幅缩短首件调试时间，从整体上提高数控加工效率和设备利用 率， 1 3 3 研究目标及战术指标 针对平扳天线关键零件展开模块化数控编程技术的理论研究，在此基础上进行 系统开发，固化前期研究成果并方便应用。 本研究的最终成果形式为“模块化数控编程软件系统”( 以下简称“系统”) ， 在人机交互平台上，导入目标零件的各模块参数，通过模块的识别、重构与映射， 实现指定数控系统微波器件粗精加工、专用工装等数控加工程序的快速编制和自动 输出。具体技战术指标如下： 1 ) 经“系统”自动生成的n c 程序准确、规范，符合标准化和优化的要求； 2 ) 实现特征参数数据库的查询、修改和管理功能： 3 ) 实现多种格式数据文件与“系统”的输入接口； 4 ) “系统”具有机床加工坐标系转换和部分数控系统代码格式的转换功能： 5 ) 具有参数与刀具列表、程序号清单等报表文件自动生成及打印功能。 1 3 4 主要研究内容 针对某雷达的关键件平板裂缝天线零件，建立基于数控加工特征的标准模 块体系，并利用高级语言开发“模块化数控编程软件系统”，实现快速模块化编程。 1 ) 标准模块的划分与n c 程序库的建立：分析平板裂缝天线零件族的结构要素 及典型工艺，划分数控特征单元并建模：编制含参变量的程序模块，通过 程序模块固化优化的数控加工知识；建立n c 标准程序库。 2 ) 构建系统框架：确定系统主要功能模块及数据结构，设计关键流程的算法。 3 ) 系统开发与调试运行：在v b6 0 环境下进行。创建人机交互界面，开发面 向对象的“模块化数控编程软件系统”，以特征参数为驱动，针对不同数控 系统，实现平板裂缝天线零件粗半精精加工程序及天线焊接专用工装 一焊接垫板的n c 程序自动生成，并在生产实践中不断丰富、完善。 4 ) 特征参数数据库及数控加工资源库的组织和管理：设计e - r 模型、各数据 表视图，并优化数据库结构。录入数控加工资源库经验数据，建立n c 标准 程序库与入口路径的映射。实现数据库与软件系统的双向数据交互。 本章小结 本章介绍了数控编程技术的历史与应用现状，结合数控编程方法和评价目标的 探讨以及今后该领域的发展趋势，大胆地提出了模块化数控编程的构思，并从几方 面呛述了发展本技术的必要性和重要性。在此基础上提出了本研究项目的需求，阐 明了具体研究对象、研究目标、研究内容。 6 - e 程倒h j 学位沦文 模块化数挣编程技术研究 2 系统总体方案设计 2 1 系统组成及结构框架 本系统主要由三种流程( 程序新编、程序更改、程序查询) 、一个主功能模块 ( 平板天线模块化快速编程模块) 组成。如图21 1 所示。各分支的流程详见图21 1 ( a ) ( 。) 。正常登录系统，输入用户名和密码，用户所在组别、权限也随之确定 ( 以上用户信息均由系统管理员预先分配，保存在系统的用户管理信息表中) ，即 进入系统主界面。 新建流程：首先选择微波器件类型( 为系统拓展预留，缺省为平板天线零 件) 或亚类，正确输入图纸各项信息( 包含了版本的自动管理功能) 、定义 毛坯后，进入主功能模块入口。 更改流程：为确保数据库中数据的正确性，需提交更改申请( 包括用户身 份验证和更改单号比对，此两项信息由管理组人员预先指派，保存在系统 中) 经确认，方可正式进入更改流程，此时更改数据有效：否则数据属性 为只读，当6 u 版本的详细信息以灰色字体显示。更改分为两种方式：在原 有基础上进行修改、完全放弃原有设计( 相当于新建) ，根据图纸和工艺的 更改部位及内容酌情选择，系统将自动转入相应处理。 查询流程：输入检索条件，支持图号、零件名称、编程用户名、编程时间、 版本等单个或多个关键字段查询，一旦查找到相匹配的零件i d 号，则从数 据库中提取相应数据( 设计信息、，l 何属性、工艺属性) ，以选项卡形式显 示，方便用户浏览，并根据需要生成相关报表、输出打印。本状态下所有 信息为只读。 辅助功能：由加工坐标系转换( 简单平移、绕坐标原点旋转角度) 、加工代 码转换( m a h o 和f a n u c 系统之间) 、指令查询、本系统帮助等功能构成。 图2 1 1 系统组成 土型竺土兰些兰兰一一 堡竺些墼塑塑望些查! ! 丝 图2 1 1 ( a ) 系统组成新建流程 图2 1 1 ( b ) 系统组成更改流程 三里竺土兰堡堡兰一一 堡鉴些墼塑塑堡垫查竺壅 图2 i 1 ( c ) 系统组成查询流程 图2 1 1 ( d ) 系统组成辅助功能 主功能模块：为本系统核心，由实例模块定义、对应数控加工知识( 含n c 程序) 自动获取、输出三大部分串行而成。其中，实例模块定义部分根据 信息类型又划分为设计信息定义、几何信息定义及工艺信息定义，设计信 息目前主要用于图纸管理( 系统研究拓展后，将具有更丰富的用途，例如 毛坯定义中尺寸及包含的零件个数信息可用于排版的自动生成) ，几何信息 定义及工艺信息定义则是一个将实际数据填入标准模块的形式框架，即实 例化的过程，这些数据将以宏参数赋值的形式出现在最终输出的n c 程序中 或参与运算、推理和控制。数控加工知识自动获取部分的任务是根据实例 信息从系统数据库中提取对应标准模块的加工程序入口地址或存储路径， 由输出部分按用户要求完成标准程序的拼接、最后生成。 9 模块化数控缟群技术研究 图2 1 1 ( e )系统组成主功能模块 本系统的最小构成单位是“模块”，它是系统组织和处理的基本载体。单个模 块对象由设计子模型、工艺子模型、n c 加工程序子模型构成，称为t rx 模块标 准封装”，其结构框架如图2 1 2 所示。 标准模块的集合就构成了系统的“模块规则库”。 工程坝k - 学位论文 模块化垃拄编程技术研究 “模块”对象模型 设计子模型 售蒌工艺子模型 毛坯利料 拓扑结构 几何尺i j 精度要求 表面光洁度 机床选用规范 刀具选用规范 装夹定位方案 切参选用规范 典型工艺路线 y c j j n i 程序子模型 数控系统类型 主程序模型 子程序模型1 子程序模型2 子程序模型n 编程零点 图2 1 2 “模块”对象结构框架 2 2 系统工作原理 2 2 1 研究对象 平板裂缝天线组件是某雷达天馈系统的关键部件，由多种零件装配而成。本文 的研究对象专指其中的核心零件辐射板、馈电板、g 网络及w 盖板。它们均 为典型薄壁零件( 壁板及腔体最薄处厚度为l m m ) ，上面分布的几何特征数量众多， 结构非常复杂，尺寸精度、形位公差、表面光洁度要求苛刻，机械加工难度很大。 机加工质量直接影响天线组件乃至雷达整机的电讯性能指标。 图2 2 1 以x 产品为例列出了4 神研究对象的主要几何特征类及它们的数量。 在本研究开展之前，针对这几种零件的数控编程方式主要是采用u g 编程，其 难度、工作量和差错率可想而知，生产周期根本无法保证。没计上只要做一点小的 改动，实际往往可能牵一发而动全身，旧程序推翻重来。 t 程碗上学位论艾 模块化数拄编程技术研究 w 盖板 g 网络 馈电板 辐射板 图2 2 1 x 产品主要忍饲特征类 2 堕主竺坚生苎 堡鉴些墼丝塑堡丝垄塑壅 图2 2 2 辐射板三维实体图( 局部) 及放大图 【程坝l 学位论文 模块化数控编程技术柳f 究 图2 2 3 馈电板三维实体图( 局部) 图2 2 2 ，图2 2 3 分别为x 产品辐射扳、馈电板三维实体图及局部放大图。 2 2 2 基本原理 本文的研究吸取了模块化产品设计、成组技术、特征技术的部分思想，充分利 用零件之问几何、工艺与加工的相似性，采用“分解组合”的方法，根据一定规则 将数控加工对象分解为模块单元集( 它们之间的拓扑关系由系统预先定义) 。在“模 块化数控编程软件”环境的支持下，通过模块( 特征) 几何尺寸、约束和工艺参数 的交互输入或者特殊格式设计数据文件的导入，系统自动将零( 部) 件实例的各类 属性参数向内建的标准模块体系映射，按照数控加工内容依次连接各实例模块( 特 征) 对象所对应的刀具运动轨迹，就形成了完整的n c 加工程序。模块化数控编程 技术具有高速、高精、高效、高柔性、高可靠度等显著优点。 图2 2 4 为模块化数控编程原理图，参照了i d e f 0 图的绘制方式，其中： 输入为：详细设计要求与工艺要求； 输出为：用户指定数控系统的n c 加工程序； 控制为：规范类，即n c 编程规范及切削参数选用规范： 驱动条件为：机床刀具选用、定位装夹方式等等。 需要重点说明的问题如下： l ) 模块化数控编程技术是一种面向对象的数控编程技术，它以模块对象为中 心，将模块对象的属性、动态行为特征( 方法) 和设计处理( 事件) 等有 关知识封装在对象的表达结构里。一方面，模块是产品结构设计的功能性 要素，具有相应的几何属性，另一方面它也是数控加工工艺信息和制造信 工程顾士学位论文 模块化数控编程技术研究 息的载体，其语义蕴含了特定的加工方法、刀具类型和铣削方式，直观， 某种意义上说具有一定“形象思维”能力。例如，孔类对象的语义除包含 孔类型( 普通孔、阶梯孔、锥孔、倒角孔、螺纹孔等) 、形状尺寸、定位尺 寸等几何属性外，还可以包含钻孔和镗削的基本工艺要求。 2 ) 实例零件的各类属性数据是通过标准模块体系的特征参数进行表达并传递 的；整个数控编程的过程最低限度只需考虑零件的几何参数；通过数控系 统的宏参数功能( 赋值、判断、跳转) 可实现同系列产品公用同一数控程 序框架，达到成组编程的目的； 3 ) 通过数控系统的刀具半径补偿功能实现粗精加工程序共享、不同规格刀具 ( 主要指直径) 加工程序共享，提高了数控程序的灵活性和通用性； 4 ) 将数控加工任务( 某工序) 逐级分解到各工步，每个： 步可能包含一种或 多种标准模块单元，系统集成了用于加工各标准模块单元的各个可能的数 控系统指令集；逆向工步的分解过程即组合各工步，得到整个工序的n c 加工程序，省去了后置处理。 拓特 扑征 结几 构何 ! j l 设计要求 n 编 程 规 范 切 参 选 用 觑 范 篓熟塾b 泐栅序 统一产品信息模型亡二二= n c 加工程序 数控加工知识集 图2 2 4 模块化数控编程方式的原理图 2 2 3 与u g 编程系统的比较 “模块化数控编程系统”软件开发是在模块化数控编程技术理沦研究的基础上 对其成果的固化与应用。与u g 环境下数控编程相比，模块化编程步骤简单、高效， 自动化程度高，特别是后者生成的程序更优质、准确、规范，具体体现在以下几个 方面： 1 ) “系统”集成了优化的工艺方案及走刀路线、优化的工艺参数、优化的程 走刀方向进退刀方式 定位装夹刀具选用机床选用 1 _ = 程颂 ：学位沦文模块化毁控编程技术_ 【 j f 究 序结构，以资源库形式固化于“系统”中。 2 )“系统”的通用性充分体现在“系统”标准程序的模块化和n c f u 参数的 灵活设置上。 3 ) 模块化数控编程技术实现了成组编程，使多品种、小( 变) 批量生产获得 与大批量生产相接近的效果和经济效益。 4 ) 模块化数控编程有效地简化了数控编程到完成首件的各个环节，大幅度提 高了数控编程的效率、柔性和快速响应能力以及数控加工设备的利用率。 c a cc 删 后置处理人工编辑 竺堡型! 生垫望垡里i 兰竺! 三： “巷块化熟程”l 竺全竺兰尘 竺竺 环境下数控编程l 各n c f u 几何卜叫输出n c 加工卜- 一 l 墨三苎童望l堡里 图2 2 5 模块化编程与u g 编程的流程比较 表2 2 1 模块化编程与u g 编程的优特点比较 比较项 “u g ”编程“模块化”编程 需要二次建模，极其费时费 c a d 建模无需c a d 建模 力且差错率高 后置处理 需要专门的后置处理程序无需后置处理 程序长，占机内存大，传输程序短小，占机内存小，传输 程序体校验麻烦；可读性差，查错 校验方便；可读性好，易查错 修改困难并修改 对编程人员的要求须熟练掌握工艺、编程知识较低，人工干预少 对计算机等硬件要较高配置一般配置 求 v e f i c u t 软件仿真可用可用 编程响应速度慢，程序修改麻烦快，程序修改相对容易 首件调试周期长周期较短 6 工程硕l 学位论文 模块化敦挣犏程技术研究 2 3 系统研发路线 图2 3 1 模块化数控编程方式实现的技术途径 2 3 1 需求分析、方案论证 针对目前平板裂缝天线零件数控编程及加工中存在的三大问题( 数控程序复用 率低下、编程响应速度慢及首件程序调试周期长) 查阅资料和调研，进行了详细 的需求分析及方案论证。撰写的模块化数控编程技术研究方案论证报告已正式 归档，并通过所级专家组方案评审。 2 3 2 模块化数控编程技术研究及系统建模 2 3 2 1 数控加工程序的标准化研究 为利于数控程序复用、增强其可读性，统一数控程序结构，子程序调用参数定 义，注释等规范，针对现有数控系统类型分别定制了标准数控程序格式，形成内部规 范( 按数控系统进行归类，共分为8 个标准化文件) ，已完成签署，目前处于运作 中。 2 3 2 2 模块化的平板裂缝天线零件数控编程与工艺技术研究 i ) 原有数控编程与加工工艺技术研究：分析平板裂缝天线零件的结构要素及 工艺手段，总结数控编程与加工经验，制订典型数控加工工艺流程，细化 到机床刀具选用、切削用量、工装夹具、走刀路径( 逼近、进退刀方式、 转角过渡等) 。 2 ) 标准模块的建模：综合考虑平板裂缝天线零件结构特征和数控加工特征， 划分标准模块并建模，赋予其几何属性、工艺属性、加工属性。 3 ) 数控加工程序标准库的建立：针对平板裂缝天线零件各标准模块数控加工 的不同阶段( 粗，半精精加工) 编制适用于多种数控系统、带参变量的标准 丁程顺卜学位论文模块化数控编程技术研究 程序，固化优化的数控加工知识；建立适用于平板裂缝天线零件的数控加 工程序标准库。 2 3 2 3 软件系统基本框架设计 确定系统主要功能模块，设爿数据结构、流程图及关键算法，为后续软件开发 打下基础。 2 3 3 系统软件开发 2 3 3 1 设计人机界面 设置主要窗体、控件属性等( 在软件中直接体现) 。 2 3 3 2 数据库的组织和管理 1 ) 设计特征参数数据库及数控加工资源库e r 模型、各数据表视图；录入数 控加工资源库经验数据，建立数控程序标准库与入口路径的映射。 2 ) 实现数据库与软件系统的双向数据交互( 增) j n 删除，修改，查询记录) 。 2 3 3 3 平板天线快速编程模块开发 在v b6 0 环境下开发面向对象的“模块化数控编程软件系统”，以特征参数为 驱动，实现不同数控系统平板裂缝天线零件粗半精精加工及焊接垫板( 天线焊接 专用工装) 的n c 程序自动生成。 1 ) 输入接口：实现各类设计数据文件的导入；设计信息及几何参数、数控加 工信息的交互输入。 2 ) 粗半精精加工及焊接垫板的n c 程序自动生成模块开发。 3 ) 数控代码转换模块开发：加工坐标系转换( 平移、镜像) ：f a n u c 与m a h o 系统的代码转换。 4 ) 版本管理和用户管理功能开发：版本自动编号、高级检索功能：用户帐号 密码，权限的基本管理。 2 3 3 4 软件系统功能的完善与细化 实现预期的基本功能，同时进步完善软件系统功能，例如：增加快速编程向 导或模板、输入接口中缝槽宽度的自动识别及换刀、a t e k 数控系统处理功能：参数 列表7 3 具列表程序号清单的自动生成、极限坐标值查找等辅助功能：常见操作信 息出错信息提示。以上闪题或功能已在系统环境中全部实现。 2 3 3 5 系统联调、软件性能测试 根据项目的测试安排，本软件采用的测试种类列表如下： 工程顺e 学位论文 模块化数掩编程技术研究 表2 3 1 测试种类表 测试种类测试内容测试方法人受 功能检查 功能测试设计测试用例测试小组 错误输入测试 性能测试 检查软件性能特性系统联试测试小组 目前，该项目已顺利通过所内鉴定测试。测试结果与评价意见参见附录a 鉴 定测试报告。 本章小结 本章从系统组成及结构框架、系统工作原理等方面阐明了系统的总体方案设计。 通过对研究对象的深入分析，特别是它们机械结构、典型工艺方面具有相当的规范 性和相似性、继承性：产品设计的系列化、标准化、通用化正好与“模块化设计” 的定义与要求吻合。在此基础上“模块化数控编程方法”呼之欲出。从2 2 3 章节 与u g 环境下编程的对比图表可以明显看出“模块化”的优势。 最后针对系统研发路线的描述，一方面概括了本研究所完成的具体工作，另一 方面更清晰地诠释了“模块化数控编程”的方案和实施步骡。 t 程坝 学位地文 模块化数控编程技术研冗 3 关键技术和突破途径 3 1 研究的关键技术 研究的关键技术如下： 1 ) 标准模块的划分与建模技术 2 ) 数控程序的标准化、优化技术 3 ) 数控程序自动生成技术 4 ) f a n u c 系统与i a i o c n c 4 3 2 系统代码转换技术 3 2 标准模块的划分与建模技术突破途径 3 2 1 模块化设计方法理论 3 2 1 1 模块化设计方法的概念 模块化一般指使用模块的概念对产品或系统进行规划和组织。产品的模块化设 计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分 析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同 产品，以满足市场不同需求的设计方法。 模块化设计是产品快速设计的使能技术，通过综合利用模块化设计中的标准化 特征、系列化特征、组合特征和面向产品族的设计方法可以加快产品设计周期，从 而实现产品的快速设计。因此，模块化产品设计被认为是简化产品实现、减少开发 成本和缩短制造周期的最有效方法和工程设计实践。现代模块化设计方法的研究已 经广泛融合其他现代设计方法、制造和管理技术，如计算机辅助设计、价值工程、 可靠性和优化设计等。模块化设计技术的发展和应用，为现代制造业的产品设 1 “与 制造提供了一套有效的理论和技术方法。 3 2 1 2 模块化设计方法的关键技术 模块化的本质产品结构分析与重组。其关键技术如下“。： 1 ) 产品模块化方法及模块识别 2 ) 模块接口分析和模块组合 3 ) 模块编码 4 ) 模块优化与评价 模块化设计方法的研究热点与发展趋势如下； 1 ) 知识管理与集成设计 2 ) 模块化产品的网络协同设计 3 ) 扩大对先进制造技术和制造系统的影响 三矍塑兰竺旦兰一 堡垫些垫篓塑堡垫查塑塑 3 2 i 3 本研究模块化的含义与特点 模块化数控编程是一种创新式数控编程概念及方法，其基本思想来源于模块化 产品设计，并融入了成组、特征、参数化等先进制造前沿技术，是模块化产品理念 的延伸和升华，使之更符合数控编程领域的需要。 模块承担着设计信息、工艺信息和制造信息的统一载体作用，一方面模块是产 品结构设计的功能性要素，具有相应的几何属性( 包含形状尺寸和定位尺寸) ，另 一方面它还蕴含了成熟的数控加工知识和经验( 如机床和刀具选用、粗精加工策略、 切削参数、进退刀方式、铣削方向、转角过渡等等) ，是优化的工艺方案及工艺参 数、优化的走刀路径、优化的数控程序结构的集中体现。这些都是一般意义的模块 化设计所= = i ；具各的。 3 2 1 本系统模块的分析与规划 模块划分是模块化数控程序设计的前提与基础，其科学性、合理性直接影响“模 央化数控编程系统”的功能、性能和成本。 本系统模块划分的基本原则如下： 1 ) 模块具有代表性，面向我所产品研制需求，尽可能覆盖更多的数控加工活 力： 2 ) 模块是可组成系统的独立单元： 3 ) 模块具有确定的功能： 4 ) 模块具有通用性和兼容性； 5 ) 模块能组合成系统的接口。 模块的划分是多种多样的，因此必须对划分结果进行评价和决策。具体方法为： 自定模块划分方案的评价目标及各自所占权重，采用多目标综合评判法寻优。评价 j 标参照了敏捷制造的产品模块划分原则( 独立性、粒度适中、组合性、集成性、 济性、敏捷性) ，最终确立“对微波器件的典型功能和结构特征进行归纳和重组， e 立以几何结构为主线的参数化柔性模块结构”的方案。 2 2 标准模块的建模 模块是构成加工对象的标准单元，包含了高层次的设计信息、工艺信息和加工 i 息。同时，模块的模型应易于计算机表达、存储、传递和操作。图3 2 1 为模块 】b n f 范式模型。 标准模块的数据结构是在“系统”中预定义的，其参数被设置为变量，用户的 ! 作过程是将标准柔性模块派生出实例模块的过程：当用户进入系统环境，输入或 ：入模块的特征数据后，标准模块的参数就被实例化，并可以保存到特征参数数据 ：中。“系统”将为每个实例模块自动分配i d 号，其命名原则为“标准模块名+ 自 ，1 三墨堡兰竺箜苎 垡垫些垫堡塑矍垫查竺塑 一 惧珧化瓤瑶骊栏技术研冗 图3 2 2 标准模块对象的建模过程 3 - 2 3 典型微波器件的标准模块体系 t 程颧上学位论文 模块化数控编程技术研究 + 注：榫头，榫头孔模块类型为半圆形、圆形、长方形。 图3 2 3 平板天线零件族主模块的几何模型 o 0 圆圈a 、b 、c 为装央。 一3 半精铣波导腔 0 ，条量0 x f w x ，铣刀1 0 余量 o ，x ， ，余量00 xl f b d q ，铣刀10 ，泉量 0x 1 o 广再赢酬盱墙7 5 余垦0 帜 图3 1 4 辐射板零件族典型数控加工工艺流程 3 数控程序的标准化、优化技术突破途径 3 1 数控程序的标准化、优化技术 6 外形切边1 w x ，铣刀6 ) 数控程序是数控加工信息的载体。长期以来，由于种种客观原因和不利因素， 女控加工程序一直缺乏标准规范，导致不同人员编制的数控程序风格各异、可读性 i 差，这也构成了首件调试周期长、数控程序复用率低下的主要原因。 因此，模块化数控编程研究的首要任务就是要克服数控系统种类多、指令繁杂、 鬻 程颂i 学位论文 模块 e 数控编程技术q f 究 难成体系、难以实施的困难，面向我所现有数控系统类型，分别定制标准数控程序 格式，统数控程序结构、子程序调用、参