（机械制造及其自动化专业论文）建筑成型机异形截面芯模数控加工自动编程研究与应用.pdf

山东理工大学硕上学位论文 摘要 摘要 在数控加工过程中，经常遇到截面形状复杂的零件，采用手工编程需要花费大量的 时间，不但容易出错，而且影响零件的质量。数控加工自动编程是当今的主流，成为现 代制造技术中提高工件加工质量和降低企业生产成本的重要环节。本课题针对企业的实 际加工问题，对建筑成型机异形截面芯模的数控加工自动编程进行了研究和探索。 本文根据自动编程的发展方向，结合企业的技术条件，提出了本课题自动编程的开 发论证和总体方案设计，确定了研究方法和开发工具；通过分析异形截面芯模的特征和 数控加工工艺，选择了合适的加工设备、数控系统和截面轮廓曲线的处理方式。 根据轮廓曲线的情况，按标准和非标产品的自动编程分别进行。一方面，利用c + + 语言和c + + b u i l d e r 应用程序开发工具，开发了针对标准芯模的自动编程处理软件，主要 包括曲线特征参数输入、程序文件编辑、程序代码编译和数控的仿真加工等功能，曲线 插补采用了差分插补原理：另一方面，以u g 软件为辅助工具，对非标芯模进行自动编程 处理。文中通过典型实例，详细论述了标准和非标芯模数控加工自动编程的整个过程。 本文还以直线、圆和抛物线为例，阐述了i s o 代码到差分插补代码的转换过程。 对自动编程所生成数控程序，本文论述了加工试验的过程，对加工结果进行了对比 分析，将该自动编程技术应用到了生产中。 本文最后总结了课题的主要研究工作，并指出了一些有待于进一步深入研究和解决 的问题。 关键词：自动编程；异型截面芯模；差分插补 山东理t 大学硕十学位论文a 。b s t r a c t a b s t r a c t i nt h en cm a c h i n i n gp r o c e s s i n g , t h ep a r t sw i t hc o m p l e xs h a p es e c t i o na r eu s u a l l ys e e n , u s i n gm a n u a lp r o g r a m m i n gs p e n d sal o to ft i m e ，n o to n l ye a s yt oe r r o r , b u ta l s oe f f e c tt h e q u a l i t yo ft h ep a r t s n cm a c h i n i n ga u t o - p r o g r a m m i n gi st o d a y sm a i n s t r e a m , i th a sb e e nt h e k e yt oi m p r o v eq u a l i t yo ft h ep a r t sa n dr e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s ti nm o d e r nm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lp r o c e s s i n gp r o b l e m so ft h ee n t e r p r i s ei nt h i sp r o j e c t , s t u d i e da n de x p l o r e dt h en cm a c h i n i n ga u t o - p r o g r a m m i n go fs p e c i a l - s e c t i o nm o u l do f c o n s t r u c t i o nf o r m i n gm a c h i n e s a c c o r d i n gt o t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fa u t o - p r o g r a m m i n g , c o m b i n e dw i t ht h e t e c h n o l o g yc o n d i t i o no ft h ee n t e r p r i s e ，p u tf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n ta n dd e m o n s t r a t i o na n d o v e r a l lp l a nd e s i g n , a n dt h e nd e t e r m i n e dt h er e s e a r c hm e t h o d sa n d t o o l s t h r o u g ha r l a l y z m gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs p e c i a l - s e c t i o nn l o u l do fa n dn cm a c h i n i n gp r o c e s s e s s e l e c t e dt h ep r o p e r p r o c e s s i n ge q u l p m e n ln cs y s t e ma n dt r e a t m e n tm e t h o d so f t h es e c t i o n a lp r o f i l ec u r v e s a c c o r d i n gt ot h ec u r v ec o n d i t i o n , t h ea u t o - p r o g r a m m i n gt r e a t m e n to ft h es t a n d a r da n d n o n - s t a n d a r dp r o d u c t si ss e p a r a t e d o nt h eo n eh a n d , 心1 1 9c + + l a n g u a g ea n dc + + b u i l d e r a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tt o o l s ，d e v e l o p i n gt h ea u t o - p r o g r a m m i n gp r o c e s s i n gs o f t w a r ef o r s t a n d a r dm o u l d , m a i n l yi n c l u d i n gt h ef u n c t i o n ss u c ha st h ec u r v ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s i n p u t t i n g ，p r o g r a mf i l e se d i t i n g ，p r o g r a mc o d e sc o m p i l i n ga n dt h es i m u l a t i o np r o c e s s i n go f n c ， c u y v ei n t e r p o l a t i o nu s i n gt h ed i f f e r e n c ei n t e r p o l a t i o nt h e o r y ；o nt h eo t h e rh a n d , a st h ea u x i l i a r y t o o l 诵t hu g s o t t w a r e ，p r o c e s s i n gt h en o n - s t a n d a r dm o u l d t h r o u g ht h et y p i c a le x a m p l ei nt h i s p a p e r , d i s c u s s i n gt h ew h o l ep r o c e s so ft h en cm a c h i n i n go fa u t o - p r o g r a m m i n gt h es t a n d a r d a n dn o n - s t a n d a r dm o d d i nt h i sp a p e r , f o re x a m p l eb yt h es t r a i g h tl i n e ，c i r c l ea n dp a r a b o l i c ， i n t r o d u c i n gt h ec o n v e r s i o np r o c e s sf r o mi s oc o d et od i f f e r e n c ei n t e r p o l a t i o nc o d e a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a t e dn cp r o g r a mb ya u t o p r o g r a m m i n g ，d i s c u s s i n gt h ep r o c e s so f e x p e r i m e n ti nt h i sp a p e r , c o m p a r e da n da n a l y z e dt h ep r o c e s s i n gr e s u l t s ，a n dp u tt h i s a u t o - p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya p p l i e dt op r o d u c t i o n f i n a l l y , c o n c l u d e dt h er e s e a r c hw o r ko ft h i sp r o j e c t , a n dp o i n t so u tt h eq u e s t i o n sw h i c h n e e d e dt ob es t u d i e da n dr e s o l v e di nt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：a u t o - p r o g r a m m i n g ；s p e c i a l s e c t i o nc o l e - - m o d d ；d i f f e r e n c ei n t e r p o l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另u ；b n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：时间：年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：王否嚼 时间：年 月日 别磁轹拟分咖：年月日 1 1 课题的来源和研究背景 第一章绪论 1 课题的来源 “建筑成型机异形截面芯模数控加工自动编程研究与应用”课题来源于山东兴玉机 械科技有限公司，该公司是研制生产各类建筑成型机( 图1 1 左) 的专业公司，其中， 异形截面芯模( 图l l 中) 是成型机的重要组件包括国家行业标准和自行开发的非标 准产品两大类，其加工质量的优劣会最终影响混凝土预制件板材( 图1 一l 右) 的质量和 使用寿命。因此，确保异形截面芯模的加工精度至关重要，这也是该公司需要着手解决 的实际问题。 图卜1 建筑成型机、异形截面芯模和板材 因加工设备的制约，多年来，该公司一直沿用手工方式使用砂轮对异形截面芯模进 行磨削加工( 图1 - 2 左) ，磨削后芯模( 图1 - 2 右) 的表面稿糙度以及直线度、轮廓度的 误差都较大致使产品质量参差不齐，难以保证芯模的加工精度要求，经常出现返修和 报废的现象；另外手工磨削敬率低，一根芯模通常需要打磨几个甚至十几个小时，既 赉对又费力，在很大程度上制约了劳动生产率，影响了生产的进度。 毯 图i - 2 手工磨削芯模和磨削后的芯模 山东理丁人学硕l ：学位论文 第一章绪论 为了彻底改变这种加工生产落后的现状，山东兴玉机械科技有限公司迫切需要一种 加工精度高、效率高、成本低的加工方式和生产设备，于是该公司依托山东理工大学机 械工程学院，签订了合作研制“龙门刨床数控研究与改造设计及特殊柱面零件 c a p p c a m 一体化”的横向科研课题，鉴于该公司的生产需求，分成两步来实现：第一 步，外购通用数控系统，对龙门刨床进行数控改造，提高公司的生产能力；第二步，用 工控机研制开发的多功能龙门刨床数控系统，采用差分插补原理，加工程序为差分插补 代码( 也称5 b 代码) ，采用自动编程的方式，提高编程的精度和效率，减少编程的时间， 进一步提高数控龙门刨床的加工精度和工件的加工质量。 龙门刨床的数控改造工作主要是将普通机床配上数控系统，针对横向工作台运动机 构和刀架垂直运动机构这两部分的机械结构进行改造，使刨床具有数控加工能力，目标 是使改造后的数控刨床的操作调整简单易行、刨床的自动化程度、刨削加工精度和加工 效率能够得到明显提高，同时大大降低工人的劳动强度，提高原材料的利用率。多功能 数控龙门刨床系统范围较广，是课题的主要部分，实施思路是根据异形截面芯模的标准 类型和加工精度要求，研究一种切实可行的轮廓曲线数控加工自动编程的方式方法，最 终经过生产验证后，再应用于生产，以进一步提高企业的行业优势和市场竞争力。 通过对现场所加工异形芯模的研究和测量，一部分异形截面芯模的加工情况良好， 因为这些芯模的截面轮廓一般都由直线和圆弧组成，因此，普通的数控系统编程很容易 实现；但对于另外一部分异形截面芯模的加工，则存在严重刨削不均的现象，主要原因 是这些芯模的截面轮廓曲线包含列表点曲线和非圆曲线( 椭圆、抛物线和双曲线等) ，利 用人工进行编程时，编程人员需要通过工件图纸计算大量的尺寸，于是增加了数控加工 编程的难度，往往误差较大，精度也低，难以保证芯模的加工质量，限制了企业对高新 产品的研制开发。 针对以上问题，结合山东兴玉机械科技有限公司产品的研制丌发方向，经过现场调 研和论证，确立了“建筑成型机异形截面芯模数控加工自动编程研究与应用”这一课题， 该课题立足于龙门刨床数控系统，实现异形截面芯模的数控加工自动编程和应用。 2 课题的研究背景 机械工业是国民经济的装备工业，机械工业的发展水平，在一定意义上代表了一个国 家的总体发展水平和综合竞争能力。实践证明，先进的技术装备和制造技术在国民经济 发展中，起着非常重要的作用。 自1 9 5 2 年出现第一台数控机床以来，伴随着计算机、微电子、信息处理、网络通讯 和自动控制等技术的进步，集机、光、电、液、气等多项技术于一体的数控技术得到了 迅速发展和广泛应用，数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量复杂零件加工等特 点，在机械零件加工中得到了日益广泛的应用。数控技术和数控装备是制造工业现代化 的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一 个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技 山东理丁大学硕十学位论文 第一章绪论 术及产业旧。 计算机技术应用到机床上以后，对生产制造业产生了长足影响。机床计算机数控技 术( 简称c n c ) 是本世纪7 0 年代发展起来的机床控制新技术，中和了计算机技术、自动 控制、测量技术、机械制造等方面的成就，机械加工的效率和质量得到突飞猛进的提高。 八十年代，c a d c a p p c a m 技术的发展使得以数控机床为基础的现代制造技术应用前 景更为广阔，给制造业的生产率带来了又一次飞跃。 利用计算机控制数控机床进行加工使得机械零件的加工变得十分的方便，很大程度 上节约了人力和物力，使得工业自动化程度更高。但是在自动编程系统出现之前都是采 用人工编制的方法进行编制数控机床程序，不但准确性不高，而且大大制约了生产率的 提高，不利于自动化程度的提高。这就给我们带来了一个新的问题，即如何更加准确、 更加高效的编制数控机床程序。这使数控机床自动编程系统的出现成为必然，因而数控 加工自动编程系统的研制开发成为众多专业技术人员研究的方向之一。 1 2 国内外自动编程发展状况 1 国外自动编程发展状况 为了解决数控加工中的程序编制问题，2 0 世纪5 0 年代，m i t ( 麻省理工学院) 设 计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为a p t ( a u t o m a t i c a l l y p r o g r a m m e dt 0 0 1 ) ，其后，a p t 几经发展，形成了诸如a p t i i 、a p t i i i ( 立体切削用) 、 a p t i v 、a p t - a c 和a 刚s s 等先进版 3 1 。 在继承美国a p t 的设计思想的基础上，世界其它先进国家也相继开发和研究自己的 自动编程系统和语言。如英国开发的用于点位和连续控制的2 c l ；德国研究开发的 e x a p t - i ( 用于点位加工) 、e x a p t - i i ( 用于车削加工) 和e 廿t i ( 用于铣削加工) 三种。此外，还有法国的i f a p t 、日本的f a p t 、h a p t 等。 近年来，由于计算机技术的迅猛发展，计算机的图形处理功能有了很大的提高。因 此，一种可以直接将工件的几何图形信息自动转化为数控加工程序的全新的计算机自动 编程技术一图形交互式自动编程方式便应运而生，这使得自动编程更直观、更简便易 学，其功能也更丰富f 5 1 。其中具有代表性的自动编程软件有美国c n cs o f t w a r e 公司的 m a s t e rc a m 自动编程软件，美国p a r a m e t r i c t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 公司的p r o e n g i n e e r 软件。 自数控机床问世以来，一些先进的工业国家都在大力开发自动编程技术，随着计算 机辅助设计与制造的发展，自动编程越来越受到重视。自动编程发展到今天，己经出现 了品种繁多，功能各异的编程方式。目前，国外数控技术的发展速度很快，在数控自动 编程加工方面处于领先地位。 山东理工大学硕 ：学位论文第一章绪论 2 国内自动编程发展状况 我国数控加工及编程技术的研究起步较晚，其研究始于航空工业的p c l 数控加工自 动编程系统s k c 1 。从“七五 开始有计划有组织地研究和应用c a d c a m 技术，引进 成套的c a d c a m 系统，但价格昂贵，难以推广普及【1 3 】。“八五又引进了大量的 c a d c a m 软件，如：e u c l i d 一1 5 、u g 等，以这些软件为基础，进行了一些二次开发 工作，取得了一些应用成功，但进展比较缓慢。 我国在引用c a d c a m 系统的同时，也开展了自行研制工作。2 0 世纪8 0 年代以后， 首先在航空工业开始集成化的数控编程系统的研究和开发工作，如西北工业大学成功研 制成功的能进行曲面的3 5 轴加工的p n u g n c 图形编程系统；北京航空航天大学与第 二汽车制造厂合作完成的汽车模具、气道内复杂型腔模具的三轴加工软件；华中理工大 学1 9 8 9 年在微机上开发完成的适用于三维n c 加工的软件h z a p t 等。 2 0 世纪9 0 年代，响应国家开发自主产权的c a d c a m 的号召，开始了自行研制 c a d c a m 软件的工作，并取得了一些成果，如：由北京由清华大学和广东科龙集团联 合研制的高华c a d 、由北京北航海尔软件有限公司研制的c a x a 电子图板和c a x a m e 制造工程师、由华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的c a d 和 图纸管理软件开目c a d 、南京航空航天大学自行研制开发的超人2 0 0 0 c a d c a m 系统 等，其中有一些系统已经接近世界水平。 虽然我国的数控技术己开展多年，并取得了一定的成效，但始终未取得较大的突破。 从总体来看，先进的是点，落后的是面，我国的数控加工及数控编程与世界先进水平相 比，约有l o 1 5 年的差距，差距主要包涵以下几个方面：数控技术的硬件基础落后， c a d c a m 支撑的软件体系尚未形成，c a d c a m 软件关键技术落后f 6 】。数控自动编程 的研究是一项重要而长期的工程，随着计算机技术的进一步发展，自动编程技术的功能 必将进一步完善和丰富。 1 3 课题提出及研究意义 我国的机械加工业相对来说起步较晚，随着改革开放的不断深入，国内制造行业的 自动化程度已经有了很大程度的提高，数控机床和加工中心使用相对比较普遍，但是国 内数控加工程序的编制大都采用手工方式，不仅效率低、工作量大，而且容易出错，在 一定程度上妨碍了我国机械制造业的发展1 2 3 1 。近几年来，随着计算机应用技术的发展， 我国出现了一些自动编程系统，但是应用不是很普遍，与国外的同类软件比较起来仍有 一定的差距。 一般的数控机床都具有直线和圆弧插补功能，不管是用于手工编程或是自动编程都 很容易解决，但是，经常有很多零件的截面轮廓线包含非圆曲线和列表曲线等，课题合 作单位山东兴玉机械科技有限公司生产的异形截面芯模，截面轮廓型线多种多样，比较 4 山东理工大学硕十学位论文第一章绪论 复杂，特别是非标产品，截面轮廓曲线包含列表曲线，这类曲线以列表形式给出平面离 散点的坐标，手工编程就显得无能为力了。因此，对这类复杂截面轮廓零件的数控加工， 应采取自动编程的方式来实现。 本课题的研究，利用差分插补方法对轮廓曲线进行插补；把曲线光顺应用到列表曲 线的处理中；利用u g 软件的建模和加工功能，辅助实现列表曲线的自动编程，生成数 控加工g 代码：通过使用c + + 语言编程和c + + b u i l d e r 6 0 应用程序开发工具，开发出异 形芯模数控加工自动编程处理软件以及相应的曲线差分插补程序和数控代码编译程序。 本课题的应用，对于提高数控龙门刨床的加工精度和效率、提高编程精度和工件的加工 质量，以及增强企业的新产品的研发能力和提高市场竞争力，都将起到积极的推动作用， 经济和社会效益显著；并且实现了计算机辅助制造( c a m ) ，为山东兴玉机械科技有限 公司新产品的开发、研制和数控加工技术的发展奠定了基础，提供了有力的技术保障。 1 4 本文研究的内容及解决的问题 1 研究的内容 根据与山东兴玉机械科技有限公司签订的合作协议，结合开发实际，针对龙门刨床 采用的g 代码和差分插补代码两种数控加工系统，整个课题的主要研究内容包括以下几 个方面： 1 ) 异形截面芯模的特征分析和加工方案制订 芯模的种类较多，截面形状各异，首先根据芯模所需的加工精度要求，对其机械加 工方法以及加工工艺方案进行深入的分析和论证，然后制订出详细的加工方案，确定选 用何种加工设备和相应的数控系统，选择合理的工艺和刀具等切削参数，这部分是课题 进行的先期准备工作。 2 ) 差分插补的原理以及对芯模截面轮廓曲线的插补应用 在研究差分插补原理的基础上，利用差分插补法对芯模截面轮廓线所包含的直线和 二次曲线进行插补，为数控加工自动编程和仿真加工程序的开发做准备，差分插补法原 则上可以插补任意正高次曲线，具有插补精度高、功能广泛等优点。 3 ) 自动编程处理软件的应用开发 对于标准异形截面芯模，其截面轮廓曲线由直线和二次曲线组合而成，利用c + + 语 言和c + + b u i l d e r 6 0 可视化开发工具，通过编程开发出自动编程处理软件和相关的程序， 用以实现生成数控加工代码、代码转化和模拟仿真加工等功能；也可以利用该处理软件 对其它方式生成的g 代码进行代码的转换。 4 ) u g 软件在自动编程中的应用 利用u g 软件的建模、加工等c a d c a m 功能，对包含列表曲线的芯模截面轮廓曲 线进行处理，生成数控加工g 代码。对于采用差分插补原理的数控系统，可以通过开发 山东理工大学硕 ：学位论文第一章绪论 的编译程序进行代码转换，以满足加工的需求。 5 ) 自动编程的加工验证和应用 通过实际的加工试验，对通过自动编程所生成的数控加工程序进行检验，并对加工 的结果进行测量和分析研究，以验证加工程序的正确与否，待整个过程比较完善后，将 该自动编程技术应用到企业的生产中。 2 解决的问题 该课题完成后，首先，实现了异形截面芯模数控加工的自动编程，从根本上改变了 过去传统手工编程的单一方式，进而可以把技术人员从繁琐的编程工作中解脱出来，更 多地从事其它的技术工作：其次，芯模数控加工的实现和应用，大大降低了一线工人的 劳动强度，提高了企业的生产效率；另外，最为关键的是，企业通过龙1 t n 床数控改造 和自动编程的实施，芯模的加工质量和精度都得到了显著提高，这对增强企业市场竞争 力，扩大企业的知名度，都起到积极地推动作用。 1 5 本章小结 本章在论述课题的来源和研究背景的基础同时，介绍了数控加工技术的发展历程， 叙述了国内外自动编程的状况和研究趋势，提出了本课题并阐述了课题研究的意义，最 后详细介绍了本文研究的内容及解决的问题。 6 山东理工大学硕i ：学位论文 第二章自动编程的开发论证和总体方案设计 第二章自动编程的开发论证和总体方案设计 2 1 数控加工自动编程简介 1 自动编程的一般原理 由计算机完成程序编制中的大部分或全部工作的编程方法，称为自动编程【1 1 。采用 自动编程的初衷是解决由于手工编程时计算繁琐、甚至无法实现编程的问题而产生的。 程序的生成利用计算机专用软件或以计算机为依托自主开发程序来实现。编制零件数控 加工程序的效率和准确程度是数控机床加工的关键，因此，应用计算机自动编程是数控 技术的重要环节之一。 自动编程的实现通常借助计算机及其外围设备装置自动完成从加工件构造、零件加 工程序编制到控制介质制作等工作。 2 自动编程的分类 根据编程信息的输入与计算机对信息的处理方式不同，分为以数控语言为基础的自 动编程方法和以计算机绘图为基础的自动编程方法。 由计算机进行工艺处理、数值计算、编写零件加工程序、自动地输出零件加工程序 单，并将程序自动地记录到穿孔纸带或其它的控制介质上。也可以由通讯接口将程序直 接送到数控系统，控制机床进行加工。由于数控编程在历史上与c a d 技术是两个独立 发展的技术，因此在很长一段时期内采用了一种类似于高级语言那样的数控编程语言来 实现自动编程，后来随着c a d 技术的发展，才有了采用计算机辅助图形设计的自动编 程方法，再往后提出从c a d 系统中提取出所设计的零件特征参数直接进行自动编程的 方法，即c a d 肘c p 继承的编程方式。由此可知：数控自动编程可以分为采用数控语言 的自动编程、交互式图形自动编程系统和基于特征的自动编程系统。 1 ) 数控编程语言的自动编程 最著名的是a p t 语言( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt o o l s ) ，它用类似于英语的语句来 编写程序。a p t 有四类语句：第一类用来定义零件形状；第二类用来控制刀具运动：第 三类用来控制机床功能，并将信息传给后处理程序，转换成加工程序代码；第四类是一 些专门的控制指令，例如循环、转移及报表输出等。 a p t 程序的大致翻译过程是首先处理器将a p t 程序经翻译器变成计算机可执行的 指令，再经计算单元的数值运算，生成刀位数据( c u t t e rl o c a t i o nd a t a ) 文件。该文件是对 刀具加工轨迹的描述，但它是一个中性文件，与机床上具体的控制器类型无关，所以需 进一步后置处理器处理成特定机床控制器可以接受的代码，以操纵机床进行真正的加工。 a p t 语言编程具有许多优点：程序简练，走刀控制灵活等。但它开发得比较早，受 7 山东理工大学硕，j ：学位论文第二章自动编程的开发论讦和总体方案设计 当时条件的限制，虽然经过多次改进，仍有许多不便之处1 2 1 。 2 ) 交互式图形自动编程 交互式图形自动编程是一种全新的、先进的自动编程技术，它建立在计算机绘图基 础之上，在编程时编程人员首先对零件图样进行工艺分析，确定构图方案，然后即可利 用自动编程软件本身的自动绘图c a d 功能，在显示器上以人机对话方式构建几何图形， 最后利用软件的c a m 功能，生成n c 加工程序i 1 2 1 。这种编程方法具有速度快、精度高、 直观性好、使用方便、便于检查的优点，能高效率、高准确性地实现数控加工程序的编 制。 因此，交互式图形自动编程是一种先进的自动编程技术，是自动编程软件的发展方 向。它建立在c a d 和c a m 基础之上，处理过程包括：零件图纸及加工工艺分析，几何 造型，刀具位置的点轨迹计算及生成，后置处理，程序输出。 3 ) 基于特征的自动编程 在基于特征的自动编程中，n c p ( n cp r o g r a m m i n g ) 所需的零件形状信息可以直接从 c a d 那里得到，这无疑朝着继承的方向前进了一大步。但这样的继承系统在大部分情况 下依然缺乏工艺分析能力，不得不靠编程人员输入所需的工艺信息。因此这种缺乏c a p p 功能的自动编程仍然不能做到真正的自动，只有c a d c a p p n c p 集成在一起才能实现 真正的自动编程。 3 自动编程的一般流程 自动编程中，编程人员只需按零件图纸的要求，将力n - r - 信息输入到计算机中，计算 机在完成数值计算和后置处理后，编制出零件的加工程序单，所编制的程序可以通过计 算机或自动绘图仪进行刀具运动轨迹的仿真加工检查，以验证所编制程序的正确性1 3 3 , 3 4 1 ； 对于有特殊代码要求的数控系统，也可以通过自己开发的程序软件，为适合该系统的加 工指令，对已生成的原有数控代码进行转换，同时做刀轨的模拟仿真检验【4 9 i 。以上工作 完成，便可将加工程序直接以通信的方式传输到数控系统装置，实现工件的生产加工。 图2 1 自动编程的一般流程图 数控自动编程的主要内容包括：1 ) 加工件信息输入：2 ) 确定工艺处理过程；3 ) 刀 位数据计算；4 ) 后置处理；5 ) 仿真模拟力n - r _ ；6 ) 通过接口输出程序7 ) 校核程序及试 8 山东理t 大学硕士学位论文第二章自动编程的开发论证和总体方案设计 切；8 ) 生产加工。数控自动编程一般流程如图2 1 所示。 以上是自动编程的一般过程，不是一成不变的固定流程，有时可能由于专用软件本 身功能的限制，不能生成加工机床其它数控系统的指令代码，这是可以根据实际需要的 数控指令代码要求，在专用软件c a d c a m 的基础上，进行二次开发或自己开发软件， 来实现代码的转换和数控仿真加工。 2 2 本课题的数控系统和自动编程方式 1 龙门刨床的数控系统 根据山东兴玉机械科技有限公司异形截面芯模加工类型和产量，以及龙门刨床的改 造计划，该公司龙f i n 床采用了两种数控系统：一种选用的是专业数控公司生产的普通 数控系统，其加工指令代码是标准g 代码，选择这种系统的目的是为了尽快提高目前企 业的生产能力，满足客户的需求；另一种是依托山东理工大学开发的多功能龙门刨床数 控系统，采用差分插补原理，其加工指令使用差分插补代码，这是根据该企业的要求， 在满足加工和控制精度的前提下，为了降低龙门刨床的数控改造成本而研制开发的。 课题的进行分阶段实施，首先选用普通g 代码数控系统完成一台刨床的数控改造， 用于生产；之后，为充实生产，再行数控改造的刨床，则采用差分插补代码数控系统， 该工作在研发、试验、改进完善的基础上完成。因此，用于生产加工的龙门刨床数控系 统有两种，分别采用了g 代码和差分插补代码程序指令，如图2 - 2 所示。这样，自动编 程的研究以生成这两种数控加工代码程序为最终目的。 图2 - 2 龙门刨床数控系统及对应代码指令分类图 2 自动编程的处理方式 异形截面芯模有标准和非标产品两大类，其截面轮廓特征分类如图2 3 所示，其中 标准产品的市场份额占主导地位，而非标产品主要是根据客户的需求开发的新产品。为 了提高编程效率和降低编程的出错率，对两类标准产品的数控加工自动编程的研究相应 地采用不同的处理流程。 对于标准的异形截面芯模，其截面曲线是标准的圆、椭圆或直线和二次曲线( 圆弧、 椭圆、抛物线和双曲线等) 段组合而成的轮廓曲线，可以通过自主开发的自动编程处理 9 山东理工大学硕士学位论文 第二章自动编程的开发论证和总体方案设计 软件，提取曲线的关键参数信息，输入软件的参数设置窗口，便可生成t x t 文件格式的g 代码加工指令程序，经过软件的编译处理，也能生成差分插补代码指令，该软件还能实 现刀具的动态仿真加工，起到初步验证加工程序的正确与否的作用。 对于另一类非标异形截面芯模，其截面轮廓曲线包含列表曲线，可以借助u g 软件， 利用该软件的实体建模( m o d e l i i 培) 功能和力1 i ( m a n u f a t u m ) 功能，通过编辑、修改、选择 加工参数等过程，生成标准的g 代码指令，经过编译程序处理，也能生成差分插补代码 指令。 异 型 截 面 曾 模 分 类 圆 椭圆 直线与二次曲线组 直线与圆弧 直线与椭圆 直线与抛物线 直线与双曲线 图2 - 3 异形截面芯模截面轮廓特征分类图 2 3 自动编程的开发方法及开发工具 1 面向对象的开发方法 在数控加工自动编程处理软件的开发过程中使用了c + + b u i l d e r 开发工具，它具有 面向对象技术的功能。面向对象技术是目前流行的系统设计开发技术，它包括面向对象 分析和面向对象程序设计两部分。 面向对象程序设计技术的提出，主要是为了解决传统的结构化程序设计所不能解决 的代码重用问题。面向对象程序设计从所处理的数据入手，以数据为中心而不是以服务 为中心来描述系统。它把编程问题视为一个数据集合，数据相对于功能而言，具有更强 的稳定性。面向对象程序设计同结构化程序设计相比最大的区别就在于前者首先关心的 是所要处理的数据，而后者首先关心的是功能。面向对象程序设计是一种围绕真实世界 i o 标准芯模截面轮廓 非标芯模截面轮廓 山东理t 大学硕 j 学位论文第二章自动编程的开发论证和总体方案设计 的概念来组织模型的程序设计方法，它采用对象来描述问题空间的实体。 面向对象的程序设计中最基本的概念是对象，一般意义上的对象指的是一个实体的 实例，在这个实体中包括了特定的数据和对这些数据进行操作的函数。面向对象程序设 计具有开发时间短、效率高和可靠性高等优点。 2 本课题自动编程研究使用的工具 1 ) 功能完备的u g 软件 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 是美国u g s 公司推出的基于m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下的 c a d c a m 软件，它支持产品结构设计、模具设计、数控加工编程和工程分析，实现了 并行工程c 删a d c 刖沈a m 的集成与联动。把c a d 设计与规划、仿真、制造及其 他开发过程集成在一起，利用它可以进行零件设计、产品装配、数控加工、铂金件设计、 模具设计、机构分析、有限元分析和产品数据库管理、应力分析、逆向造型优化设计等 工作，辅助设计人员快速地做出设计决策，并提供关于产品性能和任何潜在功能问题的 详细信息，广泛应用于航空航天、汽车、电子、通用机械以及其他领域的机械设计和磨 具加工，是一个功能强大、覆盖领域广泛的数字化设计与制造工具，能够极大的提高设 计效率和质量，有效地减轻设计人员的劳动强度和工作的复杂度n1 1 j 。 2 ) 应用程序开发工具c + + b u i l d e r c + + b u i l d e r ( 简称为b c b ) 是由b o r l a n d 公司推出的一个功能强大的应用程序开发 工具，它不仅具有d e l p h i 的简单、功能强大和高效率等特点，而且还结合了c + + 灵活性 的特点。c + + b t f i l d e r 具有快速的可视化开发环境，内置了1 0 0 多个完全封装了w i n d o w s 公用特性且具有完全可扩展性( 包括全面支持a c t i v e x 控件) 的可重用控件；c + + b u i l d e r 具有一个专业c + + 开发环境所能提供的全部功能：快速、高效、灵活的编译器优化，逐 步连接，c p u 透视，命令行工具等。它实现了可视化的编程环境和功能强大的编程语言 ( c + + ) 的完美结合。c + + b u i l d e r 的集成开发环境( i d e ) 提供了可视化窗体设计器、 对象观察器、控件板、工程管理器、集成编辑器和调试器等一系列可视化快速应用程序 开发( r a d ) 工具，让程序员可以很轻松地建立和管理自己的程序和资源0 l 。 2 4 自动编程的方案设计 2 4 1 本课题自动编程开发概述 本课题异形截面芯模数控自动编程，是按照企业的生产需求开发研制的，研制开发 过程中，充分利用了u g 软件的c a d c a m 功能和c 抖b u i l d e r 软件的面向对象的程序 开发功能，结合异形芯模截面轮廓曲线的几何形状，通过分类分析，开发出一种简便、 实用的自动编程方式。研究过程中，根据龙门刨床数控系统的不同，在对异形截面芯模 的截面轮廓曲线进行处理时，本着便捷、灵活的原则，采用了多种方法相结合的方式。 山东理t 火学硕十学位论文第二章自动编程的开发论证和总体方案设计 特别指出的是，在对非标异形截面芯模截面轮廓曲线进行处理时，借助u g 软件的 实体建模( m o d e l i n g ) 和加工( m a n u f a c t u r e ) 功能，生成数控加工g 代码，还可根据龙门 刨床数控系统的类型，通过自主开发的自动编程处理软件，编译处理后，转化为差分插 补代码。 2 4 2 自动编程的处理方案 根据以上的分析，该自动编程研究的主要信息包括：力n - r ：件的图纸信息、加工工艺 信息、机床信息等方面。通过研究论证，本课题自动编程研究的方案框架如图2 4 所示。 图2 - 4 芯模自动编程方案框架图 下面针对龙i - j n 床数控系统的异形截面曲线自动编程方案作进一步地阐述，并对 u g 软件的辅助处理做了介绍。 本课题数控加工自动编程的处理方案，以自主开发的“异形截面芯模数控加工自动 编程处理软件”( 以下简称自动编程处理软件) 为主，u g 软件作为辅助处理工具来进行， 自动编程处理软件针对标准异形截面芯模产品，u g 软件的辅助处理则针对非标产品。 下面分别予以介绍： 1 自动编程处理软件的开发方案 自动编程处理软件的开发，要充分考虑到实用性和可靠性嗍。该软件主要针对的是 标准芯模产品的数控加工自动编程和相关处理，标准芯模截面轮廓线一般是圆、椭圆或 者直线和常见二次曲线的组合。 开发软件时，要抓住直线、圆( 弧) 、椭圆、抛物线和双曲线等各自的关键参数信息， 1 2 山东理t 大学硕士学位论文第二章自动编程的开发论i j 下和总体方案设计 薯鲁喜皇暑皇詈喜皇詈詈鲁喜= 暑詈寡皇詈! 暑皇詈詈! 詈詈詈皇詈鲁皇詈! 詈詈暑鼍詈皇詈鲁暑昔皇薯詈暑皇詈皇皇詈詈毫詈! = 暑墨暑皇高篁暑詈詈! 苎皇= 詈= 暑詈= = 暑皇昌鲁皇詈詈詈詈皇詈皇皇皇昌暑= 皇暑 把它们作为生成不同曲线的要素，应用到自动编程处理软件的开发中，以实现只需通过 输入相关的参数信息，便能生成对应的曲线数控加工程序，并可以对程序进行编译处 理，还可实现数控加工的仿真。 例如，输入直线的起点和终点坐标或者椭圆的终点相对起点距离、中心相对起点的 距离和椭圆半轴尺寸等参数，就能生成圆或椭圆相应的g 代码，通过编译处理，可以转 化为差分插补代码程序，模拟出直线和椭圆加工时的刀具运行轨迹；对于由多段不同曲 线组成的截面轮廓线，可分段提取不同曲线的参数信息，分别依次输入，直到生成整个 轮廓曲线的加工程序。该自动编程处理软件的开发，要确保曲线参数选取方便，程序编 辑修改简便易行。 2 u g 软件辅助自动编程处理方案 前面提到过，对于非标异形截面芯模加工的自动编程，要利用u g 软件辅助来处理， 主要使用的是u g 软件的实体建模功能和加工功能。由于这类芯模的截面轮廓曲线都包 含列表曲线，必须借助u g 软件强大的建模和加工功能，才能准确采集和处理列表曲线 的数据信息，生成g 代码数控加工指令。 首先使用u g 软件的实体建模功能，生成列表曲线轮廓，然后进行光顺处理，最后 根据数控编程的要求、数控加工设备的选择、加工刀具、加工方向以及切削用量等加工 参数信息【1 2 1 。计算刀位点数据并将其映射为相应加工设备的加工指令代码，最后经过编 译处理，生成标准的g 代码，可以通过自动编程的软件编译处理，将其转化为差分插补 代码。经过以上的自动编程处理，在两种数控系统中都可以进行加工。该辅助自动编程 方案的处理流程如图2 5 所示。 该自动编程处理方案可以对加工件的几何信息进行合理性验证，通过模拟仿真加工， 初步实现对加工指令代码的正确性验证，以保证用于生产加工前所生成指令代码的完整 性和正确性【2 1 1 。 2 5 数控加工自动编程处理软件的开发 2 5 1 自动编程处理软件的结构 根据自动编程的原理、分类和处理流程，结合山东兴玉机械科技有限公司所生产加 工的异形截面芯模的结构特点，对本课题自动编程的研究作了分析论证，并提出了自动 编程和龙1 i n 床数控改造、机械改造等实施方案，为自动编程软件的开发奠定了基础， 提供了技术和理论上的保障。 开发该软件主要是为了实现标准芯模产品的数控加工自动编程，并能够对u g 辅助 处理列表曲线后所生成的g 代码进行编译处理，转化为差分插补代码，其结构组成如图 2 6 所示。 山东理t