基于零件族的数控编程实例

方振红, 方春华, 孙健, 周德民, 张伟

（中国兵器工业集团 江山重工研究院，湖北 襄阳 441100）

1 基于零件族的数控编程

1.1 零件族和成组技术

零件族是具有相似特征的零件所组成的族群。产品的模块化、标准化、系列化，产生了许多几何特征相似、加工要素相近的零件，形成了若干零件族。成组技术在机械加工方面的应用，主要是将多品种小批量的零件按其相似性分类，以形成零件族，寻求解决这一组问题相对统一的最优方案，以期取得规模经济效益[1]。

在CAD/CAM、CAPP、PDM系统中都用到了成组技术的思维和原理，成组技术与数控技术都能提高多品种小批量零件的生产效率。

1.2 基于零件族的数控编程

在数控编程工作中，按照成组技术原理，应尽可能地针对归并成组的零件族进行数控程序设计。基于零件族的数控编程，就是把具有共性（相似性）的工作集中进行，使其标准化、参数化，在避免低效重复劳动的同时，满足全族零件的数控加工需求。

原本UG软件的部件族工具，只是通过变量表达式创建一个模板零件，再使用电子表格中的数据，创建一系列类似的零件，实现快速参数化设计[2]。实际上，借助UG部件族工具，还可以实现基于零件族的数控编程。此外，通过UG的加工模板定制，也可以实现基于零件族的数控编程。

基于零件族进行数控编程，除了采用CAM软件，还可以采用手工宏程序。下面，结合圆模零件族的程序编制工作，展开论述。

2 圆模零件族的编程实例

某弯管机构，其组件圆模有7种规格，尺寸RA、RB、RC分别形成数值系列，构成零件族，如图1所示。

图1 圆模零件族图样

2.1 基于零件族的CAM自动编程

2.1.1 利用UG部件族工具编程

具体过程如下。

1）参数建模。包括创建表达式、应用表达式建模两个步骤。

2）创建加工工序。通常完成典型零件建模后，即可创建部件族。而我们的目的是基于零件族编程，所以暂时不创建部件族。进入加工模块，依照工艺方案，分别创建平面铣削、平面轮廓铣、钻孔、固定轴轮廓铣工序，如图2所示。

图2 圆弧环槽曲面加工

3）创建同族零件。包括部件族参数设置、编辑Excel表格、调用Excel表格参数3个步聚。

其中，在调用Excel表格参数时，应框选除第一行外的相应参数，再点击“加载项”菜单，在“部件族”下拉菜单中选择“创建部件”命令，从而在指定文件夹中生成其余圆模零件的UG文档，实现“从共性到个性”的参数化重用。

4）同族零件的CAM编程。部件族工具生成的圆模零件，都自动继承了典型零件加工工序中的相关参数，最大限度地重用了信息。因为它们的属性为只读，所以在刀轨重生后，需要改名另存。当某工序重生失败时，可以重建或重新指定驱动曲面，再重生刀轨。对所需工序刀轨进行后处理，即可获得具体零件的数控程序。

2.1.2 利用定制的加工模板编程

UG软件还可通过加工模板定制，实现基于零件族的数控编程，使参数标准化、劳动轻量化。其原理是：将精心配置完成、附含典型工序的复合零件的UG文档存储为模板文件，再进行信息重用。

利用加工模板编程有两大步骤。

1）定制加工模板，包括3个步骤。

a.几何视图和机床视图的模板设置。首先，展开工序导航器的几何视图，全选几何体GEOMETRY及其各级子项，在快捷菜单中选择“对象”的“模板设置”命令，勾选模板设置的两复选项；接着展开机床视图，进行机床视图的模板设置，同样勾选两复选项（如图3）。

图3 模板设置复选项

b.文件另存。将此圆模零件的.prt文档另存到NX安装目录下的metric模板文件夹，指定模板文件名称并确定。

c.编辑cam_general.opt文件。找到位于UG安装目录下的resource emplate_set文件夹，用记事本打开cam_general.opt文件，在文件中间的##行后面，按格式要求添加一行，新增模板文件YuanMu.prt（如图4）。保存，退出UG，完成加工模板的定制。

图4 CAM通用选项文件编辑

2）利用定制的加工模板编程。

重启UG,进入“加工”应用模块，弹出加工环境对话框，在“要创建CAM设置”栏就会呈现出新添加的YuanMu模板，选择YuanMu模板之后，可分别进入几何和机床视图，相应的工序和刀具都会展现于其中，而且相应的切削参数、非切削参数、加工策略设置等参数都在相关工序中得到了继承（如图5）。

图5 新定制的圆模加工模板

UG定制的加工模板，从工艺相似性的角度而言，适应的零件范围更广阔，提高了编程的自动化、标准化程度。

基于零件族编程, UG软件的两种途径有共同的缺点——无法共享数控程序。

2.2 基于零件族的宏程序

2.2.1 宏程序

宏程序完美契合了“基于零件族和成组技术进行参数化编程”的理念[4]，正好解决了CAM软件编程无法共享数控程序的缺点。

含有变量、算术或逻辑运算、条件判断、程序循环语句，用于完成一定功能的数控程序称为宏程序。宏程序最大的优点为：逻辑严密、短小精悍、修改方便、通用性强。这些特点正是手工编程得以保留、至今无法被CAM软件完全取代的重要原因[5]。

2.2.2 环槽加工特征宏程序的编制

选用直径为φ100厚6、刀片圆角为R3的T形槽铣刀，深度分层加工圆弧环槽曲面。

如附图6所示，RC圆心所在的XZ平面，刀片圆心轨迹分为3段，整个环槽加工特征的宏程序必然也分为3段。

图6 环槽模型及刀片圆心的轨迹

工件坐标系原点设在工件上表面的RB圆弧的圆心，3段圆弧曲面的编程模型原点皆为圆弧自身的圆心。以角度为自变量，X、Z轴坐标为因变量，相邻圆弧间的切点对应的角度，采用反正弦函数计算；R2圆弧的圆心Z轴坐标，采用勾股定理计算，发那科数控系统顺序结构的数控程序如下。

整个环槽加工特征的3段宏程序，用CIMCO 软件模拟仿真，生成的轨迹如图7所示。

图7 三段曲面宏程序完整的模拟轨迹

说明：圆弧刀片的T形槽铣刀，其刀位点为刀片圆心所在平面与刀具轴线的交点。因此，对刀时刀长要减去3 mm；加工其他规格的圆模，只需修改RB、RC的相应变量即可；如果RC圆弧规格较小，要提高加工效率，加大角度步距#5的赋值即可。更改后的程序无须重复调试，提高了加工效率。

3 结论

圆模零件族的编程实例表明：基于零件族进行数控编程，既可借助UG的部件族工具、加工模板定制，也可采用手工宏程序。基于零件族进行数控编程，可减少重复劳动，能提高生产效率。宏程序通用性好，修改方便，能最大限度地重用信息，无须重复调试，是零件族加工特征编程的最佳选择。