基于成组技术和标准模板的滚齿CNC自动编程

李荣辉

（广东长盈精密技术有限公司广东东莞523000）

摘要：针对滚齿数控加工的自动编程问题，提出一种基于成组技术和标准模板的滚齿CNC自动编程方法。本方法利用成组技术的原理，根据齿轮的几何特征和工艺特征的相似性对齿轮工件进行分类，建立每类齿轮单元的滚削数学模型，并在工艺决策知识库支撑下，确定出滚齿加工的工艺参数；根据滚削数控代码结构的相似性，抽象出每类齿轮单元的滚削数控代码标准模板，并运用表达式驱动算法完成对标准模板的实例化，自动生成NC代码，实现了滚齿加工的模块化、参数化数控程序设计。开发了基于西门子840D数控系统的滚齿自动编程系统，在某型号滚齿机上的应用表明编程效率高、算法可靠性强.

关键词：滚齿；CNC自动编程；成组技术；标准模板

前言

随着制造业向信息化、智能化和可定制方向的发展，企业的生产模式也从过去单一品种、大批量生产向多品种小批量生产的模式转变，这对产品的生产效率提出了更高的要求。数控程序的编制是制约齿轮数控生产效率的重要因素，传统的手工编制数控程序方式存在效率低、出错率高、只适用单一零件的加工等缺点。以图形交互方式的CAD/CAM技术能够实现自动编程，通用性好，但需预先建立待加工零件的CAD模型，并进行相应的工艺规划和刀具定义，编程周期长，工作量大，对编程人员的技术要求较高。文献提出了一种改进的图形交互方式的CAD/CAM技术，运用成组技术和可重用技术简化了工艺规划流程，但其生成数控代码须依赖第二方数控软件，与机床数控系统集成较为困难。文献提出了一种运用数控系统宏指令（R指令）模板的参数化编程方法，编程效率较高，但其宏指令模板的可扩展性较低。滚齿数控加工具有工件结构特征和工艺特征相对固定，走刀路径和循环方式相对简单的特点，针对此类通用基础零件制造，研究一种快捷高效、扩展性好、对编程人员技术要求低，并能与数控系统良好集成的自动编程方法，具有可行性和实用价值。

一、基于成组技术和标准模板的滚齿CNC自动编程思想

齿轮是典型的通用零件，其几何特征、工艺过程和数控代码结构都存在极大的相似性。合理利用零件间的相似性是提高其加工效率的关键。本文提出方法的主要思想是：利用成组技术的原理，根据齿轮的几何特征和工艺特征的相似性对齿轮工件进行分类，建立齿轮类单元的滚削数学模型，在工艺决策知识库支撑下，确定出滚齿加工的工艺参数；根据滚削数控代码结构的相似性，抽象出每类齿轮单元的滚削数控代码标准参数化模板，并运用表达式驱动算法完成对标准模板的实例化，自动生成NC代码。其基本流程如图1所示，通过人机交互界面，技术人员按照加工计划，将待加工的齿轮工件信息入库管理；加工时只需选择工件和刀具，并设置必要的加工参数，工艺决策知识库自动完成切削用量的优化决策，再调用模型库中对应的齿轮类滚削数学模型，生成刀具加工路径点坐标值，确定加工所需的全部工艺

参数数据并保存至数据库：调用模板库中对应的齿轮NC标准模板，提取工艺参数数据集中的参数值，通过表达式驱动算法完成对标准模板的实例化，生成NC代码并保存到NC文件中，加载至数控系统即可控制机床进行滚齿加工。

二、基于成组技术的齿轮分类和建模

2.1基于成组技术的齿轮分类

成组技术（GroupTechnologyGT）的核心是成组工艺，即把结构、材料、工艺相似的零件组成一个零件族，按零件族制定加工工艺，从而扩大了批量、减少了品种、便于采用高效方法、提高了劳动生产率。成组技术最基本的原理是“相似性”，包括产品零件的几何形状、结构特征的相似性，制造零件工艺的相似性，材料毛坯的相似性等。一般齿轮按其齿形轮廓曲线、发生线以及齿宽方向的变形等可分为不同的种类，分类基准的选取将决定齿轮类的大小和适用性，影响成组工艺的制定和数控加工模型的建立，最优的分类方案是以最少的零件组数覆盖最多的零件数。

三、基于标准模板的参数化自动编程方法

模板技术是基于重用技术和事物相似性原理，从一类类似的事物中抽象出一种框架模板的方法。经过成组技术分类的各齿轮类的滚削加工工艺过程存在相似性，包括计算相似性、控制相似性及其他统计意义上的相似性。本文提出的基于模板的参数化自动编程方法，其主要思想是分析和提取齿轮滚削加工工艺描述中重复出现的相似结构，并重用这些相似结构组合成系统实现加工功能，这些相似结构抽象为模块，其组合的系统抽象为NC标准模板，各类齿轮的标准NC代码模板组成了齿轮NC模板库。在NC标准模板中，滚削加工过程中所涉及的工艺参数均定义为相应的参数变量，参数化自动编程的过程即为标准模板中参数变量的实例化过程。3.2基于表达式驱动算法的标准NC模板实例化过程

本文提出的方法将齿轮滚削加工全部工艺参数值定义为相应的参数变量，其相互间的关系体现为各类关系表达式。根据模块的定义，模块的<m，O，P，S，T，N>六个组成元素可定义为六类关系表达式，包括：序号表达式（m）、输出信息表达式（O）、计算表达式（（S）、条件表达式（（P）、类型标识表达式（T）、模块编号表达式（N）等。其中，输出信息表达式承载了模块的主体信息，其实例化结果为NC代码。标准模板库可用Access/SQL数据库存储，每一个齿轮类的标准模板对应数据库中一个模板数据表，模板中每一条NC代码对应数据表中的一条记录。数据表结构由ID、输出信息、计算公式、公式计算条件、输出条件、模块标识、模块号等字段组成，分别存储对应的六类表达式信息。

基于模板的参数化自动编程的核心为基于表达式驱动的标准NC模板实例化过程，其主要流程为：首先，将通过人机交互界面产生的数控加工工艺参数值对标准模板中各模块对应的参数变量进行初始化；然后，利用表达式驱动算法对模板数据表中的记录逐条进行解码，并将解码结果写入结果数据表；最后，将代码结果数据表中的记录输出到NC文件，并储存供生产调用。

四、系统的开发及应用实例

4.1系统开发过程

本文在基于成组技术和模板技术的滚齿CNC参数化自动编程方法的基础上，针对西门子840D数控系统进行了二次系统开发。系统主要由数控程序编制模块、工件库管理模块、刀具库管理模块、加工历史库管理模块等组成。数控程序编制模块具有加工齿轮选型、加工刀具自动匹配、工艺参数决策、加工参数设置、加工路径检查与仿真等功能，数控程序员只需完成简单少量的加工参数设置即可生成工件的NC代码。工件管理模块和刀具管理模块能够对待加工的工件和刀具进行完善的管理。加工历史库管理模块用于加工历史信息和NC文件的管理。

系统各功能界面采用VB语言设计，遵循良好的人机工程学原理，并采用了西门子系统OEM开发包提供的DCTL，McEdit，McOption，Disp等控件，保证了开发界面和西门子原有界面切换协调的兼容性和稳定性。系统涉及的数据均采用ACCESS数据库文件存储，齿轮类数学模型算法、工艺决策知识库算法和标准模板参数替换算法均封装在由VC语言开发的动态链接库DLL文件中。系统开发过程中，采用动态数据交换DDE技术，实现人机通信界面（MMC）与数控单元（NCK），PLC间的通信。通过操作面板输入编程参数和工艺参数，经自动运算在MMC中生成NC程序，将NC程序加载至NCK后，数控机床执行指令从而进行零件加工。

4.2测试与应用

在某大型企业的六轴四联动全数控滚齿机上进行了应用，测试了滚齿数控程序编制、区域保护、过程运算库即时纠错、操作权限管理、刀具路径仿真检查和动态显示现场参数等功能。以加工渐开线圆锥直齿轮，采用逆一顺铣走刀方式为例。

小结

本文针对滚齿数控加工的自动编程问题，提出一种基于成组技术和标准模板的滚齿CNC自动编制方法。本文方法利用成组技术的原理对齿轮工件进行分类，并建立每类齿轮单元的滚削数学模型和数控代码标准模板。在本文方法的支撑下，用户仅需通过人机交互界面设置必要的加工参数，即可自动生成NC代码，实现了滚齿加工的模块化、参数化数控程序设计。应用表明本文方法有效提高了编程效率，解决企业多品种小批量生产模式与数控编程效率不足的矛盾，降低了对编程人员的技术要求，节省企业成本。本文方法还适用于编程参数和工艺参数固定、有限的数控加工方法，包括磨齿、插齿等。下一阶段的研究重点主要为标准NC代码模板结构的自动划分与优化方法。

参考文献：

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[3]王时龙，康玲数控滚齿自动编程技术的研究闭.中国机械工程，200819（16）：1955-1958.