CN103197605B - 基于标准模板和表达式驱动的齿轮滚削cnc自动编程方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于标准模板和表达式驱动的齿轮滚削CNC自动编程方法。它包括以下步骤：1.通过人机交互界面，数控程序员选择工件和刀具，并设置必要的加工参数；2.系统自动调用滚削模型库中齿轮对应的数学模型，计算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；3.依据NC标准模板结构和模块自动生成齿轮的NC标准模板，建立齿轮模板库；4.系统从齿轮模板库中调用NC标准模板和从工艺参数数据集中提取参数值，通过表达式驱动算法完成对NC标准模板的实例化，得到数控加工程序。本发明的优点是：能实现齿轮滚削的自动编程。

Description

基于标准模板和表达式驱动的齿轮滚削CNC自动编程方法

技术领域

本发明属于数控机床的应用，具体涉及到一种齿轮滚削CNC自动编程方法。

背景技术

现有数控机床(CNC)的程序编制方法主要有：(1)手工编程；(2)图形交互方式的CAD/CAM技术；(3)运用数控系统宏指令(R指令)模板的参数化编程方法。传统的手工编制数控程序的方式存在效率低、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，但需要建立待加工零件的CAD模型，并进行相应的工艺规划和刀具定义，加工周期长，工作量大，对工人的技术要求较高，影响了加工成本和生产效率。运用数控系统宏指令(R指令)模板的参数化编程方法，能够实现单一产品的数控加工，但忽略了工件间的结构和工艺上的相似性，且只适应特定数控系统的单个机床，对相同数控系统的其他机床或不同数控系统的机床都需重新定义R指令参数，重复工作量大，自适应性不足。目前，人们还没有找到适用普通数控机床的自动编程方法，但针对结构特征相对固定的通用零件制造，研究一种相对通用、快捷高效、低成本，能自适应特定加工环境的自动编程方法是可行的，并具有实用价值。

发明内容

针对上述手工编程和图形交互式CAD/CAM自动编程的不足，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于标准模板和表达式驱动的齿轮滚削CNC自动编程方法，它能实现齿轮滚削数控加工中数控程序的自动编制。

为了解决上述的技术问题，本发明包括以下步骤：

步骤1，通过人机交互界面，数控程序员选择工件和刀具，并设置必要的加工参数；

步骤2，系统自动调用滚削模型库中齿轮对应的数学模型，计算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；

步骤3，依据NC标准模板结构和模块自动生成齿轮的NC标准模板，建立齿轮模板库；

所述NC标准模板定义为一个四元组，Template＝<ID,S,P,O>，其中ID是模板的唯一标志；S是对象操作者；P是操作的约束规则集合；O是模板中的对象集合；

所述NC标准模板结构定义为一个二元组A＝<PE,CH>，其中，PE是PE的集合，CH是CH的集合，表示种类为i的模块j，表示种类为k的通信通道l，r＝|PE|表示模块总数；

所述模块定义为一个六元组，ChildrenTemplate＝<ID,S,P,O,T,N>，其中ID是模块在NC标准模板上的编号；S是信息操作者；P是操作的约束规则集合；O是模块中的信息集合；T是模块的类型标志；N是模块在类型内的编号；

上述生成齿轮的NC标准模板的步骤包括，

步骤S401，读取NC标准模板结构；

步骤S402，控制向量转到NC标准模板结构上的标记结点号j，起始结点j＝0，读取结点模块类型i；

步骤S403，若转入步骤S404；否则，转入步骤S405；

步骤S404，模块为新类型的模块，同类型模块数量m＝0；

步骤S405，根据模块类型i，覆盖搜索模块资源库；

步骤S406，判断是否找到匹配类型的模块，若是，则执行步骤S407，否则转入步骤S411；

步骤S407，同类型模块数量m＝m+1；

步骤S408，模块ID赋值为j，N赋值为m；

步骤S409，读取模块数据表中的信息并插入NC标准模板数据表中，结点号j＝j+1；

步骤S410，判断j>r，若是，执行步骤S411，否则，转入步骤S402；

步骤S411，程序结束；

步骤4，系统从齿轮模板库中调用NC标准模板和从工艺参数数据集中提取参数值，通过表达式驱动算法完成对NC标准模板的实例化，得到数控加工程序。

由于本发明在齿轮滚削加工过程中建立每类齿轮单元的滚削数学模型和预设NC标准模板，利用表达式驱动算法完成对NC标准模板的实例化，自动生成数控加工程序，加载至数控机床即可进行加工，实现了齿轮滚削的自动编程，简化齿轮滚削数控编程的流程，降低了编程人员技术要求，提高编程效率；另外，本发明还具有以下技术效果：

有利于标准化：对各齿轮类制定NC标准模板，有利于齿轮滚削加工工艺的标准化，保证产品的质量；

支持重用：NC标准模板由许多相互独立的模块组成，这些模块可被重复调用组建为新的NC标准模板，NC标准模板的可重组性使得系统具有开放性；

具有独立性：本发明独立于机床的数控系统，开发的系统在PC机或数控机床操作平台上均可独立完成数控程序的编制功能，并生成通用的数控加工程序；

具有开放性：根据不同加工要求，支持增加新的模块资源，或对已有的模块进行修改。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1本发明中基于成组技术的齿轮分类树；

图2本发明中渐开线圆锥齿轮的加工示意图；

图3本发明中滚削工艺任务流图到NC标准模板结构的映射关系图；

图4本发明中NC标准模板生成算法流程图；

图5本发明中表达式驱动算法流程图。

具体实施方式

本发明的思路是：利用成组技术的原理，根据齿轮的几何特征的相似性建立齿轮数学模型，根据齿轮加工工艺特征的相似性预设NC标准模板结构，根据NC代码的相似性预设模块，通过人机界面设置必要的加工参数，即可确定出齿轮滚削加工的工艺参数和NC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，生成NC代码文件。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明的基于标准模板和表达式驱动的齿轮滚削CNC自动编程方法，包括以下步骤：

步骤1，通过人机交互界面，数控程序员选择工件和刀具，并设置必要的加工参数；

步骤2，系统自动调用滚削模型库中齿轮对应的数学模型，计算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；

步骤3，依据NC标准模板结构和模块自动生成齿轮的NC标准模板，建立齿轮模板库；

步骤4，系统从齿轮模板库中调用NC标准模板和从工艺参数数据集中提取参数值，通过表达式驱动算法完成对NC标准模板的实例化，得到数控加工程序。

本发明是基于成组技术的原理，将齿轮按其几何特征和工艺特征的相似性进行分组，将每个齿轮组定义为一个齿轮类。如图1所示，根据齿轮结构特征和工艺特征的相似性，齿轮类分为圆柱齿轮类、圆锥齿轮类、涡轮类、鼓形齿轮类、曲线齿轮类等基本齿轮单元类以及由齿轮单元组成的多联齿轮派生类，派生类继承了其组成单元类的基本属性，齿轮对象的属性可分为几何属性和工艺属性；几何属性包括齿轮的外形几何参数；工艺属性主要有加工过程中切削量参数、定位参数、切削条件参数，补偿参数等。

上述步骤2中，齿轮数学模型的建立如下：

同一类齿轮具有相似的结构特征和工艺特征，由此可对每类齿轮建立其滚削加工数学模型，通过求解数学模型，可以得到该齿轮对象的加工路径刀具点位坐标。

齿轮建模的关键在于确定加工时滚刀和齿轮间的中心距、切入行程、切出行程和刀具的插补方式。所有的刀具点位坐标值及其他工艺参数值构成了滚削工艺参数数据集，并用Access数据库保存。

下面以渐开线圆锥齿轮为例阐述齿轮的滚削数学模型建立过程：

如图2所示，渐开线圆锥直齿轮加工时，滚刀刀具中心运动轨迹是一条平行于滚刀和工件切削深度锥线l_BC的直线，只要确定切入、切出时的刀具中心坐标即可推导出中心距方程和切入、切出行程。图2中：X-O-Z为工件坐标系，X₀-O₀-Z₀为刀具坐标系，ΔH为切入行程，E为切出行程，B为齿宽，H为胎具高度，d_a1为齿轮外径，l_BC为切削深度锥线，A为切入时滚刀与工件的接触点，P为切入时滚刀与切削深度锥线的切点，θ_R为齿轮锥角，θ_r为滚切锥角。

(1)工件坐标系中的滚刀截面方程

齿轮滚削时，由于存在滚刀安装角η，滚刀在竖直平面内的截面是椭圆，其在工件坐标系X-Y-Z中的椭圆曲线方程为：

${\left(\frac{X-X_O}{d_{\mathrm{ao}}/2}\right)}^2+{\left(\frac{Z-Z_O}{(d_{\mathrm{ao}}/2)/\cos \mathrm{\&eta;}}\right)}^2=1---\left(1\right)$

式中X₀、Z₀分别为滚刀椭圆截面在工件坐标系X-O-Z平面中的中心坐标，η为滚刀安装角。

(2)滚刀安装角、滚切锥角、差动螺旋角的计算

滚刀安装角η可按下式确定：

sinη＝sinτ·cosθ_R

式中θ_R为齿轮锥角，τ为滚刀轴线在节平面上的投影倾斜角，其计算公式为：

τ＝β₁±λ₀

式中“+”号用于滚刀和工件旋向相同时；“-”号用于滚刀和工件旋向相反时；β₁为工件螺旋升角；λ₀为滚刀螺旋角。

为了切出齿轮的锥度，滚刀须沿工件的轴向和径向同时走刀。滚刀轴线的合成平移速度与工件轴线间的夹角即为滚切锥角θ_r，可按下式确定：

$\tan {\mathrm{\&theta;}}_r=\tan {\mathrm{\&theta;}}_R\&CenterDot;\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\&tau;}{\tan }^2{\mathrm{\&theta;}}_R}$

滚刀加工锥齿轮时，刀具和工件间除有分齿运动外，还应有差动运动。差动螺旋角β_i。计算公式为：

$\tan {\mathrm{\&beta;}}_i=\frac{\tan {\mathrm{\&beta;}}_1-{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_R\&CenterDot;\tan \mathrm{\&tau;}}{\cos {\mathrm{\&theta;}}_R}$

(3)渐开线锥齿轮的齿轮滚削加工中心距、导入、导出行程的计算

参见图2，容易得到工件上A、B两点的坐标：

A(d_a1/2-B·tanθ_R，B+H)，B(R_f-B·tanθ_r，B+H)

则切削深度锥线l_BC的直线方程：X＝R_f+(H-Z)tanθ_r。点P、C分别为切入、切出滚刀椭圆截面与l_BC的切点，有X_P＝R_f+(H-Z_p)tanθ_r。点P处，对滚刀椭圆截面方程求一阶导数： $\frac{d_Z}{d_X}=\frac{X_0-X_P}{{\cos }^2\mathrm{\&eta;}(Z_p-Z_0)}=-\frac{1}{\tan {\mathrm{\&theta;}}_r},$ 联合上式得：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_p=\frac{(R_f+H\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&theta;}}_r-Z_0\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&theta;}}_r){\cos }^2\mathrm{\&eta;}+X_0\&CenterDot;{\tan }^2{\mathrm{\&theta;}}_r}{{\cos }^2\mathrm{\&eta;}+{\tan }^2{\mathrm{\&theta;}}_r}\\ Z_P=\frac{(R_f-X_0)\tan {\mathrm{\&theta;}}_r+{\cos }^2\mathrm{\&eta;}\&CenterDot;Z_0+H\&CenterDot;{\tan }^2{\mathrm{\&theta;}}_r}{{\cos }^2\mathrm{\&eta;}+{\tan }^2{\mathrm{\&theta;}}_r}\end{array}\right.$

将A(X_A，Z_A)，P(X_P，Z_P)代入椭圆截面方程(1)求解滚刀中心坐标(X₀，Z₀)：

$\left\{\begin{array}{c}{\left(\frac{X_P-X_0}{d_{a0}/2}\right)}^2+{\left(\frac{Z_P-Z_0}{d_{a0}/2/\cos \mathrm{\&eta;}}\right)}^2=1\\ \left(\frac{X_A-X_0}{d_{a0}/2}\right)2^{}+{\left(\frac{Z_A-Z_0}{d_{a0}/2/\cos \mathrm{\&eta;}}\right)}^2=1\end{array}\right.$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{X}_0\&Element;(d_{a1}/2-B\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&theta;}}_R,R_f-B\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&theta;}}_r)\\ Z_0\&Element;(B+H,B+H+d_{a0}/2/\cos \mathrm{\&eta;})\end{array}\right.---\left(2\right)$

对刀时的中心距：a＝X₀+Δa  (3)

切入行程：ΔH＝Z₀-B-H  (4)

考虑胎具的影响，切出行程不宜过大，可按(5)式计算：

E＝1.25m_n1·sinη/tanα_n1  (5)

上述步骤3中，齿轮模板库的建立如下：

根据齿轮滚削加工工艺描述中重复出现的指令序列，这些指令序列能实现一定的加工功能，将这种程序相似的结构定为一个模块；依据每类齿轮的加工工艺过程设置对应的NC标准模板结构，用一个NC标准模板结构来组合各种模块形成一个NC标准模板；各类齿轮的NC标准模板组成了齿轮模板库。

定义1 NC标准模板是一个四元组，Template＝<ID,S,P,O>，其中ID是模板的唯一标志；S是对象操作者；P是操作的约束规则集合；O是模板中的对象集合。

(1)滚削工艺过程的表示

本发明采用任务流图来表示齿轮滚削加工工艺过程。

定义2 工艺任务流图是一个加权有向无环图G＝<V,E>，其中V是任务流图中结点的集合，E是边的集合。vi∈V表示任务i,边ek＝〈vi,vj〉∈E表示任务i与j之间的数据依赖关系1；结点vi上的权t i指出了该结点所表示的任务类型。工艺任务流图对齿轮滚削加工的工艺流程进行划分，一个或几个工序对应为一个独立的任务，并反映各任务间的数据依赖关系。工艺任务流图中每一个结点表示一个任务，其权相表示该任务的类型，任务按出现先后顺序进行编号(结点号)，数据流总是从上一个结点传递到下一个结点。例如，渐开线圆锥直齿轮的工艺任务流图可表示为：

(2)抽象NC标准模板结构

齿轮滚削数控加工工艺中所使用的资源可分为两类：实现各工艺任务的资源称为模块或NC处理单元(Processing Element PE)；实现处理单元间通讯的资源称为通信通道(Communication Chanel CH)。由此可以抽象出NC标准模板的结构：

定义3NC标准模板结构为一个二元组A＝<PE,CH>，其中，PE是PE的集合，CH是CH的集合，表示种类为i的模块(或NC处理单元)j，表示种类为k的通信通道l，r＝|RE|表示模块(或NC处理单元)总数。

如图3所示，根据定义2和定义3可以得出滚削工艺任务流图和NC标准模板结构之间的映射关系:V→PE，E→CH；ti→i；在NC标准模板结构中，模块资源构成处理单元集合，并通过总线连接；工艺任务流图划分并映射到NC标准模板结构中后，由控制器生成任务执行的控制向量，并通过存储器实现任务间的通信。

本发明中的每类齿轮NC标准模板结构是预先定义好的。操作者也可以通过人机交互界面制定新的模板结构，并保存在Access数据库中的NC标准模板结构数据表中，其数据表结构字段包括：ID字段，模块类型名字段，模块编号字段。

(3)模块

NC标准模板由许多相对独立的标准的基本功能模块组成，模块是数控加工过程中一部分相对独立的功能，各模块相对其他模块来说都是可替换的，这也使得NC标准模板具有可重组性。当需要加工新的产品时，就可以利用原有的一些NC标准功能的模块组建新的NC标准模板。模块作为NC标准模板的组成单元，其定义为：

定义4模块是一个六元组，ChildrenTemplate＝<ID,S,P,O,T,N>，其中ID是模块在NC标准模板上的编号；S是信息操作者；P是操作的约束规则集合；O是模块中的信息集合；T是模块的类型标志；N是模块在同类型内的编号。

本发明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<ID,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(ID)、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(O)承载了模块的主体信息，其实例化结果为NC代码。

齿轮滚削加工NC标准的模块包含以下几类功能模块组成：主程序模块、加工准备模块、同步运动控制模块、窜刀控制模块、切削条件控制模块、刀具轨迹控制模块、换刀模块。

NC标准模板库和模块均用Access数据库存储，每一个齿轮类的NC标准模板对应数据库中一个模板数据表，每一个模块对应数据库中一个模块数据表。本发明中模板数据表和模块数据表采用相同的数据表结构，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，分别存储模块对应的六类表达式信息。本发明中所有模块表中信息均预先制定完成，在生成NC标准模板时供系统直接调用。

上述步骤3中，调用NC标准模板结构生成NC标准模板

NC标准模板结构是NC标准模板的骨架，在NC标准模板结构中填充相应的模块则生成NC标准模板。

如图4所示，生成NC标准模板的过程如下：

在步骤S401，读取NC标准模板结构；

在步骤S402，控制向量转到NC标准模板结构上的标记结点号j(起始结点j＝0)，读取结点模块类型i；

在步骤S403，若转入步骤S404；否则，转入步骤S405；

在步骤S404，模块为新类型的模块，同类型模块数量m＝0；

在步骤S405，根据模块类型i，覆盖搜索模块资源库；

在步骤S406，判断是否找到匹配类型的模块，若是，则执行步骤S407，否则转入步骤S411；

在步骤S407，同类型模块数量m＝m+1；

在步骤S408，模块ID赋值为j，N赋值为m；

在步骤S409，读取模块数据表中的信息并插入NC标准模板数据表中，结点号j＝j+1；

在步骤S410，判断j>r(总模块数)，若是，执行步骤S411，否则，转入步骤S402；

在步骤S411，程序结束。

上述流程中，N是模块在同类型内的编号。在步骤S403，进行模块类型判别时，若此模块的类型为新出现的类型，则该类型模块数量m初始值赋为0，否则m为模板中此类型已有的模块数。在模块库中存在搜索类型的模块则m值加1，模板上模块在同类型内的编号N赋值为m，否则算法结束并提示用户模块类型不存在。

上述步骤4中，对NC标准模板的实例化

首先，从齿轮模板库中调用NC标准模板，从工艺参数数据集中调用加工工艺参数值对NC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。

如图5所示，表达式驱动算法的基本步骤如下：

在步骤S501，读取当前模块类型和模块号，获取对应工艺参数数据，初始化参数变量；

在步骤S502，判断当前记录n≤max(ID)，若是，执行步骤S503；否则，转入步骤S509；

在步骤S503，判断是否需要计算中间参变量，若是，执行步骤S504；否则，转入步骤S506；

在步骤S504，判断是否满足计算条件，若是，执行步骤S505；否则，n＝n+1，转入步骤S502；

在步骤S505，计算中间参变量；

在步骤S506，读取输出信息表达式(O)，参变量赋值，生成NC代码行；

在步骤S507，判断是否满足输出条件，若是，执行步骤S508，否则，n＝n+1，转入步骤S502；

在步骤S508，将输出信息表达式结果输出到结果表，执行n＝n+1，转入步骤S502；

在步骤S509，输出结果表，将NC代码保存到NC文件中；

在步骤S510，程序结束。

上述流程中，n是当前记录在模板的编号ID，初始值为1。输出信息表达式由NC指令和参数变量组成，其进行参数替换后的结果为一条NC代码，当判断模板数据表中该条记录的输出条件为真时，则将此条NC代码输出到结果数据表中保存，当完成所有记录行的参数替换工作后，将结果数据表中的NC代码输出到NC文件中保存。

Claims (2)

1.基于标准模板和表达式驱动的齿轮滚削CNC自动编程方法，包括以下步骤：

步骤1，通过人机交互界面，数控程序员选择工件和刀具，并设置必要的加工参数；

步骤2，系统自动调用滚削模型库中齿轮对应的数学模型，计算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；

步骤3，依据NC标准模板结构和模块自动生成齿轮的NC标准模板，建立齿轮模板库；

所述NC标准模板定义为一个四元组，Template＝<ID,S,P,O>，其中ID是模板的唯一标志；S是对象操作者；P是操作的约束规则集合；O是模板中的对象集合；

所述NC标准模板结构定义为一个二元组A＝<PE,CH>，其中，PE是PE的集合，CH是CH的集合，表示种类为i的模块j，表示种类为k的通信通道l，r＝|PE|表示模块总数；

所述模块定义为一个六元组，ChildrenTemplate＝<ID,S,P,O,T,N>，其中ID是模块在NC标准模板上的编号；S是信息操作者；P是操作的约束规则集合；O是模块中的信息集合；T是模块的类型标志；N是模块在类型内的编号；

上述生成齿轮的NC标准模板的步骤包括，

步骤S401，读取NC标准模板结构；

步骤S402，控制向量转到NC标准模板结构上的标记结点号j，起始结点j＝0，读取结点模块类型i；

步骤S403，若转入步骤S404；否则，转入步骤S405；

步骤S404，模块为新类型的模块，同类型模块数量m＝0；

步骤S405，根据模块类型i，覆盖搜索模块资源库；

步骤S406，判断是否找到匹配类型的模块，若是，则执行步骤S407，否则转入步骤S411；

步骤S407，同类型模块数量m＝m+1；

步骤S408，模块ID赋值为j，N赋值为m；

步骤S409，读取模块数据表中的信息并插入NC标准模板数据表中，结点号j＝j+1；

步骤S410，判断j>r，若是，执行步骤S411，否则，转入步骤S402；

步骤S411，程序结束；

步骤4，系统从齿轮模板库中调用NC标准模板和从工艺参数数据集中提取参数值，通过表达式驱动算法完成对NC标准模板的实例化，得到数控加工程序。

2.根据权利要求1所述的基于标准模板和表达式驱动的齿轮滚削CNC自动编程方法，其特征在于：所述步骤4中表达式驱动算法完成对NC标准模板的实例化的步骤包括，

步骤S501，读取当前模块类型和模块号，获取对应工艺参数数据，初始化参数变量；

步骤S502，判断当前记录n≤max(ID)，若是，执行步骤S503；否则，转入步骤S509；

步骤S503，判断是否需要计算中间参变量，若是，执行步骤S504；否则，转入步骤S506；

步骤S504，判断是否满足计算条件，若是，执行步骤S505；否则，n＝n+1，转入步骤S502；

步骤S505，计算中间参变量；

步骤S506，读取输出信息表达式，参变量赋值，生成NC代码行；

步骤S507，判断是否满足输出条件，若是，执行步骤S508，否则，n＝n+1，转入步骤S502；

步骤S508，将输出信息表达式结果输出到结果表，执行n＝n+1，转入步骤S502；步骤S509，输出结果表，将NC代码保存到NC文件中；

步骤S510，程序结束。