机械设计与制造 MachineryDesign＆Manufacture 第1期 2013年1月113 转塔冲床加工工艺规划与数控编程研究 王文龙，钟佩思，韩迎迎，李桂莉，刘梅 （山东科技大学先进制造技术研究中心，山东青岛266590） 摘要：分析了数控转塔冲床的工作原理和特点，并通过对相关路径优化算法的研究与总结，提出了针对不一样孔加 工的基于时间最短的数控转塔冲床加工工艺路径规划算法，包括阵列式和复合式工艺路径规划算法，分析了数控编程系 统的基本的功能结构并进行了必要的图示，划分了数控编程系统的功能模块并给出了具体描述，阐述了基于ObjectARX 的AutoCAD二次开发基本流程，基于VisualStudio环境开发了转塔冲床数控编程系统，并进行了实例验证。关键词：数控 转塔冲床；工艺路径规划；数控编程；ObjectARX 中图分类号：TH16；TG385.1文献标识码：A文章编号：1001-3997（2013）01-0113-03 ProcessPlanningandNcProgrammingforTurretPunchPress WANGWen-long，ZHONGPei-si，HANYing-ying，LIGui-li，LIUMei （AdvancedManufacturingTechnologyCenterShandongUniversityofScienceandTechnology，ShandongQingdao266590， China） Abstract：Thebasicstructureandworkingprincipleoftheturretpunchpresswereanalyzed，andthefunctionmodulesofthe automaticprogrammingsystemwereestablishedbasedonthesystemfunctionmoduledivision.ThecharacteristicsoftheNC turretpunchpressweresummarizedandthemethodofprocesspathplanningaimingatdifferenttypesofholewasputforward. TheprocessoftheAutoCADSecondarydevelopmentbasedontheObjectARXwaselaborated，andtheprocessprogramming systemwasrealizedwithanexamplebasedonVisualStudio. KeyWords：NCTurretPunchPress；ProcessPlanning；NcProgramming；ObjectARX 1引言 装备制造业是国家重要的基础工业，也是国民经济发展的 重要支撑。随时代发展和科学技术进步，CAD/CAM集成已成为现代 制造业发展中的一项关键技术。数控化、柔性化、模块化和高性能 已成为转塔冲床发展的必然趋势，而数控编程是实现CAD/ CAPP/CAM较为重要的环节，完善、高效的数控编程系统能够较 大的提高转塔冲床整体的加工性能 [1] 。AutoCAD作为应用广泛的 计算机辅助设计与绘图软件，具备比较好的通用性、多种工业标准 和开放的体系结构 [2] 。ObjectARX开发工具提供了各种工具类库， 可以方便利用AutoCAD开放结构可以进行数据库、图形系统和本地 命令的直接访问，使得基于AutoCAD的数控编程系统的开发成 为可能，现已实现了初步应用 [3-4] 。基于VisualStudio开发环境，应 用C++高级编程语言，调用ObjectARX类库中成员函数进行系统 实现，直接从AutoCAD的数据库中获取加工数据信息，做必要 的加工工艺路径规划后，自动生成数控加工代码文件，旨在提高 数控加工程序代码的编程效率和质量。 2数控转塔冲床工作原理 数控转塔冲床作为一种通用、高效、高精密的冲压设备，拥 有多个工位并能实现快速换模，主要组成部分有：数控系统、伺服 系统、电气系统、传动系统、床身及基本辅助器件。数控转塔冲床 大多数都用在薄板成型加工，加工板材厚度在（0.5~6）mm之间，能够 实现板材的冲孔、拉伸、成型等功能。转塔即机床模具库，上面装 有多组模具，由于冲压模具有上下模之分，因此转塔也分为上下 转塔，模具的上模部分装在上转塔上，下模部分装在下转塔对应 的位置上，模具均采用螺栓做固定。X、Y轴的伺服系统及其传 动机构组成转塔冲床的工作平台，在数控系统的控制下实现各种 运动 [5] 。 数控转塔冲床工作时，夹钳系统将板料固定在工作台的运 动横梁上，数控系统通过解码数控加工程序后输出控制信号对各 轴进行实时运动控制，夹钳固定着板料在工作台上运动并实现准 确定位，接着控制管理系统发出冲头动作指令，完成冲压工作，整个加 工过程完全按照数控加工代码顺序完成。数控转塔冲床主要进行 二维平面的点位加工，高效数控转塔冲床工作速度可达到（100~ 150）r/min，由冲压加工特点可知，在冲压的过程中板材需要进行 准确的定位，因此对数控系统的实时性要求很高。 3数控转塔冲床加工工艺路径规划 数控转塔冲床主要的加工方式有：单冲、同方向或多方向的 连续冲裁、复合加工、单次成形和阵列成形等，加工工艺路径优化 是提高生产效率的有效途径，可以提高机床的加工精度，延长数 控机床的使用寿命。现阶段数控转塔冲床进行工艺路径的优化主 来稿日期：2012-03-16 基金项目：山东省自然科学基金资助项目（ZR2011EEM014） 作者简介：王文龙，（1987-），男，山东临沂人，在读研究生，硕士，主要从事CAD/CAM、先进设计与制造技术等方向的学习与研究； 钏佩思，（1966-），男，山东莱阳人，博士，教授，博士生导师，主要从事现代设计方法与CAD/CAM技术 ： Y X （a） （b） 图1阵列式（线性）工艺路径规划算法实例 Fig.1TheExample of the Linear Path Planning Y X 图 2 复合式加工算法实例 Fig.2 The Example of the Combined Machining Path Planning 114 王文龙等：转塔冲床加工工艺规划与数控编程研究 第 1 期 要基于几种常用的优化算法如最邻近算法、最小数加权近似法、 插入法和多边交换调整算法等 [6] 。 通过对相关路径优化算法的研究与总结，综合数控转塔冲 床加工特点，提出了一种数控转塔冲床的加工路径规划方法，即 首先进行模具调用规划，然后再进行路径优化。将零件图形按照 是否存在对应模具划分为模具图形和非模具图形，相应的按照是 否需要人工辅助进行模具选择将数控转塔冲床的加工模式划分 为自动冲孔和半自动冲孔，不同类型的零件图形使用不同加工模 式。由于模具的调换占用时间较长，并且经常性、不间断的模具调 换也会影响数控转塔冲床的使用寿命，因此在进行工艺路径规划 时以模具的调换次数最少为原则，在保证加工精度的同时最大限 度的提高转塔冲床的加工效率，并能够延长机床的使用寿命，具 体规划算法为： （1）提取到各零件图形的中心坐标后，按照一定的格式如 X ［0，1，2，3...，n］进行编号，其中 X［0］为原点坐标。 （2）模具匹配之后，将使用同一模具的零件图形实体放置在 相同图层上，随机选择任一图层进行各点与原点之间的距离计算 并进行排序，选取距离最小的图形实体并确定其 ID，然后对所有 图层执行相同的操作，存储并排序。 （3）找到距原点最近的零件图形实体，通过其属性找到所在 的图层，然后在图层上进行实体的遍历，确定实体的 ID 及对应的 坐标并存储，执行相应的路径规划算法，进行后处理并输出加工 代码。 （4）按照步骤（2）中的顺序，执行步骤（3）相应的操作。 模具图形能够成功实现匹配，属于自动冲孔的范围，上述步 骤（3）中提及的路径规划算法所涉及的加工对象有：规则的群孔、 零散分布的单孔和复合孔。对于规则的孔群加工，由于其排列顺 序相对比较整齐，为了能够最大限度消除机床系统误差，保证加 工精度和效率最优化，采用阵列式（线性）加工工艺路径，如图 1 （a）所示。零散分布的单孔在确定了模具之后也可采用相同的算 法进行路径规划，如图 1（b）所示。阵列式（线性）工艺路径规划算 法为 心坐标后重新进行编号如 Y［1，2，3，…，n］。 （2）比较点的 x 坐标值，当 Y1-x=Y2-x 时，存入数组 Vn 中并 按照 x 坐标值的由小至大对数组 Vn 进行排序。 （3） 对数组 Vn 中的点按照 Y 坐标值由小至大进行排序，输 出至新的多维数组 Vmn 中。 （4）按照数组 Vmn 中的顺序输出代码，并进行路径的仿真，用 直线将所有点连接起来。 大圆孔非模具图形的复合工艺流程，如图 2 所示。非模具图 形属于半自动冲孔加工模式，进行孔的复合时，为了保证加工精 度和效率应尽量选择尺寸较大的模具，当孔的形状有突变时大尺 寸的模具可能会导致过切，模具的选择过程较为复杂，因此需要 人工参与辅助完成。复合也需要遵循相应的规则，加工时刀具轨 迹按照零件图形的轮廓进行偏移，然后循着偏移后的刀具轨迹进 行连续的步冲。复合式工艺路径规划算法为： （1）按照模具库中给定的参数进行刀具路径的偏移，并提示 用户进行模具的选择。 （2）计算偏移后刀具路径的长度 L，提取所用模具的步距 S， 冲压个数 N 参照（L/S+1）取整。 （3）根据整数 N 定数等分偏移后的刀具路径，并提取所有等 分点的信息如点实体 ID、坐标 X［0，1，2，…，n］。 （4）按照 AutoCAD 系统等分点生成顺序提取并保存各点数 据参数，进行后处理并生成程序代码。 4 数控编程系统模块划分 图 3 数控编程系统功能结构图 Fig.3 The Function Module of the System 通过对数控转塔冲床工艺流程的研究与分析，结合传统的 数控自动编程技术的基本理论完成了系统方案设计，并将系统划 （1）在规定的模具图层上进行零件实体的遍历，提取实体中 零件图形 绘制或导入 板材定义及图层创建 零件图形初始化 创建新的模具库 模具库管理 打开已有模具库 自动冲孔 加工定义 半自动冲孔 路径规划及仿线 个模块并在各模块之间建立了内部程序接口，各模块之间 通过接口进行有机结合，详细的系统功能结构，如图 3 所示。 4.1 板材定义和图层创建模块 板材定义即在 AutoCAD 模型空间中创建了一个矩形用来 定义转塔冲床的加工区域，为了简化自动编程的程序设计，选择 第一象限作为加工区域，设定工件坐标系和 AutoCAD 的坐标系 原点重合。创建图层将零件图形匹配归类，图层具有与模具库中 模具的数量和名称一致的功能图层，另外还包含了一些辅助功能 的图层：零件轮廓示意图层、加工预览图层、加工范围图层等。 4.2 模具库管理模块 模具库管理模块主要涉及模具库的管理，基本功能为：为数 控加工程序代码的生成提供必要的参数，对模具库中模具进行直