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成组数控技术的发展 成组数控技术从 50 年代提出到如今已经历了近 50 年的发展和应用。成组数控技术作为一门综合性的生产技术科学是计算机辅助设计、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助制造（ CAM ）和柔性制造系统等方面的技术基础。我国早在 60 年代初就在纺织机械、飞机、机床及工程机械等机械制造业中推广应用成组技术，并初见成效。原机械部设计研究院负责组织研制的全国机械零件分类编码系统 JLBMI ，它将对我国推广应用成组数控技术起到积极推进作用。近几年来，一些工厂实践经验表明，应用成组技术的经济效益是十分显著的。我国不少高等工业院校结合教学和科研工作，在成组数控技术基本理论及其应用方面，如零件分类编码系统、零件分类成组方法和计算机辅助编码、分类、工艺设计、零件设计、生产管理的软件系统等方面都开展了许多研究工作，并取得了不少成果。可以相信，随着应用推广和科研工作的持续开展，成组数控技术对提高我国机械工业的制造技术生产管理水平将日益发挥其重要的作用。 （引用[2]）。 成组数控技术的发展方向：(1) 国家和地方政府的科技资助政策在发生重大变化:更强调公共财政支持公共的服务平台,例如江苏正在建立高校-企业共建的工程中心,如纺织机是知识创新平台中的重要内容. 成组技术可以帮助知识的条理化和编码化机械工程中心等. (2) 国家在建立各种知识创新平台,支持企业的创新. （引用[3]）. 用成组数控技术原理指导企业产品的设计,替代传统的设计方法,是企业改善设计质量、提高设计效率的一个重要手段。统计表明,当设计开发一种新产品时,往往有80 % 以上的零件设计可以参考借鉴或直接引用原有的产品图纸,而对车床产品设计而言,可重复利用和借鉴的零部件就更多。成组数控技术要求在新产品设计中尽量采用已有产品的零件,减少零件形状、零件上的功能要素以及尺寸的离散性,要求各种产品间的零件尽可能相似,尽可能重复使用,不仅在同系列产品之间如此,在不同系列产品之间也尽可能如此。如在研制开发普通台式车床时,对不同系列、不同规格的台式车床,其床身、床鞍、刀架、尾架、主轴箱、进给箱、溜板箱等根据需要设计成不同的模块供设计人员根据客户需要进行拼装,不同模块中所用零部件尽可能相近或相似。可以这样说,设计者的任务不是创造新零件,而是尽量用现有零件拼装新产品。设计人员在设计产品时按先检索后设计的顺序,充分利用库内的设计资料,检索现有零件,尽量减少新设计的工作量,在合理继承的基础上,进行创新。将成组数控技术应用于产品设计方面,可减少产品中相似零件的数目,消除重复设计零件,减少设计建模及绘图工作,利用零件的分类编码系统检索出同样功能的零件,识别代用件等等。 （引用[1]） 成组数控工艺设计 数控加工的基本特点对所加工的零件进行工艺分析,拟订工艺方案,选择合适的夹具、刀具,确定切削用量。一些在普通机床的加工工艺中任何数控加工,在编制数控加工工艺和程序之前,都要不必考虑的问题,如工序内工步的安排、零点设置、对刀点。毛坯的制作冲裁模,一般要经过锻造进行毛坯操作,碳素工具钢一般锻造性能良好,锻造过程中对表面脱碳要严加注意,加热时间要尽量缩短,其次要严格控制锻压比,一般要大于4, 锻造后,空气冷却。始锻1 200 ℃,终锻800 ℃。 热处理工艺：锻造后为了给后序的加工、最终热处理工序作好准备,应消除锻件内的应力,改善组织,并使其具有合适的硬度和稳定细小的组织,以利于机械加工。因此锻件要在毛坏状态下进行预先热处理。T10A 碳素工具钢,一般采取球化退火,使渗碳体成球状均匀分布,若锻件沿晶界出现网状碳化物时,则先进行正火处理,消除网状碳化物,然后进行球化退火。通常采用球化退火,以获得铁素体机体上分布的细小均匀的粒状碳化物组织。淬火(1) 淬火温度T10A 淬透性低。需要用水冷却,容易产生变形和淬裂,另外碳素工具钢对过热敏感,晶粒容易长大,其淬火温度一般是在碳化物与奥氏体共存的两相区内,这是由于碳化物的存在不仅可以阻止奥氏体的长大,使碳素工具钢保持较小晶粒,从而能在高硬度条件下保证具有一定的韧性;而且剩余碳化物的存在也有利于模具耐磨性的提高。为防止过热,选取最低的淬火加热温度(760～780 ℃),是获得最好机械性能的关键,为防止淬火开裂,必须在淬火方法上实现均匀冷却[1] 。(2) 加热、保温时间的由于加热时间与模具的材质、工件大小有关。升温时间因工件大小而异,保温时间依材质而不同,加热时间不可取一定值,加热时间的长短直接影响模具的组织性能。为保证T10A 冷作模具基体奥氏体化,碳化物溶解,必须有一定保温时间,保温时间本公司采用15～25 min 。 公式： 升温时间= f(模具工件尺寸,30 min/ 25 mm) 保温时间= f (钢材材质) (SK工具钢10～15 min, 该公司采用15～25 min) SK钢材加热时间= 保温时间+ 升温时间 T10A 冷作模具加热时间=30 min/25 mm+15～20 (引用[10])
数控加工工艺的主要内容： 1.选择数控机床：考虑各数控机床的附件种类、行程范围、承重等因素,根 据需要加工的工件,来选择适当的机床。(引用[12]) 2. 选择适合在数控机床上加工的工序内容一般的,对于难测量、难控制尺寸的非敞开内腔;尺寸精给系统反向间隙对加工精度的影响。同一把刀能加工的内 容应该连续加工,尽量减少诸如换刀、转位等辅助工作时间, 提高加工效率。(引用[13]) 3. 数学处理。编程前,根据零件的几何特征,在建立的工件坐标系上,计算出刀具的运动轨迹。对于形状比较简单的零件(如直线和圆弧组成的零件),只需计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两个几何元素的交点或切点的坐标值等。 度、位置精度高、更换机床难以保证的部位;镜像对称的加工降低加工成统规定的指定代码、程序段格式,来编写零件程序清单。 4.通过传输介质,将程序输入机床。 (引用[9]) 5. 程序校验与首件试切。表面等,考虑在数控机床加工。此外,考虑到数控机床的工时费用高等因素,为提高数控机床的工作效率不考虑数控机床。 (引用[9]) 6. 分析加工零件的图纸:普通机床能满足图纸要求的本,当程序被验证准确无误之后,存档。编写零件程序清单:加工路线和工艺参数确定以后,根据各机床所用数控系明确加工内容及技术要求,确定加工方案,制定数控加工路线分析零件的变形情况、加工余量以及图纸中各加工表面的尺寸精度、几何形状精度、相线位置度、表面粗糙度等要求;设计数控加工的工序划分、机床附件和刀具的选择、夹具的定位与安装、切削用量的确定、安排走刀路线等等。 (引用[9]) 7. 编制、调整数控加工工序的程序:数控机床程序编制的方法有两种:即手工编程和自动编程。手工编程由人工完成零件图样分析、工艺处理、数值计算、书写程序清单直到程序的输入和检验。适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件,缺点是非常费时,且编制复杂零件时,容易出错。自动编程又分为APT 编程和CAD/ CAM 编程:前者使用计算机或编程机,完成零件程序的编制过程,对于复杂的零件很方便。后者则利用CAD/ CAM 软件,实现造型及图象自动编程。如Master CAM 、UG 、Pro-E 等。 (引用[15]) (引用[8]) 8. 数控机床编程的步骤:根据使用的刀具确定合理的走刀路线,选择适当的切削用量。同时还应发挥数控系统的功能和数控机床本身的特点,正确选择对刀点,尤其是轮廓精加工时的切入、切出方式、刀具的补偿等,在满足图纸精度要求的前题下,寻求最短加工路线(包括切削路线和空走刀路线),同时避免机械进零件.图纸的数学处理:零件图纸的数学处理主要是计算零件加工轨迹的尺寸, 即计算零件加工轮廓的基点和节点的坐标,或刀具中心轮廓的基点和节点的坐标,以便编制加工程序。 (引用[6]) (引用[15]) 9基点坐标的计算:一般数控机床只有直线和圆弧插补功能。对于由直线和圆弧组成的平面轮廓,编程时数值计算的主要任务是求各基点的坐标。(1) 基点的含义构成零件轮廓的不同几何素线的交点或切点称为基点。基点可以直接作为其运动轨迹的起点和终点。(2) 直接计算的内容根据程序编制的要求,基点直接计算的内容有:每条运动轨迹的起点和终点在选定坐标系中的坐标,圆弧运动轨迹的圆心坐标值。基点直接计算的方法比较简单,一般可根据零件图样所给的已知条件用人工完成。即依据零件图样上给定的尺寸运用代数、三角、几何或解析几何的有关知识,直接计算出数值。在计算时,要注意小数点后的位数要留够,以保证足够的精度。 (引用[5]) (引用[8]) 10. 节点坐标的计算:对于一些平面轮廓是非圆方程曲线Y = F(X) , 如渐开线、阿基米德螺线等, 只能用能够加工的直线和圆弧去逼近它们。这时数值计算的任务就是计算节点的坐标。(1) 节点的定义当采用不具备非圆曲线插补功能的数控机床加工非圆曲线轮廓的零件时,在加工程序的编制工作中,常用多个直线段或圆弧去近似代替非圆直线,这称为拟合处理。拟合线段的交点或切点称为节点。 (2) 节点坐标的计算节点坐标的计算难度和工作量都较大,故常通过计算机完成,必要时也可由人工计算,常用的有直线逼近法(等间距法、等步长法、和等误差法) 和圆弧逼近法,有人用AutoCAD 绘图,然后捕获坐标点,在精度允许的范围内,也是一个简单而有效的方法。 (引用[11])
用户宏程序实现编程零点变换和成组加工 随着科学技术的发展,机械产品日益趋向于多品种小批量。数控机床因其高生产率、高加工精度、低劳动强度、具有柔性和便于管理等优点而应运而生。数控系统功能也越来越完善。就机械加工工艺系统而言,除了机床更新换代加快外,刀具、夹具等也在不断改变,而且生产加工流程也时时在变。这种生产加工的柔性,不但要求数控程序能便于修改,同时编程周期要短和编程费用要低。为了编制出高效而实用的数控程序,经过长期编程实践的摸索,深切体会到利用数控系统提供的宏指令开发一些典型实用的宏程序,是一条非常有效的途径所谓的编程零点是指根据加工零件图样选定的编制程序的原点,即编程坐标系的原点。在实际工中,我们还应确定编程零点在机床坐标系中的位置坐标,也就是要进行编程零点变换。而机床数控系统所能提供的只有G54～G57 四个编程零点,这对于四面或五面加工的零件来说,常常不够用。如以前在镗铣加工中心上进行四面或五面减速器箱体的数控加工时,就发现因编程零点设置不足,导致编程时数值计算复杂,这样一旦刀具和夹具调整后,将使程序修改时间过长,影响了生产的顺利进行。针对这一现状,设计了用于多编程零点变换的宏程序。借助该宏程序,能随意方便地设定编程零点,且因能将尺寸计算由三维空间转化为两维空间,而且所设定的编程零点可多次被调用,不仅能使程序的长度缩短一半以上,又使程序可读性强,在生产现场修改方便,因而得到了很好的应用。还有一种轴类零件———蜗杆,其结构具有成组相似的特征,在车削工序中,主要结构尺寸有十种变型。针对这样的轴类零件,利用数控系统宏指令功能,采用数据可灵活多变的参数形式,按照工序中所采用刀具先后顺序的不同,将整个工序划分成前后相连的若干工步子程序;对于变型尺寸, 则设计了专门子程序完成平行工步子程序之间的转换。这样,整个蜗杆组车削加工的数控程序能形成一个自动成组查表程序。机床操作者只要在主程序运行之前输入变型号,程序即按预定流程自动完成该组蜗杆零件的整个车削工序。采用这样的成组加工程序,近两年使用表明,它不但可以大大减少程序存储空间,还能将调用程序出错率减少到最低限度。 (引用[15]) 基于成组技术的多品种小批量 产品工艺编码规则研究 在分析某类产品制造工艺及生产组织现状的基础上,基于成组技术开发了产品零部件的工艺编码规则体系,从而为该类产品制造工艺数据库的开发以及工艺数据的快速获取、共享和重用创造了条件. 制造技术的进步和人们消费观念的变化使得产品个性化、差异化、多样化和特色需求的趋势越来越明显,大批量生产的产品越来越少. 与普通产品相比,某些产品更具有结构复杂、零部件众多、加工及装配工艺精度要求高、批量小等显著特征,也对工艺规划的制定、生产组织和作业排程等提出了严峻挑战. 在新品开发及制定工艺规划时,若利用分类成组技术,可以充分、快速、自动和有效地利用已有类似件的工艺信息,大大地加快新品开发的速度,也有利于形成标准化制造工艺库,有效地提高产品设计和制造工艺的标准化水平,缩短新品生产准备周期, 降低新品的技术准备费用,保证新品的开发质量. 多品种小批量产品制造工艺及生产组织特点分析：某类产品由机械、材料、控制、电气、通信、集成电路、微波等多学科紧密集成,具有技术含量高、功能质量严格、结构复杂、批量极小、研发周期短等特殊要求. 根据规格、性能等的不同,每种类型产品又包括多个产品型号. 这些特点对此类产品的工艺规划、生产组织和作业优化等提出了很高要求. 随着新品研发任务的加重,产品性能要求的不断提高,研发周期越来越短,对产品工艺规划和生产组织等的要求将更为苛刻。 由于尚未建立关键零部件的工艺数据库及工艺规则库,缺乏有效的知识获取、共享和处理技术,使已有的产品工艺信息难以充分利用,主要表现在:：①多数产品的工艺设计都是从“零”开始,未能有效地继承相似零件的工艺信息; ②工艺规程制定主要取决于工艺员的个人素质,具有随机性和不确定性,影响制造工艺的稳定性; ③缺乏将优秀的工艺规程转变为标准工艺或工艺模板的有效机制. 上述特点给该类产品的生产组织带来很大困难,主要表现在: ①产品设计及制造工艺准备工作量极大; ②作业计划的制定困难,生产组织管理工作复杂; ③产品开发周期长,作业效率低; ④先进设计、制造和管理技术的应用受到限制. 因此,从提高产品制造工艺规划及生产组织的科学性、规范性和时效性的角度出发,充分挖掘已有技术人员、装备及工艺信息的潜在价值切实提高产品制造工艺规划的水平,是此类产品研发面临的重成组技术的核心是零件相似性分析及编码,它根据功能、结构、材料和制造工艺等的相似性,对产品及其零部件进行分类成组、组建零件族,按照零件族制定加工工艺,从而扩大了生产批量、减少了品种. 从表象上看,成组技术利用零件几何形状、尺寸、功能、材料等的相似性. 在表象的背后,则体现了零件在制造工艺、生产组织、作业管理等方面的相似性. 因此,它能有效地促进企业生产组织的改进和生产效率的提高,以获取最佳的经济效益. 对多品种小批量产品开发而言,利用成组技术有着非常现实的价值和意义. 此外,随着数字化开发技术的深入应用,产品的数字化信息急剧增加,形成了“海量”数据. 海量数据给信息管理带来众多难题,主要包括: ①信息量太大,难以即时、有效地利用; ②信息真伪的辨识; ③信息的安全保障; ④信息内容和形式的规格化处理存在困难. 因此,如何从海量信息中过滤掉无效的信发现有用的知识,提高信息利用率,成为人们关经验数据及资料转变为支持新产品开发的有用信息,切实提高新产息、注的研究课题. 如何让已有的图纸、品开发的速度和质量,是值得关注的难题. (引用[14])
产品制造工艺编码规则的研究 编码规则是实施成组技术的基础工作. 20 世纪60 年代以后,人们先后提出了一些零件分类编码系统,如前德国OPITZ 系统、日本KK -3 系统和我国的JLBM -1 系统等. 上述编码系统产生的年代较早,现已具有很大的局限性,如未能体现数控加工对成组技术的影响,主要针对轴类、回转体类零件,涵盖信息量较少等,难以满足多品种小批量产品成组生产的需求. 良好的编码规则应具备以下条件:能涵盖企业主要的产品类型;能描述零件的主要结构及工艺特征信息;便于零件信息的表达、传输、储存和检索;码位长度适宜,含义清晰,具有一定的可扩展性. 根据此类产品及其制造工艺的特点,经相关技术员的多次交流、沟通,确定以下编码规则: 码位长度及字段划分 码位长度定为199 位,共分为10 个字段 (1) (2) 第二字段:毛坯类型码(第5 位,共1 位) ; (3) 第三字段: 材料类型码( 第6 ～7 位, 共2 位) ; (4) 第四字段: 加工工艺码(第8～12 位,共5 位) ; (5) 第五字段:焊接码(第13 位,共1 位) ; (6) 第六字段:尺寸码(第14 位,共1 位) ; (7) 第七字段:精度码(第15 位,共1 位) ; (8) 第八字段:热处理码(第16 位,共1 位) ; (9) 第九字段:表面处理码(第17 位,共1 位) ; (10) 第十字段:识别码(第18～19 位,共2 位) . 3. 2 各字段编码的基本含义 各字段编码的基本含义如下: 功能结构码:用于描述当前零件与其所属部件、产品之间的从属关系. 根剧产品的功能、结构及其主要加工特征划分,如可将机械系统分为传动系统、钣金、壳体、冷却系统、液压系统、拖车等子系统, 每个子系统再细分为部件、组件及零件; (2) 毛坯类型码:用于描述本次加工中毛坯的基本形式; (3) 材料类型码:采用两位联合编码. 其中,00～29 表示铝材、30～59 表示钢材、60～79 表示铜材、80 ～99 为其它材料(如铁、钛、尼龙、聚四氟乙烯、橡胶等) ; (4) 加工工艺代码:用于描述零件主要及典型的加工工艺过程,共预设5 道典型工艺. 编制代码时, 根据零件的实际加工情况,按先后顺序从第8 位开始依次选择加工工艺类型; (5) 焊接代码:用于描述零件主要的焊接工艺类型. 焊接是此类产品零部生产中的典型工艺,该字段体现了雷达产品制造工艺的特点; (6) 尺寸代码:用于描述零件的尺寸,以便选择合适规格的机床(主要考虑车床及刨铣床) . (7) 精度代码:用于描述零件最终的加工精度要求; (8) 热处理代码:用于描述零件主要的(或最终的) 热处理工艺类型; (9) 表面处理代码:用于描述零件第一次出现的(或最重要的) 表面处理类型; (10) 识别代码:用于描述与前17 位代码完全相同的同系列类似件的序列号. 编码规则的制定为此类产品制造工艺库的开发和制造工艺的继承、优化创造基本条件后续工作包括:以分类编码为基础,开发此类产品工艺模板库,完成典型及关键零部件的成组工艺编码,建立产品工艺数据仓库;实现零部件工艺编码与相关文档信息的链接,利用知识发现及数据挖掘技术,实现对产品工艺数据仓库中工艺数据、技术和知识的有效管理、共享、继承与重用,以提高该类产品工艺规划制定的速度、质量及效率. (引用[7])
毕业设计主要内容 本设计主要任务是对8个不同型号的齿轮联轴节采用成组技术分组，再进行零件成组工艺过程，工序设计，以及钻床夹具的设计，和钻床数控加工宏程序设计。 设计主要要求如下： 1.调研，查阅资料。通过上网和图书馆去了解成组数控加工技术的现状，国内外的发展趋势。并完成文献综叙和开题报告 2.工艺过程和工序设计。编写工艺过程卡，工序卡一套 3.夹具的设计。包括：选用定位基准和夹紧方法；夹具在机床上位置的确定；夹具结构设计以及精度计算；绘制夹具装配图1张，采用A0纸；夹具零件图1张，采用A0纸 4.数控加工宏程序设计。编写钻削工序数控加工宏程序。 5.要求最后有文件综述1份，4000字以上；开题报告1份；阅读15篇相关文献资料，至少3篇外文资料；翻译英文资料2000字以上；完成毕业设计说明书5000字以上；完成1张A0夹具设计图，夹具装配图，夹具零件图。 6.拟采取的技术方法： 条件：电子阅览室数据库，银川起重机厂零件图2张，图书馆藏书，期刊杂志，其他图书馆。 方法：通过自己所查最新资料，采用德国OPITZ 编码系统把零件编码分类， 设计成组夹具，采用成组技术的多品种小批量产品工艺编码编写工艺工序，用户宏程序实现编程成组加工。 措施：1.通过各种渠道搜集更多的资料不断充实论文论题的支持点。 2.定时与指导老师就论文的各方面情况进行交流，不断的改进论文中的不足，完善其论据。 7.参考文献： [1]. 姜大志,孙俊兰.成组技术在产品快速设计系统中的应用[J].第22 卷第8 期《机械设计》Vol. 22 ，No. 8. 2005年8月 [2].李春杰，肖素梅.成组技术的发展[J].西南科技大学制造学院. 2006年4月 [3].祁国宁,顾新建. 21 世纪成组技术的发展方向初探[J]. 浙江大学现代制造工程研究所,浙江杭州. 1006 -3269(2005)02 -0001 -05. 2005年06月 [4]. 杨光薰. 成组技术的发展有利于推动制造业的现代化[J]. 北京航空航天大学,北京. 1006 -3269(2005)03 -0001 –03. 2005年6月 [5]. 江魁多. 成组技术与数控机床[J]. 《数控天地》2004年 第07期.2004年7月 [6]. 张 军. 基于成控编组技术的数程技术研究[J]. 第4期《机电元件》Vol125 No14. 2005年12月 [7]. 苏春,许映秋,张康,郑峥. 基于成组技术的多品种小批量产品工艺编码规则研究[J]. 东南大学. 1006 -3269(2005)04 -0053 –04. 2005年8月 [8]. 潘培道,徐健. 基于数控加工的工艺设计[J]. 2006 年第4期《工艺与装备》. 1001 -2265 (2006) 04 -0085 –04. 2005年10月 [9]. 俞庆,刘荣昌,陈春明,马淑英,张 侃. 空间圆柱凸轮的数控加工工艺设计[J]. ，《机械研究与应用》第19 卷 第4期. 2006年5月 [10]. 王凯. 数控加工的工艺设计[J]. 第25 卷第8 期《煤 炭 技 术》Vol125 ,No108. 2006年4月 [11]. 刘云峰. 数控加工工艺设计浅谈[J]. 石家庄金刚内燃机零部件集团有限公司. 《内燃机配件》2006 年第5 期. 2006年5月 [12]. 王志博. 我国成组技术发展历程的思考[J]. 北京理工大学. 《工程建设与设计》2001年第1期. 2001年1月 [13]. 韩庆瑶, 赵保亚. 现代成组技术在中的应用与发展[J].《 机械设计与制造》第7 期. 2006年5月 [14]. 顾京. 叶片检验样板的数控加工工艺设计[J].《机电工程技术》2006年第35卷第10期机电工程技术切削加工与设备. 2006年10月 [15]. 程建明, 王海丽, 邵华. 用用户宏程序实现编程零点变换和成组加工第18 卷第5 期《机械设计与研究》. 2006年5月. [16]. Su-chun, Hsu Ying-Qiu，group technology-based products in small quantities and more variety Technology research coding rules [J]. Group Technology & Production Modernization Vol. 22 ,No. 4 ,2005 [17]. Jun zhang，Study on NC Programming Based on Group Technology [J]. ELECTROMECHAN ICAL COMPONENTS Dec12005 Vol125 No14.
