摘 要：研究了面向模具制造系統(tǒng)的直接數(shù)字控制(DNC)電火花線切割系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法，以提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平、總體的生產(chǎn)效率和響應(yīng)速度，為線切割DNC系統(tǒng)構(gòu)成提供了一定的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：模具制造系統(tǒng) 線切割 DNC
1 引言
模具制造水平是反映一個(gè)國家總體制造水平的重要標(biāo)志之一。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對模具的要求也越來越高。其中之一是在大市場的條件下，模具制造要適應(yīng)快的特點(diǎn)，制造廠商對訂單的響應(yīng)速度，可能決定其在市場上的成敗。而要提高響應(yīng)速度，僅僅從提高設(shè)備臺(tái)數(shù)和單臺(tái)生產(chǎn)效率是不夠的，應(yīng)從整體上提高模具制造系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和管理水平。
在模具制造系統(tǒng)中，電火花線切割起到了重要作用。模具零件，特別是模具關(guān)鍵件(模具成形部分)很大部分是由線切割完成的，其工作量很大。因此構(gòu)造與模具制造系統(tǒng)相匹配的、具有較高自動(dòng)化水平和一定管理協(xié)調(diào)能力的直接數(shù)字控制(DNC)電火花線切割系統(tǒng)是很有意義的。
2 電火花線切割DNC系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
電火花線切割機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)已日臻完美。但目前仍有大量線切割機(jī)是一臺(tái)配一套控制系統(tǒng)，自動(dòng)編程程度低，特別是早期的控制系統(tǒng)，用單板機(jī)控制，多用手工編程或計(jì)算機(jī)編程后用手工或穿孔帶輸入。較先進(jìn)的線切割機(jī)配備了微機(jī)，利用微機(jī)較強(qiáng)大的圖形和數(shù)據(jù)處理功能進(jìn)行繪圖、編程乃至控制。即使如此，大多也是獨(dú)臺(tái)使用。這對大量生產(chǎn)制造模具這種產(chǎn)品(多品種、小批量)的制造系統(tǒng)來說，反應(yīng)慢、效率低，與要求高效的模具制造系統(tǒng)不相適應(yīng)。
在規(guī)模稍大的模具制造廠(車間)，需要線切割加工的零件數(shù)量很大，往往配置了幾臺(tái)，甚至幾十臺(tái)各種規(guī)格的線切割機(jī)。因而漸漸地出現(xiàn)了群控系統(tǒng)的概念，但其僅僅是把自動(dòng)編程系統(tǒng)與線切割機(jī)簡單連接，只是節(jié)省了編程和輸入的工作量。
為了提高反應(yīng)能力和生產(chǎn)效率，應(yīng)把多臺(tái)線切割機(jī)構(gòu)成一套完整的DNC系統(tǒng)。這套DNC系統(tǒng)自身應(yīng)具備較高的自動(dòng)化水平和一定的計(jì)算機(jī)輔助管理水平，同時(shí)又保持單機(jī)的靈活性和系統(tǒng)的可重構(gòu)性，并與模具制造系統(tǒng)的CAD構(gòu)成一體化，即將模具CAD軟件產(chǎn)生的設(shè)計(jì)信息，快捷、安全地與DNC聯(lián)機(jī)，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的集成。
圖1顯示了電火花線切割機(jī)DNC系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)各行其職，又互聯(lián)，既保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，又保證線切割機(jī)的獨(dú)立性和可重構(gòu)性，它體現(xiàn)了開放式體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從而使系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、可移植性等特點(diǎn)，各層之間通過數(shù)據(jù)接口來實(shí)現(xiàn)其間的通訊。系統(tǒng)包括圖形處理功能，一方面接收如虛擬企業(yè)、企業(yè)聯(lián)盟、CAD中心等傳給的CAD信息，經(jīng)數(shù)據(jù)交換格式(如IGES)處理后，通過自動(dòng)編程系統(tǒng)生成控制程序；另一方面自身又能進(jìn)行模具零件的設(shè)計(jì)并轉(zhuǎn)換成控制指令。編程系統(tǒng)也可直接編制程序。管理系統(tǒng)對若干天內(nèi)的DNC工作做出計(jì)劃，使系統(tǒng)內(nèi)的各種線切割機(jī)做到均衡負(fù)荷，并為管理人員和操作人員的工作進(jìn)行提醒。
圖1 電火花線切割機(jī)DNC系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
3 線切割自動(dòng)編程系統(tǒng)
要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的CAD/CAM集成化，首先要解決圖形的輸入問題。Auto CAD圖形系統(tǒng)具有強(qiáng)大的圖形輸入和編輯功能，是目前微機(jī)上最活躍的CAD系統(tǒng)?；贏uto CAD環(huán)境的線切割自動(dòng)編程系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。自動(dòng)編程系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 自動(dòng)編程系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)
軟件包括系統(tǒng)功能(進(jìn)行3B、4B、ISO代碼文件的編輯打印、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等)、代碼指令圖形逆轉(zhuǎn)換(用以檢查代碼指令的準(zhǔn)確性)、代碼指令轉(zhuǎn)化、各專用零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)、NC通信等。系統(tǒng)可接受模具設(shè)計(jì)軟件如UGⅡ的設(shè)計(jì)結(jié)果，根據(jù)圖形經(jīng)縮放間隙后直接轉(zhuǎn)化為數(shù)控指令。
參數(shù)化建模針對專用零件如拋物線、漸開線零件及凸輪、齒輪等進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。
圖3顯示的是系統(tǒng)界面上該模塊的下拉式菜單。
圖3 系統(tǒng)界面及參數(shù)化設(shè)計(jì)的下拉式菜單
要實(shí)現(xiàn)線切割加工CAD/CAM集成化，還必須使CAD圖形轉(zhuǎn)化為NC機(jī)床能接受的指令。算法步驟如下：
(1)利用AutoCAD的offset命令生成刀具曲線。
(2)對CAD圖形元素按加工順序重新排序，算法是：
STEP1：選取加工首點(diǎn)和加工方向，在圖形數(shù)據(jù)庫中找到加工的第一個(gè)元素，并將其終點(diǎn)置為當(dāng)前點(diǎn)，已找到的圖形元素設(shè)置已排序標(biāo)志。
STEP2：搜索與當(dāng)前點(diǎn)有關(guān)的圖形元素，如該圖形元素沒有被排序，則該元素為當(dāng)前元素，當(dāng)前元素的另一端點(diǎn)為當(dāng)前點(diǎn)，同時(shí)將該元素設(shè)置已排序標(biāo)志。
STEP3：重復(fù)STEP2，直到圖形已封閉或所有元素都已排序。
(3)對已排序的所有圖形元素生成NC指令
線切割機(jī)保留單獨(dú)控制器結(jié)構(gòu)，以提高實(shí)時(shí)性和可靠性。計(jì)算機(jī)通過RS232串行口與線切割機(jī)控制器通訊口相連，可實(shí)時(shí)輸入線切割程序?qū)C(jī)床進(jìn)行控制，或通過機(jī)床的電報(bào)頭模擬紙帶輸入進(jìn)行控制。同時(shí)，控制器可向計(jì)算機(jī)傳輸機(jī)床狀態(tài)信息，如斷絲、短路、加工開始、結(jié)束等，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對多臺(tái)線切割機(jī)的管理和控制。實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與線切割機(jī)的串行通訊，其原理框圖如圖4所示。
圖4 串行雙向數(shù)據(jù)傳輸原理圖
4 管理系統(tǒng)
管理系統(tǒng)具有如下功能：
(1)生成切割工藝參數(shù)庫，對切割電流、切割速度和脈沖頻率等參數(shù)提出意見。
(2)計(jì)算各零件的切割加工工時(shí)數(shù)，根據(jù)零件的加工厚度、路徑長度和工藝參數(shù)計(jì)算零件的加工時(shí)間。
(3)生成調(diào)度計(jì)劃。
按批次所限時(shí)間安排計(jì)劃，同時(shí)考慮各種規(guī)格設(shè)備的均衡及最大負(fù)荷。作業(yè)分配計(jì)劃按天。分配時(shí)要考慮：①從數(shù)量和品種上保證作業(yè)計(jì)劃的完成；②成批的產(chǎn)品盡可能集中生產(chǎn)；③由于生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備等方面的原因，某些零件要在某天后才能加工；④某些產(chǎn)品要求在頭幾天內(nèi)完成。
如對計(jì)劃內(nèi)的每天同時(shí)計(jì)算，問題非常復(fù)雜。根據(jù)上述條件從第一天至最后一天逐天計(jì)算。
假定車間有m種規(guī)格的線切割機(jī)，用i表示(i=1,2,…,m)，加工n種產(chǎn)品，分別用j表示(j=1,2,…,n)。這些產(chǎn)品計(jì)劃量用dj表示。
用aij表示加工單位j種產(chǎn)品需要的第i類機(jī)床的臺(tái)時(shí)數(shù)，bik表示第k天內(nèi)第i類設(shè)備的生產(chǎn)能力(臺(tái)時(shí))。xjk表示第k天計(jì)劃生產(chǎn)j種產(chǎn)品的數(shù)量。
再根據(jù)前面的假定條件，如第5、8兩產(chǎn)品到后半段生產(chǎn)，第4號(hào)產(chǎn)品要求第二天前完成。則第二天的線性規(guī)劃模型為：
滿足：
其意義是以第一天各種規(guī)格機(jī)床的生產(chǎn)能力總和為分母，生產(chǎn)各種產(chǎn)品需要的各類機(jī)床總臺(tái)時(shí)數(shù)為分子，計(jì)算出第一天的平均設(shè)備利用系數(shù)Z，并以Z為目標(biāo)函數(shù)。
然后依次作出后續(xù)各天的線性規(guī)劃模型并求解，再根據(jù)具體情況對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行必要的調(diào)整。
(4)監(jiān)控加工情況，可對各臺(tái)線切割機(jī)加工情況進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、工件準(zhǔn)備提示、加工結(jié)束提醒及加工量等的記錄、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算。
5 控制系統(tǒng)
DNC系統(tǒng)采用主從計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu)。線切割機(jī)在從計(jì)算機(jī)的控制下能獨(dú)立工作，因此控制系統(tǒng)應(yīng)具備常用數(shù)控電火花線切割機(jī)所具有的控制功能，在此不作詳細(xì)討論。除此之外，控制系統(tǒng)應(yīng)能與主機(jī)雙向通訊，對監(jiān)控和管理提供信息。
參 考 文 獻(xiàn)
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