盘轴类零件典型特征宏程序的开发及应用技术

摘  要：本文介绍了航空发动机盘轴类典型特征加工编程现状，提出了提升典型特征编程效率方法，阐述了宏程序的智能化及应用价值。

关键词：盘轴类;典型特征;编程效率;宏程序;智能化

我国目前被誉为“世界工厂”，制造业大国，我国制造工业飞速发展的同时，与世界制造先进水平的差距也在不断缩小，而作为现代制造技术的灵魂及核心，数控加工技术也得到了广泛的应用，各类CAD/CAM软件的应用日趋普及，特别是在数控三维曲面加工中手工编程几乎无用武之地，而强大的思维定式和使用习惯，使得编程人员不论程序大小，加工难易都习惯使用CAD/CAM软件编程，手工编程似乎被遗忘了。而在学习手工编程时也只是简单地学习基本的编程指令，对宏程序也是如此，原因是大家对宏程序不熟悉，往往以为宏程序深不可测，而在实际工作中宏程序确实有着不可替代的地位和重要作用，方便编程，任何数控加工只要能够用宏程序完整的表达，即使再复杂，其编程篇幅都非常精炼，数控机床执行宏程序时较CAD/CAM软件生成的程序更加快捷，反应更迅速，使得加工效率大大提高。从国外的数控编程来看，一直以来都没有放弃手动编程，而一些好的手工编程都是宏程序、子程序以及循环指令等综合应用，在生产中起着不可替代的作用，特别是针对存在大量相似加工特征的零件，通过自主开发系列特征用户宏程序，能够极大提高编程效率，提高程序的智能化、柔性化、标准化水平，也充分显示了编程者的能力和水平。因此，针对具有大量相似加工特征的航空盘轴类零件，宏程序的开发和应用是非常必要和重要的，如果能够结合生产实际进行针对性的开发，势必将在生产中发挥巨大的作用。

1 宏程序的概念、应用范围及特点

1.1 宏程序的概念

宏程序是编程语言的高级形式，就是通过系统提供的变量、数学运算功能、逻辑判断功能、程序循环功能等来实现编程的方法。

1.2 宏程序的应用范围

宏程序的应用范围非常广泛，只要能够通过参数之间的数学关系，建立起相应的数学运算关系，通过逻辑判断功能将刀具加工路径描述出来，都能够应用宏程序进行编程;宏程序的应用主要体现在以下几个方面：形状相同尺寸不同：圆、方、有规律的轮廓等;大小相同位置不同：圆阵列、矩形阵列及组孔等;特殊形状：椭圆、渐开线等能够通过几何关系建立数学模型的几何形状;自动化功能：刀具长度测量、刀具寿命管理、生产管理、在线测量等;其他功能：机床制造商或用户根据自身需求开发的一些特殊功能，如数控磨砂轮修整功能等。

1.3 宏程序的特点

参数化：与程序相关的所有因素都可以进行参数化定义和编程，考虑的因素越多，参数化程度越高，程序的柔性、智能化程度、实用性和应用范围越广泛，更容易进行工程化推广应用;智能化：根据某一加工特征开发的用户宏程序，只需要根据不同的工况，输入相应参数，宏子程序根据变量的赋值，自动选择加工方式和计算刀具路径;而且，可以根据加工过程中实际工况，更改对应的参数，实现程序的高效编制、更改及优化，极大提高程序的编制、更改及优化效率;比如工艺图纸尺寸的更改、刀具几何尺寸的更改（刀尖圆弧、刀宽）、切削深度的优化、走刀方式的优化等;模块化：能够实现某一几何特征加工的宏子程序，就是一个功能模块，一个功能模块就能够实现全部该类特征的加工;集成化：在加工某一零件时，经常需要调用多种能够实现不同部位和特征加工的宏程序模块，我们只需根据实际工况将不同加工类型的宏程序模块集成在一个主程序内，就能够实现该零件的加工，这就是宏程序的集成化特点。由于我们可以高效快捷的根据加工需要将各种实现不同加工功能的宏程序模块进行任意组合，从而能够进一步拓展宏程序的应用范围，减少技术员的编程工作量，提高编程效率;省时减负：由于同一加工类型的宏程序，不用再进行该类型程序的重复性编制，只需更改相关参数即可达到更改整个程序的目的，节省了大量的同类程序的重复编制时间，极大减轻了编程人员工作量，同时减少现场的程序准备等待时间，提高生产准备效率。

方便管理：在宏程序应用前，由于同一加工特征程序数量极大，占用大量机床内存空间，导致机床内存不足，机床内部程序需要经常重复下发和删除，才能够实现程序下发，由此造成大量时间浪费。而宏程序模块具有短小精的特点，程序简短，单个加工特征宏子程序只占用一个程序号和空间，只需传输一次，节省机床内存空间，解决了内存不足反复传输造成的时间浪费。同时只需要完善宏主程序即可完成程序完善，无需对子程序完善，程序极其简短，方便程序维护和管理。

2  宏程序的开发过程

2.1  宏程序的构成

宏程序由变量、数学运算关系语句、逻辑判断语句构成，既可以在主程序中使用，也可以当作子程序调用。当然，不同数控系统宏程序的格式和表达式有很多不同之处，但他们的基本算法和原理是一样的，只要掌握其中一种数控系统宏程序的结构算法和编程方式方法，其他数控系统只需套用相应格式就可以了。

2.2  盘轴类零件典型特征宏程序的开发

2.2.1 盘轴类宏程序开发背景

航空发动机盘轴类零件大部分存在相似的加工特征，这部分加工特征的数控加工编程数量占编程总量的近一半。采用传统手动或CAM点位编程方式，需要不断重复编制程序，进行CAD制图→数控加工方案规划→CAM各项加工选项设置→后置处理生成程序→程序校对→下发等步骤，如程序存在问题或加工条件发生变化，还需要重复上述步骤，花费大量编程及更改、优化时间，不仅增加了工艺人员工作量，而且编程时间长，程序质量差异大，效率低，需要花费工艺技术人员大量编程时间，编程效率低，编程标准不统一，编程质量差异大。同时，编制的数控程序由于编程质量差、刀具更换、几何尺寸更改、不同操作系统、不同结构和功率机床更改等原因，需要进行大量的同类特征程序重复性编制、更改和优化工作，耗费编程人员大量时间;程序的更改、优化效率低，编程工作量大，已经严重影响技术及生产运行效率。因此，这部分加工特征需要我们基于数控系统宏程序语言格式进行程序的二次开发，通过开发全参数化的用户宏程序（宏程序模块），从而实现高效、智能、高质量的编程以及程序的快速更改优化，降低编程工作量，實现高效、高柔性的编程方式，解决相同特征程序重复性编制技术难题。

该项技术主要研究内容包括：航空盘轴类零件加工特征分析、提取及规划技术研究;航空盘轴类加工特征宏程序系列化、标准化、模块化应用技术研究;盘轴类加工特征宏程序开发与仿真技术研究;宏程序防错、防误应用技术研究。

2.2.2 宏程序格式

分支语句：IF [条件表达式] GOTOn;含义：当条件满足时，程序就跳转到同一程序中语句标号为n的语句上继续执行;当条件不满足时，程序执行下一条语句。循环指令：WHILE [条件表达式] DOm… …ENDm;含义：当条件满足时，执行从WHILE到DOm之间的语句;当条件不满足时，程序执行下一条语句。循环指令：IF [条件表达式] THEN… …;含義：当条件满足时，执行THEN后的后程序语句，只执行一个语句。

2.2.3 盘轴类零件典型加工特征提取

我单位加工的零件以盘轴齿轮类零件为主，盘轴齿轮类结构绝大多数相同，典型加工特征主要包括：数控铣类型：①U型键槽②圆周（弧）均布直边③圆周（弧）均布铣孔④圆周（弧）均布钻孔⑤圆周（弧）均布凸台⑥圆周（弧）均布凹槽⑦圆周（弧）均布内螺纹⑧圆柱面均布孔倒圆;数控车类型：①外径槽②端面槽③内孔槽④辐板槽⑤螺纹去首尾不完整扣。通过提取出的主要加工特征，进行分类，分类过程是不断完善的过程，需要长期现场跟踪，持续改进和完善，从简单到复杂的过程，从而不断拓展宏程序的应用范围，提高宏程序现场适用度。

2.2.4 开发过程

这一过程需要开展以下几项工作：不断完善几何特征数据，拓展应用范围，提高宏程序适用度;优化变量设置，定义变量含义，不断引入新功能变量，提高程序质量，拓展应用范围;实现加工特征几何参数变量的可视化;合理加工策略的制定/走刀方式的规划：现场长期跟踪，总结问题并及时升级优化 ;融入专家知识库经验，提供丰富的加工策略，实现防错防误，提高程序质量和现场适用度。

这一阶段需要通过长期现场跟踪，不断发现需要完善和改进的地方，通过融入专家知识经验，制定出针对不同工况的加工策略，提供多种走刀方式，解决各种复杂工况加工应用问题;同时，增加了防错防误措施，从而实现高质量、高效率的编程，进一步提高现场适用度，从而最终实现工程化应用。

3. 宏程序在航空盘轴类零件典型加工特征中的综合应用

该典型轴齿轮零件7个几何特征全部实现宏程序应用，程序及其简短，编程效率高，4个工步编程至下发时间由原来的8个多小时缩减为现在的0.5小时之内，实现程序的高效、高质量编制，充分体现了宏程序应用模块化、集成化、智能化特点，融入的专家经验解决了槽类特征车削断屑难的技术难题。目前，该系列宏程序已经累计节省4000多个典型特征程序编制和应用，节省编程及生产准备时间3500多小时，实现了航空发动机盘轴类零件主要加工特征宏程序系列化、规范化、标准化、智能化、集成化的现场加工应用;

4  结束语

基于典型加工特征的全参数化用户宏程序在数控制造技术较为发达国家推广较好，在我国航空发动机制造领域应用的程度和广度都比较欠缺，在该领域具有广阔的应用前景。随着人们对该项技术认知程度和重视程度的提高，该项技术在航空发动机制造领域必将具有非常广阔的应用前景。

参考文献：

[1]高媛媛.数控编程中宏程序的重要性.Exploration Area，2017.

[2]陈银清. 宏程序在数控加工中的应用研究. 机床与液压，2009.

作者简介：

王作鹏（1977.03-），男，汉族，黑龙江省哈尔滨市，大学本科学历，职称：高级工程师，研究方向：机械加工