楊翠蘋 王寶雨 胡正寰

(北京科技大學機械工程學院，北京100083)

楔橫軋技術(shù)是一種零件軋制成形新工藝，工作原理如圖1所示，它與傳統(tǒng)的鍛造、切削工藝比較，具有生產(chǎn)效率高 3～10倍、節(jié)材20% ～40%、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點，廣泛地應用于汽車、拖拉機、摩托車等領域批量大的軸類零件的生產(chǎn)。楔橫軋技術(shù)的迅速發(fā)展，對產(chǎn)品的復雜程度、尺寸精度等方面提出了越來越高的要求，對模具的加工要求也隨之提高。數(shù)控加工技術(shù)顯著地改善了楔橫軋模具加工的精度和工作效率，體現(xiàn)了成形復雜空間型腔等方面的優(yōu)勢。但由于楔橫軋模具復雜，數(shù)控加工涉及到的數(shù)據(jù)量龐大，計算機輔助編程是體現(xiàn)數(shù)控加工優(yōu)勢、提高編碼效率、減少錯誤產(chǎn)生的必要手段。由于加工工藝的特殊性，現(xiàn)有的商業(yè)CAD/CAM軟件不適合楔橫軋模具的數(shù)控編程。雖然在楔橫軋模具的CAD/CAM一體化上已進行了很多工作，但由于CAD轉(zhuǎn)化到CAM功能機制不夠完善，系統(tǒng)實現(xiàn)過程比較復雜等因素限制了它的廣泛應用［1－3］。簡化編程工作，減少錯誤產(chǎn)生仍然是目前楔橫軋數(shù)控編程迫切需要解決的問題。根據(jù)楔橫軋模具加工的特點，本文以EXCEL的VBA作為工具，開發(fā)面向加工的模具數(shù)控加工代碼的自動生成軟件來解決上述問題。

1 程序設計及開發(fā)工具的選擇

圖2顯示了一種典型軸類產(chǎn)品的楔橫軋零件圖和模具圖，圖3顯示了模具的展開圖和槽形圖。如圖所示，楔橫軋模具結(jié)構(gòu)及形式特殊，加工方法也與常規(guī)加工顯著不同，但是模具的形狀結(jié)構(gòu)特點決定了每種模具都可以分解為若干個槽、楔、軋齊、脫空等基本特征，結(jié)合加工方式則進一步細化為槽粗加工、槽精加工、楔粗加工、楔精加工、軋齊加工(包括直臺階，斜臺階，圓弧臺階)、脫空加工等加工特征。按照這種特征分類方法，進行模具數(shù)控加工時，就是某些加工特征的組合及多倍復制。因此數(shù)控程序結(jié)構(gòu)可以規(guī)劃為特征加工執(zhí)行模塊和參數(shù)賦值2個主要部分。進行執(zhí)行模塊程序設計時，要充分考慮加工特征的通用性，提取公共的加工參數(shù)，在滿足加工要求，保證運行安全高效的前提下，確定每種加工特征合理優(yōu)化的走刀軌跡，設計其刀軌算法，再根據(jù)數(shù)控機床控制系統(tǒng)的指令格式轉(zhuǎn)換成相應的程序執(zhí)行模塊。參數(shù)賦值部分具有簡單的結(jié)構(gòu)形式，便于編程操作。但是一副楔橫軋模具通常有成百上千的數(shù)據(jù)量，要保證完全正確也是不容易做到的。

開發(fā)高效的軟件實現(xiàn)楔橫軋模具的自動編程，開發(fā)工具的選擇很重要，主要考慮以下因素:

(1)數(shù)據(jù)操作方便，對數(shù)據(jù)的輸入和運算容易實現(xiàn)。

(2)實用性強，對圖紙源的形式或格式?jīng)]有嚴格要求。

現(xiàn)在流行的編程語言很多，其中Excel的Visual Basic for Applications(簡稱VBA)較好地滿足了這項工作的要求。VBA是新一代標準宏語言，繼承了VB的開發(fā)機制。EXCEL的VBA集成了EXCEL和VB的雙重優(yōu)點，能夠充分利用EXCEL的基本概念、操作方法，提高效率，能夠通過VBA自定義EXCEL，使重復的工作自動化［4］。所以應用EXCEL的VBA編程可以容易地實現(xiàn)楔橫軋數(shù)控編程自動化的目標，而且使用者容易接受。

2 Excel VBA編程

2.1 程序結(jié)構(gòu)

根據(jù)程序設計方案，并考慮到實際加工要求，以數(shù)控機床操作者使用方便為原則規(guī)劃楔橫軋數(shù)控加工程序，將楔橫軋的數(shù)控程序分為4部分(圖4)，即通用參數(shù)、主程序、參數(shù)子程序和執(zhí)行子程序。

通用參數(shù)列出了數(shù)控加工中常用的加工參數(shù)，如粗車余量、刀具的徑向進給量、橫向進給量等，這些參數(shù)在程序段的最前端定義，可以方便操作者根據(jù)實際的加工需要進行操作和修改。模具信息參數(shù)如模具安裝的起始角、模具圓周角等也在這里定義，作為加工模具的基本信息，是各執(zhí)行程序里某些參數(shù)運算的主要依據(jù)。

主程序就是參數(shù)子程序的集合，主要顯示參數(shù)子程序的名稱，操作者從名稱就可以判斷每個參數(shù)子程序的加工特征，方便快捷地選擇需要執(zhí)行的程序功能。主程序的結(jié)構(gòu)以簡單明了為原則，使操作者對所有加工程序一目了然。

參數(shù)子程序根據(jù)加工特征和加工方式的不同，分為槽粗加工和精加工、楔的粗加工和精加工、軋齊加工、模具脫空加工等參數(shù)子程序，目的是將相同的模塊賦值代碼整合在相同的參數(shù)子程序包里，格式規(guī)整統(tǒng)一，容易實現(xiàn)自動編程。

執(zhí)行子程序(即執(zhí)行模塊程序)是將走刀算法翻譯成數(shù)控系統(tǒng)指令，指揮機床按指定方式運行的功能模塊。是實際的G、M功能代碼的實現(xiàn)程序，它接受參數(shù)子程序傳遞來的具體參數(shù)開始執(zhí)行加工指令。本文模具數(shù)控加工機床采用的是西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有變量定義、流程控制、子程序調(diào)用等高級功能。這些功能大大簡化了編程工作量，使編寫的代碼執(zhí)行子程序更簡練、易讀、可靠。所有執(zhí)行子程序可以打包在模塊程序庫里，根據(jù)模具特征需要讀取并添加到數(shù)控加工程序里。

2.2 程序流程

在規(guī)劃了程序結(jié)構(gòu)基礎上，設計EXCEL的VBA的程序流程如圖5所示。首先輸入關于模具的主體信息，這些信息是在某些特征參數(shù)計算的基礎。然后添加各個特征的加工參數(shù)，在這個過程的程序?qū)崿F(xiàn)中，涉及到2次判斷:首先程序要驗證輸入的數(shù)據(jù)是否有效，無效的數(shù)據(jù)往往導致不能正確輸出;另外要驗證輸入的參數(shù)數(shù)據(jù)是否正確，這里采用了生成AutoCAD腳本文件的方法檢驗數(shù)據(jù)，優(yōu)點在于腳本語言的編碼簡單，容易實現(xiàn)，不同的加工特征在CAD里可以分層顯示，而且很多楔橫軋模具圖原文件都是AutoCAD的格式，檢驗對比方便。驗證了數(shù)據(jù)的有效性和正確性，就可以根據(jù)添加的特征，讀取執(zhí)行子程序模塊庫里的相應子程序，按程序結(jié)構(gòu)輸出數(shù)控加工的代碼，集成了通用參數(shù)、主程序、參數(shù)子程序和執(zhí)行子程序4部分。

3 數(shù)控編程系統(tǒng)

圖6是楔橫軋數(shù)控代碼自動生成系統(tǒng)的主界面，集成了主要的功能指令，包括參數(shù)子程序命令按鈕和生成數(shù)控代碼、CAD腳本文件的命令按鈕。同時也是模具主體信息輸入窗口，這里程序也充分運用了EXCEL工作表的功能，將本來需要程序進行的一些運算直接作了處理，使工作簡化。

點擊參數(shù)子程序命令按鈕直接轉(zhuǎn)入加工特征的參數(shù)賦值工作表，也可以由底欄工作表標簽直接進入相應的工作表。以槽粗加工參數(shù)子程序的工作表為例(圖7)，工作表包含2部分:左側(cè)為參數(shù)信息輸入欄，右側(cè)是參數(shù)代表意義的圖形指示，操作人員不必知道后臺VBA程序就可以按圖形指示將模具特征對應的數(shù)據(jù)輸入信息欄。

所有的數(shù)據(jù)輸入完成后，導出“*.SCR文件”，生成AutoCAD腳本文件，將腳本文件讀入CAD軟件，可生成由加工參數(shù)運算的加工模擬圖，與原模具圖疊加比較，操作者很容易發(fā)現(xiàn)錯誤的加工信息，以便及時修正。圖8展示了槽特征的加工參數(shù)產(chǎn)生的切削結(jié)果和原模具圖的比較情況，圖8a是原槽形圖，圖8b是由加工參數(shù)計算的加工區(qū)域與原槽形疊加的結(jié)果。由圖可見，當由加工參數(shù)計算產(chǎn)生的圖形線完全覆蓋了槽形區(qū)域，并且邊線與槽的邊線重合，就可以判斷槽的加工參數(shù)賦值正確，數(shù)據(jù)完整，能完成槽的車削加工。

驗證數(shù)據(jù)正確無誤之后，就可以點擊“導出數(shù)控文件”按鈕，生成完整的楔橫軋數(shù)控代碼。圖9是正在進行數(shù)控加工的楔橫軋模具。

綜上所述，通過VBA編程，使EXCEL工作表成為形式簡單、操作方便的用戶圖形界面，使用人員不必了解后臺VBA程序，只要有基本的計算機辦公軟件操作知識，就可以使用這個軟件，輸入模具加工信息，自動生成楔橫軋模具的數(shù)控加工代碼。

4 結(jié)語

本文使用EXCEL的VBA技術(shù)，開發(fā)了楔橫軋模具數(shù)控加工代碼的自動化編程系統(tǒng)，經(jīng)實踐證明本系統(tǒng)體現(xiàn)了如下優(yōu)點:

(1)采用用戶圖形界面的形式，將模具加工參數(shù)分層次、有條理地分類、整合，降低了工作的復雜度，提高了正確率。

(2)充分利用了EXCEL工作表的數(shù)據(jù)操作功能，工作效率提高6～8倍。

(3)數(shù)據(jù)驗證工作簡單而直觀，代碼正確率達到98%以上。

(4)對數(shù)控代碼不熟悉的工作者，也能輕松地完成楔橫軋模具數(shù)控代碼的生成工作。

［1］胡正寰，張康生，王寶雨，等.楔橫軋零件成形技術(shù)與模擬仿真［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

［2］楊宏青，王寶雨，黃敬義，等.楔橫軋模具數(shù)控編程系統(tǒng)的研究［J］.鍛壓技術(shù)，2002(6).

［3］楊宏青.基于特征的楔橫軋模具數(shù)控編程系統(tǒng)研究與應用［D］.北京:北京科技大學，2002.

［4］趙志東，Excel VBA基礎入門［M］.北京:人民郵電出版社，2006.