組合機床模塊化設計CAD系統(tǒng).pdf

第 25 卷 第 5 期2004年 10 月河 南 科 技 大 學 學 報 ( 自 然 科 學 版 ) 項 目 :河 南 省 科 技 攻 關 資 助 項 目 (0224330092)作 者 簡 介 :李 春 梅 (1973- ) ,女 ,山 東 莒 縣 人 ,碩 士 生 ;崔 鳳 奎 (1957- ) ,男 ,河 南 郾 城 人 ,教 授 日 期 :2004 編 號 :16722004) 05 機 床 模 塊 化 設 計 李 春 梅 ,崔 鳳 奎(河 南 科 技 大 學 機 電 工 程 學 院 ,河 南 洛 陽 471003)摘 要 :根 據 組 合 機 床 設 計 特 點 ,將 模 塊 化 設 計 技 術 應 用 于 組 合 機 床 。 以 分 級 模 塊 化 為 主 導 思 想 ,在功 能 分 析 的 基 礎 上 劃 分 組 合 機 床 的 各 級 模 塊 并 按 照 面 向 裝 配 設 計 的 原 則 設 計 了 模 塊 接 口 。 以 三 維 設 計 軟 件 發(fā) 平 臺 ,針 對 組 合 機 床 的 每 一 級 模 塊 建 立 相 應 的 全 參 數 化 三 維 模 型 庫 ,開 發(fā) 出 支 持 模 塊 化 設 計 的 組 合機 床 。關 鍵 詞 :組 合 機 床 ;模 塊 化 程 序 ;三 維 ;計 算 機 輔 助 設 計中 圖 分 類 號 : 獻 標 識 碼 : 前 言目 前 模 塊 化 設 計 已 被 廣 泛 應 用 于 機 械 設 計 領 域 ,它 的 主 要 優(yōu) 點 是 能 滿 足 用 戶 對 于 多 品 種 的 要 求 ,可以 快 速 進 行 產 品 的 系 列 化 設 計 1 ,因 此 模 塊 化 技 術 特 別 適 用 于 具 有 系 列 化 特 點 的 組 合 機 床 產 品 設 計 中 。組 合 機 床 是 一 種 針 對 專 門 零 件 的 生 產 設 備 ,具 有 以 下 特 點 2 :整 機 中 通 用 部 件 占 很 大 例 ,只 有 少 量的 專 用 部 件 ;通 用 部 件 的 獨 立 性 強 ,具 有 相 對 獨 立 的 結 構 ;品 種 多 ,批 量 小 ;具 有 明 顯 的 分 級 特 性 ;用 戶 要求 交 貨 周 期 短 。 針 對 組 合 機 床 的 上 述 特 點 ,發(fā) 展 了 機 床 的 模 塊 化 設 計 方 法 3 。機 床 設 計 領 域 的 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 是 模 塊 化 、 智 能 化 以 及 成 。 當 前 在 組 合 機 床 的 開 發(fā) 應 用 方 面 取 得 了 長 足 的 發(fā) 展 ,同 時 也 存 在 一 些 問 題 ,主 要 是 缺 乏 從 主 機 角 度 進 行 設 計 、 分 析和 評 價 系 統(tǒng) 4 ,不 能 支 持 自 上 而 下 的 從 概 念 設 計 到 詳 細 設 計 的 過 程 。 本 文 把 和 模 塊 化 設 計 兩種 設 計 方 法 結 合 起 來 ,開 發(fā) 出 支 持 模 塊 化 組 合 機 床 設 計 的 。 本 系 統(tǒng) 支 持 自 上 而 下 的 組 合 機 床產 品 設 計 ,可 有 效 地 提 高 設 計 水 平 和 工 作 效 率 ,縮 短 開 發(fā) 周 期 ,降 低 成 本 。1 組 合 機 床 統(tǒng) 總 體 模 塊 化 設 計模 塊 化 設 計 是 在 功 能 分 析 的 基 礎 上 ,劃 分 并 設 計 出 一 系 列 功 能 模 塊 ,通 過 模 塊 的 選 擇 和 組 合 可 以 構成 不 同 的 機 床 ,實 現(xiàn) 不 同 的 功 能 要 求 5 。利 用 模 塊 化 設 計 的 方 法 ,建 立 組 合 機 床 模 塊 化 設 計 的 步 驟 如 下 :(1)組 合 機 床 功 能 分 析 :進 行 市 場 調 查 ,分 析 用 戶 需 要 ,總 結 組 合 機 床 實 現(xiàn) 的 功 能 ,建 立 組 合 機 床 的總 體 功 能 模 型 ,并 將 機 床 功 能 分 解 為 不 同 級 別 、 層 次 的 子 功 能 。(2)總 體 結 構 設 計 :在 組 合 機 床 功 能 模 型 的 基 礎 上 ,實 現(xiàn) 功 能 2結 構 映 射 。 根 據 組 合 機 床 的 功 能 層次 ,尋 求 實 現(xiàn) 功 能 的 結 構 載 體 ,產 生 機 床 結 構 布 局 方 案 ,同 時 進 行 機 床 結 構 、 外 形 尺 寸 的 初 步 規(guī) 劃 。 合 理地 劃 分 結 構 模 塊 ,每 一 個 模 塊 都 具 有 獨 立 的 結 構 ,對 應 一 定 的 功 能 。(3)詳 細 結 構 設 計 :利 用 三 維 造 型 工 具 ,將 結 構 概 念 模 型 細 化 ,對 模 塊 進 行 標 準 化 、 系 列 化 詳 細 設 計 。針 對 組 合 機 床 的 每 一 層 模 塊 都 建 立 相 應 的 全 參 數 化 控 制 三 維 模 型 庫 ,用 戶 在 這 個 庫 中 調 用 需 要 模 塊 的三 維 模 型 進 行 裝 配 。(4)建 立 主 控 界 面 和 數 據 庫 等 :除 了 建 立 各 級 模 塊 的 相 應 三 維 模 型 庫 之 外 ,本 還要 建 立 存 放 設 計 過 程 中 所 需 要 數 據 的 數 據 庫 ,以 及 設 計 過 程 中 的 數 據 處 理 和 分 析 程 序 。 在 其 上 建 立 一個 友 好 的 人 機 交 互 界 面 ,用 戶 在 系 統(tǒng) 引 導 下 完 成 設 計 過 程 中 的 模 塊 選 擇 、 模 塊 調 用 、 模 塊 組 合 和 設 計 計算 等 過 程 。組 合 機 床 結 構 圖 如 圖 1 所 示 。組 合 機 床 的 設 計 過 程 中 ,模 塊 化 設計 的 思 想 貫 穿 始 終 。 其 中 最 重 要 的 一 步 就是 根 據 模 塊 化 設 計 理 論 ,在 設 計 模 塊 的 基 礎上 建 立 組 合 機 床 產 品 模 板 庫 。 模 塊 的 設 計分 為 模 塊 的 劃 分 和 模 塊 綜 合 兩 部 分 。 本 系統(tǒng) 主 要 在 功 能 分 析 的 基 礎 上 劃 分 各 級 模 塊 ,采 用 面 向 裝 配 的 原 則 來 設 計 模 塊 的 接 口 ,實現(xiàn) 模 塊 綜 合 的 柔 性 和 多 樣 性 。 在 功 能 分 析 的 基 礎 上 劃 分 組 合 機 床 的各 級 模 塊模 塊 的 劃 分 是 一 個 復 雜 的 分 析 過 程 ,模 塊 劃 分 太 細 ,可 以 組 成 較 多 的 變 型 產 品 ,但 模 塊 的 綜 合 較 為困 難 ;模 塊 劃 分 過 粗 ,模 塊 綜 合 性 較 好 ,但 導 致 產 品 性 能 不 合 理 ,柔 性 太 差 。 因 此 劃 分 組 合 機 床 模 塊 需 要綜 合 考 慮 各 方 面 的 因 素 。 組 合 機 床 具 有 明 顯 的 分 級 特 性 6 ,因 此 本 系 統(tǒng) 按 照 分 級 劃 分 的 原 則 ,從 粗 到 細劃 分 了 不 同 級 別 、 不 同 層 次 的 模 塊 ,每 一 級 的 模 塊 都 可 以 劃 分 為 更 小 的 模 塊 。 模 塊 的 分 級 劃 分 建 立 在 功能 分 析 的 基 礎 上 ,每 一 級 的 模 塊 都 對 應 于 一 定 的 功 能 ,具 有 獨 立 的 結 構 。在 模 塊 劃 分 之 前 ,首 先 進 行 市 場 需 求 分 析 ,將 用 戶 需 求 轉 化 為 機 床 的 功 能 需 求 。 然 后 分 析 組 合 機 床的 功 能 ,建 立 組 合 機 床 總 體 功 能 模 型 ,并 將 總 體 功 能 分 解 為 不 同 級 別 、 不 同 層 次 的 子 功 能 。對 組 合 機 床 整 機 功 能 進 行 抽 象 ,首 先 建 立 機 床 的 總 體 功 能 模 型 。 組 合 機 床 整 機 的 功 能 反 映 在 它 所完 成 的 加 工 工 藝 內 容 上 。 因 此 在 整 機 層 次 上 ,可 以 劃 分 實 現(xiàn) 不 同 加 工 工 藝 內 容 的 整 機 模 塊 。 在 整 機 功能 之 下 ,對 組 合 機 床 的 功 能 進 行 進 一 步 劃 分 。 這 一 層 上 可 以 劃 分 為 加 工 單 元 、 裝 夾 單 元 、 控 制 單 元 等 模塊 。 對 組 合 機 床 部 件 功 能 還 可 以 進 一 步 細 化 。 分 為 動 力 部 件 模 塊 、 輸 送 部 件 模 塊 、 支 撐 部 件 模 塊 、 控 制部 件 模 塊 、 輔 助 部 件 模 塊 等 。 按 照 面 向 裝 配 設 計 的 原 則 設 計 模 塊 接 口面 向 裝 配 設 計 是 指 在 概 念 設 計 階 段 就 考 慮 裝 配 中 可 能 存 在 的 問 題 ,以 確 保 零 件 快 速 有 效 地 裝 配 。模 塊 的 劃 分 和 設 計 應 該 遵 循 面 向 裝 配 設 計 的 原 則 ,通 過 功 能 特 征 與 產 品 結 構 之 間 的 映 射 實 現(xiàn) 由 概 念 設計 到 詳 細 設 計 這 樣 自 上 而 下 的 設 計 過 程 7 。 為 此 模 塊 應 該 具 有 易 于 裝 配 的 可 互 換 性 接 口 ,以 保 證 模 塊組 合 的 快 速 準 確 。模 塊 接 口 是 有 著 相 互 結 合 關 系 的 模 塊 在 結 合 部 分 存 在 的 具 有 一 定 幾 何 形 狀 、 尺 寸 和 精 度 的 邊 界 結合 表 面 。 模 塊 接 口 模 型 包 括 :接 口 形 狀 、 接 口 方 位 、 接 口 功 能 。 模 塊 接 口 的 設 計 應 該 考 慮 接 口 的 統(tǒng) 一 性 ,即 具 有 相 同 功 能 的 模 塊 接 口 應 該 采 用 相 同 的 接 口 幾 何 形 狀 ,接 口 方 位 應 該 一 致 ,模 塊 接 口 材 料 、 幾 何 尺寸 的 精 度 、 表 面 粗 糙 度 應 該 盡 可 能 的 統(tǒng) 一 。為 了 保 證 模 塊 之 間 可 以 實 現(xiàn) 良 好 的 互 換 性 ,接 口 的 系 列 化 是 重 要 的 途 徑 。 在 模 塊 接 口 系 列 化 的 基礎 上 ,對 于 同 一 系 列 的 接 口 ,提 供 標 準 化 的 接 口 幾 何 尺 寸 系 列 。2 系 統(tǒng) 的 模 塊 化 三 維 造 型 模 板 庫本 系 統(tǒng) 以 三 維 設 計 軟 件 稱 開 發(fā) 平 臺 ,采 用 發(fā) 接 口 ,+編 譯 環(huán) 境 。 包 括 組 合 機 床 加 工 示 意 圖 設 計 模 塊 、 切 削 用 量 計 算 模 塊 、 主 軸 箱 設 計 模 塊 和 組 合 機 床 各 級 模塊 裝 配 模 型 模 板 庫 。 利 用 發(fā) 出 與 完 全 一 致 的 用 戶 界 面 ,采 用 數 據 庫 技 術 管 理 設計 計 算 和 模 板 庫 中 的 標 準 數 據 。本 系 統(tǒng) 根 據 模 塊 化 設 計 的 原 則 ,將 概 念 模 型 細 化 為 具 體 的 三 維 裝 配 模 型 。 系 統(tǒng) 的 裝 配 模 型 模 板 庫是 根 據 上 述 模 塊 的 劃 分 而 設 定 的 。 系 統(tǒng) 采 用 了 三 維 參 數 化 造 型 技 術 ,為 每 一 級 模 塊 都 建 立 對 應 的 三 維模 型 。01 河 南 科 技 大 學 學 報 ( 自 然 科 學 版 ) 2004年在 設 計 模 塊 的 三 維 造 型 模 板 庫 時 ,遵 循 模 塊 化 設 計 的 原 則 ,系 統(tǒng) 具 有 下 面 的 特 點 :(1)采 用 參 數 化 三 維 造 型 技 術 建 立 模 塊 庫 :參 數 化 建 模 采 用 尺 寸 驅 動 技 術 ,以 約 束 造 型 為 核 心 。 由于 組 合 機 床 通 用 部 件 的 數 據 已 經 標 準 化 、 系 列 化 ,可 以 實 現(xiàn) 用 幾 個 關 鍵 尺 寸 驅 動 整 個 視 圖 的 繪 制 8 。 組合 機 床 分 級 模 塊 結 構 的 三 維 模 型 通 過 這 些 尺 寸 作 為 參 數 來 控 制 。 控 制 三 維 模 型 的 參 數 分 為 三 種 : 控 制 零 件 輪 廓 尺 寸 的 參 數 。對 于 通 用 件 和 標 準 件 ,零 件 的 輪 廓 尺 寸 分 為 主 要 輪 廓 尺 寸 和 次 要 輪 廓 尺 寸 。 主 要 輪 廓 尺 寸 已 經 標準 化 、 系 列 化 ,次 要 輪 廓 尺 寸 與 主 要 輪 廓 尺 寸 有 確 定 的 約 束 關 系 。 主 要 輪 廓 尺 寸 的 標 準 化 數 據 存 放 在 數據 庫 中 ,用 戶 從 界 面 輸 入 所 選 標 準 件 或 者 通 用 件 的 型 號 ,系 統(tǒng) 在 數 據 庫 中 得 到 相 應 的 標 準 數 據 ,并 且 根據 主 要 輪 廓 尺 寸 計 算 出 次 要 輪 廓 尺 寸 ,賦 予 三 維 模 型 并 對 模 型 進 行 更 新 。 裝 配 約 束 參 數零 件 進 行 裝 配 時 ,與 其 他 部 件 間 形 成 一 定 的 裝 配 約 束 關 系 ,并 可 由 裝 配 參 數 控 制 。 裝 配 約 束 包 括 配合 、 對 齊 、 平 行 、 垂 直 等 。 接 口 參 數控 制 模 塊 之 間 接 口 的 形 狀 、 方 位 關 系 等 參 數 。 對 于 通 用 件 和 標 準 件 ,接 口 參 數 已 經 標 準 化 ,相 應 數據 可 以 由 數 據 庫 中 自 動 獲 取 。 對 于 非 通 用 件 模 塊 的 接 口 設 計 ,為 了 保 證 模 塊 的 互 換 性 ,也 實 行 標 準 化 系列 化 設 計 。 例 如 主 軸 箱 ,因 為 與 動 力 箱 存 在 固 定 的 裝 配 關 系 ,因 此 主 軸 箱 的 接 口 設 計 也 實 現(xiàn) 了 標 準 化 。用 戶 通 過 輸 入 模 塊 主 參 數 ,直 接 或 者 間 接 的 控 制 模 型 參 數 ,更 新 三 維 模 型 ,生 成 需 要 的 零 部 件 。(2)遵 循 面 向 對 象 的 模 塊 化 設 計 原 則系 統(tǒng) 設 計 模 塊 時 ,采 用 面 向 對 象 的 設 計 原 則 。 對 于 每 一 個 模 塊 而 言 ,包 括 模 塊 內 部 和 外 部 兩 方 面 的信 息 :內 部 信 息 包 括 模 塊 功 能 、 內 部 結 構 尺 寸 等 ;外 部 信 息 即 接 口 信 息 ,包 括 形 狀 、 方 位 、 結 合 面 屬 性 等 。系 統(tǒng) 將 模 塊 內 部 信 息 全 部 封 裝 ,內 部 信 息 對 用 戶 是 一 個 黑 箱 ,用 戶 只 需 關 心 接 口 信 息 。(3)用 控 制 模 塊 內 部 裝 配 結 構在 模 塊 的 設 計 中 ,功 能 設 計 映 射 為 結 構 設 計 是 以 裝 配 模 型 作 為 表 達 設 計 功 能 的 全 局 結 構 。 裝 配 模型 由 部 件 結 構 、 部 件 之 間 的 裝 配 關 系 和 裝 配 約 束 組 成 ,需 要 考 慮 部 件 之 間 功 能 結 構 上 的 關 系 ,以 及 零 部件 之 間 的 裝 配 順 序 、 裝 配 方 向 等 。組 合 機 床 設 計 模 塊 對 應 的 各 級 裝 配 模 型 ,不 僅 包 括 部 件 結 構 ,還 包 括部 件 之 間 的 裝 配 關 系 和 裝 配 約 束 。 在 ,部 件 之 間 的 裝 配 約 束 可 以由 三 種 方 法 實 現(xiàn) :尺 寸 驅 動 、 約 束 驅 動 和 關 設 計 。 尺 寸 約 束 可以 用 來 控 制 部 件 間 的 尺 寸 相 關 ,約 束 驅 動 用 來 建 立 裝 配 體 中 零 部 件 之 間在 空 間 位 置 上 的 聯(lián) 結 關 系 。 術 是 現(xiàn) 全 相 關 設 計 的 關 鍵 技 術 ,支 持 從 概 念 設 計 到詳 細 設 計 。本 系 統(tǒng) 的 模 塊 設 計 中 ,使 用 將 模 塊 按 設 計 規(guī) 則 形 成 一 個控 制 結 構 ,在 其 中 定 義 所 需 要 的 幾 何 信 息 和 參 數 ,使 組 合 機 床 各 級 模 板 裝配 模 型 中 的 子 模 塊 之 間 的 幾 何 特 征 都 是 整 體 相 關 。利 用 本 系 統(tǒng) 生 成 的 三 面 加 工 組 合 機 床 見 圖 2。 用 戶 只 需 輸 入 主 要 參數 即 可 得 到 所 需 的 三 維 模 型 ,在 此 模 型 基 礎 上 進 行 細 化 設 計 。 圖 2 三 面 加 工 組 合 機 床3 結 束 語本 文 在 模 塊 化 設 計 理 論 的 基 礎 上 ,進 行 組 合 機 床 的 開 發(fā) ,實 現(xiàn) 了 計 算 機 輔 助 模 塊 化 設 計 。該 系 統(tǒng) 提 供 了 組 合 機 床 各 級 模 塊 的 參 數 化 三 維 模 型 模 板 庫 ,在 每 個 層 次 級 別 上 都 建 立 了 系 列 的 模 塊 模板 庫 ,支 持 產 品 從 概 念 設