組合機(jī)床模塊化設(shè)計CAD系統(tǒng).pdf

第25卷第5期2004年10月河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)Vol.25No.5Oct.2004基金項目:河南省科技攻關(guān)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.收稿日期:2004-06-18文章編號:1672-6871(2004)05-0009-04組合機(jī)床模塊化設(shè)計CAD系統(tǒng)李春梅,崔鳳奎(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南洛陽471003)摘要:根據(jù)組合機(jī)床設(shè)計特點(diǎn),將模塊化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于組合機(jī)床CAD系統(tǒng)。以分級模塊化為主導(dǎo)思想,在功能分析的基礎(chǔ)上劃分組合機(jī)床的各級模塊并按照面向裝配設(shè)計的原則設(shè)計了模塊接口。以三維設(shè)計軟件UG為開發(fā)平臺,針對組合機(jī)床的每一級模塊建立相應(yīng)的全參數(shù)化三維模型庫,開發(fā)出支持模塊化設(shè)計的組合機(jī)床CAD系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:組合機(jī)床；模塊化程序；三維；計算機(jī)輔助設(shè)計中圖分類號:TG65；TP391.72文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0前言目前模塊化設(shè)計已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域,它的主要優(yōu)點(diǎn)是能滿足用戶對于多品種的要求,可以快速進(jìn)行產(chǎn)品的系列化設(shè)計1,因此模塊化技術(shù)特別適用于具有系列化特點(diǎn)的組合機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計中。組合機(jī)床是一種針對專門零件的生產(chǎn)設(shè)備,具有以下特點(diǎn)2:整機(jī)中通用部件占很大例,只有少量的專用部件；通用部件的獨(dú)立性強(qiáng),具有相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)；品種多,批量??；具有明顯的分級特性；用戶要求交貨周期短。針對組合機(jī)床的上述特點(diǎn),發(fā)展了機(jī)床的模塊化設(shè)計方法3。機(jī)床設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀是模塊化、智能化以及CAD/CAM/CAPP的集成。當(dāng)前在組合機(jī)床CAD系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)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(jī)角度進(jìn)行設(shè)計、分析和評價系統(tǒng)4,不能支持自上而下的從概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計的過程。本文把CAD技術(shù)和模塊化設(shè)計兩種設(shè)計方法結(jié)合起來,開發(fā)出支持模塊化組合機(jī)床設(shè)計的CAD系統(tǒng)。本系統(tǒng)支持自上而下的組合機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計,可有效地提高設(shè)計水平和工作效率,縮短開發(fā)周期,降低成本。1組合機(jī)床CAD系統(tǒng)總體模塊化設(shè)計模塊化設(shè)計是在功能分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計出一系列功能模塊,通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的機(jī)床,實(shí)現(xiàn)不同的功能要求5。利用模塊化設(shè)計的方法,建立組合機(jī)床模塊化設(shè)計CAD系統(tǒng)的步驟如下:(1)組合機(jī)床功能分析:進(jìn)行市場調(diào)查,分析用戶需要,總結(jié)組合機(jī)床實(shí)現(xiàn)的功能,建立組合機(jī)床的總體功能模型,并將機(jī)床功能分解為不同級別、層次的子功能。(2)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計:在組合機(jī)床功能模型的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)功能2結(jié)構(gòu)映射。根據(jù)組合機(jī)床的功能層次,尋求實(shí)現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)載體,產(chǎn)生機(jī)床結(jié)構(gòu)布局方案,同時進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)、外形尺寸的初步規(guī)劃。合理地劃分結(jié)構(gòu)模塊,每一個模塊都具有獨(dú)立的結(jié)構(gòu),對應(yīng)一定的功能。(3)詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計:利用三維造型工具,將結(jié)構(gòu)概念模型細(xì)化,對模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化詳細(xì)設(shè)計。針對組合機(jī)床的每一層模塊都建立相應(yīng)的全參數(shù)化控制三維模型庫,用戶在這個庫中調(diào)用需要模塊的三維模型進(jìn)行裝配。(4)建立CAD系統(tǒng)主控界面和數(shù)據(jù)庫等:除了建立各級模塊的相應(yīng)三維模型庫之外,本CAD系統(tǒng)還要建立存放設(shè)計過程中所需要數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫,以及設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)處理和分析程序。在其上建立一個友好的人機(jī)交互界面,用戶在系統(tǒng)引導(dǎo)下完成設(shè)計過程中的模塊選擇、模塊調(diào)用、模塊組合和設(shè)計計算等過程。組合機(jī)床CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。組合機(jī)床CAD系統(tǒng)的設(shè)計過程中,模塊化設(shè)計的思想貫穿始終。其中最重要的一步就是根據(jù)模塊化設(shè)計理論,在設(shè)計模塊的基礎(chǔ)上建立組合機(jī)床產(chǎn)品模板庫。模塊的設(shè)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(chǔ)上劃分各級模塊,采用面向裝配的原則來設(shè)計模塊的接口,實(shí)現(xiàn)模塊綜合的柔性和多樣性。1.1在功能分析的基礎(chǔ)上劃分組合機(jī)床的各級模塊模塊的劃分是一個復(fù)雜的分析過程,模塊劃分太細(xì),可以組成較多的變型產(chǎn)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(dǎo)致產(chǎn)品性能不合理,柔性太差。因此劃分組合機(jī)床模塊需要綜合考慮各方面的因素。組合機(jī)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(xì)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(chǔ)上,每一級的模塊都對應(yīng)于一定的功能,具有獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。在模塊劃分之前,首先進(jìn)行市場需求分析,將用戶需求轉(zhuǎn)化為機(jī)床的功能需求。然后分析組合機(jī)床的功能,建立組合機(jī)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(jī)床整機(jī)功能進(jìn)行抽象,首先建立機(jī)床的總體功能模型。組合機(jī)床整機(jī)的功能反映在它所完成的加工工藝內(nèi)容上。因此在整機(jī)層次上,可以劃分實(shí)現(xiàn)不同加工工藝內(nèi)容的整機(jī)模塊。在整機(jī)功能之下,對組合機(jī)床的功能進(jìn)行進(jìn)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(jī)床部件功能還可以進(jìn)一步細(xì)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。1.2按照面向裝配設(shè)計的原則設(shè)計模塊接口面向裝配設(shè)計是指在概念設(shè)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(shè)計應(yīng)該遵循面向裝配設(shè)計的原則,通過功能特征與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之間的映射實(shí)現(xiàn)由概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計這樣自上而下的設(shè)計過程7。為此模塊應(yīng)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(zhǔn)確。模塊接口是有著相互結(jié)合關(guān)系的模塊在結(jié)合部分存在的具有一定幾何形狀、尺寸和精度的邊界結(jié)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(shè)計應(yīng)該考慮接口的統(tǒng)一性,即具有相同功能的模塊接口應(yīng)該采用相同的接口幾何形狀,接口方位應(yīng)該一致,模塊接口材料、幾何尺寸的精度、表面粗糙度應(yīng)該盡可能的統(tǒng)一。為了保證模塊之間可以實(shí)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(chǔ)上,對于同一系列的接口,提供標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計軟件Unigraphics(簡稱UG)為開發(fā)平臺,采用UG/OPENAPI開發(fā)接口,VisualC+編譯環(huán)境。包括組合機(jī)床加工示意圖設(shè)計模塊、切削用量計算模塊、主軸箱設(shè)計模塊和組合機(jī)床各級模塊裝配模型模板庫。利用UGUIstyler開發(fā)出與UG風(fēng)格完全一致的用戶界面,采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理設(shè)計計算和模板庫中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)根據(jù)模塊化設(shè)計的原則,將概念模型細(xì)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(jù)上述模塊的劃分而設(shè)定的。系統(tǒng)采用了三維參數(shù)化造型技術(shù),為每一級模塊都建立對應(yīng)的三維模型。01河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2004年在設(shè)計模塊的三維造型模板庫時,遵循模塊化設(shè)計的原則,系統(tǒng)具有下面的特點(diǎn):(1)采用參數(shù)化三維造型技術(shù)建立模塊庫:參數(shù)化建模采用尺寸驅(qū)動技術(shù),以約束造型為核心。由于組合機(jī)床通用部件的數(shù)據(jù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化,可以實(shí)現(xiàn)用幾個關(guān)鍵尺寸驅(qū)動整個視圖的繪制8。組合機(jī)床分級模塊結(jié)構(gòu)的三維模型通過這些尺寸作為參數(shù)來控制?？刂迫S模型的參數(shù)分為三種:控制零件輪廓尺寸的參數(shù)。對于通用件和標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化,次要輪廓尺寸與主要輪廓尺寸有確定的約束關(guān)系。主要輪廓尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中,用戶從界面輸入所選標(biāo)準(zhǔn)件或者通用件的型號,系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫中得到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),并且根據(jù)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(jìn)行更新。裝配約束參數(shù)零件進(jìn)行裝配時,與其他部件間形成一定的裝配約束關(guān)系,并可由裝配參數(shù)控制。裝配約束包括配合、對齊、平行、垂直等。接口參數(shù)控制模塊之間接口的形狀、方位關(guān)系等參數(shù)。對于通用件和標(biāo)準(zhǔn)件,接口參數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,相應(yīng)數(shù)據(jù)可以由數(shù)據(jù)庫中自動獲取。對于非通用件模塊的接口設(shè)計,為了保證模塊的互換性,也實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化系列化設(shè)計。例如主軸箱,因?yàn)榕c動力箱存在固定的裝配關(guān)系,因此主軸箱的接口設(shè)計也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。用戶通過輸入模塊主參數(shù),直接或者間接的控制模型參數(shù),更新三維模型,生成需要的零部件。(2)遵循面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計原則系統(tǒng)設(shè)計模塊時,采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原則。對于每一個模塊而言,包括模塊內(nèi)部和外部兩方面的信息:內(nèi)部信息包括模塊功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸等；外部信息即接口信息,包括形狀、方位、結(jié)合面屬性等。系統(tǒng)將模塊內(nèi)部信息全部封裝,內(nèi)部信息對用戶是一個黑箱,用戶只需關(guān)心接口信息。(3)用WAVE技術(shù)控制模塊內(nèi)部裝配結(jié)構(gòu)在模塊的設(shè)計中,功能設(shè)計映射為結(jié)構(gòu)設(shè)計是以裝配模型作為表達(dá)設(shè)計功能的全局結(jié)構(gòu)。裝配模型由部件結(jié)構(gòu)、部件之間的裝配關(guān)系和裝配約束組成,需要考慮部件之間功能結(jié)構(gòu)上的關(guān)系,以及零部件之間的裝配順序、裝配方向等。組合機(jī)床設(shè)計模塊對應(yīng)的各級裝配模型,不僅包括部件結(jié)構(gòu),還包括部件之間的裝配關(guān)系和裝配約束。在UG中,部件之間的裝配約束可以由三種方法實(shí)現(xiàn):尺寸驅(qū)動、約束驅(qū)動和WAVE全相關(guān)設(shè)計。尺寸約束可以用來控制部件間的尺寸相關(guān),約束驅(qū)動用來建立裝配體中零部件之間在空間位置上的聯(lián)結(jié)關(guān)系。WAVE(What-ifAlternativeValuableEngineering)技術(shù)是UG實(shí)現(xiàn)全相關(guān)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù),支持從概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計。本系統(tǒng)的模塊設(shè)計中,使用WAVE技術(shù)將模塊按設(shè)計規(guī)則形成一個控制結(jié)構(gòu),在其中定義所需要的幾何信息和參數(shù),使組合機(jī)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(guān)。利用本系統(tǒng)生成的三面加工組合機(jī)床見圖2。用戶只需輸入主要參數(shù)即可得到所需的三維模型,在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化設(shè)計。圖2三面加工組合機(jī)床3結(jié)束語本文在模塊化設(shè)計理論的基礎(chǔ)上,進(jìn)行組合機(jī)床CAD系統(tǒng)的開發(fā),實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)輔助模塊化設(shè)計。該系統(tǒng)提供了組合機(jī)床各級模塊的參數(shù)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(chǎn)品從概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計。用戶可以根據(jù)自己的需要,選擇合適的平臺模板來進(jìn)行組合機(jī)床設(shè)計,有效的提高了設(shè)計效率,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。本系統(tǒng)可以進(jìn)一步完善,為并行工程、智能化設(shè)計以及CAD/CAM/CAPP的集成提供基礎(chǔ)。11第5期李春梅等:組合機(jī)床模塊化設(shè)計CAD系統(tǒng)參考文獻(xiàn):1傅迎春.CAD系統(tǒng)在機(jī)床模塊化設(shè)計中的應(yīng)用J.計算機(jī)輔助設(shè)計與制造1998,(5):31-33.2沈陽工業(yè)大學(xué).組合機(jī)床設(shè)計M.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1990.3王軍,李金良.機(jī)床的模塊化設(shè)計與專家系統(tǒng)技術(shù)J.機(jī)床與液壓.2002,(6):199-201.4葛愛和,盛伯浩.CAD技術(shù)與機(jī)床整機(jī)設(shè)計J.焦點(diǎn),2001(5):13-15.5張錫濱.基于模塊化的虛擬機(jī)床設(shè)計J.企業(yè)技術(shù)開發(fā),2001,(11):4-5.6劉小鵬,張為國.機(jī)床模塊化設(shè)計中的模塊創(chuàng)建以及應(yīng)用J.華中理工大學(xué)學(xué)報,2000,28(5):16-17.7王隆太,盛愛平.基于CIMS的組合機(jī)床CAD系統(tǒng)的研究開發(fā)J.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報,1999,2(4):64-66.8孫建軍,李玉翔,肖放.組合機(jī)床通用部件參數(shù)化繪圖系統(tǒng)設(shè)計J.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,20(4):48-51.CADSystemforMachineToolBasedonModularDesignTechnologyLIChun2Mei,CUIFeng2Kui(ElectromechanicalEngineeringCollege,HenanUniversityofScience&Technology,Luoyang471003,China)Abstract:Basedonthecharacteristicsofthedesignofmachinetool,themodulardesigningtechnologyisappliedtoCADsystemformodularmachinetool.Themodulesofmachinetoolaredividedaccordingtotheirdifferentfunctions.Theinterfacebetweenthemodulesisdesignedbasedontheprincip