組合機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)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(bào)(自 然 科 學(xué) 版) Journal of Henan University of Science and Technology (Natural Science) Vol.25No.5 Oct.2004 基金項(xiàng)目:河南省科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(0224330092) 作者簡(jiǎn)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(hào):1672 - 6871(2004)05 - 0009 - 04 組合機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)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(yáng)471003) 摘要:根據(jù)組合機(jī)床設(shè)計(jì)特點(diǎn),將模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于組合機(jī)床CAD系統(tǒng)。以分級(jí)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(jí)模塊并按照面向裝配設(shè)計(jì)的原則設(shè)計(jì)了模塊接口。以三維設(shè)計(jì)軟件 UG為開(kāi)發(fā)平臺(tái),針對(duì)組合機(jī)床的每一級(jí)模塊建立相應(yīng)的全參數(shù)化三維模型庫(kù),開(kāi)發(fā)出支持模塊化設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào):TG65 ;TP391. 72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 0 前言 目前模塊化設(shè)計(jì)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域,它的主要優(yōu)點(diǎn)是能滿足用戶對(duì)于多品種的要求,可 以快速進(jìn)行產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)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(jì)中。 組合機(jī)床是一種針對(duì)專門(mén)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(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu);品種多,批量小;具有明顯的分級(jí)特性;用戶要 求交貨周期短。針對(duì)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(jì)方法3。 機(jī)床設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)應(yīng)用方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,同時(shí)也存在一些問(wèn)題,主要是缺乏從主機(jī)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)、 分析 和評(píng)價(jià)系統(tǒng)4,不能支持自上而下的從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的過(guò)程。本文把CAD技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)兩 種設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來(lái),開(kāi)發(fā)出支持模塊化組合機(jī)床設(shè)計(jì)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(jì),可有效地提高設(shè)計(jì)水平和工作效率,縮短開(kāi)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(jì) 模塊化設(shè)計(jì)是在功能分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊,通過(guò)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(jì)的方法,建立組合機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)的步驟如下: (1)組合機(jī)床功能分析:進(jìn)行市場(chǎng)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(jí)別、 層次的子功能。 (2)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):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(shí)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(gè)模塊都具有獨(dú)立的結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)一定的功能。 (3)詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):利用三維造型工具,將結(jié)構(gòu)概念模型細(xì)化,對(duì)模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、 系列化詳細(xì)設(shè)計(jì)。 針對(duì)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(kù),用戶在這個(gè)庫(kù)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(kù)等:除了建立各級(jí)模塊的相應(yīng)三維模型庫(kù)之外,本CAD系統(tǒng)還 要建立存放設(shè)計(jì)過(guò)程中所需要數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù),以及設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理和分析程序。在其上建立一 個(gè)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(jì)過(guò)程中的模塊選擇、 模塊調(diào)用、 模塊組合和設(shè)計(jì)計(jì) 算等過(guò)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(jì)過(guò)程中,模塊化設(shè) 計(jì)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(jì)理論,在設(shè)計(jì)模塊的基礎(chǔ) 上建立組合機(jī)床產(chǎn)品模板庫(kù)。模塊的設(shè)計(jì) 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(jí)模塊, 采用面向裝配的原則來(lái)設(shè)計(jì)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(jí)模塊 模塊的劃分是一個(gè)復(fù)雜的分析過(guò)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(guò)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(jí)特性6,因此本系統(tǒng)按照分級(jí)劃分的原則,從粗到細(xì) 劃分了不同級(jí)別、 不同層次的模塊,每一級(jí)的模塊都可以劃分為更小的模塊。模塊的分級(jí)劃分建立在功 能分析的基礎(chǔ)上,每一級(jí)的模塊都對(duì)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(chǎng)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(jí)別、 不同層次的子功能。 對(duì)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(duì)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(duì)組合機(jī)床部件功能還可以進(jìn)一步細(xì)化。分為動(dòng)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(jì)的原則設(shè)計(jì)模塊接口 面向裝配設(shè)計(jì)是指在概念設(shè)計(jì)階段就考慮裝配中可能存在的問(wèn)題,以確保零件快速有效地裝配。 模塊的劃分和設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循面向裝配設(shè)計(jì)的原則,通過(guò)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(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)這樣自上而下的設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)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(duì)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(kù) 本系統(tǒng)以三維設(shè)計(jì)軟件Unigraphics(簡(jiǎn)稱 UG) 為開(kāi)發(fā)平臺(tái),采用UG/ OPEN API開(kāi)發(fā)接口,Visual C+ + 編譯環(huán)境。包括組合機(jī)床加工示意圖設(shè)計(jì)模塊、 切削用量計(jì)算模塊、 主軸箱設(shè)計(jì)模塊和組合機(jī)床各級(jí)模 塊裝配模型模板庫(kù)。利用UGUIstyler開(kāi)發(fā)出與UG風(fēng)格完全一致的用戶界面,采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)管理設(shè) 計(jì)計(jì)算和模板庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。 本系統(tǒng)根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)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(kù) 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(jí)模塊都建立對(duì)應(yīng)的三維 模型。 01河 南 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)(自 然 科 學(xué) 版) 2004年 在設(shè)計(jì)模塊的三維造型模板庫(kù)時(shí),遵循模塊化設(shè)計(jì)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(kù):參數(shù)化建模采用尺寸驅(qū)動(dòng)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(gè)關(guān)鍵尺寸驅(qū)動(dòng)整個(gè)視圖的繪制8。組 合機(jī)床分級(jí)模塊結(jié)構(gòu)的三維模型通過(guò)這些尺寸作為參數(shù)來(lái)控制。控制三維模型的參數(shù)分為三種: 控制零件輪廓尺寸的參數(shù)。 對(duì)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(kù)中,用戶從界面輸入所選標(biāo)準(zhǔn)件或者通用件的型號(hào),系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)算出次要輪廓尺寸,賦予三維模型并對(duì)模型進(jìn)行更新。 裝配約束參數(shù) 零件進(jìn)行裝配時(shí),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(duì)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(duì)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(kù)中自動(dòng)獲取。對(duì)于非通用件模塊的接口設(shè)計(jì),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(jì)。例如主軸箱,因?yàn)榕c動(dòng)力箱存在固定的裝配關(guān)系,因此主軸箱的接口設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。 用戶通過(guò)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(jì)原則 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊時(shí),采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)原則。對(duì)于每一個(gè)模塊而言,包括模塊內(nèi)部和外部?jī)煞矫娴?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(duì)用戶是一個(gè)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(jì)中,功能設(shè)計(jì)映射為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以裝配模型作為表達(dá)設(shè)計(jì)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(jì)模塊對(duì)應(yīng)的各級(jí)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(dòng)、 約束驅(qū)動(dòng)和WAVE全相關(guān)設(shè)計(jì)。尺寸約束可 以用來(lái)控制部件間的尺寸相關(guān),約束驅(qū)動(dòng)用來(lái)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 - if Alternative Valuable Engineering)技術(shù)是UG實(shí)現(xiàn)全相關(guān)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) ,支持從概念設(shè)計(jì)到 詳細(xì)設(shè)計(jì)。 本系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)中,使用WAVE技術(shù)將模塊按設(shè)計(jì)規(guī)則形成一個(gè) 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(jí)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(jiàn)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(jì)。 圖2 三面加工組合機(jī)床 3 結(jié)束語(yǔ) 本文在模塊化設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上,進(jìn)行組合機(jī)床CAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助模塊化設(shè)計(jì)。 該系統(tǒng)提供了組合機(jī)床各級(jí)模塊的參數(shù)化三維模型模板庫(kù),在每個(gè)層次級(jí)別上都建立了系列的模塊模 板庫(kù),支持產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)。用戶可以根據(jù)自己的需要,選擇合適的平臺(tái)模板來(lái)進(jìn)行組合機(jī) 床設(shè)計(jì),有效的提高了設(shè)計(jì)效率,縮短產(chǎn)品開(kāi)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(jì)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(jì)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(jì)中的應(yīng)用J .計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造1998 ,(5) :31 - 33. 2 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué).組合機(jī)床設(shè)計(jì)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(jì)與專家系統(tǒng)技術(shù)J .機(jī)床與液壓.2002 ,(6) :199 - 201. 4 葛愛(ài)和,盛伯浩. CAD技術(shù)與機(jī)床整機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)J .企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā),2001 ,(11) :4 - 5. 6 劉小鵬,張為國(guó).機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)中的模塊創(chuàng)建以及應(yīng)用J .華中理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000 ,28(5) :16 - 17. 7 王隆太,盛愛(ài)平.基于CIMS的組合機(jī)床CAD系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)J .揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào),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(jì)J .天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001 ,20(4) :4