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)JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)Vol.25No.5Oct.2004基金項目: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.收稿日期:2004-06-18文章編號:1672-6871(2004)05-0009-04組合機床模塊化設計CAD系統(tǒng)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(jù)組合機床設計特點,將模塊化設計技術應用于組合機床CAD系統(tǒng)。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UG為開發(fā)平臺,針對組合機床的每一級模塊建立相應的全參數(shù)化三維模型庫,開發(fā)出支持模塊化設計的組合機床CAD系統(tǒng)。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:TG65；TP391.72文獻標識碼:A0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(chǎn)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(chǎn)品設計中。組合機床是一種針對專門零件的生產(chǎn)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(jié)構(gòu)；品種多,批量?。痪哂忻黠@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CAD/CAM/CAPP的集成。當前在組合機床CAD系統(tǒng)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CAD技術和模塊化設計兩種設計方法結(jié)合起來,開發(fā)出支持模塊化組合機床設計的CAD系統(tǒng)。本系統(tǒng)支持自上而下的組合機床產(chǎn)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CAD系統(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(gòu)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CAD系統(tǒng)的步驟如下:(1)組合機床功能分析:進行市場調(diào)查,分析用戶需要,總結(jié)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(jié)構(gòu)設計:在組合機床功能模型的基礎上,實現(xiàn)功能2結(jié)構(gòu)映射。根據(jù)組合機床的功能層次,尋求實現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)載體,產(chǎn)生機床結(jié)構(gòu)布局方案,同時進行機床結(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立的結(jié)構(gòu),對應一定的功能。(3)詳細結(jié)構(gòu)設計:利用三維造型工具,將結(jié)構(gòu)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(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三維模型庫之外,本CAD系統(tǒng)還要建立存放設計過程中所需要數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫,以及設計過程中的數(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(diào)用、模塊組合和設計計算等過程。組合機床CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。組合機床CAD系統(tǒng)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(jù)模塊化設計理論,在設計模塊的基礎上建立組合機床產(chǎn)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。1.1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(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,但導致產(chǎn)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(jié)構(gòu)。在模塊劃分之前,首先進行市場需求分析,將用戶需求轉(zhuǎn)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(nèi)容上。因此在整機層次上,可以劃分實現(xiàn)不同加工工藝內(nèi)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。1.2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(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(jié)合關系的模塊在結(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UGUIstyler開發(fā)出與UG風格完全一致的用戶界面,采用數(shù)據(jù)庫技術管理設計計算和模板庫中的標準數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)根據(jù)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(jù)上述模塊的劃分而設定的。系統(tǒng)采用了三維參數(shù)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(shù)化三維造型技術建立模塊庫:參數(shù)化建模采用尺寸驅(qū)動技術,以約束造型為核心。由于組合機床通用部件的數(shù)據(jù)已經(jīng)標準化、系列化,可以實現(xiàn)用幾個關鍵尺寸驅(qū)動整個視圖的繪制8。組合機床分級模塊結(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(jīng)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(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中得到相應的標準數(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行更新。裝配約束參數(shù)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(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、方位關系等參數(shù)。對于通用件和標準件,接口參數(shù)已經(jīng)標準化,相應數(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(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化設計原則系統(tǒng)設計模塊時,采用面向?qū)ο蟮脑O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,用戶只需關心接口信息。(3)用WAVE技術控制模塊內(nèi)部裝配結(jié)構(gòu)在模塊的設計中,功能設計映射為結(jié)構(gòu)設計是以裝配模型作為表達設計功能的全局結(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(jié)構(gòu),還包括部件之間的裝配關系和裝配約束。在UG中,部件之間的裝配約束可以由三種方法實現(xiàn):尺寸驅(qū)動、約束驅(qū)動和WAVE全相關設計。尺寸約束可以用來控制部件間的尺寸相關,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)關系。WAVE(What-ifAlternativeValuableEngineering)技術是UG實現(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WAVE技術將模塊按設計規(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(shù)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(jié)束語本文在模塊化設計理論的基礎上,進行組合機床CAD系統(tǒng)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(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)品從概念設計到詳細設計。用戶可以根據(jù)自己的需要,選擇合適的平臺模板來進行組合機床設計,有效的提高了設計效率,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。本系統(tǒng)可以進一步完善,為并行工程、智能化設計以及CAD/CAM/CAPP的集成提供基礎。11第5期李春梅等:組合機床模塊化設計CAD系統(tǒng)參考文獻:1傅迎春.CAD系統(tǒng)在機床模塊化設計中的應用J.計算機輔助設計與制造1998,(5):31-33.2沈陽工業(yè)大學.組合機床設計M.上海:上海科學技術出版社,1990.3王軍,李金良.機床的模塊化設計與專家系統(tǒng)技術J.機床與液壓.2002,(6):199-201.4葛愛和,盛伯浩.CAD技術與機床整機設計J.焦點,2001(5):13-15.5張錫濱.基于模塊化的虛擬機床設計J.企業(yè)技術開發(fā),2001,(11):4-5.6劉小鵬,張為國.機床模塊化設計中的模塊創(chuàng)建以及應用J.華中理工大學學報,2000,28(5):16-17.7王隆太,盛愛平.基于CIMS的組合機床CAD系統(tǒng)的研究開發(fā)J.揚州大學學報,1999,2(4):64-66.8孫建軍,李玉翔,肖放.組合機床通用部件參數(shù)化繪圖系統(tǒng)設計J.天津工業(yè)大學學報,2001,20(4):48-51.CADSystemforMachineToolBasedonModularDesignTechnologyLIChun2Mei,CUIFeng2Kui(ElectromechanicalEngineeringCollege,HenanUniversityofScience&Technology,Luoyang471003,China)Abstract:Basedonthecharacteristicsofthedesignofmachinetool,themodulardesigningtechnologyisappliedtoCADsystemformodularmachinetool.Themodulesofmachinetoolaredividedaccordingtotheirdifferentfunctions.Theinterfacebetweenthemodulesisdesignedbasedontheprincip