组合机床模块化设计CAD系统.pdf

第 25 卷 第 5 期2004 年 10 月河 南 科 技 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )25 52004基 金 项 目 :河 南 省 科 技 攻 关 资 助 项 目 (0224330092)作 者 简 介 :李 春 梅 (1973 - ) ,女 ,山 东 莒 县 人 ,硕 士 生 ;崔 凤 奎 (1957 - ) ,男 ,河 南 郾 城 人 ,教 授 日 期 :2004 - 06 - 18文 章 编 号 :1672 - 6871 (2004) 05 - 0009 - 04组 合 机 床 模 块 化 设 计 统李 春 梅 ,崔 凤 奎(河 南 科 技 大 学 机 电 工 程 学 院 ,河 南 洛 阳 471003)摘 要 :根 据 组 合 机 床 设 计 特 点 ,将 模 块 化 设 计 技 术 应 用 于 组 合 机 床 统 。 以 分 级 模 块 化 为 主 导 思 想 ,在功 能 分 析 的 基 础 上 划 分 组 合 机 床 的 各 级 模 块 并 按 照 面 向 装 配 设 计 的 原 则 设 计 了 模 块 接 口 。 以 三 维 设 计 软 件 发 平 台 ,针 对 组 合 机 床 的 每 一 级 模 块 建 立 相 应 的 全 参 数 化 三 维 模 型 库 ,开 发 出 支 持 模 块 化 设 计 的 组 合机 床 统 。关 键 词 :组 合 机 床 ;模 块 化 程 序 ;三 维 ;计 算 机 辅 助 设 计中 图 分 类 号 : 72 文 献 标 识 码 : 前 言目 前 模 块 化 设 计 已 被 广 泛 应 用 于 机 械 设 计 领 域 ,它 的 主 要 优 点 是 能 满 足 用 户 对 于 多 品 种 的 要 求 ,可以 快 速 进 行 产 品 的 系 列 化 设 计 1 ,因 此 模 块 化 技 术 特 别 适 用 于 具 有 系 列 化 特 点 的 组 合 机 床 产 品 设 计 中 。组 合 机 床 是 一 种 针 对 专 门 零 件 的 生 产 设 备 ,具 有 以 下 特 点 2 :整 机 中 通 用 部 件 占 很 大 例 ,只 有 少 量的 专 用 部 件 ;通 用 部 件 的 独 立 性 强 ,具 有 相 对 独 立 的 结 构 ;品 种 多 ,批 量 小 ;具 有 明 显 的 分 级 特 性 ;用 户 要求 交 货 周 期 短 。 针 对 组 合 机 床 的 上 述 特 点 ,发 展 了 机 床 的 模 块 化 设 计 方 法 3 。机 床 设 计 领 域 的 发 展 现 状 是 模 块 化 、 智 能 化 以 及 集 成 。 当 前 在 组 合 机 床 的 开 发 应 用 方 面 取 得 了 长 足 的 发 展 ,同 时 也 存 在 一 些 问 题 ,主 要 是 缺 乏 从 主 机 角 度 进 行 设 计 、 分 析和 评 价 系 统 4 ,不 能 支 持 自 上 而 下 的 从 概 念 设 计 到 详 细 设 计 的 过 程 。 本 文 把 术 和 模 块 化 设 计 两种 设 计 方 法 结 合 起 来 ,开 发 出 支 持 模 块 化 组 合 机 床 设 计 的 统 。 本 系 统 支 持 自 上 而 下 的 组 合 机 床产 品 设 计 ,可 有 效 地 提 高 设 计 水 平 和 工 作 效 率 ,缩 短 开 发 周 期 ,降 低 成 本 。1 组 合 机 床 统 总 体 模 块 化 设 计模 块 化 设 计 是 在 功 能 分 析 的 基 础 上 ,划 分 并 设 计 出 一 系 列 功 能 模 块 ,通 过 模 块 的 选 择 和 组 合 可 以 构成 不 同 的 机 床 ,实 现 不 同 的 功 能 要 求 5 。利 用 模 块 化 设 计 的 方 法 ,建 立 组 合 机 床 模 块 化 设 计 统 的 步 骤 如 下 :(1)组 合 机 床 功 能 分 析 :进 行 市 场 调 查 ,分 析 用 户 需 要 ,总 结 组 合 机 床 实 现 的 功 能 ,建 立 组 合 机 床 的总 体 功 能 模 型 ,并 将 机 床 功 能 分 解 为 不 同 级 别 、 层 次 的 子 功 能 。(2)总 体 结 构 设 计 :在 组 合 机 床 功 能 模 型 的 基 础 上 ,实 现 功 能 2结 构 映 射 。 根 据 组 合 机 床 的 功 能 层次 ,寻 求 实 现 功 能 的 结 构 载 体 ,产 生 机 床 结 构 布 局 方 案 ,同 时 进 行 机 床 结 构 、 外 形 尺 寸 的 初 步 规 划 。 合 理地 划 分 结 构 模 块 ,每 一 个 模 块 都 具 有 独 立 的 结 构 ,对 应 一 定 的 功 能 。(3)详 细 结 构 设 计 :利 用 三 维 造 型 工 具 ,将 结 构 概 念 模 型 细 化 ,对 模 块 进 行 标 准 化 、 系 列 化 详 细 设 计 。针 对 组 合 机 床 的 每 一 层 模 块 都 建 立 相 应 的 全 参 数 化 控 制 三 维 模 型 库 ,用 户 在 这 个 库 中 调 用 需 要 模 块 的三 维 模 型 进 行 装 配 。(4)建 立 统 主 控 界 面 和 数 据 库 等 :除 了 建 立 各 级 模 块 的 相 应 三 维 模 型 库 之 外 ,本 统 还要 建 立 存 放 设 计 过 程 中 所 需 要 数 据 的 数 据 库 ,以 及 设 计 过 程 中 的 数 据 处 理 和 分 析 程 序 。 在 其 上 建 立 一个 友 好 的 人 机 交 互 界 面 ,用 户 在 系 统 引 导 下 完 成 设 计 过 程 中 的 模 块 选 择 、 模 块 调 用 、 模 块 组 合 和 设 计 计算 等 过 程 。组 合 机 床 统 结 构 图 如 图 1 所 示 。组 合 机 床 统 的 设 计 过 程 中 ,模 块 化 设计 的 思 想 贯 穿 始 终 。 其 中 最 重 要 的 一 步 就是 根 据 模 块 化 设 计 理 论 ,在 设 计 模 块 的 基 础上 建 立 组 合 机 床 产 品 模 板 库 。 模 块 的 设 计分 为 模 块 的 划 分 和 模 块 综 合 两 部 分 。 本 系统 主 要 在 功 能 分 析 的 基 础 上 划 分 各 级 模 块 ,采 用 面 向 装 配 的 原 则 来 设 计 模 块 的 接 口 ,实现 模 块 综 合 的 柔 性 和 多 样 性 。1. 1 在 功 能 分 析 的 基 础 上 划 分 组 合 机 床 的各 级 模 块模 块 的 划 分 是 一 个 复 杂 的 分 析 过 程 ,模 块 划 分 太 细 ,可 以 组 成 较 多 的 变 型 产 品 ,但 模 块 的 综 合 较 为困 难 ;模 块 划 分 过 粗 ,模 块 综 合 性 较 好 ,但 导 致 产 品 性 能 不 合 理 ,柔 性 太 差 。 因 此 划 分 组 合 机 床 模 块 需 要综 合 考 虑 各 方 面 的 因 素 。 组 合 机 床 具 有 明 显 的 分 级 特 性 6 ,因 此 本 系 统 按 照 分 级 划 分 的 原 则 ,从 粗 到 细划 分 了 不 同 级 别 、 不 同 层 次 的 模 块 ,每 一 级 的 模 块 都 可 以 划 分 为 更 小 的 模 块 。 模 块 的 分 级 划 分 建 立 在 功能 分 析 的 基 础 上 ,每 一 级 的 模 块 都 对 应 于 一 定 的 功 能 ,具 有 独 立 的 结 构 。在 模 块 划 分 之 前 ,首 先 进 行 市 场 需 求 分 析 ,将 用 户 需 求 转 化 为 机 床 的 功 能 需 求 。 然 后 分 析 组 合 机 床的 功 能 ,建 立 组 合 机 床 总 体 功 能 模 型 ,并 将 总 体 功 能 分 解 为 不 同 级 别 、 不 同 层 次 的 子 功 能 。对 组 合 机 床 整 机 功 能 进 行 抽 象 ,首 先 建 立 机 床 的 总 体 功 能 模 型 。 组 合 机 床 整 机 的 功 能 反 映 在 它 所完 成 的 加 工 工 艺 内 容 上 。 因 此 在 整 机 层 次 上 ,可 以 划 分 实 现 不 同 加 工 工 艺 内 容 的 整 机 模 块 。 在 整 机 功能 之 下 ,对 组 合 机 床 的 功 能 进 行 进 一 步 划 分 。 这 一 层 上 可 以 划 分 为 加 工 单 元 、 装 夹 单 元 、 控 制 单 元 等 模块 。 对 组 合 机 床 部 件 功 能 还 可 以 进 一 步 细 化 。 分 为 动 力 部 件 模 块 、 输 送 部 件 模 块 、 支 撑 部 件 模 块 、 控 制部 件 模 块 、 辅 助 部 件 模 块 等 。1. 2 按 照 面 向 装 配 设 计 的 原 则 设 计 模 块 接 口面 向 装 配 设 计 是 指 在 概 念 设 计 阶 段 就 考 虑 装 配 中 可 能 存 在 的 问 题 ,以 确 保 零 件 快 速 有 效 地 装 配 。模 块 的 划 分 和 设 计 应 该 遵 循 面 向 装 配 设 计 的 原 则 ,通 过 功 能 特 征 与 产 品 结 构 之 间 的 映 射 实 现 由 概 念 设计 到 详 细 设 计 这 样 自 上 而 下 的 设 计 过 程 7 。 为 此 模 块 应 该 具 有 易 于 装 配 的 可 互 换 性 接 口 ,以 保 证 模 块组 合 的 快 速 准 确 。模 块 接 口 是 有 着 相 互 结 合 关 系 的 模 块 在 结 合 部 分 存 在 的 具 有 一 定 几 何 形 状 、 尺 寸 和 精 度 的 边 界 结合 表 面 。 模 块 接 口 模 型 包 括 :接 口 形 状 、 接 口 方 位 、 接 口 功 能 。 模 块 接 口 的 设 计 应 该 考 虑 接 口 的 统 一 性 ,即 具 有 相 同 功 能 的 模 块 接 口 应 该 采 用 相 同 的 接 口 几 何 形 状 ,接 口 方 位 应 该 一 致 ,模 块 接 口 材 料 、 几 何 尺寸 的 精 度 、 表 面 粗 糙 度 应 该 尽 可 能 的 统 一 。为 了 保 证 模 块 之 间 可 以 实 现 良 好 的 互 换 性 ,接 口 的 系 列 化 是 重 要 的 途 径 。 在 模 块 接 口 系 列 化 的 基础 上 ,对 于 同 一 系 列 的 接 口 ,提 供 标 准 化 的 接 口 几 何 尺 寸 系 列 。2 系 统 的 模 块 化 三 维 造 型 模 板 库本 系 统 以 三 维 设 计 软 件 称 开 发 平 台 ,采 用 接 口 ,+ +编 译 环 境 。 包 括 组 合 机 床 加 工 示 意 图 设 计 模 块 、 切 削 用 量 计 算 模 块 、 主 轴 箱 设 计 模 块 和 组 合 机 床 各 级 模块 装 配 模 型 模 板 库 。 利 用 发 出 与 完 全 一 致 的 用 户 界 面 ,采 用 数 据 库 技 术 管 理 设计 计 算 和 模 板 库 中 的 标 准 数 据 。本 系 统 根 据 模 块 化 设 计 的 原 则 ,将 概 念 模 型 细 化 为 具 体 的 三 维 装 配 模 型 。 系 统 的 装 配 模 型 模 板 库是 根 据 上 述 模 块 的 划 分 而 设 定 的 。 系 统 采 用 了 三 维 参 数 化 造 型 技 术 ,为 每 一 级 模 块 都 建 立 对 应 的 三 维模 型 。01 河 南 科 技 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2004 年在 设 计 模 块 的 三 维 造 型 模 板 库 时 ,遵 循 模 块 化 设 计 的 原 则 ,系 统 具 有 下 面 的 特 点 :(1)采 用 参 数 化 三 维 造 型 技 术 建 立 模 块 库 :参 数 化 建 模 采 用 尺 寸 驱 动 技 术 ,以 约 束 造 型 为 核 心 。 由于 组 合 机 床 通 用 部 件 的 数 据 已 经 标 准 化 、 系 列 化 ,可 以 实 现 用 几 个 关 键 尺 寸 驱 动 整 个 视 图 的 绘 制 8 。 组合 机 床 分 级 模 块 结 构 的 三 维 模 型 通 过 这 些 尺 寸 作 为 参 数 来 控 制 。 控 制 三 维 模 型 的 参 数 分 为 三 种 : 控 制 零 件 轮 廓 尺 寸 的 参 数 。对 于 通 用 件 和 标 准 件 ,零 件 的 轮 廓 尺 寸 分 为 主 要 轮 廓 尺 寸 和 次 要 轮 廓 尺 寸 。 主 要 轮 廓 尺 寸 已 经 标准 化 、 系 列 化 ,次 要 轮 廓 尺 寸 与 主 要 轮 廓 尺 寸 有 确 定 的 约 束 关 系 。 主 要 轮 廓 尺 寸 的 标 准 化 数 据 存 放 在 数据 库 中 ,用 户 从 界 面 输 入 所 选 标 准 件 或 者 通 用 件 的 型 号 ,系 统 在 数 据 库 中 得 到 相 应 的 标 准 数 据 ,并 且 根据 主 要 轮 廓 尺 寸 计 算 出 次 要 轮 廓 尺 寸 ,赋 予 三 维 模 型 并 对 模 型 进 行 更 新 。 装 配 约 束 参 数零 件 进 行 装 配 时 ,与 其 他 部 件 间 形 成 一 定 的 装 配 约 束 关 系 ,并 可 由 装 配 参 数 控 制 。 装 配 约 束 包 括 配合 、 对 齐 、 平 行 、 垂 直 等 。 接 口 参 数控 制 模 块 之 间 接 口 的 形 状 、 方 位 关 系 等 参 数 。 对 于 通 用 件 和 标 准 件 ,接 口 参 数 已 经 标 准 化 ,相 应 数据 可 以 由 数 据 库 中 自 动 获 取 。 对 于 非 通 用 件 模 块 的 接 口 设 计 ,为 了 保 证 模 块 的 互 换 性 ,也 实 行 标 准 化 系列 化 设 计 。 例 如 主 轴 箱 ,因 为 与 动 力 箱 存 在 固 定 的 装 配 关 系 ,因 此 主 轴 箱 的 接 口 设 计 也 实 现 了 标 准 化 。用 户 通 过 输 入 模 块 主 参 数 ,直 接 或 者 间 接 的 控 制 模 型 参 数 ,更 新 三 维 模 型 ,生 成 需 要 的 零 部 件 。(2)遵 循 面 向 对 象 的 模 块 化 设 计 原 则系 统 设 计 模 块 时 ,采 用 面 向 对 象 的 设 计 原 则 。 对 于 每 一 个 模 块 而 言 ,包 括 模 块 内 部 和 外 部 两 方 面 的信 息 :内 部 信 息 包 括 模 块 功 能 、 内 部 结 构 尺 寸 等 ;外 部 信 息 即 接 口 信 息 ,包 括 形 状 、 方 位 、 结 合 面 属 性 等 。系 统 将 模 块 内 部 信 息 全 部 封 装 ,内 部 信 息 对 用 户 是 一 个 黑 箱 ,用 户 只 需 关 心 接 口 信 息 。(3)用 控 制 模 块 内 部 装 配 结 构在 模 块 的 设 计 中 ,功 能 设 计 映 射 为 结 构 设 计 是 以 装 配 模 型 作 为 表 达 设 计 功 能 的 全 局 结 构 。 装 配 模型 由 部 件 结 构 、 部 件 之 间 的 装 配 关 系 和 装 配 约 束 组 成 ,需 要 考 虑 部 件 之 间 功 能 结 构 上 的 关 系 ,以 及 零 部件 之 间 的 装 配 顺 序 、 装 配 方 向 等 。组 合 机 床 设 计 模 块 对 应 的 各 级 装 配 模 型 ,不 仅 包 括 部 件 结 构 ,还 包 括部 件 之 间 的 装 配 关 系 和 装 配 约 束 。 在 部 件 之 间 的 装 配 约 束 可 以由 三 种 方 法 实 现 :尺 寸 驱 动 、 约 束 驱 动 和 关 设 计 。 尺 寸 约 束 可以 用 来 控 制 部 件 间 的 尺 寸 相 关 ,约 束 驱 动 用 来 建 立 装 配 体 中 零 部 件 之 间在 空 间 位 置 上 的 联 结 关 系 。 术 是 全 相 关 设 计 的 关 键 技 术 ,支 持 从 概 念 设 计 到详 细 设 计 。本 系 统 的 模 块 设 计 中 ,使 用 术 将 模 块 按 设 计 规 则 形 成 一 个控 制 结 构 ,在 其 中 定 义 所 需 要 的 几 何 信 息 和 参 数 ,使 组 合 机 床 各 级 模 板 装配 模 型 中 的 子 模 块 之 间 的 几 何 特 征 都 是 整 体 相 关 。利 用 本 系 统 生 成 的 三 面 加 工 组 合 机 床 见 图 2。 用 户 只 需 输 入 主 要 参数 即 可 得 到 所 需 的 三 维 模 型 ,在 此 模 型 基 础 上 进 行 细 化 设 计 。 图 2 三 面 加 工 组 合 机 床3 结 束 语本 文 在 模 块 化 设 计 理 论 的 基 础 上 ,进 行 组 合 机 床 统 的 开 发 ,实 现 了 计 算 机 辅 助 模 块 化 设 计 。该 系 统 提 供 了 组 合 机 床 各 级 模 块 的 参 数 化 三 维 模 型 模 板 库 ,在 每 个 层 次 级 别 上 都 建 立 了 系 列 的 模 块 模板 库 ,支 持 产 品 从 概 念 设 计 到 详 细 设 计 。 用 户 可 以 根 据 自 己 的 需 要 ,选 择 合 适 的 平 台 模 板 来 进 行 组 合 机床 设 计 ,有 效 的 提 高 了 设 计 效 率 ,缩 短