组合机床装配模型的研究

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1　组合机床CAD系统的现状分析
3 z- \% D8 n6 U) E　　CAD技术从二维绘图起步，在短短的二三十年内，经历了三维线框、曲面造型、实体造型和现今广泛使用的特征造型几个阶段，取得了丰硕的成果。然而，这些技术都是围绕零件的详细设计而发展起来的。随着市场竞争的日益激烈，对产品设计自动化的要求越来越高，除了产品的详细设计、工程绘图之外，还必须支持产品的方案设计、初步设计等早期设计过程。与产品的详细设计相比较，CAD技术在产品早期设计阶段的应用还很薄弱，其主要原因是这阶段的信息抽象层次比较高，不易形式化，难以被计算机处理。
　　方案设计是组合机床设计的第一步，它是零部件设计和制造装配的重要基础。方案设计的优劣直接影响机床的设计质量和生产成本。近年来，人们在组合机床CAD方面做了不少工作，相继推出了多个组合机床CAD系统［1］～［3］。这些系统的面市，实现了组合机床设计的部分自动化，促进了组合机床行业的技术进步。然而，这些系统均未能很好地解决组合机床方案设计问题，如文献［1］［2］向用户提供了一套较为完备的组合机床通用件、标准件图形库和人机交互界面，借助于该系统可方便地绘制组合机床方案设计所需的三图一卡，但不能支持方案设计过程，根据其功能仅能算是一个组合机床绘图系统；文献［3］能够支持方案设计过程，用户可根据系统导航完成组合机床的方案设计，并能自动生成输出方案设计结果(即三图一卡)，但该系统是基于传统设计模型，依赖于结构化程序设计方法所建立的，限制了系统功能的扩展和维护，不能向用户提供扩展接口，难以适应当今组合机床日益多变的设计要求。
. l# v8 o3 q/ E+ L, `5 J# N, n) j3 p2　方案设计对CAD系统的要求
　　组合机床方案设计属于产品早期的概念设计阶段，在此设计阶段所涉及的信息类型多，包括机床的加工工艺、选用刀具、结构形式、导向类型、机床夹具等多方面信息。所有这些信息抽象层次高，因为此时还没有机床具体体形概念，没有零部件的规格形状，仅有的只是该机床所需完成的功能要求。组合机床方案设计就是一种从功能需求出发所进行的机床结构配置、刀具选择、确定支撑导向和夹具形式的设计过程。为此，它要求CAD系统除了具有常规的详细设计功能之外，还必须具备：
) f" ^: M- g% x( b　　支持产品自上而下的设计过程。首先从机床总体结构出发，根据所设计机床的功能要求，确定机床的基本配置和组成，确定零部件之间的装配关系，建立机床概念模型。
　　能对设计模型进行分解。根据总体装配关系和约束，形成对零部件设计的具体约束条件，支持对下游的设计、制造和装配等并行工作的需求。
8 Y: i  F- U# i' y$ `. n　　便于系统功能扩展，以适应组合机床日益多变的需要。
, s& Q/ o1 A0 C5 F& s) O　　满足上述设计要求的关键，在于建立一个能够描述产品功能、装配关系、参数约束的装配模型，以及这种模型在产品设计过程中的运行机制。
3　组合机床装配模型的描述
　　产品装配模型是一种描述整个产品信息的数据结构，它能反映产品的功能需求、结构装配关系以及参数约束等各方面的信息，不仅能支持产品设计，还能支持产品的制造、装配等后续的各种生产环节。
3.1　组合机床功能需求分析和描述
　　所设计的组合机床功能主要反映在它所完成的加工工艺上，因而，组合机床的功能需求可通过加工工艺信息进行描述。组合机床的加工工艺信息包括加工工艺面、工艺类型、精度要求，以及各加工工艺面中各个加工元素的几何形状和位置信息等。这里所说的加工工艺面不是通常所指的几何表面，而是指几何表面上所完成的工艺内容，这样一个几何表面可能会有铣削、钻削、攻螺纹等多个加工工艺面。这种加工工艺面能与机床结构中的加工单元建立起一一对应的关系，如铣削加工工艺面、孔加工工艺面、攻螺纹工艺面等。
　　组合机床功能除了需完成的工艺内容之外，还包括工件的装夹、照明、冷却等辅助功能，它们也将与组合机床的夹具和其它的辅助装置建立一一对应的关系。
) f7 {. N/ i" |, H7 p3.2　装配关系描述
8 t5 C% _& G: C* g; B+ |. `　　机械产品是由具有层次关系的零部件所组成的系统。一个部件可以分解成若干零件或子部件，子部件还可再分解成若干更下层的零件和子部件。表现在装配次序上，就是先由零件组装成部件，然后参与整机的装配。这种层次性的装配关系可用如图1所示的装配树进行表示。由图1可见，一台组合机床可由若干个加工单元和电气、液压、夹具等主辅部件组成，各个加工单元又可分为侧底座、滑台、动力箱等部件。装配关系树中的连线表示父结点与子结点之间的隶属关系，而结点表示各个加工单元或零部件的具体描述。

5 o3 u- |% i4 y" R- ~) D: c/ ?图1　组合机床装配树
7 D- `( W( @* x5 n3.3　零部件间参数约束关系的描述
0 @$ H, j6 p4 Q# {% x　　零部件间参数约束关系可以反映在两个方面：其一为零部件相互位置约束关系，其二为零部件间的可配套约束关系。
　　对于零部件间位置约束关系的描述首先需要确定一个基准件，该基准件应是与其它零件部件发生关系最多的一个零件或部件。以该基准件为核心，分别描述其它零部件的位置关系，便可建立该产品各个零部件之间位置约束关系模型。对于组合机床整机而言，各个加工单元都是相对于中间底座或工作台布置的，因而可将中间底座作为基准件来处理；而对于各个加工单元来说，则可以侧底座或立柱底座作为基准件来描述该加工单元内各零部件之间位置约束关系。
　　组合机床标准化、系列化程度较高，在组合机床设计标准中，提供了各通用部件间可供选择的配套关系表。利用该配套关系表作为组合机床的配套性约束，以它作为正确选择所需零部件的导航准则。
$ I0 i+ g( a% H3.4　面向对象的组合机床装配模型的定义
) S5 ~, }1 b( |$ T6 M6 j; p6 o　　面向对象的技术是用计算机分析和解决问题的一种新方法，它具有封装、继承和重载等特性，为产品装配模型的描述和定义提供了一个新的思路。
! }' [% a8 d+ @0 O- ^　　面向对象的技术将具有相同的结构、相同的操作，并遵循相同约束规则的对象构成一个类，在同一类中的各个对象都具有相同的属性。因而，可将组合机床定义为一个类，而所设计的每一台具体机床则是该类的一个对象。这种组合机床类是一个复杂的类，它由各种不同的属性所构成。每种属性又包含不同的子类，子类又有子类，形成一种类的层次关系。下面是以类定义的组合机床装配模型，在该装配模型中包含如下的属性：
组合机床类｛
9 R& }- d5 o' t9 \# a5 V: ~　　管理属性：机床名称、图号、设计者、设计说明、日期等；
1 q5 ~1 `) B# ^- i; E$ G, G9 @　　工件属性：工件名称、材料、材料特性、定位基准，CGS文件指针；
　　功能属性：加工工艺面类｛
　　　　　　　　　标识、方位、工艺类型，加工孔类｛
　　　　　　　　　　　标识、坐标、孔类型、形状参数等｝；
* S8 Y2 g) H  p  G3 J　　　　　　　　　｝
# b$ @: @  v6 ]( I' x6 i: b　　　　　　　装夹、冷却、照明及其它辅助功能；
# u8 Q1 m9 \% n- S5 \7 o　　工艺属性：切削用量类；
( I. j- o! u( {; X　　　　　　　刀具类；
3 B6 t1 W( F. a4 L9 b* z; [　　　　　　　支承导向类；
3 {- o3 e' H% K* [/ W, p: u! Y　　结构属性：加工单元类｛标识、方位，
　　　　　　　　　　　　　部件类；
　　　　　　　　　　　　　装配关系和位置约束｝；
) g1 a6 I3 a& Z0 [  X( P+ d5 Z$ l' o　　　　　　　工作台或中间底座类；
　　　　　　　夹具类；
/ h! K$ K! {2 f' V! t3 I/ |6 F7 ~　　　　　　　辅助装配类；
　　　　　　　装配关系和位置约束；
　　｝
2 ^5 E7 x, j& C$ ?　　(1)管理属性：包括机床名称、图号、设计者、设计说明等；
　　(2)工件属件：工件是组合机床设计的基础，也是产生工序图的依据，除了工件名称、材料等特性之外，还应包括工件造型的CSG文件指针、定位基准等信息；
7 T2 S" W( t/ k　　(3)功能属性：如第3.1节所述，这里主要以加工工艺面类描述所设计机床的功能需求；
　　(4)工艺属性：工艺属性包括切削用量、切削刀具以及刀具的支承导向等工艺内容。工艺属性和功能属性具有某种对应关系，例如：工艺面中每一加工元素(譬如加工孔)，都应有相应的刀具、切削用量，以及支承导向与之对应。
6 S7 W" A( N6 M　　(5)结构属性：该属性应能反映出整个机床的配置、布局和装配约束关系。对于机床整体而言，包含有各加工单元、工作台或中间底座、夹具、电气液压系统和其它辅助装置，以及它们之间的装配关系和约束关系；而对于每一加工单元，则又有各个通用和专用部件组成，这些部件又有自身的装配和约束关系，每个部件又有多种零件组成，从而构成了一个具有层次结构的装配树。
4　基于装配模型的组合机床方案设计CAD系统的实现
　　基于装配模型的组合机床方案设计CAD系统的结构框架如图2所示，其输入为工件信息，根据所输入的工件信息提取机床功能需求，以建立所设计机床的功能模型；通过推理分析，由机床的功能模型推导出机床结构的概念模型，例如：需要几个加工单元、各单元的配置形式、夹紧定位方式等。由于一种功能可能由多种结构实现，同一结构也可实现多种功能，所以它们是多对多的映射关系。因此，建立功能约束和结构实现的映射关系库和规则库是实现这一步的关键。一旦建立了机床的概念模型，便可进行方案的详细设计。根据概念模型中的约束条件确定各组成部件的规格类型，以及各组成部件间的装配关系和位置约束关系，从而逐步生成所设计组合机床的装配模型。根据该装配模型可从事后继的三图一卡、报价等各项设计工作。

图2　组合机床方案设计CAD系统框架
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