| 1 組合機(jī)床CAD系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析 CAD技術(shù)從二維繪圖起步，在短短的二三十年內(nèi)，經(jīng)歷了三維線框、曲面造型、實(shí)體造型和現(xiàn)今廣泛使用的特征造型幾個(gè)階段，取得了豐碩的成果。然而，這些技術(shù)都是圍繞零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)而發(fā)展起來的。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化的要求越來越高，除了產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程繪圖之外，還必須支持產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)等早期設(shè)計(jì)過程。與產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)相比較，CAD技術(shù)在產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用還很薄弱，其主要原因是這階段的信息抽象層次比較高，不易形式化，難以被計(jì)算機(jī)處理。
方案設(shè)計(jì)是組合機(jī)床設(shè)計(jì)的*步，它是零部件設(shè)計(jì)和制造裝配的重要基礎(chǔ)。方案設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響機(jī)床的設(shè)計(jì)質(zhì)量和生產(chǎn)成本。近年來，人們?cè)诮M合機(jī)床CAD方面做了不少工作，相繼推出了多個(gè)組合機(jī)床CAD系統(tǒng)［1］～［3］。這些系統(tǒng)的面市，實(shí)現(xiàn)了組合機(jī)床設(shè)計(jì)的部分自動(dòng)化，促進(jìn)了組合機(jī)床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。然而，這些系統(tǒng)均未能很好地解決組合機(jī)床方案設(shè)計(jì)問題，如文獻(xiàn)［1］［2］向用戶提供了一套較為完備的組合機(jī)床通用件、標(biāo)準(zhǔn)件圖形庫(kù)和人機(jī)交互界面，借助于該系統(tǒng)可方便地繪制組合機(jī)床方案設(shè)計(jì)所需的三圖一卡，但不能支持方案設(shè)計(jì)過程，根據(jù)其功能僅能算是一個(gè)組合機(jī)床繪圖系統(tǒng)；文獻(xiàn)［3］能夠支持方案設(shè)計(jì)過程，用戶可根據(jù)系統(tǒng)導(dǎo)航完成組合機(jī)床的方案設(shè)計(jì)，并能自動(dòng)生成輸出方案設(shè)計(jì)結(jié)果(即三圖一卡)，但該系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，依賴于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法所建立的，限制了系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和維護(hù)，不能向用戶提供擴(kuò)展接口，難以適應(yīng)當(dāng)今組合機(jī)床日益多變的設(shè)計(jì)要求。 2 方案設(shè)計(jì)對(duì)CAD系統(tǒng)的要求 組合機(jī)床方案設(shè)計(jì)屬于產(chǎn)品早期的概念設(shè)計(jì)階段，在此設(shè)計(jì)階段所涉及的信息類型多，包括機(jī)床的加工工藝、選用刀具、結(jié)構(gòu)形式、導(dǎo)向類型、機(jī)床夾具等多方面信息。所有這些信息抽象層次高，因?yàn)榇藭r(shí)還沒有機(jī)床具體體形概念，沒有零部件的規(guī)格形狀，僅有的只是該機(jī)床所需完成的功能要求。組合機(jī)床方案設(shè)計(jì)就是一種從功能需求出發(fā)所進(jìn)行的機(jī)床結(jié)構(gòu)配置、刀具選擇、確定支撐導(dǎo)向和夾具形式的設(shè)計(jì)過程。為此，它要求CAD系統(tǒng)除了具有常規(guī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)功能之外，還必須具備：
支持產(chǎn)品自上而下的設(shè)計(jì)過程。首先從機(jī)床總體結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)所設(shè)計(jì)機(jī)床的功能要求，確定機(jī)床的基本配置和組成，確定零部件之間的裝配關(guān)系，建立機(jī)床概念模型。
能對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分解。根據(jù)總體裝配關(guān)系和約束，形成對(duì)零部件設(shè)計(jì)的具體約束條件，支持對(duì)下游的設(shè)計(jì)、制造和裝配等并行工作的需求。
便于系統(tǒng)功能擴(kuò)展，以適應(yīng)組合機(jī)床日益多變的需要。
滿足上述設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵，在于建立一個(gè)能夠描述產(chǎn)品功能、裝配關(guān)系、參數(shù)約束的裝配模型，以及這種模型在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的運(yùn)行機(jī)制。 3 組合機(jī)床裝配模型的描述 產(chǎn)品裝配模型是一種描述整個(gè)產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它能反映產(chǎn)品的功能需求、結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系以及參數(shù)約束等各方面的信息，不僅能支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)，還能支持產(chǎn)品的制造、裝配等后續(xù)的各種生產(chǎn)環(huán)節(jié)。
3.1 組合機(jī)床功能需求分析和描述
所設(shè)計(jì)的組合機(jī)床功能主要反映在它所完成的加工工藝上，因而，組合機(jī)床的功能需求可通過加工工藝信息進(jìn)行描述。組合機(jī)床的加工工藝信息包括加工工藝面、工藝類型、精度要求，以及各加工工藝面中各個(gè)加工元素的幾何形狀和位置信息等。這里所說的加工工藝面不是通常所指的幾何表面，而是指幾何表面上所完成的工藝內(nèi)容，這樣一個(gè)幾何表面可能會(huì)有銑削、鉆削、攻螺紋等多個(gè)加工工藝面。這種加工工藝面能與機(jī)床結(jié)構(gòu)中的加工單元建立起一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如銑削加工工藝面、孔加工工藝面、攻螺紋工藝面等。
組合機(jī)床功能除了需完成的工藝內(nèi)容之外，還包括工件的裝夾、照明、冷卻等輔助功能，它們也將與組合機(jī)床的夾具和其它的輔助裝置建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
3.2 裝配關(guān)系描述
機(jī)械產(chǎn)品是由具有層次關(guān)系的零部件所組成的系統(tǒng)。一個(gè)部件可以分解成若干零件或子部件，子部件還可再分解成若干更下層的零件和子部件。表現(xiàn)在裝配次序上，就是先由零件組裝成部件，然后參與整機(jī)的裝配。這種層次性的裝配關(guān)系可用如圖1所示的裝配樹進(jìn)行表示。由圖1可見，一臺(tái)組合機(jī)床可由若干個(gè)加工單元和電氣、液壓、夾具等主輔部件組成，各個(gè)加工單元又可分為側(cè)底座、滑臺(tái)、動(dòng)力箱等部件。裝配關(guān)系樹中的連線表示父結(jié)點(diǎn)與子結(jié)點(diǎn)之間的隸屬關(guān)系，而結(jié)點(diǎn)表示各個(gè)加工單元或零部件的具體描述。 圖1 組合機(jī)床裝配樹 3.3 零部件間參數(shù)約束關(guān)系的描述
零部件間參數(shù)約束關(guān)系可以反映在兩個(gè)方面：其一為零部件相互位置約束關(guān)系，其二為零部件間的可配套約束關(guān)系。
對(duì)于零部件間位置約束關(guān)系的描述首先需要確定一個(gè)基準(zhǔn)件，該基準(zhǔn)件應(yīng)是與其它零件部件發(fā)生關(guān)系z(mì)ui多的一個(gè)零件或部件。以該基準(zhǔn)件為核心，分別描述其它零部件的位置關(guān)系，便可建立該產(chǎn)品各個(gè)零部件之間位置約束關(guān)系模型。對(duì)于組合機(jī)床整機(jī)而言，各個(gè)加工單元都是相對(duì)于中間底座或工作臺(tái)布置的，因而可將中間底座作為基準(zhǔn)件來處理；而對(duì)于各個(gè)加工單元來說，則可以側(cè)底座或立柱底座作為基準(zhǔn)件來描述該加工單元內(nèi)各零部件之間位置約束關(guān)系。
組合機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度較高，在組合機(jī)床設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，提供了各通用部件間可供選擇的配套關(guān)系表。利用該配套關(guān)系表作為組合機(jī)床的配套性約束，以它作為正確選擇所需零部件的導(dǎo)航準(zhǔn)則。
3.4 面向?qū)ο蟮慕M合機(jī)床裝配模型的定義
面向?qū)ο蟮募夹g(shù)是用計(jì)算機(jī)分析和解決問題的一種新方法，它具有封裝、繼承和重載等特性，為產(chǎn)品裝配模型的描述和定義提供了一個(gè)新的思路。
面向?qū)ο蟮募夹g(shù)將具有相同的結(jié)構(gòu)、相同的操作，并遵循相同約束規(guī)則的對(duì)象構(gòu)成一個(gè)類，在同一類中的各個(gè)對(duì)象都具有相同的屬性。因而，可將組合機(jī)床定義為一個(gè)類，而所設(shè)計(jì)的每一臺(tái)具體機(jī)床則是該類的一個(gè)對(duì)象。這種組合機(jī)床類是一個(gè)復(fù)雜的類，它由各種不同的屬性所構(gòu)成。每種屬性又包含不同的子類，子類又有子類，形成一種類的層次關(guān)系。下面是以類定義的組合機(jī)床裝配模型，在該裝配模型中包含如下的屬性：
組合機(jī)床類｛
管理屬性：機(jī)床名稱、圖號(hào)、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)說明、日期等；
工件屬性：工件名稱、材料、材料特性、定位基準(zhǔn)，CGS文件指針；
功能屬性：加工工藝面標(biāo)識(shí)、方位、工藝類型，加工孔類｛
標(biāo)識(shí)、坐標(biāo)、孔類型、形狀參數(shù)等｝；裝夾、冷卻、照明及其它輔能；
工藝屬性：刀具類；
支承導(dǎo)向類；
結(jié)構(gòu)屬性：加工單元類｛標(biāo)識(shí)、方位，部件類；裝配關(guān)系和位置約束｝工作臺(tái)或中間底座類；夾具類；輔助裝配類；裝配關(guān)系和位置約束；
(1)管理屬性：包括機(jī)床名稱、圖號(hào)、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)說明等；
2)工件屬件：工件是組合機(jī)床設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是產(chǎn)生工序圖的依據(jù)，除了工件名稱、材料等特性之外，還應(yīng)包括工件造型的CSG文件指針、定位基準(zhǔn)等信息；
(3)功能屬性：如第3.1節(jié)所述，這里主要以加工工藝面類描述所設(shè)計(jì)機(jī)床的功能需求；
(4)工藝屬性：工藝屬性包括切削用量、切削刀具以及刀具的支承導(dǎo)向等工藝內(nèi)容。工藝屬性和功能屬性具有某種對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如：工藝面中每一加工元素(譬如加工孔)，都應(yīng)有相應(yīng)的刀具、切削用量，以及支承導(dǎo)向與之對(duì)應(yīng)。
(5)結(jié)構(gòu)屬性：該屬性應(yīng)能反映出整個(gè)機(jī)床的配置、布局和裝配約束關(guān)系。對(duì)于機(jī)床整體而言，包含有各加工單元、工作臺(tái)或中間底座、夾具、電氣液壓系統(tǒng)和其它輔助裝置，以及它們之間的裝配關(guān)系和約束關(guān)系；而對(duì)于每一加工單元，則又有各個(gè)通用和部件組成，這些部件又有自身的裝配和約束關(guān)系，每個(gè)部件又有多種零件組成，從而構(gòu)成了一個(gè)具有層次結(jié)構(gòu)的裝配樹。 4 基于裝配模型的組合機(jī)床方案設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 基于裝配模型的組合機(jī)床方案設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，其輸入為工件信息，根據(jù)所輸入的工件信息提取機(jī)床功能需求，以建立所設(shè)計(jì)機(jī)床的功能模型；通過推理分析，由機(jī)床的功能模型推導(dǎo)出機(jī)床結(jié)構(gòu)的概念模型，例如：需要幾個(gè)加工單元、各單元的配置形式、夾緊定位方式等。由于一種功能可能由多種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，同一結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)多種功能，所以它們是多對(duì)多的映射關(guān)系。因此，建立功能約束和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的映射關(guān)系庫(kù)和規(guī)則庫(kù)是實(shí)現(xiàn)這一步的關(guān)鍵。一旦建立了機(jī)床的概念模型，便可進(jìn)行方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)。根據(jù)概念模型中的約束條件確定各組成部件的規(guī)格類型，以及各組成部件間的裝配關(guān)系和位置約束關(guān)系，從而逐步生成所設(shè)計(jì)組合機(jī)床的裝配模型。根據(jù)該裝配模型可從事后繼的三圖一卡、等各項(xiàng)設(shè)計(jì)工作。 圖2 組合機(jī)床方案設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)框架 | 
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