组合机床多轴箱CAD的应用现状.pdf

C A D C A E C A P P C A M 现代制造工程2 0 0 6年第 1 1 期 组合机床 多轴箱 C A D的应用现状 赵红美， 李静 ， 耿亚楠 ( 河北农业大学机电工程学院， 保定 0 7 1 0 0 1 ) 摘要总结国内外组合机床多轴箱 C A D的应用现状， 并讨论存在的问题， 指出多轴箱的设计软件系统发展趋势。 关键词： 组合机床多轴箱C A D 中图分类号： T P 3 9 1 7 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 1 -3 1 3 3 ( 2 0 0 6 ) 1 1 o o 6 3 3 Th e a p p l i c a t i o n s u r v e y o f CAD f o r t h e s p i n d l e b o x o f mo d u l a r ma c h i n e t o o l Z h a o Ho n g me i ， L i J i n g ， G e n g Y a n a n ( C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ， A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y o f H e b e i ， Ba o d i n g 0 7 1 0 01 ， He b e i ， C HN) Ab s t r a c t Gi v e s t h e印 p l i c a t i o n s u r v e y o f C AD f o r t h e s p i n d l e b o x o f mo d u l a r ma c h i n e t o o l ， d i s c u s s e s t h e e x i s t i n g p r o b l e m， a n d p o i n t s o u t t h a t t h e d e s i g n s o f t wa r e o f s p i n d l e b o x s h o u l d d e v e l o p t o wa r d s t h e d i r e c t i o n o f i n t e l l i g e n t C AD s y s t e m Ke y wo r d s ： Mo d u l a r ma c h i n e t o o l S p i n d l e b o x CA D 0 引言 多轴箱是组 合机 床 的重要 组成部 件 ， 用 于布 置 ( 按所要求的坐标位置) 机床工作主轴及其传动零件 和相应附加机 构 。多轴箱 的设计是组 合机床设计 过程 中至关重要 的一环 ， 其 设计质量 的好坏 ， 将直 接 影响组合机床的设计质量。 目前 ， C A D技术 已经广泛应用于多轴箱 的设 计领 域 ， 但在多轴箱 的设计过程 中， 当 C A D技术涉及 到方 案决策、 评价分析、 重要参数选择等方面的内容时， 往 往需要人为地进行较多的干预 ， 设计师的水平在很大 程度上决定了多轴箱的设计水平。如果吸取领域专 家在设计实践中积 累起来 的宝 贵经验并将其形成规 则用来指导设计师， 使多轴箱 C A D系统向智能型方向 发展， 势必会减少人为干涉， 从而提高多轴箱的设计 质量及其设计效率 。 1 多轴箱 C A D的关键技术 多轴箱 C A D系统设计的关键在于将 C A D技术灵 活应用于传动方案 的设计和干涉检验。传动方案的 确定是整个设计的 关键 ， 主要有传 动 比的分配 、 齿 轮 模数 的选用 、 传 动链 的分组以及传 动模型 的选择 、 确 定齿轮参数 。其次是 干涉检验过程 ， 主要检验齿 轮之 间、 齿轮与轴或轴套之间、 齿轮与箱体之间的干涉情 况 。提高这两部分的智能化程度是多轴箱 C A D系统 的关键 。 2 多轴箱 C A D的研究现状 2 、 1 国外现状 国外组合机床 C A D技术 的研究开展得较早 ， 上世 纪 6 0年代初 ， 一些工业 发达 国家首先在 多轴箱 C A D 方面开展研究。尤其是进入8 0年代以来， 随着计算机 技术的发展 ， 交互式绘图和数据库管理系统等发展和 应用， 使组合机床 C A D技术使用范围不断扩大， 如美 国的 I N G E R S 0 L L 、 K I N G S B U R Y、 B U R G MA S T、 C I N C I N N A T I 、 M I L A C R O N 、 L A M B 、 C R O S S等机床公司， 德国赫 勒 许勒 ( H u l l e r H i l le ) 公司， 英国克劳斯 ( C r o s s ) 公 司， 组合机床已经向C A D C A M集成系统发展， 其中多 轴箱模块化设计已趋于成熟。 2 2 国内现状 上世纪 7 0年代初 ， 大连组合机床研究所已开始这 方面的研究 工作 。1 9 7 8年 ， 组合机床 C A D技术列为 国家机械工业重点项 目， 从此开始 了我国组合机床 C A D技术的研究。 目前 ， 大连机床厂 、 常州机床总厂 、 武汉机 床集 团公司 、 安 阳第 二机床厂 、 保定第 二机床 厂、 济宁机床厂和大连组合机床研究所等， 在组合机 6 3 维普资讯 现代制造工程2 0 0 6 年第 1 1 期 C A D C A E C A P I ) C A M 床设计中普遍应用 C A D技术。近年来， 随着 C A D技 术的 日益成熟 ， P r o E、 U G、 S o l i d E d g e 、 A u t o C A D等多 种 C A D技术已广泛应用于组合机床设计。其中， 有关 多轴箱计算机辅助设计的研究工作也相应取得了很 大成就 ， 已经研制出较多有效的软件系统。 1 ) 大连组合机床厂研制的多轴箱 C A D系统通过 数学模型模拟多轴箱运转情况， 检验多轴箱的所有几 何干涉、 转速及转向错误， 并能自动生成多轴箱的装 配表、 零件明细表、 装配图和零件加工图等， 软件设计 科学 、 严谨。 2 ) 河南科技大学根据组合机床的设计特点， 结合 先进设计技术， 在三维设计软件 U G的平台上进行二 次开发， 建立了组合机床 C A D系统， 其中， 多轴箱的设 计包括多轴箱体的设计和传动系统的设计两部分。 多轴箱设计模块在多轴箱总体装配模型的设计平台 上， 通过友好 的人机交互界面接受用户输入 的数据。 多轴箱体的设计过程是调用多轴箱体零件并根据参 数更新模型； 主轴箱的传动系统可以分为六种基本的 传动模型， 主轴箱设计图形库中包括这六种基本传动 模型的模板， 传动系统的设计过程是调用基本传动模 型， 并通过不断地组合形成需要的传动总体系统。最 后 ， 配制成用户需要的多轴箱结构形式 J 。此软件采 用三维形式表达多轴箱的传动系统， 便于干涉检验及 参数的更改。 3 ) 广西工学院利用三维 C A D软件 S o l i d E d g e 9 0 开发针对多轴箱的三维变量化 C A D系统 。所谓变量 化设计是一种基于用户设计层次的设计方法 ， 它将 图 形的尺寸关系和几何关系以变量的形式表示， 通过对 图形变量的赋值， 以实现图形的生成或修改， 从而得 到所需的设计图形。按这种方法设计多轴箱， 不仅大 大减少了设计人员的设计、 计算和绘图工作量， 而且 设计出的多轴箱三维模型直观、 可视性 强， 检查 各种 干涉方便快捷， 如发现问题可再次修改变量， 以满足 设计要求。此外 ， 还 可利用 S o l i d E d g e的机构运动模 拟功能对装配好的多轴箱进行模拟旋转运动 ， 更好地 观察多轴箱的运动状态， 使得设计更趋于合理。 4 ) 黄石高等专科学校以A u to C A D为平台， 开发组 合机床多轴箱传动总体方案设计 C A I 课件， 该软件利 用 A u t o C A D的内嵌 A u t o L I S P语言编程实现 A u t o C A D 二次开发 。 在 A u t o C A D中建立设计菜单 ， 该菜单包括设计软 件说明、 使用方法选择、 箱体选择、 轴径计算、 传动方 案设计、 干涉检查和输出结果等项。其中， 关键性的 模块是传动方案设计和干涉检查。传动方案设计包 6 4 括分配传动比、 选用齿轮模数、 传动链分组、 确定齿轮 参数等； 干涉检查模块主要检查指定齿轮与轴或轴套 是否发生干涉， 用户完成传动系统初步方案后， 由于 图中仅画出各齿轮的分度圆， 有时对齿轮或轴套是否 发生干涉用 肉眼难 以判断 ， 调用该模块 ， 用鼠标先后 点取需检查的齿轮分度圆和轴心 ， 便 自动显示检查结 论 ， 若发生干涉， 允许用户修改参数。此 C A I 课件通 过友好的人机交互界面得到了多轴箱的设计结果， 既 有利于掌握设计方法， 又避免繁杂的计算， 使学习效 率大大提高， 适用于教学 。 另外 ， 燕山大学 ， 扬州大学 ， 扬州柴油机 厂， 华北 电力大学， 渝州大学等部门也针对多轴箱开发了C A D 设计软件， 辅助完成从组合机床多轴箱设计到绘图的 全过程。 综观国内外多轴箱的设计软件， 其优点可归纳 为 ： 1 ) 多轴箱组成部件的模块化设 计 已基本实现 ， 通 过引入 C A D技术如 S o l i d E d g e 、 U G 、 A u t o C A D等来完 成组成构件的参 数化 、 模块化设计 ； 2 ) 各构件干涉校 核部分也比较完善， 尤其是在三维设计软件 S o l i d E d g e 、 U G等平台上开发的多轴箱 C A D系统 ， 设计过程 比较形象直观 ， 干涉校核方便快捷 ， 易更改。但也均 存在一定的缺陷， 如关于传动路线的确定， 基本上靠 设计者的经验来决策， 还没有形成一种规则来引导设 计者 ， 或者是生成一种专家系统来指导设计者 ， 整个 多轴箱的设计过程 基本上是将组成部件进行罗列、 堆 积 ， 最后形成所需要 的模 型， 智能化程度 比较低 。这 样多轴箱的设计周期及设计质量均无法保证， 所以这 些设计软件比较适用于小范围修改多轴箱的设计。 3 多轴箱 C A D发展趋势 针对组合机床的功能及特点， 它是大批量机械产 品实现高效、 高质量和经济性生产的重要设备。随着 市场经济的发展， 作为组合机床的主要应用对象， 如 汽车 、 拖拉机、 发动机 、 摩托车及其发动机等行业有 了 更深刻的变化， 产品寿命周期不断缩短 ， 品种 日益增 多。加工产品不同， 组合机床不同， 多轴箱也不同。 这要求工程技术人员要不断地提高产品的开发能力， 以满足市场要求。因此， 如何高效、 高质 量地设计 出 多轴箱已经成为组合机床厂家的追求 目标。 就 目前研究状况 ， C AD技术 已经广泛应用于多轴 箱设计， 为设计人员提供了方便、 快捷、 高效的设计工 具 ， 但其智能化程度不高。 目前， 硬件、 软件 、 智能 化 等技术的发展 ， 为开发更先进的多轴箱 的设计软件提 供了必要的技术基础。从硬件看， 存取容量、 存取速 维普资讯 C A D C A E C A P P C A M 现代制造工程 2 0 0 6年第 1 1 期 度不断增大， 数据处理 、 科学计算的功能不 断增强 ， 为 开发软件提供 了更强硬 的设备后盾 ； 从软 件看 ， C A D 专业软件的家族不断壮大 ， 如 P r o E、 S o l i d E d g e 、 U G、 A u t o C A D等 ， 及一些计算 机高级 语言诸 如 V B、 V B A、 A u t o L I S P 、 V C 、 V B N E T等不断更新 ， 为机械 C A D软件 开发提供 了有力的工具 ， 可以运用这些工具在 C A D专 业软件的平台上开发出符合用户要求的设计系统， 既 解决了使用计算机语言开发的专用系统难度大、 成本 高的难题， 又弥补了单使用通用商品化 C A D专业软件 效率不高的缺陷， 这为多轴箱 C A D设计提供了丰富的 开发工具 ； 从 C A D智能化的发展趋势看 ， 在 人工智能 技术飞速发展的前提下， 随着知识工程技术 的发展和 深入研究 ， 智 能化 C A D系统将应运而生 ， 智能 C A D软 件采用动态导航技术、 智能型知识检索工具和知识推 送工具 J ， 为多轴箱 C A D设计向更高层次发展提供 了 理论基础。 专家系统技术 的引入 可 以提高多轴箱设 计软件 的智能化程度。它是人工智能技术 的一个分支， 其结 构一般包括人机接 口、 推理机 、 知识库及其管理系统 、 数据库及其管理系统、 知识获取机构、 解释机构六部 分。它能根据当前已知的事实， 利用知识库中的事 实， 按一定的推理方法和控制策略进行推理， 求得问 题的答案， 专家系统技术可将此领域专家设计经验归 纳和利用， 推进了设计质量和效率的提高。就 目前国 内外研究现状来说， 多轴箱的设计软件虽多， 但涉及 专家系统方面的设 计软件还未见到 ， 还停 留在模块化 设计的阶段 ， 没有形成一种智能型 C A D设计系统 。如 果在多轴箱 C A D系统中引入专家系统技术 ， 使整个设 计过程中利用专家的经验来模仿人的行为进行思考 和推理 ， 这将是顺应 C A D的主要发展趋势的多轴箱设 计系统。 4 结语 以知识为基础的专家系统可帮助设计师进行判 断 、 推理 和决策 ， 可 以提高设 计 软件 的智能 化程度 。 引人人工智能技术， 搜集并整理此领域的专家经验， 用它来模拟专家的设计过程， 协助设计人员完成评 判、 推理 、 确定最优化方案整个过程。将专家系统技 术与 C A D技术相结合来开发多轴箱的 C A D设计软 件 ， 势必 既缩短 多轴箱 的设计周期 ， 又提高其 设计质 量及智能化程度 ， 较好地适应市场的需求。 参 考 文 献 ： 1 大连组合机床研 究所 组合机床设计机械部分 M 北京： 机械工业出版社， 1 9 7 5 2 殷国富 工程专家系统技术及其应用 M 成都： 成 都科技大学出版社， 1 9 9 3 3 J 王文娟 C A D技术发展趋势与机械制造企业对策 J C A D C A M与制造业信息