（机械制造及其自动化专业论文）面向中小企业的数控车床虚拟设计方法研究.pdf

摘要 摘要 传统机床产品开发研制一般遵循串行模式，存在着高成本、长周期和低效率 的问题，已经成为影响机床制造业发展的瓶颈。大型机床生产企业依托雄厚的实 力，在技术革新、产品开发研制方面有自己的优势，而我国中小机床企业在资金 和人才不足的情况下，如何在产业竞争中经受挑战，成为中小机床企业生存的关 键。 我国中小机床企业要赢得竞争，只有利用自身优点和基础，结合 c a d c a e c a m 的综合技术，利用先进设计技术方法为产品的设计和验证提供支 持手段，例如借助机床产品的虚拟设计技术，提高产品的设计质量，缩短产品开 发周期，并且降低产品开发成本，从而在激烈的市场竞争中争得一席之地。 本文结合我国中小机床企业的现实情况，以数控车床的开发为研究对象，结 合虚拟设计技术，在s o l i d w o r k s 三维软件的平台上，通过对软件二次开发，创新 性的提出构建数控车床虚拟设计平台，实现中小企业数控车床的虚拟设计过程。 本文针对数控车床虚拟设计平台构建及其设计方法，主要研究了以下内容： ( 1 ) 数控车床虚拟设计平台的总体构思和初步搭建。为设计平台规划了各 个专业模块，模块之间相互关联并前后衔接。 ( 2 ) 车床布局方案的设计研究。车床布局设计就是根据客户和市场的要求， 快速实施设计方案，结合专家系统的判断机制，提供设计参考，是带有全局性 的一个重要工作。 ( 3 ) 总体结构设计及零件库的开发。根据数控车床各个专用零件的特点， 采取不同的建库方式。第一，建立非标件零件库。第二，建立标准件及外购件零 件库。最后把这两个子零件库集合成数控车床零件库。 ( 4 ) 总体结构设计虚拟自动装配技术。研究自动化装配理论；在s o l i d w o r k s 平台中，采用二次开发技术，利用自动化装配技术实现数控车床整机的自动装配， 且装配的模型是可以直接用于有限元分析。 ( 5 ) 结构设计过程中的有限元分析与仿真。研究了参数化零部件模型以及 自动化装配后的模型进行有限元分析的正确性：在c o s m o s w o r k s 有限元分析平 广东工业大学硕十学位论文 台下，进行数控车床关键零件的有限元分析，重点阐述车床床身的有限元优化方 法；在设计平台实现数控车床整机的动静态分析。 ( 6 ) 基于宣传目的的数控车床虚拟设计。进行p h o t o w o r k s 渲染及a n i m a t o r 动画的应用基础研究；利用p h o t o w o r k s 渲染及a n i m a t o r 动画对数控车床进行实 例解析。 本课题的数控车床虚拟设计方法研究是基于所建立的虚拟设计平台，目前在 国内没有查阅到开展数控车床虚拟设计平台方面的工作，因此具有一定的现实意 义。经过本项目的研究探索，对于今后开发研究类似平台有指导性意义。 关键词： 数控车床；设计平台；虚拟设计；s o l i d w o r k s ；二次开发；参数化； 自动装配 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r a c t i c eo fu s i n gs e r i a lm o d ei nt h e d e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o no f t r a d i t i o n a lm a c h i n et o o 1e n t a i l st h o s ep r o b l e m sa sh i g hc o s t ，l o n gc y c l ea n dl o w e f f i c i e n c y w h i c hh a v e g r e a t l yh i n d e r e dt h ed e v e l o p m e n to fm a c h i n et o o l m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y l a r g em a c h i n et o o lm a n u f a c t u r e r sh a v el o t sa d v a n t a g e s o v e rs m a l la n dm e d i u m - s i z e dm a c h i n et o o le n t e r p r i s e si nm a n ya s p e c t sl i k et e c h n i c a l i n n o v a t i o na n d p r o d u c tr e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t t o s u r v i v ei nt h ef i e r c e c o m p e t i t i o nh a sb e c o m et h eg r e a t e s tc h a l l e n g ef o rs m a l la n dm e d i u m s i z e dm a c h i n e t o o le n t e r p r i s e sw h i c hh a v em u c hl e s sf u n d sa n dh u m a nr e s o u r c et h a nl a r g eo n e si n c h i n a i no r d e rt og a i na na d v a n t a g ei nt h ec o m p e t i t i o n ，s m a l la n dm e d i u m s i z e dh a v e t oc a p i t a l i z eo nw h a tt h e yh a v ea n du s ec a d c a e c a mi n t e g r a t e dt e c h n o l o g ya n d a d v a n c e dd e s i g nt e c h n i q u e sf o rd e s i g n i n ga n dt e s t i n gp r o d u c t sl i k e b y a p p l y i n g v i r t u a ld e s i g nt e c h n o l o g yt oi m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y ，s h o r t e np r o d u c td e v e l o p m e n t c y c l ea n dl o w e rp r o d u c td e v e l o p m e n tc o s t sw h i c hc a ne n a b l et h ee n t e r p r i s e st o s u r v i v ei nt h ef i e r c ec o m p e t i t i o n a c c o r d i n gt o t h ea c t u a ls i t u a t i o no fs m a l la n dm e d i u m s i z e dm a c h i n et o o l e n t e r p r i s e s ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e v e l o p m e n to fc n cl a t h ea n dp u t sf o r w a r d a ni n n o v a t i v em e t h o di ne s t a b l i s h i n gv i r t u a ld e s i g np l a t f o r mf o rr e a l i z i n gt h ev i r t u a l d e s i g np r o c e s st h r o u g hu s i n gv i r t u a ld e s i g nt e c h n o l o g ya n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n t o fs o f t w a r eo nt h es o l i d w o r k s3 ds o f t w a r ep l a t f o r m i tf a l l si n t ot h ef o l l o w i n g p o i n t s ( 1 ) v i r t u a ld e s i g np l a t f o r mf o rc n cl a t h e so v e r a l lc o n c e p ta n dp r e l i m i n a r y i l l - 广东工业大学硕士学位论文 s t r u c t u r e si n c l u d et h ep l a n n i n go fa l lp r o f e s s i o n a lm o d u l e sa n dt h ei n t e r c o n n e c t i o n a n dc o n v e r g e n c e ( 2 ) m o d u l e sd e s i g n i n gf o ro v e r a l ll a y o u to ft h em a c h i n et 0 0 1 t h i si sa no v e r a l l a n di m p o r t a n tw o r k i ts h o u l df u l f i l lt h ec u s t o m e r sd e m a n d sa n dc a r r yo u tt h e p r o g r a ma ss o o na sp o s s i b l e ( 3 ) t h ee s t a b l i s h m e n to fp a r t sl i b r a r yf o rd e s i g np l a t f o r m t h em e t h o d si nb u i l d i n g p a r t sl i b r a r yv a r ya c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a r t f i r s t ，e s t a b l i s h n o n s t a n d a r dp a r t s l i b r a r y ；s e c o n d ，e s t a b l i s hs t a n d a r dp a r t sa n do u t s o u r c e dp a r t s l i b r a r y ；t h i r d ，f o r mt h e s et w os u b - l i b r a r i e si n t oac n c l a t h ep a r t s l i b r a r y ( 4 ) t h em e t h o d so fa u t o m a t i ca s s e m b l y t h i sp a r tf i r s tp r o b e si n t ot h et h e o r ya b o u t t h ea u t o m a t i ca s s e m b l y o nt h es o l i d w o r k s p l a t f o r m ，t h ec n cl a t h ec a nb e a s s e m b l e da u t o m a t i c a l l yt h r o u g hu s i n gs e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta n da u t o m a t e d a s s e m b l yt e c h n o l o g y a n dt h ea s s e m b l e dm o d e lc a nb eu s e da sam o d e lo fa n a l y s i s ( 5 ) v i r t u a ld e s i g na n ds i m u l a t i o nm e t h o d so ft h ec n cl a t h e t h i sp a r ts t u d i e st h e p a r a m e t e r i z a t i o no fp a r t sm o d e l sa n dt h ec o r r e c t n e s so fa n a l y s i so ft h ea u t o m a t i c a s s e m b l ym o d e l s o nt h ec o s m o s w o r k sa n a l y s i sp l a t f o r m ，i tc a r r i e so u ta na n a l y s i s o ft h ek e yp a r t so ft h ec n cl a t h ew i t ht h ef o c u so ne x p l a i n i n gt h e w a y so f o p t i m i z i n gt h ea n a l y s i sf o rt h el a t h eb e d s t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i so ft h ec n c l a t h ec a nb ea c h i e v e dt h r o u g hu s i n gt h ed e s i g np l a t f o r m ( 6 ) m e a n so fv i r t u a lp r o p a g a n d af o rc n cl a t h e t h i sp a r tm a k e sab a s i cr e s e a r c h i nt h ea p p l i c a t i o no fp h o t o w o r k sa n da n i m a t o ra n df u r t h e r si n t os o m ec a s es t u d i e s t h i sp r o j e c ti sb a s e do nt h ee s t a b l i s h e dv i r t u a ld e s i g np l a t f o r m i th a sg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rt h e r ei sn or e s e a r c hi nt h i sa r e ah a v i n gb e e nu n d e r t a k e n ，t h e r e f o r ei t c a nb eag u i d e l i n ef o ro t h e rr e l a t e dr e s e a r c h e si nt h i sa r e ai nt h ef u t u r e 一 a b s t r a c t k e yw o r d s ：c n cl a t h e ；d e s i g np l a t f o r m ；v i r t u a ld e s i g n ；s o l i d w o r k s ；s e c o n d a r y d e v e l o p m e n tp a r a m e t e r i z a t i o n ；a u t o m a t i ca s s e m b l y v 独创件声明 独创性声明 秉承学校严禁的学风与优良的科学道德，本人声明所成交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 括本人或其他用途用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 1 , v - , 1 年舌月箩日 第一一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 1 1 1 课题研究的背景 自2 0 世纪7 0 年代以来，随着世界市场趋于动态多变和信息技术的迅猛发展， 促使制造业研究全新的制造理念和技术。2 0 世纪8 0 年代初，制造技术以信息集 成为核心的计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 开始得到实施；8 0 年代末，以过程集成为核心的并行工程c e ( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ) 技术进一步提高了制造水平；进入9 0 年代，先进制造技术进一步向 更高水平发展，精益生l p ( 1 e a np r o d u c t i o n ) 、敏捷制造a m ( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 等新的制造理念不断涌现【1 1 。虚拟设计是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一个新的研 究领域，它是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制 造等技术综合发展的产物c2 1 。目前比较通行的说法是：虚拟设计是实际制造过程 在计算机上的本质实现，即采用计算机辅助设计与仿真技术，在计算机上模拟出 产品的制造过程，从而实现对产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、生 产管理与调度、销售及售后服务做出综合的评价，以增强制造过程各个层次的决 策与控制能力【3 1 。其产生和发展为机械、建筑和化工等行业注入了新的活力1 4 1 。 全球化、网络化和虚拟化已成为制造业发展的重要特征，实现“虚拟设计”( v i r t u a l d e s i g n ) 是制造业虚拟化的重要内容【s 。 这几年来，国产数控机床的产量虽然每年平均以5 0 的速度递增，但是， 国产数控机床的产量当中，低端简易数控机床较多，数量上约占7 0 ，中高端 数控机床较少；而且国产数控机床生产集中度低，远远没有形成产业化规模；国 产数控机床在品种、质量、交货期等方面常常不能满足用户要求，按金额计，其 市场占有率不足3 0 。随着国内制造业的升级换代，推陈出新，高新技术产业 和传统机械产业中许多复杂零部件的加工，需求大量中高端先进的数控机床。一 时间，中高端数控机床产品在国内市场供不应求，出现了国外数控机床产品大量 进口的现象【6 】。 现代机床的发展趋势是向着高速度、高精度和高生产率方向发展。这对机床 广东工业大学硕士学位论文 产品本身设计过程提出了越来越高的要求。仅仅凭借经验进行类比设计，利用传 统的设计模式已经不能满足机床制造业发展的需要。长期以来，机械产品开发多 沿用传统的串行设计方法，即“概念设计( c o n c e p t u a ld e s i g n ) 一详细设计( d e t a i l d e s i g n ) - - 过程设计一加工制造一试验验证一设计修改”的设计、制造模式 7 1 。串 行产品开发方式也被描述为“抛过墙”( t h r o wo v e rt h ew a l l ) 式产品开发模式【引。 它是以职能和任务分工为中心的，每个部门单独工作，缺乏各部门间的协调统一， 可能导致未考虑产品开发中其余部门的设计变更的出现，其实这些部门的工作也 对产品开发全过程有重要影响。在机械产品开发中，产品设计阶段被认为是最重 要的阶段，虽然它仅占产品开发周期的l0 ，但它决定了产品开发成本的9 0 ， 即产品设计阶段决定了产品的成本和周期 9 - 1 0 1 。在经济全球化、贸易自由化和社 会信息化的新形势下，全球制造企业之间的竞争日益激烈，制造业必须以市场为 中心，以最短的产品开发时间( t i m e ，t ) ，最优的产品质量( q u a l i t y ，q ) ，最低的 成本与价格( c o s t ，c ) 、最好的售后服务( s e r v i c e ，s ) 以及满足环境保护要求 ( e n v i r o n m e n t ，e ) 对市场做出快速的响应来增加企业的竞争力，才能赢得市场与 用户 i l l 。 1 1 2 课题研究的意义 为了适应国内外数控机床市场的急剧的变化，缩短与国外的差距，中国机床 企业建立企业自身的技术跨越通道和拥有自主创新能力至关重要。传统机床产品 开发所遵循的“图纸设计一样机制造及检测一设计改进一生产制造”串行模式所 存在的高成本、长周期和低效率的问题，已经成为影响机床制造业发展的瓶颈所 在d 2 1 。在国内机床行业里，大型机床企业采用的是规模化的策略，拥有强大的经 济基础和丰富的人力资源，逐步从传统的设计方法转向现代化设计体系，已经取 得不少成效。他们拥有现代化的制造系统，稳定的科研技术人才，不少大型机床 企业还拥有c a e 分析及虚拟制造的专业团队。而我国中小机床企业，很多刚刚 才完成二维c a d 的技术转换，有部分企业开始运用三维c a d 技术，但是，对 三维技术的运用还局限在建模及装配的简单运用上，对三维c a d 更深层次的技 术没有了解或者没有应用。在三维c a d 软件开发设计的时代，如何让中小机床 企业能够在其自身条件下进行技术革新，成为中小机床企业生存的关键点。 中小机床企业在技术革新上遇到以下几点问题：( 1 ) 资金少，本身企业在融 第一章绪论 资和生存上就存在一定的困难，对技术革新的经济支撑力不够强。( 2 ) 研发力量 薄弱，技术人才流动性大。表现在：第一，无力聘用高级技术人才；第二，中小 机床企业很多生产以单个项目的形式完成，每个项目聘用一个项目经理，项目完 成后，很多企业主会主动解聘该项目经理，以便管理和节约成本。第三，中小企 业缺乏企业文化基础，普通技术人才流失量也很严重，不断的以新代旧。( 3 ) 中 小机床企业容易产生对个人的依赖，企业专业技术人才过少，容易产生对单一技 术人才的依赖，一旦主要技术人才走掉，企业可能导致倒闭。( 4 ) 创新动力缺失 等。以上不利于技术创新开展的障碍因素，导致中小企业技术革新困难重重，正 确有效地选择技术创新战略是中小企业在技术创新方面事半功倍的重要前提条 件。 差异化竞争成为技术创新的关键，产品和渠道的差异化策略缺一不可。国内 中小机床企业要真正转型，必须利用自身优点和基础，结合c a d c a e c a m 的 综合技术，利用现代化的虚拟设计技术为产品的设计和验证提供了更好的支持手 段，通过虚拟样机取代物理样机进行设计验证，通过虚拟交互环境对产品样机进 行模拟，及时根据用户的要求对设计方案进行完善，对机床产品进行虚拟设计开 发，设计符合企业实际要求的虚拟设计平台，提高企业的产品质量，缩短产品开 发周期，并且有效降低产品开发成本，从而在激烈的市场竞争中争得一席之地。 本课题从中小机床企业的技术创新，以及面对激烈市场竞争方面着手，以数 控车床为研究对象，进行了数控车床虚拟设计方法的研究，在s o l i d w o r k s 平台 上开发出数控车床虚拟设计平台。通过这个虚拟设计平台，力图使设计者可以在 较短时间内拟定出合理的方案，对客户需求做出快速反映，并将这些专业工作快 速通俗的展现出来。虚拟设计平台给企业和客户一个直观的虚拟模型，对于非专 业的客户，也可以给其一个直观的视觉效果，直接增加客户签单的机率。虚拟设 计平台，可以整合行业及企业的设计经验，让企业对技术人才个人的依赖度降低， 并且可以给新的技术人才提供专业的参考资料，让新的技术人员很快的进入企业 实质性工作状态。对数控车床进行虚拟设计方法的研究可以解决目前国内有经验 的设计人员不多，设计方案水平不高的问题，又能使有经验的设计人员可从事更 多的创造性工作，这样有利于促进我国机床产品的创新发展。本课题的工作内容 是尝试构建一个虚拟设计平台，虚拟设计平台建设符合国家和广东省有关部门下 达的加强机械制造装备设计理论研究的规划方向，具有现实意义。另方面经过本 广东- l - _ _ 、l k 大学硕十学位论文 项目探索研究，对于开发研究类似平台有指导性意义。该平台也为虚拟设计、虚 拟制造一体化的进一步深入研究提供了有益的探索。 1 2 国内外研究现状与应用 1 2 1 国外研究现状及应用 以美国为首的西方工业国家成立了相应的虚拟制造研究机构，在19 9 5 年前 已基本完成应用基础技术的研究，并在航空、汽车等许多领域采用虚拟现实技术 制作数字化功能样机，实现了虚拟设计技术的工程应用。一些典型的虚拟设计技 术应用表明了虚拟设计技术在机械产品开发中的巨大发展潜力d 3 。 德国b i e l e f e l d 大学j u n g 等开发了一个基于知识的虚拟装配系统c o d y ，允 许设计者通过三维操作或简单的语言命令进行产品装配d 4 1 。华盛顿州立大学和国 家标准技术研究所共同合作开发的虚拟装配设计环境( v a d e ) 1 1 5 。h e r i o t w a t t 大 学的机械和化学工程系进行了两个关于虚拟装配的项目，一是利用虚拟环境对电 缆连接进行设计和规划，二是利用虚拟环境来得到用于装配规划的知识，并开发 了一个虚拟装配规划系统【l 。美国西北大学等7 所高校提出了虚拟数控机床的概 念。美国l a m b 公司、d e n e b 公司等也一直在进行虚拟机床的研究1 1 7 。美国伊利 诺伊大学主持成立的虚拟机床研究机构和美国n i s t 都投入了大量的人力、物力 开展虚拟机床的研究与开发工作。首尔理工学院对多轴机床机构进行误差分析建 模与仿真等j 。 p e r o ts y s t e mt e a m 利用d e n e br o b o t i c s 公司开发的q u e s t 及i g r i p 设计仿 真平台，进行某一新增生产线的设计仿真与运行仿真，使生产线的建成投产周期 从传统的2 4 个月缩短到9 个半月【1 9 】。德国b m w 公司建立了v i r t u a lp r o c e s sw e e k 的体系，利用虚拟技术对汽车装配流程的合理性进行测试 2 0 1 。n a r i k a w a 等人开 发了一个面向自动取款机装配的虚拟工程环境，并与设计方法学紧密结合1 2 1 。美 国加利福尼亚大学应用虚拟建模和仿真分析直线电机在工作台式五轴联动机床 上的新产品开发应用1 2 2 。 1 2 2 国内研究现状及应用 我国在虚拟设计技术方面的研究和应用尚处于起步阶段，但发展迅速，目前 第一章绪论 已成为众多科研机构、高等院校和企业关注的研究和应用热点之一。 清华大学c i m s 工程研究中心虚拟制造研究室是国内最早开展虚拟设计研 究的机构之一。国家8 6 3 c i m s 主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与 仿真确定为研究重点【：，】。浙江大学c a d & c g 国家重点实验室开发的基于多通 道的、集成的虚拟设计与虚拟装配系统v d v a s ，在该系统中，设计者可以通过 直接三维操作和语音命令直观方便地建立机械零件及其装配模型，并通过交互拆 装获取零件的装配顺序和装配路径等信息 2 4 2 5 。2 0 0 5 年3 月份，上海理工大学 宣布成立虚拟制造技术研究院 2 6 】。清华大学进行了虚拟机床建模与仿真的理论和 应用研究，主要是用于仿真和评估各加工过程对产品质量的影响【27 1 。清华大学精 密仪器系北人印刷机械股份有限公司胶印机的机构设计为应用背景，提出了机构 虚拟设计平台的体系结构，构造了基于虚拟样机的设计分析一体化环境 2 8 l 。哈尔 滨工业大学等高校对虚拟机床加工系统和加工过程的虚拟模型和仿真研究圈【z 引。 天津大学为了提高设计质量，对三杆并联机床进行虚拟建模和运动学仿真。 将虚拟设计技术用于并联机床的设计，为3 h s s 型并联机床样机的一次研制成 功提供了可靠的保证【，们。武汉理工大学智能制造与控制研究所提出并研制了一个 分布式虚拟设计制造集成平台，该平台实现了虚拟产品建模、虚拟产品分析和 虚拟数控加工等多个子系统的集成。武钢机械制造公司和武汉重型机床厂利用该 平台开发复杂新产品时，缩短了开发周期，取得了显著的经济效益【，。大连机床 集团对研制开发的高速加工中心实施了动态特性仿真分析工作，委托德国阿亨工 业大学机械制造研究室进行了整机有限元分析等。 1 3 本课题虚拟设计平台的系统结构 1 3 1 平台的总体结构 针对中小企业需求和平台开发的要求，数控车床虚拟设计开发平台采用了模 块化设计的方法，将整个系统的设计过程分成若干个功能模块，使得这些模块在 设计过程中可以相对独立完成，但是在应用过程中，在主控模块的控制之下，各 司其职，协调一致地工作，使得系统在设计和应用过程中既有较高的自动化程度， 又具有良好的人机交互性能。系统总体结构如图卜1 所示。 广东t 业大学硕十学位论文 图l l 数控车床虚拟设计平台总体结构 f i g 1 - 1t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fv i r t u a ld e s i g np l a t f o r mt oc n cl a t h e 车床设计的步骤包括“设计准备工作一布局方案设计一总体结构设计一零部 件设计一虚拟样机”。其中，布局方案设计分为3 个子模块，根据不同需求选用不 同模块。总体结构设计部分采用零件库支持，根据布局方案，进行虚拟装配，形 成功能结构，然后分析和仿真以进行结构优化。零部件设计是建立在优化理论基 础上，确定模型后，利用s o lid w o r k s 工程图的便捷性，实现工程图3 维转2 维。确 定所有零件后，装配成虚拟样机。然后对虚拟样机进行渲染及动画处理，以实现 数控车床视觉效果体现。 1 3 2 布局方案设计模块 利用人机交互窗口，根据实际需要选择不同模块来设计车床布局。此布局方 案设计部分分为三个并行的子模块。布局方案设计的功能结构如图卜2 所示。 第一子模块是基于人工神经网络的数据库系统。该系统具有知识自动获取、 自组织自学习、信息分布和存储并行处理、高度的容错性等优点，故其可以生成 较新和不确定的整体布局方案，我们可以得出数组方案，进行选择，分析后选出 最佳方案。 第二子模块是基于专家系统模块。此模块的特点是可以体现经验的积累，通 过参数直接选取系统中较成熟和完善的车床布局方案。 第三子模块是基于快速装配技术的手动装配模块。该模块可以充分体现设计 者的智慧和设计能力，但同时也会省略掉许多烦琐和不必要的步骤。 第1 章绪论 图1 2 布局方案设计模块的功能结构图 1 3 3 总体结构设计模块 总体结构设计是在零件库的基础上开发的，首先要建立基础零件库。第一， 建立非标件零件库。第二，建立标准件及外购件零件库。总体结构设计部分功能 结构如图1 3 所示。 总体结构设计部分分为功能分析模块、性能分析模块、开发周期预测模块、 报价模块。功能模块利用虚拟装配技术和仿真技术来实现。性能模块利用仿真技 术、有限元分析技术以及公差分析技术来实现。开发周期预测模块和报价模块可 以对设计周期和成本、制造周期和成本进行预估，并按报价规则进行报价，这样 就可确定成本和整个生产周期。 广东x a k 大学硕十学位论文 总体结构设计 nnli l 厂厂 厂弋乃 厂 性能开发 j 报 功能 分析周期 价 分析 模块 预测 模 模块 模块 块 ， ，ljk 有限元 满足 仿真技 分析术 c 零部件设计 图1 3 总体结构设计模块的功能结构图 f i g 1 3f u n c t i o n a ls t r u c t u r eo ft h eo v e r a l ls t r u c t u r a ld e s i g nm o d u l e 1 3 4 零部件设计模块 根据车床总体结构设计的确定，进行单一零件的设计和外购的计算确定及购 买。零部件设计结构功能结构如图卜4 所示。 图1 4 零部件设计模块的功能结构图 f i g 1 - 4f u n c t i o n a ls t r u c t u r eo ft h ed e t a i l e dd e s i g no fp a r t s 利用有限元分析软件，采用c o s m o s w o r k s 对单个零件进行动静态和模态分 8 第一章绪论 析，然后优化设计，直到得到最优值。对于外购件的计算利用程序模块自动实现， 这种方式使得设计人员从繁琐的计算过程中释放出来。 1 3 5 虚拟样机 第一，利用己确定的零件，建立整机模型。第二，确定车床的虚拟样机后， 把三维图形转为二维工程图。第三，采用虚拟宣传手段来对产品进行宣传。 1 4 课题研究的方法及实现目标 1 4 1 课题研究的方法 在上述背景下提出了一种基于s o l id w o r k s 的数控车床虚拟设计研究方法， 构建相关联的虚拟设计平台。主要研究方法包括： 布局方案设计模块包含3 个子模块，用户根据实际情况来选择模块生成需要 的布局。本次研究，采用基于企业基础的专家系统模块。在该模块中，对数控车 床进行分类，根据企业实际情况来添加资料到该系统。系统会根据所建立的专家 系统，生成机床的整体布局。此模块的特点是可以体现经验的积累，以及对资料 的整理收集，通过目标产品的特点直接选取较成熟和完善的车床整体布局。 总体结构设计模块采用零件库做基础数据支持，利用自动化装配技术进行整 机装配，采用有限元分析及仿真技术来实现零部件与装配体的优化。首先根据车 床布局方案，在零件库中选取对应的零件，然后依照模板中的装配关系进行自动 化装配，接着用分析和仿真来进行优化设计。零件库的零件采用设计与分析协同 理念构建，零件并非设计模型，而是对一些对分析没有影响的细节部分进行简化， 以便所构建模型直接进行有限元分析，分析时无需改动或重新建模。其次，对建 好模型的零部件实行自动化装配，实现整机装配。最后，对零部件以及整机进行 有限元分析、仿真等处理，以便求得最优解。 零部件设计模块是建立在优化理论基础上，确定模型后，利用s o l i d w o r k s 工程图的便捷性，实现工程图3 维转2 维。确定所有零件后，装配成虚拟样机。 对于通用标准件，直接从s o l i d w o r k s 标准件库中进行选取，无需进行设计；对 专用标准件，为企业外购零件，企业无需设计，无需出工程图，只需建立3 维模 型，装配到数控车床中。 广东工业大学硕十学位论文 最后对虚拟样机进行动画制作及渲染处理，利用a n i m a t o r 动画和p h o t o w o r k s 渲染与s o l i d w o r k s 的无缝集成，可以直接在s o l i d w o r k s 环境下完成数控车床各 种动画形态的表达及渲染出照片级的效果图，充分展现产品的性能和特性。便于 与客户的交流以及进行产品的宣传。 本文对数控车床虚拟设计过程中的部分重要方法进行了研究。 1 4 2 课题研究将实现的目标 本文，对数控车床的整个设计过程进行虚拟设计方法研究，要实现的目标是 初步建成数控车床虚拟设计平台，设计平台由以下内容构成： ( 1 ) 数控车床布局方案设计模块。车床布局设计是根据客户和市场的要求， 快速实施设计方案，提供设计参考，是带有全局性的一个重要工作。本文采用 基于企业基础的专家系统的方式。 ( 2 ) 总体结构设计零件库的开发。根据数控车床各个专用零件的特点，采 取不同的建库方式。第一，建立非标件零件库。利用d e lp h i 技术，在 s o li d w o r k s 2 0 0 7 环境中进行数控车床零件的参数化可驱动模型的建立，包括床 身、尾座、主轴箱、拖板箱、尾座顶轴箱等自行设计的铸件。第二，建立标准 件及外购件零件库。最后把这两个子零件库集合成数控车床零件库。 ( 3 ) 总体结构设计虚拟自动装配技术。完成自动化装配理论研究；在 s o lid w o r k s 平台中，采用二次开发技术，利用自动化装配技术实现数控车床整 机的自动装配，且装配的模型是可以直接用于有限元分析的模型。 ( 4 ) 总体结构设计中的有限元分析与仿真。研究了参数化零部件模型以及 自动化装配体的模型进行有限元分析的正确性；在c o s m o s w o r k s 有限元分析平 台下，进行数控车床关键零件的有限元分析，重点阐述车床床身的有限元优化 方法；利用设计平台完成数控车床整机的动静态分析。 ( 5 ) 基于宣传目的的数控车床虚拟设计。完成p h o t o w o r k s 渲染及a n i m a t o r 动画的应用基础研究；利用p h o t o w o r k s 渲染及a n i m a t o r 动画对数控车床进行 实例解析。 第二章数挖车床整体布局方案设计 第二章数控车床布局方案设计 车床布局方案设计是带有全局性的一个重要工作，它对车床的整个设计过程 起到很重要的作用。车床的布局方案受需求和技术进步多种因素影响，随着时间 的进展和高新先进制造技术的发展，要求工程技术人员不断提高产品的开发能 力，快速响应市场的需求。迫切需要研究新的数控车床布局方案设计方法，本章 将针对这个问题展开研究。 2 1 车床的分类 数控车床的分类方法较多，但通常都以和普通车床相似的方法进行分类。 1 按车床主轴位置分类 ( 1 ) 立式数控车床。立式数控车床简称为数控车床，其车床主轴垂直于水 平面，并有一个直径很大的圆形工作台，供装夹工件用。这类机床主要用于加工 径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。 ( 2 ) 卧式数控车床。卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾 斜导轨卧式车床。倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。 2 按加工零件的基本类型分类 ( 1 ) 卡盘式数控车床。这类车床未设置尾座，适合车削盘类( 含短轴类) 零件。其夹紧方式多为电动或液动控制，卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火( 即 软卡爪) 。 ( 2 ) 顶尖式数控车床。这类数控车床配置有普通尾座或数控尾座，适合车 削较长的轴类零件及直径不太大的盘、套类零件。 3 按刀架数量分类 ( 1 ) 单刀架数控车床。普通数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如 四工位卧式自动转位刀架或多工位转塔式自转位刀架。 ( 2 ) 双刀架数控车床。这类车床其双刀架的配置( 即移动导轨分布) 可以 是平行分布，也可以是相互垂直分布，以及同轨结构。 4 按照床身和导轨关系的差异分类 广东t , j k 大学硕十学位论文 可以分为：水平床身式数控车床、倾斜床身式数控车床、水平床身斜滑板 式数控车床、立式数控车床。 5 按照功能分类 ( 1 ) 经济型数控车床。采用步进电动机和单片机对普通车床的车削进给系 统进行改造后形成的简易型数控车床。成本较低，自动化程度和功能都比较差， 车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工。 ( 2 ) 普通数控车床。根据车削加工要求在结构上进行专门设计，配备通用 数控系统而形成的数控车床。数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高， 适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即x 轴和z 轴。 ( 3 ) 车削加工中心。在普通数控车床的基础上，增加了c 轴和动力头，更 高级的机床还带有刀库，可控制x 、z 和c 三个坐标轴，联动控制轴可以是( x 、 z ) 、( x 、c ) 或( z 、c ) 。 ( 4 ) 车铣复合加工机床。复合加工是机械加工领域目前国际上最流行的加 工工艺之一，是一种先进制造技术。复合加工就是把几种不同的加工工艺，在一 台机床上实现。 由于影响车床总体布局的因素众多，且车床有众多的分类。不同的分类有不 同的特点，不同特点的布局适合不同的市场，不同的布局形式适用于加工不同的 零件。不同的结构布局形态，其结构动静态特性也不同，因此要合理选择出机床 总体结构布局形态方案，必须综合考虑多种因素。如何才能设计符合要求的车床 整体布局，不仅让有丰富经验的资深工程师们花费很长的时间，更让经验不足的 年轻设计师们一筹莫展。 2 2 车床布局的影响因素 车床布局方案设计是带有全局性的一个重要工作，它对车床的整个设计过程 起到很重要的作用，整体布局方案设计不好，会影响整个车床性能和功能的实现， 有可能导致失败的产品或者无用的设计工作。 影响车床类机床布局的主要因素有：( 1 ) 工件的尺寸、重量和形状。( 2 ) 车 床的生产率要求。由于车床生产率要求不同，车床的布局形式有卧式车床、专用 车床、转塔车床和回轮车床、多刀车床、多轴车床、半自动及自动车床、数控车 第二章数控乍床整体布局方案设计 床和双轴数控车床等。( 3 ) 机床的万能性要求。它影响机床的调整运动数。如通 过安装附件扩大使用范围的联合车床，除需配备各种附件外，主轴箱和尾座尚需 作上下调整移动。( 4 ) 操作方便性要求。它涉及到工效问题，尤其是对卧式车床 那样操纵动作频繁的机床更为重视。例如：加工盘类零件的小型车床，为便于装 卸工作和清除切屑，可采用主轴面对操作者的布局形式m 】。 2 3 车床布局方案设计方法 对于数控车床的布局方案的设计，现在主要有： ( 1 ) 经验比较法：根据已经成熟的设计方案来确定自己所需方案，一可以 使用成熟型的设计方案，二是进行一定的创新，用类比分析、推理方法产生方案。 ( 2 ) 创成法：机床总体结构布局是以刀具和被加工表面的信息，分析被加 工表面的成形运动，进行运动功能创成及形成运动功能模块，各运动功能模块按 不同的组合装配，即可创成出各种总体结构布局方案。创成式设计则用创成解析 的方法生成方案，创新能力强，这种方法尚在研究中。西安理工大学机械与精密 仪器工程学院的张广鹏教授在数控车床整体布局的创成法研究中做了大量工作。 ( 3 ) 人工神经网络法：该系统具有知识自动获