组合机床多轴箱CAD的应用现状.pdf

代 制 造 工 程 2006年 第 11期组 合 机 床 多 轴 箱 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 071001)摘 要 总 结 国 内 外 组 合 机 床 多 轴 箱 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 分 类 号 : 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1671 3133 (2006) 11 0063 03AD sp of m L i J 71001, AD sp of p of sp of AD Sp 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 1 。 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 , 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 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 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 键 技 术多 轴 箱 设 计 的 关 键 在 于 将 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 的 关 键 。2 多 轴 箱 究 现 状211 国 外 现 状国 外 组 合 机 床 的 研 究 开 展 得 较 早 ,上 世纪 60年 代 初 ,一 些 工 业 发 达 国 家 首 先 在 多 轴 箱 开 展 研 究 。 尤 其 是 进 入 80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 使 用 范 围 不 断 扩 大 ,如 美国 的 C M 床 公 司 ,德 国 赫勒 许 勒 ( 司 ,英 国 克 劳 斯 ( 司 ,组 合 机 床 已 经 向 系 统 发 展 ,其 中 多轴 箱 模 块 化 设 计 已 趋 于 成 熟 。212 国 内 现 状上 世 纪 70年 代 初 ,大 连 组 合 机 床 研 究 所 已 开 始 这方 面 的 研 究 工 作 。 1978年 ,组 合 机 床 列 为国 家 机 械 工 业 重 点 项 目 ,从 此 开 始 了 我 国 组 合 机 床 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36 现 代 制 造 工 程 2006年 第 11期 计 中 普 遍 应 用 。 近 年 来 ,随 着 日 益 成 熟 , E、 多种 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 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 台 上 进 行 二次 开 发 ,建 立 了 组 合 机 床 ,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 4 。 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 针 对 多 轴 箱 的 三 维 变 量 化 。 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 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 台 ,开 发 组合 机 床 多 轴 箱 传 动 总 体 方 案 设 计 课 件 ,该 软 件 利用 嵌 编 程 实 现 开 发 5 。在 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 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 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 如 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 台 上 开 发 的 多 轴 箱 ,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 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 , 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46 代 制 造 工 程 2006年 第 11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 , 软 件 的 家 族 不 断 壮 大 ,如 E、 及 一 些 计 算 机 高 级 语 言 诸 如 断 更 新 ,为 机 械 开 发 提 供 了 有 力 的 工 具 ,可 以 运 用 这 些 工 具 在 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 软 件效 率 不 高 的 缺 陷 ,这 为 多 轴 箱 提 供 了 丰 富 的开 发 工 具 ;从 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 将 应 运 而 生 ,智 能 用 动 态 导 航 技 术 、 智 能 型 知 识 检 索 工 具 和 知 识 推送 工 具 3 ,为 多 轴 箱 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 系 统 。 如果 在 多 轴 箱 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 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 入 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 相 结 合 来 开 发 多 轴 箱 的 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 , 1975. 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 , 1993. 3 王 文 娟 . 发 展 趋 势 与 机 械 制