组合机床模块化设计CAD系统.pdf

组 合 机 床 模 块 化 设 计!#系 统河 南 科 技 大 学 机 电 工 程 学 院 （ 洛 阳 !#$%） 李 春 梅 崔 凤 奎一 、 组 合 机 床 !# 系 统 总 体 模 块 化 设 计过 程组 合 机 床 模 块 化 设 计 就 是 根 据 用 户 的 需 求 ， 在 功 能分 析 的 基 础 上 ， 设 计 出 性 能 、 结 构 各 异 而 功 能 相 同 的 一系 列 可 互 换 功 能 性 单 元 和 一 些 专 用 、 独 立 部 件 ， 然 后 将其 组 合 成 单 台 机 床 或 者 柔 性 加 工 单 元 。利 用 模 块 化 设 计 的 方 法 ， 建 立 组 合 机 床 模 块 化 设 计!# 系 统 分 为 如 下 几 个 步 骤 ：（ $） 组 合 机 床 功 能 分 析 首 先 需 要 进 行 市 场 调 查 ，分 析 用 户 需 要 ， 根 据 组 合 机 床 的 加 工 要 求 ， 总 结 出 组 合机 床 应 该 实 现 的 功 能 ， 建 立 起 组 合 机 床 的 总 体 功 能 模型 ， 并 且 将 机 床 的 功 能 分 解 为 不 同 级 别 、 不 同 层 次 的 子功 能 。（ %） 总 体 结 构 设 计 在 组 合 机 床 功 能 模 型 的 基 础上 ， 实 现 功 能 结 构 映 射 。 根 据 组 合 机 床 的 功 能 层 次 ，寻 求 实 现 功 能 的 结 构 载 体 ， 产 生 机 床 结 构 布 局 方 案 ， 同时 进 行 机 床 结 构 、 外 形 尺 寸 的 初 步 规 划 。 进 行 总 体 结 构设 计 的 时 候 ， 应 该 合 理 地 划 分 结 构 模 块 。 每 一 个 模 块 都应 该 具 有 独 立 的 结 构 ， 对 应 一 定 的 功 能 。（ &） 详 细 结 构 设 计 利 用 三 维 造 型 工 具 ， 将 结 构 概念 模 型 细 化 ， 确 定 机 床 每 一 层 模 块 部 件 的 详 细 结 构 ， 对模 块 进 行 标 准 化 、 系 统 化 详 细 设 计 。 针 对 组 合 机 床 的 每一 层 模 块 都 建 立 相 应 的 全 参 数 化 控 制 三 维 模 型 库 ， 用 户在 这 个 库 中 调 用 需 要 模 块 的 三 维 模 型 进 行 装 配 。（ ） 建 立 !# 系 统 主 控 界 面 和 数 据 库 等 除 了 建 立各 级 模 块 的 相 应 三 维 模 型 库 之 外 ， 本 !# 系 统 还 要 建立 存 放 设 计 过 程 中 所 需 要 数 据 的 数 据 库 ， 以 及 设 计 过 程!中 的 数 据 处 理 和 分 析 程 序 。 在 三 维 模 型 库 、 数 据 库 和$(机 械 工 人为 制 造 业 创 造 价 值机 械 工 人冷 加 工 $%&年 第 期!#$!%$!&应 用!#$%&$() (* +!, - +!. - +!/程 序 库 之 上 ， 需 要 建 立 一 个 友 好 的 人 机 交 互 界 面 。 用 户通 过 这 个 主 控 界 面 和 模 块 造 型 库 进 行 交 互 ， 在 系 统 引 导下 完 成 设 计 过 程 中 的 模 块 选 择 、 模 块 调 用 、 模 块 组 合 和设 计 计 算 等 过 程 。组 合 机 床 !# 系 统 的 设 计 过 程 中 ， 模 块 化 设 计 的思 想 贯 穿 始 终 。 其 中 最 重 要 的 一 步 就 是 根 据 模 块 化 设 计理 论 ， 在 设 计 模 块 的 基 础 上 建 立 组 合 机 床 产 品 模 板 库 。模 块 的 设 计 分 为 模 块 的 划 分 和 模 块 综 合 两 部 分 。 本 系 统主 要 在 功 能 分 析 的 基 础 上 划 分 各 级 模 块 ， 采 用 面 向 装 配的 原 则 来 设 计 模 块 的 接 口 ， 实 现 模 块 综 合 的 柔 性 和 多 样性 。! 在 功 能 分 析 的 基 础 上 划 分 组 合 机 床 的 各 级 模 块模 块 的 划 分 是 一 个 复 杂 的 分 析 过 程 ： 模 块 划 分 太细 ， 虽 然 可 以 组 成 较 多 的 变 型 产 品 ， 但 是 模 块 的 综 合 较为 困 难 ； 模 块 划 分 过 粗 ， 模 块 的 综 合 性 较 好 ， 但 是 导 致产 品 性 能 上 的 不 合 理 ， 柔 性 太 差 。 因 此 在 划 分 组 合 机 床模 块 的 时 候 ， 需 要 综 合 考 虑 各 方 面 的 因 素 。 组 合 机 床 具有 明 显 的 分 级 特 性 ， 因 此 我 们 按 照 分 级 划 分 的 原 则 ， 从粗 到 细 划 分 了 不 同 级 别 、 不 同 层 次 的 模 块 ， 每 一 级 的 模块 都 可 以 划 分 为 更 小 的 模 块 。 这 样 用 户 可 以 根 据 自 己 的需 要 选 择 合 适 级 别 的 模 块 来 进 行 设 计 。模 块 的 分 级 划 分 建 立 在 功 能 分 析 的 基 础 上 。 每 一 级的 模 块 都 对 应 一 定 的 功 能 ， 具 有 独 立 的 结 构 。首 先 进 行 功 能 分 析 市 场 需 求 ， 将 用 户 需 求 转 化 为 机床 的 功 能 需 求 ， 然 后 分 析 组 合 机 床 的 功 能 。 建 立 组 合 机床 总 体 的 功 能 模 型 ， 并 且 将 机 床 的 功 能 分 解 为 不 同 级别 、 不 同 层 次 的 子 功 能 。根 据 组 合 机 床 的 整 机 功 能 ， 首 先 建 立 机 床 的 总 体 功能 模 型 ， 抽 象 出 组 合 机 床 的 总 功 能 。 组 合 机 床 整 机 的 功能 反 映 在 它 所 完 成 的 加 工 工 艺 内 容 上 。 组 合 机 床 整 机 可以 完 成 钻 孔 、 扩 孔 、 铰 孔 、 镗 孔 、 切 槽 、 切 削 内 外 螺纹 、 车 削 、 铣 削 、 磨 削 、 滚 压 以 及 冲 压 、 焊 接 、 热 处理 、 装 配 、 自 动 测 量 等 工 序 ， 可 以 实 现 单 面 钻 孔 、 双 面钻 孔 、 三 面 钻 孔 等 加 工 内 容 。 因 此 在 整 机 层 次 上 ， 可 以划 分 实 现 不 同 加 工 工 艺 内 容 的 整 机 模 块 ， 例 如 单 面 钻 孔组 合 机 床 模 块 、 单 面 铣 削 组 合 机 床 模 块 、 双 面 钻 组 合 机床 模 块 等 。在 整 机 功 能 之 下 ， 我 们 对 组 合 机 床 的 功 能 进 行 进 一步 划 分 。 为 了 实 现 加 工 内 容 ， 组 合 机 床 需 要 对 工 件 进 行装 夹 、 切 削 加 工 ， 加 工 过 程 中 需 要 对 工 件 冷 却 、 照 明等 。 对 应 于 实 现 这 些 功 能 ， 组 合 机 床 可 以 分 解 为 下 面 几部 分 ： 实 现 某 种 加 工 工 艺 内 容 的 加 工 单 元 、 工 件 装 夹 单元 、 控 制 单 元 、 照 明 、 冷 却 等 辅 助 部 分 。 例 如 一 台 三 面钻 单 工 位 组 合 机 床 ， 可 以 将 其 分 解 为 三 个 进 行 钻 削 加 工的 加 工 单 元 、 工 件 装 夹 单 元 、 冷 却 与 润 滑 装 置 、 机 械 扳手 等 。 因 此 ， 这 一 层 上 可 以 划 分 为 加 工 单 元 、 装 夹 单元 、 控 制 单 元 等 模 块 ， 如 钻 削 加 工 单 元 模 块 、 铣 削 加 工单 元 模 块 等 。对 组 合 机 床 部 件 功 能 还 可 以 做 进 一 步 细 化 。 例 如 ，对 一 个 加 工 单 元 ， 要 实 现 刀 具 的 切 削 主 运 动 、 刀 具 的 进给 运 动 ； 对 工 件 装 夹 单 元 ， 要 实 现 工 件 的 装 夹 、 工 件 的进 给 等 功 能 。 与 这 些 功 能 对 应 ， 可 以 把 组 合 机 床 部 件 模块 分 为 动 力 部 件 模 块 、 输 送 部 件 模 块 、 支 撑 部 件 模 块 、控 制 部 件 模 块 、 辅 助 部 件 模 块 等 。 例 如 钻 削 头 模 块 、 液压 滑 动 模 块 等 。# 按 照 面 向 装 配 设 计 的 原 则 设 计 模 块 接 口面 向 装 配 设 计 是 指 在 概 念 设 计 阶 段 就 考 虑 装 配 中 可能 存 在 的 问 题 ， 以 确 保 零 件 快 速 有 效 地 进 行 装 配 ， 从 而支 持 自 顶 向 下 的 设 计 过 程 。 模 块 的 划 分 和 设 计 应 该 遵 循面 向 装 配 设 计 的 原 则 ， 需 要 解 决 的 一 个 主 要 问 题 就 是 模块 应 该 具 有 易 于 装 配 的 互 换 性 接 口 ， 以 保 证 模 块 组 合 的快 速 准 确 。模 块 接 口 是 有 着 相 互 结 合 关 系 的 模 块 在 结 合 部 分 存在 的 具 有 一 定 几 何 形 状 、 尺 寸 和 精 度 的 边 界 结 合 表 面 。模 块 接 口 模 型 包 括 ： 接 口 形 状 、 接 口 方 位 、 接 口 功 能 。模 块 接 口 的 设 计 中 ， 应 该 考 虑 接 口 的 的 统 一 性 ， 即 具 有相 同 功 能 的 模 块 接 口 应 该 采 用 相 同 的 接 口 几 何 形 状 ， 接口 方 位 应 该 一 致 ， 模 块 接 口 材 料 、 几 何 尺 寸 的 精 度 、 表面 粗 糙 度 应 该 尽 可 能 统 一 。为 了 保 证 模 块 之 间 可 以 实 现 良 好 的 互 换 性 ， 接 口 的系 列 化 是 重 要 的 途 径 。 在 模 块 接 口 系 列 化 的 基 础 上 ， 对于 同 一 系 列 的 接 口 ， 提 供 标 准 化 的 接 口 几 何 尺 寸 系 列 数系 。二 、 系 统 的 模 块 化 三 维 造 型 模 板 库本 系 统 是 以 三 维 设 计 软 件 $%&()*+&,-（ 简 称 $.） 作为 开 发 平 台 ， 采 用 $./0123 14 开 发 接 口 ， 5& ! 88 编 译 环 境 ， 开 发 出 组 合 机 床 !# 系 统 。 该 系 统 包 括组 合 机 床 加 工 示 意 图 设 计 模 块 、 切 削 用 量 计 算 模 块 、 主轴 箱 设 计 模 块 和 组 合 机 床 各 级 模 块 装 配