系统工程方法在组合机床设计中的研究和应用

1、系统工程方法在组合机床设计中的研究和应用【摘要】目前组合机床设计中正在从传统的两维设计向三维设计的转换过程中，本论文分析了在UG NX平台上把UG Wave系统工程的方法应用到产品设计中的原理，提出了把该方法应用到组合机床的产品设计中详细的思路和步骤。该方法提高了组合机床设计的产品级参数化水平和相关性，对组合机床产品设计的水平和效率提高有重要的意义。提出了把自顶向下的系统工程的方法应用到复杂的产品设计的一般的方法。论文关键词：UGWAVE,系统工程,参数化,相关性引言机床是一个国家制造业开展的根底。组合机床行业的水平代表了国家装备制造业的技术水平，组合机床行业企业主要对汽车、摩托车、内燃机、农

2、机、工程机械、化工机械、军工、能源、轻工及家电等行业提供专用设备。为了提高竞争力，组合机床行业必须不断缩短新产品开发时间Time、提高质量Quality、降低本钱Cost、改良效劳Server、并增强环境保护意识Environment，只有这样才能在剧烈的市场竞争中立于不败之地。面临着这些严峻的挑战，将信息技术应用于传统组合机床行业并对之进行改造，是现代组合机床行业开展的必由之路。目前组合机床设计的信息化水平较低，组合机床的设计具有搭积木;式的设计特点，是由大量通用件和少量专用件组合而成的。组合机床的设计一般包含总体设计、多轴箱设计、夹具设计、以及其他局部的设计等组成。组合机床的主体设计模式还

3、停留在传统的二维图纸的设计模式。当前三维的数字化设计以成为产品设计的主流，探索出一条实用的符合企业需用的组合机床的设计流程对组合机床的开展将起到巨大推动作用，也将对其他行业产品的三维设计流程的建立起到示范的作用，对三维技术的推广将起到积极的作用。1、UG/WaveWAVE(What-if Alternative Value Engineering)最早由美国Siemens公司推出，是一种实现产品装配的各组件间关联建模的技术。采用关联性复制几何体方法来控制总体装配结构(在不同的组件之间关联性复制几何体)，从而保证整个装配和零部件的参数关联性，最适合于复杂产品的几何界面相关性、产品系列化和变型产品

4、的快速设计。WAVE是在概念设计和最终产品之间建立一种相关联的设计方法，能对复杂产品(如汽车车身)的总装配设计、相关零部件和模具设计进行有效的控制。总体设计可以严格控制分总成和零部件的关键尺寸与形状，而无需考虑细节设计；当总体设计的关键尺寸修改后，分总成和零部件的设计自动更新，从而防止了零部件的重复设计的浪费，使得后续零部件的细节设计得到到有效的管理和再利用，大大缩短了产品的开发周期，提高了企业的市场竞争能力。2、系统工程方法Wave技术从最初推出到现在最新的NX7.5版本中Wave的应用，有三种较为成熟的应用模式。一是局部部件间的相关性建模，它实现的是局部间部件的形状特征、时间的相关性的细节

5、设计，它是Wave技术的最根本的用法，比方化油器的垫片设计等。二是自顶相下的产品设计，用总体概念设计控制细节的结构设计，主要通过草图和曲线来控制产品的全局参数设计，用于中等复杂程度的零件设计；三是系统工程的方法进行产品的设计，主要应用于复杂产品设计，产品设计方案由少数几个全局的参数来控制，比方飞机的设计，汽车的设计等。 图1 系统工程的产品设计方法图2 被加工件零件图系统工程的方法采用模块化设计技术，将一个大型复杂产品分解为总体控制结构和假设干具有关联性的子系统,见图1。每个子系统都在保持与控制结构相关联的条件下，可以独立地开展设计工作，同时满足产品总体设计的要求。采用系统工程方法进行产品设计

6、的关键点就是控制结构的建立，Wave控制结构是一个装配。在保证关联性的条件下，可以将产品总布置设计和子系统别离出来，形成各自独立的装配结构，以满足总体控制和结构细节设计的不同需要，特别适用于大型复杂产品的设计。在Wave控制结构的顶级装配中，通常包含产品的关键参数，如汽车轴距或飞机机身长度。这些参数用于驱动几何对象，如基准、草图、外形曲面等，而几何对象定义了子系统的约束并且表达了设计规那么。在系统工程的方法中一般包含了两种装配树结构，一种就是控制结构，另外一种是产品结构树，产品结构树由产品装配子系统组成。控制结构与产品装配子系统之间采用连接部件方法，建立独立的关联性部件。在控制结构中看不到连接

7、部件。另外，由于连接部件是单独部件文件，因此需要另外定义产品子系统的装配结构。控制结构由总设计师设计，通过产品的全局参数控制产品的根本特征型号；产品结构树中的连接部件是由总设计师由控制结构中的起始部件同Wave的方式创立连接部件的方式产生，是设计小组开始设计的原始部件，如果产品足够复杂，小组设计师也可以进一步生成更细层次的连接部件交由下游的设计小组设计。各级设计小组完成设计提交后，只需要把连接部件作为装配组件以绝对定位的方式加载装配，就可以生成产品装配树。3、组合机床的总体设计以气缸体双面钻的组合机床设计为例，该零件两个端面的孔通过钻削加工生成，本文中把这两个端面分别称为前端面和后端面，见图2

8、，组合机床类型为单工位、双面、卧式钻削组合机床，使用UG Wave系统工程的方法来进行组合机床总体设计。前期的设计流程和传统的组合机床总体设计类似，通常是根据与客户签订的合同和技术协议书，针对具体加工零件，拟定工艺和结构方案，并进行方案图样和有关技术文件的设计。主要包括制定工艺方案确定零件在组合机床上完成的工艺内容及加工方法，选择定位基准和夹紧部位，确定工步和刀具种类及其结构形式，选择计算切削用量等、确定机床配置型式、制订影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案等，这些不是本篇论文重点，本文研究的是一种基于产品的自顶向下的三维设计理念及其在组合机床总体设计中的应用，所以，本文的研究总体设

9、计参数计算开始，研究的重点是控制结构和产品结构的建立，以及两者之间的关联。在基于Wave的系统工程的方法的组合机床设计中，总设计师根据组合机床总体设计参数，设计组合机床的控制结构，在控制结构中把组合机床设计分成主轴箱设计、夹具设计、通用件选择设计等几个子模块，通过Wave的方式生成子模块连接部件，把这些连接部件交由专门的设计小组设计，各个专门设计小组完成设计后，由总设计师在NX交互环境中以绝对定位的方式加载组件，完成组合机床的装配。如果总设计师修改设计，只需要修改总体设计参数，组合机床整个模块会自动更新，实现了组合机床产品级的参数化全相关的自顶向下的设计。3.1设计参数的计算根据被加工零件的信

10、息，选择切削余量，计算组合机床各加工位置的切削力、切削扭矩、切削功率等，为后续的通用件的选择提供依据。组合机床加工余量的选择，切削力、切削扭矩、切削功率以及主轴参数的计算参见组合机床简明设计手册。参数计算完成后，根据切削功率选择动力箱；根据进给力、工作行程、进给速度选择滑台；根据滑台可以选择系列侧底座、中间底座也可以自行设计整体底座。这里的通用件是组合机床行业的通用部件，比方CC系列侧底座、HY系列机械滑台等。这局部参数的计算和通用件的选择和传统的组合机床设计中的步骤是一样，这里不一一赘述。本步骤的设计参数不直接反响到下述的控制结构中，但是它们会影响控制结构中的表达式的大小和草图的位置，进而影

11、响控制结构，这种影响是由总设计师决策的。3.2控制结构的建立组合机床总体设计可分为主轴箱模块、刀具接杆模块、通用件模块、夹具模块等几个子系统模块。在组合机床总体设计中，总体控制结构是由通过草图、基准组成的。草图和基准是全参数化的，由表达式来控制的。控制结构草图中的曲线一局部是通过Wave的方式与被加工件全相关，比方主轴箱设计的连接部件中孔曲线就是被加工件上加工孔的Wave连接过来的；另外一局部曲线是通过表达式来控制，主轴箱设计的外轮廓就是通过表达式ZT_Hou_DuoZhouXiang_Height和ZT_Hou_DuoZhouXiang_Width来表示的，详见表1。首先确定组合机床的总体设

12、计参数，为了参数化建模的需要，在NX中，总体设计参数通常以表达式的表现。表1是汽缸体双面钻组合机床设计的后端面加工面的全局参数。这全局参数往往通过控制基准面的位置、草图上的尺寸来控制组合机床整个模型设计，把这些设计参数一般可以放在顶层的装配组件中，但是把放在一个单独的组件中也是一个较好的思路，其他使用该组件通过部件间的表达式的方式来获得关联 后多轴箱端面轮廓，包含各个加工孔的大小位置等 D_QianDZX_DuanMian_profile 前多轴箱端面轮廓，包含各个加工孔的大小位置等 图3 基准面草图特征在顶级装配下建立好控制全局参数和位置的基准面和草图后，下一步通过UG wave的方法把它们

13、连接到对应的子系统部件中去，然后在各自的子系统部件中生成对应的起始部件。在NX的装配应用中，在根部件的装配导航器中，右键单击空白处，把Wave mode选项打勾，这样就可以在装配环境中使用Wave模式了。下一步是右键选择装配根节点，选择Wave，选择Create New Level，创立子模块节点，见图4。以多轴箱子系统的创立为例，在弹出的菜单中输入多轴箱子系统的部件名 cs_multiaxlebox，选择要Wave Interpart Copy的对象，把这些对象通过Wave的方式从根部件Wave到新创立的部件中来，因为是双面钻包含前端面和后端面，需要把多轴箱设计相关的基准面和草图曲线Wave

14、连接过来，每个端面都需要选择3个基准面，2个草图，3个基准面表示主轴伸出的位置、多轴箱前端面的位置以及后端面的位置，2个草图分别表示多轴箱要加工的孔以及多轴箱输入轴的信息等，见图5。在WAVE控制结构装配完成之后，可以为相关子系统建立起始部件。起始部件一般是控制结构中最底层的组件，通常作为一个或多个连接;部件的起始点，一个起始部件可以同时控制多个子系统。为了便于后续建立连接部件，通常需要在起始部件中建立一个或多个特定的引用集。起始部件可以采用Create New Level方法建立。 图4 Wave创立子模块图5 多轴箱Wave特征信息因为存在2个端面的多轴箱，因此重复上面的步骤，创立2个起始

15、部件，表示前端面多轴箱的起始部件和后端面的起始部件，2个起始部件的Wave的连接对象分别选择对应的3个基准面和2个草图。其他的子模块的操作和上面介绍的类似，最终生成的控制结构装配树和控制结构见图6： 图6 控制结构图通过以上的步骤完成了组合机床总体设计中控制结构的建立。3.3 生成连接部件连接部件是独立于控制结构装配的关联性部件，其中包含了起始部件中全部或局部细节几何对象，与起始部件保持相关性。在控制结构装配中不显示连接部件。连接部件可以单独存在，也可以作为组件参加子系统装配。在生成起始部件的根底上，建立各个模块的连接部件，见图7。图7 创立连接部件生成连接部件的时候，需要把各起始部件中所有的

16、特征wave的方式关联到连接部件中去。起始部件cs_start_multiaxlebox_hou的连接部件为ps_multiaxlebox_hou，起始部件cs_start_multiaxlebox_qian的连接部件为ps_multiaxlebox_qian，其他子系统模块方法类似。连接部件从起始部件建立关联性连接部件，通过应用集关联性复制不同的几何对象图8组合机床系统工程方法流程3.4 组合机床产品装配连接部件完成后，将生成的联接部件，发送给对应开发小组完成具体的详细设计。各个设计小组设计完成后，只需要创立一个新的装配部件文件，把各个连接部件按照绝对位置的方式装配过来，这样就完成了组合机床的总体设计。只要产品的结构不发生变化，总设计师只需要修改总体设计参数，就可以完成整个设计产品的更新。组合机床的系统工程方法的设计流程见图8。4、结论介绍了基于UG Wave技术的系统工程的方法的原理及其在组合机床总体设计中的应用，该技术解决组合机床三维设计中自顶向下的设计的难题，在实际应用中效果良好，该技术对三维技术在组合机床行业的推广起到了促进作用。另外，本文所提