ZH1105柴油機氣缸體三面粗鏜組合機床設計帶CAD圖,ZH1105,柴油機,缸體,三面粗鏜,組合,機床,設計,CAD 組合機床模塊化設計 !# 系統(tǒng)河南科技大學機電工程學院（洛陽河南科技大學機電工程學院（洛陽!#$%!#$%）李春梅崔鳳奎）李春梅崔鳳奎一、組合機床 !# 系統(tǒng)總體模塊化設計過程組合機床模塊化設計就是根據(jù)用戶的需求，在功能分析的基礎上，設計出性能、結(jié)構各異而功能相同的一系列可互換功能性單元和一些專用、獨立部件，然后將其組合成單臺機床或者柔性加工單元。利用模塊化設計的方法，建立組合機床模塊化設計!#系統(tǒng)分為如下幾個步驟：（$）組合機床功能分析首先需要進行市場調(diào)查，分析用戶需要，根據(jù)組合機床的加工要求，總結(jié)出組合機床應該實現(xiàn)的功能，建立起組合機床的總體功能模型，并且將機床的功能分解為不同級別、不同層次的子功能。（%）總體結(jié)構設計在組合機床功能模型的基礎上，實現(xiàn)功能結(jié)構映射。根據(jù)組合機床的功能層次，尋求實現(xiàn)功能的結(jié)構載體，產(chǎn)生機床結(jié)構布局方案，同時進行機床結(jié)構、外形尺寸的初步規(guī)劃。進行總體結(jié)構設計的時候，應該合理地劃分結(jié)構模塊。每一個模塊都應該具有獨立的結(jié)構，對應一定的功能。（&）詳細結(jié)構設計利用三維造型工具，將結(jié)構概念模型細化，確定機床每一層模塊部件的詳細結(jié)構，對模塊進行標準化、系統(tǒng)化詳細設計。針對組合機床的每一層模塊都建立相應的全參數(shù)化控制三維模型庫，用戶在這個庫中調(diào)用需要模塊的三維模型進行裝配。（）建立 !#系統(tǒng)主控界面和數(shù)據(jù)庫等除了建立各級模塊的相應三維模型庫之外，本 !# 系統(tǒng)還要建立存放設計過程中所需要數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，以及設計過程!中的數(shù)據(jù)處理和分析程序。在三維模型庫、數(shù)據(jù)庫和$(機械工人為制造業(yè)創(chuàng)造價值機械工人冷加工$%&年第期!#$!%$!& 應用!#$%&$() (* +!, - +!. - +!/程序庫之上，需要建立一個友好的人機交互界面。用戶通過這個主控界面和模塊造型庫進行交互，在系統(tǒng)引導下完成設計過程中的模塊選擇、模塊調(diào)用、模塊組合和設計計算等過程。組合機床 !# 系統(tǒng)的設計過程中，模塊化設計的思想貫穿始終。其中最重要的一步就是根據(jù)模塊化設計理論，在設計模塊的基礎上建立組合機床產(chǎn)品模板庫。模塊的設計分為模塊的劃分和模塊綜合兩部分。本系統(tǒng)主要在功能分析的基礎上劃分各級模塊，采用面向裝配的原則來設計模塊的接口，實現(xiàn)模塊綜合的柔性和多樣性。! 在功能分析的基礎上劃分組合機床的各級模塊模塊的劃分是一個復雜的分析過程：模塊劃分太細，雖然可以組成較多的變型產(chǎn)品，但是模塊的綜合較為困難；模塊劃分過粗，模塊的綜合性較好，但是導致產(chǎn)品性能上的不合理，柔性太差。因此在劃分組合機床模塊的時候，需要綜合考慮各方面的因素。組合機床具有明顯的分級特性，因此我們按照分級劃分的原則，從粗到細劃分了不同級別、不同層次的模塊，每一級的模塊都可以劃分為更小的模塊。這樣用戶可以根據(jù)自己的需要選擇合適級別的模塊來進行設計。模塊的分級劃分建立在功能分析的基礎上。每一級的模塊都對應一定的功能，具有獨立的結(jié)構。首先進行功能分析市場需求，將用戶需求轉(zhuǎn)化為機床的功能需求，然后分析組合機床的功能。建立組合機床總體的功能模型，并且將機床的功能分解為不同級別、不同層次的子功能。根據(jù)組合機床的整機功能，首先建立機床的總體功能模型，抽象出組合機床的總功能。組合機床整機的功能反映在它所完成的加工工藝內(nèi)容上。組合機床整機可以完成鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔、切槽、切削內(nèi)外螺紋、車削、銑削、磨削、滾壓以及沖壓、焊接、熱處理、裝配、自動測量等工序，可以實現(xiàn)單面鉆孔、雙面鉆孔、三面鉆孔等加工內(nèi)容。因此在整機層次上，可以劃分實現(xiàn)不同加工工藝內(nèi)容的整機模塊，例如單面鉆孔組合機床模塊、單面銑削組合機床模塊、雙面鉆組合機床模塊等。在整機功能之下，我們對組合機床的功能進行進一步劃分。為了實現(xiàn)加工內(nèi)容，組合機床需要對工件進行裝夾、切削加工，加工過程中需要對工件冷卻、照明等。對應于實現(xiàn)這些功能，組合機床可以分解為下面幾部分：實現(xiàn)某種加工工藝內(nèi)容的加工單元、工件裝夾單元、控制單元、照明、冷卻等輔助部分。例如一臺三面鉆單工位組合機床，可以將其分解為三個進行鉆削加工的加工單元、工件裝夾單元、冷卻與潤滑裝置、機械扳手等。因此，這一層上可以劃分為加工單元、裝夾單元、控制單元等模塊，如鉆削加工單元模塊、銑削加工單元模塊等。對組合機床部件功能還可以做進一步細化。例如，對一個加工單元，要實現(xiàn)刀具的切削主運動、刀具的進給運動；對工件裝夾單元，要實現(xiàn)工件的裝夾、工件的進給等功能。與這些功能對應，可以把組合機床部件模塊分為動力部件模塊、輸送部件模塊、支撐部件模塊、控制部件模塊、輔助部件模塊等。例如鉆削頭模塊、液壓滑動模塊等。# 按照面向裝配設計的原則設計模塊接口面向裝配設計是指在概念設計階段就考慮裝配中可能存在的問題，以確保零件快速有效地進行裝配，從而支持自頂向下的設計過程。模塊的劃分和設計應該遵循面向裝配設計的原則，需要解決的一個主要問題就是模塊應該具有易于裝配的互換性接口，以保證模塊組合的快速準確。模塊接口是有著相互結(jié)合關系的模塊在結(jié)合部分存在的具有一定幾何形狀、尺寸和精度的邊界結(jié)合表面。模塊接口模型包括：接口形狀、接口方位、接口功能。模塊接口的設計中，應該考慮接口的的統(tǒng)一性，即具有相同功能的模塊接口應該采用相同的接口幾何形狀，接口方位應該一致，模塊接口材料、幾何尺寸的精度、表面粗糙度應該盡可能統(tǒng)一。為了保證模塊之間可以實現(xiàn)良好的互換性，接口的系列化是重要的途徑。在模塊接口系列化的基礎上，對于同一系列的接口，提供標準化的接口幾何尺寸系列數(shù)系。二、系統(tǒng)的模塊化三維造型模板庫本系統(tǒng)是以三維設計軟件 $%&()*+&,-（簡稱 $.）作為開發(fā)平臺，采用 $./0123 14 開發(fā)接口，5&-6)7 ! 88 編譯環(huán)境，開發(fā)出組合機床 !# 系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括組合機床加工示意圖設計模塊、切削用量計算模塊、主軸箱設計模塊和組合機床各級模塊裝配模型模板庫。利用 $. $4-9:7;( 開發(fā)出與 $.風格完全一致的用戶界面，采用數(shù)據(jù)庫技術管理設計計算和模板庫中的標準數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)根據(jù)模塊化設計的原則，將概念模型細化為=機械工人!為制造業(yè)創(chuàng)造價值#$%年第&期機械工人!冷加工!#$%&$() (* +!, - +!. - +!/!#$!%$!& 應用!具體的三維裝配模型。系統(tǒng)的裝配模型模板庫是根據(jù)上述模塊的劃分而設定的。系統(tǒng)采用了三維參數(shù)化造型技術，為每一級模塊都建立對應的三維模型。在設計模塊的三維造型模板庫的時候，遵循模塊化設計的原則，系統(tǒng)具有下面的特點：! 采用參數(shù)化三維造型技術建立模塊庫參數(shù)化建模采用尺寸驅(qū)動技術，以約束造型為核心。三維模型通過參數(shù)來控制?？刂迫S模型的參數(shù)分為三種：（!）控制零件輪廓尺寸的參數(shù)對于通用件和標準件，零件的輪廓尺寸分為主要輪廓尺寸和次要輪廓尺寸。主要輪廓尺寸已經(jīng)標準化、系列化，次要輪廓尺寸與主要輪廓尺寸有確定的約束關系。主要輪廓尺寸的標準化數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中，用戶從界面輸入所選標準件或者通用件的型號，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫中得到相應的標準數(shù)據(jù)，并且根據(jù)主要輪廓尺寸計算出次要輪廓尺寸，賦予三維模型并對模型進行更新。例如，組合機床中的立柱是通用件，它的外形尺寸已經(jīng)標準化。在本系統(tǒng)中，將立柱的名義尺寸設為主參數(shù)，用戶只需輸入立柱的名義尺寸，系統(tǒng)以這個數(shù)據(jù)為查詢參數(shù)，向數(shù)據(jù)庫中查得立柱的底長、高度等參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)中設定的一定尺寸關系計算出所有控制參數(shù)，賦予三維模型并更新。（）裝配約束參數(shù)零件進行裝配時，與其他部件間形成一定的裝配約束關系，并可由裝配參數(shù)控制。裝配約束包括配合、對齊、平行、垂直等。（#）接口參數(shù)控制模塊之間接口的形狀、方位關系等參數(shù)。對于通用件和標準件，接口參數(shù)已經(jīng)標準化，相應數(shù)據(jù)可以由數(shù)據(jù)庫中自動獲取。對于非通用件模塊的接口設計，為了保證模塊的互換性，也實行標準化系列化設計。例如主軸箱，因為與動力箱存在固定的裝配關系，因此主軸箱的接口設計也實現(xiàn)了標準化。用戶通過輸入模塊主參數(shù)，直接或者間接地控制模型參數(shù)，更新三維模型，生成需要的零部件。# 遵循面向?qū)ο蟮哪K化設計原則系統(tǒng)設計模塊時，采用面向?qū)ο蟮脑O計原則。對于每一個模塊而言，包括兩方面的信息，一方面是模塊的內(nèi)部信息，包括模塊功能、內(nèi)部結(jié)構尺寸等；另一方面是模塊的外部信息，即接口信息，包括形狀、方位、結(jié)合面屬性等信息。系統(tǒng)將模塊內(nèi)部信息全部封裝，內(nèi)部信息對用戶是一個黑箱，用戶只需關心接口信息。例如，用戶選擇一個鉆削加工單元時，只需輸入鉆削頭名義尺寸，選擇滑臺類型，鉆削加工單元模塊內(nèi)部的信息由系統(tǒng)在后臺處理，如鉆削頭尺寸，相應滑臺和側(cè)底座尺寸，鉆削頭、滑臺、側(cè)底座之間的裝配約束、接口尺寸都由系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫查詢并賦予三維模型并更新模型。$ 利用 %&(技術控制模塊內(nèi)部裝配結(jié)構在模塊的設計中，功能設計映射為結(jié)構設計是以裝配模型作為表達設計功能的全局結(jié)構。裝配模型由部件結(jié)構、部件之間的裝配關系和裝配約束組成，需要考慮部件之間功能結(jié)構上的關系以及零部件之間的裝配順序、裝配方向等。組合機床設計模塊對應的各級裝配模型，不僅包括部件結(jié)構，還包括部件之間的裝配關系和裝配約束。在$%中，部件之間的裝配約束可以由三種方法實現(xiàn)：尺寸驅(qū)動、約束驅(qū)動和 &()全相關設計。尺寸約束可以用來控制部件間的尺寸相關，約束驅(qū)動用來建立裝配體中零部件之間在空間位置上的連接關系。&()（&*+,-./ 0,123+,.41 (+05+601 )37.3112.37）技術是 $% 實現(xiàn)全相關設計的關鍵技術，支持從概念設計到詳細設計。本系統(tǒng)的模塊設計中，使用 &()技術將模塊按設計規(guī)則形成一個控制結(jié)構，在其中定義所需要的幾何信息和參數(shù)，使組合機床各級模板裝配模型中的子模塊之間的幾何特征都是整體相關。三、結(jié)論作者在模塊化設計理論的基礎上，在三維設計軟件$%平臺上進行二次開發(fā)，建立了組合機床 89 系統(tǒng)，實現(xiàn)了計算機輔助模塊化設計。該系統(tǒng)提供了組合機床各級模塊的參數(shù)化三維模型模板庫，在每個層次級別上都建立了系列的模塊模板庫，支持產(chǎn)品從概念設計到詳細設計。用戶可以根據(jù)自己的需要，選擇合適的平臺模板來進行組合機床設計，有效地提高了設計效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。本系統(tǒng)可以進一步完善，為并行工程、智能化設計以及 89:8;:8!=!?）#機械工人!為制造業(yè)創(chuàng)造價值機械工人!冷加工#)*年第+期!#$!%$!& 應用!#$%&$() (* +!, - +!. - +!/