數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

瞿一帆，仲梁維，劉士標(biāo)

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為工業(yè)的基礎(chǔ)所面臨的要求也日新月異。然而數(shù)控機(jī)床的設(shè)計與制造的技術(shù)相對還比較傳統(tǒng)，其設(shè)計繁雜，大部分的設(shè)計過程都是由設(shè)計人員人工完成設(shè)計的。此過程中需要對本產(chǎn)品設(shè)計擁有經(jīng)驗十分豐富的工程師做大量的計算以及不斷修改，就算是相似的產(chǎn)品也要進(jìn)行這些步驟，導(dǎo)致了設(shè)計過程中出現(xiàn)錯誤的可能性大大增加，并且使得設(shè)計周期增長。為了適應(yīng)市場的發(fā)展速度，企業(yè)競爭的核心已聚焦在如何快速滿足客戶的需求上。因此，為了提高企業(yè)的設(shè)計效率，已是勢在必行［1］。

模塊化作為一種新型的設(shè)計方法是在傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上演變而來的，可以滿足產(chǎn)品生產(chǎn)時的多樣性以及瞬變性等需求。將模塊化技術(shù)運(yùn)用到數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計中，最大程度地縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，提升了企業(yè)的高效生產(chǎn)力和市場的競爭力。為企業(yè)的高速高效的生產(chǎn)提供技術(shù)支持，符合現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)規(guī)范，實現(xiàn)企業(yè)零部件加工產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)的高速發(fā)展。

1 模塊化設(shè)計的基本理論

模塊化設(shè)計作為一種被賦予現(xiàn)代內(nèi)涵的設(shè)計思想、方法和理論，其主要是為了提高產(chǎn)品的多樣性。通過對于現(xiàn)有產(chǎn)品的基本特征進(jìn)行分析和歸納，將產(chǎn)品根據(jù)其功能以及結(jié)構(gòu)上等基本特征劃分為不同的模塊，并將這些功能模塊按照新產(chǎn)品的需求進(jìn)行重組。企業(yè)也可以對于功能以及機(jī)構(gòu)相似的模塊進(jìn)行一定的標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)資源的重復(fù)利用，增加企業(yè)產(chǎn)品的多樣化。

模塊化設(shè)計思想作為新的設(shè)計方法，基于模塊化的設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用都是在一定的理論支撐下進(jìn)行的，其所需要的理論主要包括以下四個：系統(tǒng)論原理、相似性原理、分解與組合原理以及重用性與標(biāo)準(zhǔn)化原理［2］。

模塊的劃分是進(jìn)行產(chǎn)品模塊化設(shè)計的一個重要組成部分，將設(shè)計的產(chǎn)品劃分為若干模塊并作為基本模塊單元，以這些單元來進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計，而劃分的模塊需包含下面幾個特征：標(biāo)準(zhǔn)化、互換性、通用性［3］。通過模塊的劃分，可以讓設(shè)計出來的產(chǎn)品具有較高的互換性和通用性，大大降低設(shè)計成本和復(fù)雜程度。模塊劃分可劃分為以下步驟：（1）獲取客戶需求，并利用QFD技術(shù)將客戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的實際設(shè)計參數(shù)；（2）產(chǎn)品系統(tǒng)的功能分析和研究；（3）產(chǎn)品功能模塊劃分。

模塊化設(shè)計的另一個重要組成部分是模塊模型的參數(shù)化設(shè)計與建模。參數(shù)化設(shè)計（Parametric Design）是針對結(jié)構(gòu)形式上相對比較固定的零件（或者部件），構(gòu)建一組參數(shù)來對零部件的幾何圖形進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸約束，當(dāng)經(jīng)過參數(shù)設(shè)置得到一組新的參數(shù)值的時候，就可以自動驅(qū)動形成滿足新的設(shè)計要求的、包含設(shè)計信息的產(chǎn)品模型［4，5］。模塊化模型的建則可分為幾何建模、信息建模和知識模型三部分。幾何建模是模塊的圖形載體、信息建模包括了模塊的各種信息，而知識模型可以讓已有的產(chǎn)品常識以及經(jīng)驗等在模塊化設(shè)計中得以運(yùn)用。

2 基于模塊化的數(shù)控機(jī)床設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)的模塊化劃分

模塊劃分是進(jìn)行模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)和前提，模塊劃分結(jié)果的好壞關(guān)系直接影響著模塊化設(shè)計成功與否，國內(nèi)外學(xué)者對模塊劃分的方法進(jìn)行了很多研究，并提出了各種各樣的方法。與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計方法相比，模塊化設(shè)計不是針對單個產(chǎn)品，而是面向整個產(chǎn)品族進(jìn)行設(shè)計的。模塊化設(shè)計的目的是將已有的設(shè)計資源得到最大程度的重用，也即是以盡可能少的模塊種類和數(shù)量，重組成符合設(shè)計要求的多規(guī)格、多種類的產(chǎn)品，使設(shè)計資源達(dá)到最大利用率。

數(shù)控機(jī)床設(shè)計的最終目的是為了能夠生產(chǎn)出滿足客戶功能的產(chǎn)品，因此設(shè)計中的一個重要的過程就是進(jìn)行功能分析。功能分析主要包括功能的認(rèn)識，功能的分析、分解以及組合。在進(jìn)行對已有的產(chǎn)品進(jìn)行改造設(shè)計時，從功能的認(rèn)識和分析出發(fā)才能了解到新產(chǎn)品與舊產(chǎn)品之間的本質(zhì)區(qū)別。數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的總功能是按照客戶的要求抽象出來的，類似數(shù)控機(jī)床這樣的大型機(jī)械產(chǎn)品其構(gòu)成比較復(fù)雜，很難直接由總功能設(shè)計出滿足要求的產(chǎn)品。由于整個系統(tǒng)是可以分解的，所以可以把總的功能分解成能相互獨立的一級子功能、二級子功能、三級子功能等，最后到基本功能單元。

數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品通過一級子功能分解主要分為主運(yùn)動系統(tǒng)、進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)、工作臺分度回轉(zhuǎn)功能、支撐功能和輔助功能等6個子功能。然后通過二級子功能分解分別將6個一級子功能對應(yīng)劃分為13個二級子功能，依次進(jìn)行下一級分解，最終得到基本功能單元，如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品功能分解

數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品模塊化之后，不僅可以降低之后設(shè)計過程的復(fù)雜性，也可以方便后續(xù)調(diào)整以及維護(hù)工作。數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)可以根據(jù)客戶需求，將所需要的模塊進(jìn)行修改與組合，就能完成對產(chǎn)品的快速設(shè)計。

2.2 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模的基礎(chǔ)是建立零件的參數(shù)化模型。對于數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計系統(tǒng)而言，系統(tǒng)能夠從健全的模塊庫中調(diào)用產(chǎn)品模塊模型和設(shè)計信息模板，并將這些模板進(jìn)行保存，運(yùn)用到下一次產(chǎn)品設(shè)計中，是系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地運(yùn)行并最終設(shè)計出符合客戶需求的新產(chǎn)品的重要前提。

建立零件參數(shù)化模型有以下主要步驟：

（1）在建立零件模型之前，對零件的尺寸參數(shù)和特征進(jìn)行分析，分析出模型的主動參數(shù)、從動參數(shù)，各參數(shù)之間的關(guān)系以及根據(jù)零件的特征選擇合理的創(chuàng)建方法與順序。

（2）創(chuàng)建模型的草圖，并添加對應(yīng)的幾何約束關(guān)系，首先生成零件的主要特征（如拉伸等），然后再生成其次要特征（如圓角、倒角等）。

（3）由于模型驅(qū)動之后生成的工程圖中有BOM表，表中有各零件對應(yīng)的信息，如：零件名稱、數(shù)量、重量、材料等信息，這些信息會隨著零件參數(shù)設(shè)置的不同而聯(lián)動地發(fā)生改變，這種聯(lián)動關(guān)系可以在程序里面完成，但是這樣處理會比較繁瑣且也沒有必要。因此可以在零部件建模時做統(tǒng)一規(guī)定，即在模型創(chuàng)建好了通過添加自定義屬性來完成零部件信息的提取，使屬性和BOM表里各欄屬性值對應(yīng)，從而生成工藝信息表格，可以實現(xiàn)聯(lián)動改變。

其次，參數(shù)化建模需要將各個零件組成為可以進(jìn)行模塊劃分的組件。組件參數(shù)化模型的建立主要是將相關(guān)零件按照尺寸約束、位置關(guān)系、配合特征等進(jìn)行組合，構(gòu)成能滿足特定功能的產(chǎn)品。組件的參數(shù)化建模中所需要注意的是，組件模型應(yīng)該要能隨著零件的變化同步進(jìn)行更新。

參數(shù)化建模的最后，需要建立數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品模塊的信息模型。模塊化產(chǎn)品一般是按照模塊為單位來進(jìn)行生產(chǎn)管理，進(jìn)行模塊化設(shè)計時，合理的模塊編碼有利于模塊的選擇、模塊的組合和模塊的管理等多方面的工作，是進(jìn)行模塊化設(shè)計和制造的前提和基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)品模塊編碼包括對模塊的編碼以及模塊接口的編碼等。

編碼是為了用規(guī)定的字符來代表冗長的文字概述。將編碼技術(shù)用在模塊分類系統(tǒng)中，也就是用一組包含完全表征模塊信息的編碼來唯一地識別某個模塊。這樣方便使模塊的主要參數(shù)以及功能特性字符化和代碼化，以便于信息的存儲、傳輸、檢索以及數(shù)據(jù)庫的共用等。模塊編碼需要滿足緊湊簡潔、代碼唯一、適應(yīng)性強(qiáng)、含義明確、前后一致、識別性高、操作性強(qiáng)和使用穩(wěn)定等特點。

通過對數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的模塊信息模型分析，可以得出模塊的主碼為18位。分別包括編碼版本信息碼1位，模塊叢屬關(guān)系碼10位，模塊的特征信息碼6位和備用碼1位，具體結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 數(shù)控機(jī)床模塊的主碼

數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品模塊模型的建模是模塊化設(shè)計系統(tǒng)中模塊管理和配置的基礎(chǔ)。通過幾何模型、信息模型和知識模型三方面可以建立數(shù)控機(jī)床模塊的模型結(jié)構(gòu)，并對模塊模型進(jìn)行編碼設(shè)計，保證后續(xù)模塊配置使用以及模塊庫擴(kuò)充與更新。

2.3 模塊配置技術(shù)

模塊的配置就是根據(jù)客戶數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的特定需求，檢索選擇適合的模塊然后由標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行各模塊之間的連接，最后自動裝配成符合要求的產(chǎn)品過程，它是模塊化設(shè)計中成功的關(guān)鍵。

數(shù)控機(jī)床模塊的自動裝配是指在模塊選擇以后，根據(jù)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的要求或客戶的需求將不同的零件參數(shù)化模塊以及組件參數(shù)化模塊進(jìn)行自動裝配，形成符合客戶需求的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的過程。

基于實例推理選擇了相似實例后，提取對應(yīng)模塊，依據(jù)模塊接口編碼找出對應(yīng)的配合接口，然后比較模塊的接口信息。當(dāng)接口類型和接口參數(shù)都相符，則說明兩模塊之間存在可進(jìn)行裝配的接口。通過兩模塊之間接口的比對，確定模塊之間的裝配關(guān)系，例如：重合、同軸、平行、垂直等。

數(shù)控機(jī)床的模塊配置技術(shù)主要分為模塊的選擇以及自動裝配。通過實例推理技術(shù)的運(yùn)用可以在數(shù)控機(jī)床模塊化配置時選擇適當(dāng)?shù)哪K，然后通過模塊間接口的對比選擇適當(dāng)?shù)难b配關(guān)系，讓模塊形成成品。為實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計系統(tǒng)邁出了最為關(guān)鍵的一步。

3 系統(tǒng)開發(fā)實例

數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計系統(tǒng)以 VB.NET （Microsoft Visual Studio 2008）為開發(fā)軟件，通過 Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫，對產(chǎn)品知識信息進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。使用Solidworks作為三維CAD軟件。實現(xiàn)的主要功能有：（1）實現(xiàn)快速的產(chǎn)品參數(shù)化三維實體建模；（2）繪制出三維模型的工程圖；（3）導(dǎo)出產(chǎn)品的BOM（Bill of Material）表。數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計系統(tǒng)流程圖

整個系統(tǒng)主要包括兩大部分：

（1）數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品模塊的劃分及模塊模型構(gòu)建，主要實現(xiàn)對輸入的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)行功能及結(jié)構(gòu)分析并進(jìn)行功能及結(jié)構(gòu)分解，建立參數(shù)化模型，設(shè)計模塊接口以及編碼，將建立模塊模型結(jié)果儲存到產(chǎn)品零部件模塊庫中等功能；

通過數(shù)控機(jī)床模塊化劃分，可以將已有的數(shù)控機(jī)床劃分為不同的結(jié)構(gòu)模塊，需要保證劃分的模塊在結(jié)構(gòu)和功能上具有獨立性和互換性。圖3所示的是模塊編碼界面，是將已建模的模塊編碼保存以備之后配置時使用的一個重要步驟。

（2）數(shù)控機(jī)床模塊的配置，主要實現(xiàn)輸入需求并規(guī)范化、實例檢索、實例配置、輸出并儲存結(jié)果等功能。

圖3 模塊編碼界面

數(shù)控機(jī)床的模塊配置包含模塊的選擇與裝配兩個方面。模塊的選擇共有兩個步驟，首先根據(jù)客戶的配置從系統(tǒng)界面確定參數(shù)，對模塊庫進(jìn)行檢索選擇相似實例，如果存在滿足客戶需求的方案，則通過實例推理機(jī)制選擇出相似度較高的產(chǎn)品方案，否則提示模塊庫無此模塊或無相似模塊。配置完成后進(jìn)行模塊的裝配工作。模塊裝配就是將已修正模塊按照各模塊之間的接口將其裝配成符合客戶所需求產(chǎn)品的過程，圖4所示為數(shù)控龍門銑床的裝配體模型。該數(shù)控銑床為1×3 m數(shù)控龍門銑床，整體規(guī)格為床身長6 670 mm，整體機(jī)床高度為2 300 mm，寬為2 580 mm，主要模塊包括主軸單元、過渡軸單元、橫梁、立柱、床身、工作臺、滑枕、拖板、X軸絲桿、Y軸絲桿等。

圖4 數(shù)控龍門銑床的裝配體模型

4 結(jié)束語

文本以數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品族為研究對象，對機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計的理論、方式與一般過程、實現(xiàn)的方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以模塊化設(shè)計技術(shù)為基礎(chǔ)，將參數(shù)化作為模塊的變型設(shè)計為手段，數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)資源管理工具，并結(jié)合企業(yè)的實際需求，開發(fā)出了數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化配置設(shè)計和模塊模型的變型設(shè)計，使企業(yè)快速響應(yīng)市場需求。

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