组合机床结构方案计算机辅助设计方法研究

《组合机床结构方案计算机辅助设计方法研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《组合机床结构方案计算机辅助设计方法研究（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、81 组合机床结构方案计算机辅助设计 方法研究 口中科院长春光机所光电技术研发中心沙欧马俊林 一、引言 组合机床是自动化程度较高的成套制造装备，具有质 量精、效率高和经济性好等特点，是相关行业发展的重要推 进力。生产与技术的快速发展对组合机床的研发制造能力也 提出了新的要求，效率和质量成为重要的发展万向。本又对 组合机床行业做了广泛调研，发现多数组合机床厂家仍依靠 设计师的经验或参照相似机床进行设计，设计万案形式单 ，而且设计效率不高。 目前国内很多机床研发单位已经开始了对组合机床计 算机辅助设计技术的研究，先后开发了面向三维万案设计、 多轴箱设计及液压设计等多种设计系统。然而这些设计系统 并

2、没有得到广泛应用，主要有以下几万面的原因： (1)未 广泛进行市场需求分析，功能较为单，设计结果不理想， (2)缺少与成熟设计软件(如SolidWorks、NX等)的有机统 ，适用范围有限，(3)缺乏相应技术和数据的更新。 本又对组合机床设计流程做了全面分析，面向多元 化、个性化的市场需求，对组合机床结构万案计算机辅助设 计万法进行深八研究。主要工作有：(1)建互了组合机床 加工需求表达模型，实现了加工需求信息的结构化表示， (2)完成了组合机床设计资源库，实现了设计知识信息 化，(3)参照工程设计学中有关万法，研究并提出了组合 机床结构万案的设计万法，包括整体结构设计、工艺设计计 算、零部件

3、选型和虚拟样机装配等过程。同时为提高企业技 术能力和市场竞争力，提出了设计万案评价万法，为用户提 供了决策依据。 二、建立工件加工需求信息模型 工件加工需求是组合机床万案设计的初始条件，其实 质是通过刀具与工件表面z问的运动实现特定的目标。数据 建模就是将其转化为可以通过计算机表示和使用的数据形 式，同时需满足计算机建模准确、简明且清晰的要求。 对于特定的工件，其加工需求是确定的， 般可以分 解为若干相互独亚的,Snm单元，本又将其定义为,Snm特征。 常见的,Snm特征有通孔、平面和铰孔等，因此，可以将任意 的,Snm需求分解为有限个,Snm特征。每个加工特征的位置、 大8n万向等参数各不相

4、同，本又将其分解为位置属性、尺 寸属性、功能属性和精度属性。结合建模理论相关知识，本 又建互了表示,Snm需求信息的层次模型，由顶向下共分为四 层：工件总体信息层、,Snm特征信息层、属性信息层和参数 信息层，如图1所示。 图1加工需求信息的层次模型 82 数字化设计 工件总体信息层作为层次模型的最顶层，包含工件的 总体信息，有毛坯件的材料性能信息、整体尺寸参数和总重 量等，nz特征信息层将加工要求按nz特征进行分解，属 性信息层包含方向位置信息、功能信息及几何信息等，底层 是参数信息层，包含了nz特征的详细参数信息，实现了加 工需求在计算机中的有效表示。 三、组合机床设计资源库 组合机床设计

5、资源库是整个设计任务的数据支持。在 设计时，设计模块可以在资源库中查询相关设计数据，保 证了设计结果的致性和高效率。目前，设计资源库包含三 个部分：通用部件数据库、组合机床刀具信息库nz艺数据 库，并分别实现了信息存储和信息管理。 组合机床的通用部件是在长期发展过程中，由使用率 较高的部件进行总结、改进而成，其结构合理，可靠性高。 根据功能类别不同可将通用部件划分为五大类：支承部件有 互柱、底座等，输送部件主要是各类变位工作台，位置精度 般较高，动力部件有机械滑台、动力箱和单轴头等，Lq- 还有控制部件和辅助部件。 由于常用的通用部件种类繁多，数量庞大，逐建互 数据模型会占用较多时间。因此，本

6、又基于参数化万法，以 SoldWorks作为建模工具建互了通用部件数据库，同时参照 零部件族管理方法建互了管理数据库。通用部件模型库包含 了符合国标的部分通用部件模型，管理数据库也根据功能进 行类别划分，结构如图2所示。 对组合机床刀具信息进行建模，能够实现刀具自动化 选择，提高设计效率。常用刀具有各类钻头、铰刀和铣刀 等，刀具和加工特征的关系般为 映射，也存在多对多 的映射关系。综合分析了组合机床常用刀具，将刀具分解为 六个基本属性进行表示，分别为：加工特征、特征匹配尺 寸、nz范围尺寸、几何属性、精度等级和运动万式。 刀具加工特征对应了工件加工特征，表示其所能加工 的特征类型集合，特征匹配

7、尺寸是选取刀具时的主要参考 团 属性。刀具的匹配过程主要以上述两个属性作为匹配要素。 制定工艺过程是组合机床设计的第步，工艺设计需 要大量的数据和计算。首先要根据材料和加工需求选择合 适的切削量，然后计算切削力，选择功率适当的电动机， 最后计算切削热等。本又对相关数据和计算万法做了归纳 整理，以SOL Server作为工具建互了工艺数据管理库，主要 包括材料属性信息、工艺知识和切削用量数据等。这样， 制定工艺过程时，设计系统先进行相关数据的查询，然后 由此计算出切削用量及其他所需数据，并以此为依据完成 整体设计。 四、组合机床结构方案设计 组合机床结构万案设计是以加工需求信息作为设计要 求，以

8、刀具数据库、通用部件数据库nz艺数据库作为数据 基础完成结构万案设计的过程，具体任务包括机床配置形式 的选择、工序优化、通用部件选型、虚拟样机装配和输出设 计万案。整体功能框架如图3所示。 r一一一一 图3组合机床万案设计体系架构 组合机床的配置形式是对其整体结构形态的概括性描 述，为适应多样性的生产需求，组合机床通常有多种配置形 式，这也决定了其专用性强的特点。配置形式决定于机床主 要动力部件的运动万式，通常有单工位式、多工位式和转塔 式，其中多工位又可细分为工作台移动式、工作台回转式和 毂轮式等。选择合适的机床配置形式能提高整体布局的合理 性和经济性，保证加工质量和效率。 围 困固固固 图

9、圉圉围圆圈圉曰圈圈圈圈圈 曰目围曰圈圈圈曰圉口口I33 图2通用部件族层次划分示意图 工件加工特征的万位和位置是确定组 合机床配置形式的主要依据。 般情况下可 以按照如下两条原则确定机床的配置形式： (1)当所有nz特征相互分离，且相邻特 征的距离均大于对应动力部件最大半径z和 时，应选用单工位配置形式，能够提高加 工效率，(2)当nz特征有重合或分布集 中，相邻特征的距离小于对应动力部件的最 大半径z和时，应选用多工位的配置形式， 应适当减少工位数目以提高加工效率。 首牛弦 11T库平价 时 新 嘉示 蕈个 n 工讨程所需尊的时间可表示为： _ l )= + +f+c： (1) ( ( )=

10、 ，。 晟( )=C ( )= f ( )表示机床切削加工时间， )表示工作台移位过 程的时间，E ( )为工件装卸的时间，f ( )为刀具装夹的时 间。机床切削加工时间E( 决定于工件的加工余量和切削速 度，这对于 个特定工件来说是确定的，同理，工件和刀具 的装夹时间也是确定的。 下面认真分析下工作台移位时间 )，公式中 表示 工件nz总时间。若工序由 到 工作台无需变位时， 武 值为o，若工序由 l 作台需要变位时， 武值为1，t 表示次变位所需时司。 综上所述， 个已确定的工件，在不同加工工序安f4 下其所需要的切削nzt(问、装夹工件和刀具的时间相同， 从而将工序评价函数简化为： 舢)

11、：兰 ，_ 。 工件的加工工序般在+几个以上，满足工序约束条件的可 行排序万案数量很多，如果对每种排序万案都进行评价运算，运 算量将十分庞大，普通计算机在短时司内无法完成这样的计算量。 针对这种情况，本又结合相关又献，提出了抽样评价 万法。在可行方案集合中进行多次抽样，每次抽取的万案数 固定，则每次抽样可得到个最优值，称z为局部最优值， 多次抽样就可以得到多个局部最优值。当所得局部最优值满 足无限趋近条件时，则可以确定此万案已经逼近最佳万案， 在工程上可以代替理论上的最佳万案使用，满足nz效率的 需要。此万法虽然不能快速找到最佳万案，但已经大大提高 了工序优化的效率，实际效果也较为理想。 通用

12、部件的选型应满足功能要求，而加工工艺规划阶 段获得的切削量、功率等参数是动力部件选型的主要依据。 首先进行第批次部件的选型，第类部件是与工件有直接 作用关系的动力头、单轴头等部件，然后根据第批次部件 的功率、转速、运动行程nkS构尺寸等要求进行第二批次部 件的选型，第二批次的部件是除第类部件以外的所有通用 部件，主要包括传动装置、机械渭台、支承底座和些辅助 装置等，从而完成所有通用部件的选型。 虚拟样机装配的目的是检查机床各组成部分z问是否 匹配并确定装配关系和位置关系。工程上机床的装配通常是 从底部支承部件开始装配，本又以加工需求为导向，装配过 程为从顶向下的顺序。 以工件作为基准，先进行第

13、批次部件的虚拟装配， 确定与工件有直接作用关系的各部件的位置。然后进行第二 批次部件的装配，有工作台、传动部件和机械滑台等，最后 是辅助部件和控制单元。以上装配过程能够初步确定相关部 件的空间位置以及相配合部件问的配合关系。 在加工需求较复杂时，上述过程所获得的装配结果可 能会产生干涉，因此，应对初步装配结果进行干涉检查。若 存在干涉情况，需返回机床配置形式选择阶段重新进行相关 设计和计算，直至排除所有干涉情况。 五、系统实现 在理论研究基础上，本又完成了组合机床结构万 案计算机辅助设计系统开发。开发环境为微软公司的 VisualBasic60编程工具，该语言直观性强，程序语言的编写 和维护性

14、好，具有多种数据库的访司接13且数据类型丰富。 设计过程需要数据支持，数据模块以SQL Server作为开发工 具，建互了加工特征信息库、刀具信息库、组合机床通用部 件数据库和工艺数据库等，统称为设计资源库。建模模块依 托SolidWorks二次开发技术，SolidWorks是款能进行三维、 二维交互的参数化建模设计软件，具有完善的API开发接口 函数，容易通过程序实现各零部件的建模及整机装配。 如图4所示为加工特征录八界面，在输八工件加工需求 信息后，系统在数据库中查询所需数据，逐步分析计算，求 出各部件的型号、功率、尺寸和位置等信息 最后根据各部 件z问的装配关系完成整体设计，生成虚拟样机

15、模型。图5 所示为通用部件库的界面，图6所示为系统设计界面。 图4加工特征录入界面 图5通用部件信息管理界面 釜一 84 数字化设计 图6系统设计界面 以某洁具公司阀体工件为例，系统按照所输八加工需 求信息，设计生成了1 2工位回转式组合机床的虚拟样机模 型，如图7所示。 图7回转工作台组合机床 设计系统具有以下特点：(1)系统响应迅速，设计的 虚拟样机具有工程实用价值， (2)系统的交互性和扩展性 好，(3)输出的设计又件格式全面，三维视图可视性好， 二维图可直接用于生产装配，设计报告对设计万案进行了详 细说明。应用该系统，能够根据设计要求快速生成设计万 案，有助于提高组合机床的设计能力和效率，加快组合机床 的推广应用，提高制造行业的信息化水平。 你想 CAD杂志官方微信 一 一 r。 志 CAD，c 与 谴 茸皇【匕 杂志 埴址|t豪市西曩垣百万庄街22号四属西厅：1040037 电话0O-68gg3BSOII1蚺 )255268263 I市 部274f27I鬟1一238t293 1010一w T1】90 一辕c=dcamOdnov=com cn 断：自傲博hxp：frt_-com cncadcmm2010