基于NX的组合机床快速设计系统的研制.pdf

第 8期 2 0 1 1年 8月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i ne To o l Au t o ma t i c M a nu f a c t u r i n g Te c hni que NO． 8 Au g．2 01 1 文 章 编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 0 1 1 0 80 0 9 1一O 4 基于 N X的组合机床快速设计系统的研制 书 孙俊 兰 ， 周临震 盐城工学院 机械工程 学院， 江苏 盐城2 2 4 0 5 1 摘 要 研 究基 于 N X的组 合机床 快 速设 计 系统 ， 运 用知 识 工程 的基本 原理 ， 以组合机 床 为研 究对 象 ， 在 分析 组合 机床 传统 设计 流程 的基础 上 ， 将 N X技 术 融入组 合机 床设 计每 个 阶段 ， 从 而建 立 融合 N X技 术 的组合 机床 设计 流程 方案 ； 研 究 N X的 系统建模 技 术与 集成推 理技 术 ， 建 立符合 组合 机床 设计 特点 的推理 机 制 ； 通 过 交互方 式和 系统 的导 引 、 推 理 ， 快速 完成 满足 客 户 需求 的组 合机 床 设 计 。将 组合 机 床 的设 计 知识和 规 范集成 在 系统 中 ， 提 高组 合机床 设 计效 率 ， 减 少组合 机 床 设计 过程 中的 重复 劳动 ， 保 证设 计 质量 ， 从 而提 高企业 的设 计效 率和设 计 水平 。 关键词 N X； 组 合机床 ； 快速设 计 中图分 类号 T P 3 9 1 ． 7 文献标 识 码 B Re s e ar c h o f M o dul a r M a c hi ne To o l Ra pi d De s i g n Sy s t e m Ba s e NX S UN J u n l a n，Z HOU L i n z h e n Y a n c h e n g I n s t i t u t e o f I n d u s t r y a n d t e c h n o l o g y ， J i a n g s u Y a n c h e n g 2 2 4 0 5 1 ，C h i n a Abs t r a c t I t i s r e s e a r c h e d b a s e d NX t h a t mo d ul a r ma c hi ne t o o l r a pi d d e s i g n s ys t e m i n t he pa pe r ．Th e p r i n c i p l e o f k n o wl e d g e b a s e d e n g i n e e r ing i s a p p l i e d a n d mo d u l a r ma c h ine t o o l i s o b j e c t in t h e r e s e a r c h ． T h e NX t e c h n o l o g y i s c o mb i ne d t o e v e r y s t a g e o f mo d ul a r ma c hine t oo l d e s i gn ．Th e d e s i gn pr o g r a m i s bu i l t wi t h NX t e c h n ol o gy ．S ys t e m mo d e l s a n d int e g r a t e d de d u c t i o n t e c hn o l og y a r e r e s e a r c h e d． Th e d e du c t i o n r e g u l a t i o n i s b ui l t a c c o r ding t o f e a t u r e o f mo d ul ar ma c h ine t o ol d e s i gn ．Th e c us t o me r s r e q ui r e me n t c a n b e r a pi d l y s a t i s f y t h r o u g h Hu ma n‘ Co mput e r I n t e r a c t i n g a nd s ys t e m int e l l i g e n c e g u i d i ng o r d e d u c t i n g ．The de - s i gn k n o wl e d ge a n d s pe c i fic a t i o n o f mo d ul ar ma c h ine t o o l are int e gra t e d in d e s i gn s ys t e m ． Th e wa y c a n e n- h a n c e e f fic i e nc y a n d q u a l i t y．I t C an r e d u c e r e p e t i t i o n wo r k s ．An e n t e r p r i s e’ S d e s i gn e f f i c i e n c y an d l e v e l c a n b e e nh an c e d． Ke y wo r dsNX ； mo d u l a r ma c hi ne t o o l ； r a p i d de s i gn O 引 言 随着市场竞争 的加剧 和对产 品需 求 的提高 ， 高 精度 、 高生产率、 柔性化、 多品种 、 短周期 、 数控组合 机床及其 自动线正在冲击着传统 的组合机床行业企 业 ⋯。用户在追求 高质 量产品的同时 ， 同时会 考虑 其个性化需求 ， 追求美的外观 、 低 的价格 和短 的交货 期 。因此 ， 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 T i m e 、 提 高质 量 Q u a l i t y 、 降 低 成本 C o s t 、 改 进 服 务 S e r v e r 、 并 增 强 环 境 保 护 意识 E n v i r o n me n t ， 只有这样才能在激烈 的市 场竞 争中立于不败之地。面 临着这些严 峻的挑战 ， 组合 机床生产企业必 须改变过去传统 的设计方式 ， 利用 先 进 的设计 方 法 和 先 进 的制 造 技 术 ， 以 提 高 产 品 的 质量和性能 ， 降低成本 ， 缩短交货期 ， 快速满足用户 需求变化 ， 快速抢占市场。 C A D ／ C A E ／ C A M／ C A P P等 先 进 的设 计 制 造 技 术 的推广 应用 ， 使 许 多 组 合 机 床 生 产 企 业 在 其设 计 阶 段 都采 用 了 C A X 技 术 。从 早 期 A u t o C AD辅 助设 计 系 统 ， 到 以三 维 设 计 软 件 U G、 P r o ／ E等 为 开 发平 台 ， 开 发 的组合 机床 模块 化 设 计 系 统 、 总体 设 计 系 统 ， 这 些 辅助 设计 系统 在 一定 程 度 上减 轻 了设计 人 员 的 劳 动量， 提高了设计效率 ， 但当组合机床设计涉及到方 案决策 、 评价分析、 重要参数选择等方面时 ， 往往需 收稿 日期 2 0 1 1一 O l一 2 7 ； 修回 日期 2 0 1 1 0 30 2 基金项 目 2 0 1 0年度江苏省高校科研成果 产业化 推进工程项 目 J H1 04 6 作者简 介 孙俊 兰 1 9 5 6 一 ， 女 ， 江苏盐城人 ， 盐城工学院机械学院副教授 ， 主要从 事 C A D ／ C AM、 先进制 造技术等方面 的研究 ， Em a i l s u n j l y c i t ． e l l 。 9 2 组合 机 床与 自动 化加 工技 术 第 8期 要设 计 师进 行 较 多 的 干 预 ， 设 计 师 的水 平 在 很 大 程 度上决定了组合机床设计水平和质量 。组合机床 的 设计 特 点是 1 组合机床是典型 的面 向定单设计制造 的产 品 ， 需根 据加 工 对象 及 加 工要 求 进 行 即 时设 计 ， 产 品 设计 工 作 量 大 ， 设 计 任 务急 ， 设 计 知 识 的 运 用 灵 活 ； 2 组 合 机床 设计 中很 多 地 方需 要 经验 知 识 ， 但这 些 经验 知 识缺 乏 有 效 的 整 理 和 归 纳 ， 知 识 和 经 验 的重 用性和共享性差 ； 3 在组合机床生产过程 中， 设计 周期 占组合机床 的生产周期 比重过大 ， 设计过程花 费的时间过多。因此 ， 为了提高组合机床设计水平 ， 提 高设 计质 量 和 速 度 ， 必 须 有 效 地将 组 合 机 床 设 计 知 识 进 行 整 合 ， 研 发 智 能 化设 计 系 统 ， 建 立 知 识 库 ， 将 专家 的经 验 知 识 和 标 准 规 范 融 合 到 系 统 中， 模 拟 专家在组合机床设 计时的思维决策过 程， 这样设计 人 员 只需提 供 被 加 工 零 件 及 加 工 要 求 ， 根 据 系 统 提 示进行选择 与判 断， 就可 以完成 组合机床 的快速设 计 ， 提 高设 计 效 率 ， 快 速 响 应 市 场 的 需 求 。基 于 N X 的组 合 机床 快 速设 计 系 统正 是 针对 组 合 机床 和 装 备 制 造业 对设 计 的快 速需 求而 提 出来 的 。 l 基 于 N X 的组合机床快 速设计 系统 的功 能 实 现 用基于 N X的组合机床快速设计系统 ， 替代传统 的设计 方 法 ， 实 现 知 识 的 重 用 ， 是 企 业 提 高 设 计 质 量 、 降低设计成本 、 提高设计效率 、 增强企业的核心 竞 争 力 的一 个 重 要 手 段 。统 计 资 料 表 明 ， 当研 发 一 种 新 的产 品时 ， 往 往 有 8 0 ％ 以 上 的 零 件 在设 计 时 可 以参考借鉴或直接引用原有 的产 品 图纸 ， 而对组合 机床产品设计 而言 ， 可重复利用和借鉴 的零部 件数 量就更多。 组合机床就是 以大量通用件为基础， 设 计 时 根据 被加 工 件 的样 式 和生 产 工 艺 要 求 ， 采 用 少 量 的专用 部件 ， 组 成 的 自动 或 半 自动 的模 块 化 专 用 机 床 。在 组合 机床 产 品设 计 中尽 量 重 用 已有 的产 品 零 件 ， 减 少零件 形 状 、 尺 寸 及 功能 要 素 的 离 散性 。如 在 组 合机 床 的 夹 具 设 计 时 ， 将 常 用 零 部 件 组 成 各 种 参 数 可变 的 定 位 夹 紧模 块 ， 供 设 计 人 员 根 据 被 加 工 件 的定位 夹 紧 需 要 进 行 调 用 和 拼 装 ， 各 模 块 中所 用 零 部 件 的结构 尽 可 能相 近 或 相 似 。设 计 者在 设 计 时 不是创造一个新零件 ， 而是按先检索后设计 的顺序 ， 充分利用现有的设计资料 ， 检索现有零件 ， 尽量利用 现有的零部件拼装 出新 产品， 减少新设计 零件的工 作量 ， 在合理继承的基础上再进行创新设计。 基于 N X的组合机床快速设计 系统 ， 采用 N X的 WA V E技术和 K B E技术 ， 将组合机床设计的有关知 识归纳整理 ， 建立知识库和推理机制 ； 通过对知识库 中设计知识 的推理 ， 引导用户快 速完成组合机床 的 设计过程。用 户只需输入被加工对 象及加工要求 、 改变 或添加 工 艺 参 数 ， 系统 会 根 据 用 户输 入 的 工 艺 参 数依 据设 计 规 则 来 驱 动 设 计 过 程 ， 自动 生 成 新 产 品的数字化样机。 图 1组 合 机 床 设 计 模 型 基 于 N X 的组 合 机 床 快 速设 计 系统 建 立 的关 键 问题 是 如何 将 专 家 知 识 有 效 地融 合 到 知 识 库 中 ， 建 立易于检索 和管理 的实例库 和行之 有效 的推理 机 制。在实例库 的建库过程 中将 零件 或部件 按 功 能 、 结构 、 材料、 尺寸和工艺等特征分类编码 ， 按相似 性 标准将 零 部 件 整 理 归纳 为设 计 族 ， 并 根 据 企业 标 准对 其进 行标 准化 处理 ， 然后 在 N X 中建立 它 的三 维 模 型 ， 将属 性特 征 的 三维 模 型存 放 在 实 例库 中 ； 在 进行组合机床零部件设计 时， 可根据其编码 信息进 行相似度比较 ， 对检索 出的实例模 型进行参 数和结 构特征的编辑修 改， 即可得到新零件 的三维模 型及 二 维工 程 图 ， 以满足 生产需 要 。 2基 于 NX的组合机床快速设计 系统 的设计 流 程 基于 N X的组合机床快速设计系统的工作流程 如 图 2所示 。 在 进行 组 合 机 床 设 计 时 ， 系 统 中嵌 入 了设 计 推 理 和设 计过 程 引 导 机 制 ， 设 计 者 只需 根据 设 计 过 程 的引导 通过 人 机 界 面 输 入 产 品 设 计 需 求 ， 例 如 被 加 工 件 材 料 、 加 工 面 、 加 工要 求 等 主要 工 艺 参 数 ， 进 行 简单的操作 ， 系统调用人工智 能系统进行 基于实例 的推理， 从实例 库 中推理 出最相似 的实例。系统推 理 出的实例 可能与设 计需求存在一定 的差距 ， 系统 运 用 基于 规则 的推 理并 通 过 人 工交 互 方 式 对实 例 进 行 修 改 ， 初 步 确 定 组 合 机 床 的 总 体 布 局 及 相 关 零 部 件 的结构尺寸及安装位置、 匹配方式等主要信息 ； 然 后系统调用模型库 中已有 的相似零部件模型进行修 改和参数化设计 ， 进行参数化建模和装配； 完成组合 机床的的参数化初装配后基本上确 定了组合机床 总 体设计方案， 接 下来对 照客户要求和标准检验是否 满足要求 ， 如满足设计要求则输 出设计结果 ， 如不能 满足要求则返 回到人机交互 系统进行基于规则的推 理 ， 对设计方案进行修改 ， 重复上述 过程直到设计 方 案满足设计要求为止。 2 0 1 1年 8月 孙 俊 兰 ， 等 基 于 N X 的组合机 床 快速设 计 系统 的研 制 9 3 图 2组 合 机 床 的设 计 系统 框 图 3 基 于 NX的组合机床 快速设计 系统研制 的 技术路 线 3 ． 1 组 合机床 设计 流 程的确 立 通过 组 合 机 床设 计 知 识 的收 集 ， 结 合 组 合 机 床 行 业工程 师 的 设 计 经 验 ， 确 定 组 合 机 床 设 计 的人 工 设计 流程 和设 计规 则 ； 通 过对 N X设计 软件 中产 品设 计的 Wa v e技术和系统工程方法进行研究 ， 确定了组 合机 床三 维 设 计 的一 般 流 程 ； 把 组 合 机 床 的 三 维 设 计 流程融 入 到 智 能 化 系 统 的 开 发 中去 ， 实 现 了组 合 机床快速设计流程的智能化向导。 3 ． 2定义 工程 规则 利用所挖掘的工程知识来定义组合机床设计过 程 中的工 程 规 则 ， 根 据 用 户 的需 要 建 立 由这 些 工 程 规则 和设计 知 识 所 组 成 的 设 计 过 程 导 引 ， 从 而 实 现 从产品工程 参数到三维模型几何参数 的转 化， 并驱 动相关的设计过程。 3 ． 3组合 机床控 制 结构 的建 立 组合机床的三维设计主要是控制结构 的设计和 零 部 件建 模 与 装 配 。在 控 制 结 构 中 ， 通 过 基 准 面 和 草 图 ， 来定 位各 个组 件 的位置 和 形 状 ， 这些 基 准 面 的 位 置 以及 草 图尺寸 通 过表 达 式 来控 制 。组 合 机 床 控 制 结构 如 图 3所 示 。 在组合机床控制结构中建立大量通过表达式参 数 控 制 的 基 准 面 、 基 准 轴 、 草 图 等 ， 从 而 控 制 组 合 机 床产品装配 中各个零部件 的位置、 形状等 ， 从而实现 了组合机床自顶 向下的参数化设计 。 3 ． 4 组 合机 床快 速设 计 系统界 面设计 根据组合机床设计 内容和模块 ， 设 计组合机床 快速 设计 系统 界 面见 图 4～图 6 。 图 3组 合 机 床 控 制 结 构 图 4组合机床快速设计系统界面 图 5 组 合 机 床 快 速 设 计 系统 初 始 化 3 ． 5 组合 机床通 用件 原型 库 的建 立 通用件 原 型 库 的建 立 融合 了系 统建 模 技 术 、 X ML技术 和 部 件族 的概 念 。运 用 系 统 建模 技 术 ， 根 据 工程 知识 和工 程 规 则 所 确 定 的几 何 参 数 ， 建 立 蕴 含 产 品设计 知识 的原 型模 型 ， 当用 户修 改 参 数 、 更 新 工 程知 识 和调 整 工程 规 则 时 ， 系统 能 激 活 相 应 的 产 品设计知识 ， 使原型模型 自动更新 ， 实现产品的快速 设 计 。在通 用件 原 型库 的 建 立 过程 中 ， 采 用 X ML技 术实现对通用件库 中的关键参数 、 显示参 数的动态 配置。每一种通用件库的部件文件都有对应 的 X ML 文件。通用件原型库 的建立采用部件族概念 ， 把 具 有相 同拓扑 结构 的部件 通过 部件族 的方法 建立起 来 ， 把关键参数或者 更新参数通过表达式或者部件 属性方法添加到部件族表 中， 这样用户 只需要选择 9 4 组 合机 床与 自动 化加 工技 术 第 8期 关键参数就可以实现部件 的更新 ， 如图 6所示。 嚣 毒 遘 妫爱 f 0 2 0 0 0 i I_ _ - - NH _ _ ‘ _ N 一 动 力 头 选 择 受 厘 ] 动力滑台选择 滑 台 类 型 亟 固 滑 台 型 号臣 匣 垂 ] 滑台侧底座 立柱 立柱侧底座 叵 五 } ． ． ． ． ． ． ． ． J 厘 囡囡囡 图 6 组合机床部件设计与选择模块 3 ． 6 NX Op e n和 B l o c k S t y l e r技 术的使 用 在 组合 机 床 快 速 设 计 系 统 的 开 发 中 ， 采 用 了全 新 的 N X O p e n技 术 ， 实 现 了 N X 二 次 开 发 中面 向对 象 编程 和 J o u r n a l 功 能 的 结合 使 用 ， 较 传 统 的 u F开 发技术极大地提 高 了效率 。B l o c k S t y l e r是 S i e m e n s P L M S o ft w a r e 公 司推出的 N X全新的界面制作技术 ， 该技术制作出来 的界面和 N X系统无缝集成 ， 提高了 系 统软 件 的界 面美 观和 可操作 性 。 4基 于 N X 的组合机床快 速设计 系统使用效 果分析 通过对组 合机床设计流程 和设 计知识 的研究 ， 在 N X平台上建立组合机床快速设计 系统。该 系统 具 有下 列功 能 1 本 系统 可根 据输 入 的加 工对 象 和 工艺 要 求 ， 通过计算和推 理， 自动选择或 按交互方式选择组合 机床的各通用部 件 ； 在过程导 引指导下完成组合机 床专用零部件 的设计 ， 快速生 成满足客户需求 的组 合机床数字化样机 ； 2 系统易于扩展和维护 ， 可方便地完成对已有 实例模型的检索 、 修 改和新实例 的添加 ， 便 于设计知 识 的积 累和知 识 的重用 ； 3 输 出可用 于指 导生 产 的二 维工 程 图 ， 自动生 成标题栏 、 明细表 ， 自动生成 三维装 配模型 的爆炸 图 。 4 系统界面简洁、 直观 ， 操作 方便 ， 运行稳定 、 可 靠 。 该 系统 的使 用 ， 有 助 于三 维 C A D技术 在 组 合 机 床及 其他 装 备 制 造 业 的推 广 和应 用 ， 有 助 于提 升企 业的创新能力和核心竞争力 ， 加快制造业信息化进 程 ， 促进经济的发展。 【 参考 文献 ] [ 1 ]任小 中， 李 春 梅 ， 等 ．基 于 U G 的组 合 机床 模 块化 设 计 [ J ] ．拖拉机与农用运输车 ， 2 0 0 7 ， 3 4 2 2 8 2 9 ． [ 2 ]姜大志 ， 孙 俊兰．成 组技 术在 产 品快 速设 计系 统 中的应 用 [ J ] ．机械设计 ， 2 0 0 5 ， 2 2 8 5 7 5 9 ． [ 3 ]王旭华 ， 廖 文和 ， 刘德仿．基于知识的组 合机床总体 方案 C A D系统的研究 [ J ] ．组 合机床与 自动化加 工技术 ， 2 0 0 2 2 4 54 7． [ 4 ]何培英 ， 李月琴 ．P r o E环境 下组 合机 床 总体设 计 C A D 系统开发 [ J ] ．制造技术与机床 ， 2 0 0 8 7 7 0 7 2 ． [ 5 ]顾琪 ， 刘 德仿 ．组合 机床 C A D技 术 的 研究 现 状及 进 展 [ J ] ．机械设计与制造 ， 2 0 1 0 7 2 6 0 2 6 1 ． [ 6 ]T h e o d o r e S G e i g e r ，D a v i d M D i l t s ．A u t o ma t e d D e s i g n t o c o s t I nt e g r a t i ng Co s t i n g i n t o t h e De s i g n d e c i s i o n，Co mp u t e r A i d e d D e s i g n ，1 9 9 6 ， 2 8 6 ， 7 4 2 3 4 3 8 ． [ 7 ]L i u Z h o n g t u ，Wa n g Q i f u ，C h e n L i p i n g ．A k n o w l e d g e b a s e d a p pr o a c h f o r t h e t a s k i mp1 e me nt a t i o n i n me c ha n i c a l pr o d u c t d e s i g n，I n t J A d v Ma n u f T e c h n o l ，2 0 0 6 2 9 8 3 78 4 5 ． [ 8 ]L e e I - H， C h a J - H， P a r k M． W A n i n t e g r a t e d i n f e r e n c e a r c h i t e c t ur e f o r ma c h i ne t o o l s de s i g n i n v o l v i n g c o mp l e x k no wl e d g e ．J A d v M a n u T e c h ， 2 0 0 3 2 2 3 2 1 3 2 8 ． 编辑 赵 蓉 上接 第 9 0页 4 结束 语 通过对变型设计技术及变型零件编程特点进行 分析 ， 基于零件族母模型设计 了数控程序母模板 ， 在 零件事物特性表的驱动下 由数控程序母模能快捷得 到变型零件的数控加工 G代码 ， 有效地提高 了变 型 零件的数控编程效率和质量。变型零件编程技术 的 研究对提高企业 市场快速响应能力 ， 降低成本有积 极 意义 。 [ 参考文献] [ 1 ]齐从谦 ， 贾伟新．支持 变型 设计 的装 配模型 建模 方法 研 究 [ J ] ．机械工程学 报 2 0 0 4， 4 0 1 3 8 4 2 ． [ 2 ]钟文明， 祁国宁 ， 顾巧祥．基于事物特性表的产 品变型设计 的开发过程研究[ J ] ．制造业 自动化， 2 0 0 6 ， 2 8 6 71 0 ． [ 3 ]J a m e s F o w l e r ．V a r i a n t D e s i g n fo r Me c h a n i c a l A r t i f a c t s A S t a t e o f t h e Art Su r v e y ． NI S TI R 5 3 5 6，Na t i o n a l I n s t i t u t e o f S t a n d a r d s a n d Te c h n o l o g y，Ga i t he r s b ur g，MD，1 9 9 3． [ 4 ]G u n i l l a S i v a r d ．A g e n e r i c i n f o r m a t i o n p l a t f o r m f o r p r o d u c t f a mi l i e s ．Di s s e r t a t i o n f o r t h e De g r e e o f Do c t o r o f Ph i l o s o ph y， S t o e hh o l mUni v e r s i t e t s s e r v i c e US AB，2 00 0． [ 5 ]鲁玉军 ， 余 军合 ， 祁 国宁 ， 等 ．基于事 物特性 表 的产 品变 型设计 [ J ] ．计算 机 集成 制 造系统 ， 2 0 0 3 ， 9 1 0 8 4 0 8 44． [ 6 ]石俊 ， 杨敏．C I MS中零件加工特征分类研究 [ J ] ． 机械 制 造 ， 2 0 0 3 ， 3 0 1 4 04 2 ． [ 7 ]张英杰．面 向 自动数 控编 程 的零 件加 工特 征 建模 技术 [ J ] ．西安 交通 大学学报 ， 2 0 0 8 ， 4 2 3 2 8 1 2 8 5 ． 编辑 赵蓉