基于客户参与设计的锻压机床快速设计系统研究.pdf

D e s ig n a n d R e s e a rc h 设计与研究 基于客户参与设计的锻压机床快速设计系统研究 练 国富 肖 宁 李端发 竺长 安 中国科学技术大学工程科学学院， 安徽 合肥 2 3 0 0 2 7 摘要 研究基于客户参与设计的锻压机床快速设计系统 ， 快速设计系统将用户的性能要求转化为机床设计 参数 ， 计算并快速得到产品的设计方案， 驱动锻压机床主机结构模板 ， 快速得到产品三维模型 ， 有效 避免传统设计方法导致 的装配 干涉 问题 。 得 到客户满意 的主机 结构模型。快速设计 系统在 VC ． N E T环境 下 ， 利用 P r o ／ t o o l k i t 提供 的 接 口函数 对 P r o ／ E n g i n e e r 进 行 二次 开发 ， 实 现快 速设 计 系统 的开发 ， 所开发的软件能够大幅度提高锻压机床的设计质量和效率。 关键词 锻压机床快速设计客户参与设计P r o ／ E 中图分 类号 T P 3 9 1 ． 7 2 文献标识 码 B Re s e a r c h o n r a p i d d e s i g n s y s t e m o f f o r g i n g ma c h i n e b a s e d o n c u s t o me r - i n v o l v e d d e s i g n p a t t e r n L I AN Guo f u，XI AO Ni n g I L I Du a n f a，ZHU Ch a n g a n S c h o o l o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f C h i n a ， H e f e i 2 3 0 0 2 7 ，C H N Ab s t r a c t Th i s p a p e r c a i e d o u t a r e s e a r c h o n t h e r a p i d de s i g n s y s t e m o f f o r g i n g ma c h i n e s b a s e d o n c u s t o me r i n v o l v e d d e s i g n pa t t e r n ． Ra p i d d e s i g n s y s t e m t r a n s f o r me d t h e p a r a me t e r s o f t h e u s e r ’S p e rfo r ma n c e r e q u i r e me n t s i n t o t h e d e s i g n pa r a me t e r s o f ma c h i n e t o o l s ， a n d i n s t a n t l y wo r k e d o u t t h e p r o d u c t d e s i g n t h r o ug h c a l c u l a t i o n．Ne x t ，i t d r o v e t h e s t r u c t u r e t e mpl a t e o f t h e ma i n fra me，a n d p r o d u c e d t h e t hr e e di me ns i o n a l mo d e l o f t h e p r o d u c t ． T hi s me t h o d c o u l d e f f e c t i v e l y a v o i d t h e c o mp o n e n t a s s e mb l y i n t e ffe r e n c e c a u s e d by t h e t r a d i t i o n a l d e s i g n me t h o d，a n d o b t a i n t h e mo s t s a t i s f y i n g ma i n f r a me mo d e 1 ． I n t h e VC． NET e n v i r o n me n t ，t h e r a pi d d e s i g n s y s t e m ，wi t h t h e i n t e r f a c e f un c t i o n s p r o v i d e d b y Pr o ／t o o l k i t ， c o u l d s e c o nd a r y d e v e l o p me n t P r o ／En g i n e e r，S O a s t o q u i c k l y p r o d u c e a p r o d u c t d e s i g n．Th e s o ft wa r e s c o u l d g r e a t l y e n ha n c e t h e q u a l i t y a n d p r o fic i e n c y o f f o r g i n g ma c h i ne d e s i g n ． Ke y wo r ds Fo r g i n g Ma c h i ne；Ra p i d De s i g n；Cu s t o me r i nv o l v e d De s i g n Pa t t e r n；Pr o ／E 锻压机床是工业基础装备 的重要组成部分之一 ， 在汽车制造 、 航空航天、 交通运输等都有广泛的应用 。 锻压机床产品主体结构根据用途不 同而变化， 形式 复 杂多样 ， 是一种典型的多品种 、 小批量的机械产 品， 甚 至大多以单件生产为主。激烈的市场竞争要求进一步 缩短产品设计周期 ， 快速响应市场 。因而， 在设计中如 何解决好产品种类 、 型号与设计制造周期之间的矛盾 是推进装备制造业发展的一个重要问题 。 目前 国内外对快速响应设计等方面做了大量的研 究 I - 6 ] 。国内也有不少学者针对大批量定制产 品快速 设计做了一些研究 J 。然而市场逐渐从大批量低成 本的模式转 向单件4 , 4 t t 量个性化 产品定制 的生 产模 式。锻压机床是典型 的多品种小批量 的生产模式 ， 其 多品种小批量定制的产品特点决定了不同的产品有不 同的结构， 传统的设计方法往往在交货时 ， 客户不满意 已经定型的机床结构 ， 此时也不可能做 出修改来达到 客户满意的机床结构模型。本文提出客户参与设计的 锻压机床快速设计模式 ， 在竞标或谈判初期 ， 可以让客 户参与设计 ， 根据客户需求 ， 快 速得到三维实体模 型， 使得客户对产品有个整体的了解 ， 不满意的地方 可以 修改， 直到客户得到最满意的主机结构模型为 止。 锻压机床快速设计系统的开发是以强大的l二维参 数化建模设计软件 P r o ／ E n g i n e e r 为平台， P r o ／ E n g i n e e r 为用户提供 了丰富的二次开发工具 ， 如 P r o ／ P r o g r a m、 国家 8 6 3高技术研究发展计划资助项 目， 锻压机床快速 、 优化设计系统开发 ， 课题编号 2 0 0 7 A A 0 4 Z I A 2 设计与研究 D e s a n d R e s e a 『C h 族表 f a m i l y t a b l e 、 P r o ／ t o o l k i t 等应用程序。快速设计 系统在 V C ． N E T环境下， 利用 P r o ／ t o o l k i t 提供的接 口 函数对 P r o ／ E n g i n e e r 进行二次开发 ， 实现快速设计系 统 的开发 。 1 客户参与设计的快速设计流程 1 ． 1 快速设计 系统设计流程 快速设计 系统 的开发首先要分析锻压机床 的特 点 ， 研究锻压机床快速响应设计原理和模式， 制定出合 适的设计准则和设计流程 ， 才能在快速交货 的同时达 到满足客户需求的目的。所开发的快速设计系统能够 使设计人员根据客户需求选择油缸数量 ， 确定机床结 构 ， 实现客户需求与产品设计性能指标的快速匹配 ， 提 出满足客户需求的机床设计方案。 快速设计系统首先分析客户需求 公称压力 、 开 口、 工作台尺寸等 ， 将客户需求与机床技术参数相匹 配 ， 再转化为锻压机床的设计参数 ， 系统可以输入设计 参数 ， 进行机床的结构设计 ， 计算 出锻压机床外形 尺 寸 、 油缸参数等 ， 最后生成锻压机床 的设计参数文件。 设计人员可以确认或修改参数 ， 参数可 以保存 为 ． h p d文件以便下次重 复使用； 快速设计系统也可以打 开以前保存的参数文件 ， 驱动锻压机床主机结构模板 ， 快速得到三维实体模型给客户确认， 如果客户不满意， 可以修改设计参数重新设计 ， 直到得到客户满意的机 床结构。基于客户参与设计 的快速设计系统流程如图 1所示 锻 锻 驱 压 压 机 生 动 阐 机 机 床 成 模 用 N I 卜 床 床 结 参 板 户 技 设 构 数 查 确 术 计 设 文 看 认 参 参 计 件 模 数 数 型 t 图 1 锻压机床 快速设计流程图 1 ． 2 用户需求与快速设计 系统参数的匹配 用户需求与快速设计系统参数的匹配通过系统的 用户界面模块和数据处理模块来实现。用户的需求通 过设计人员解析 ， 将客户需求转化为系统的设计参数 ， 设计参数通过系统的用户界面输入系统。系统 的数据 处理模块将设计参数通过一定的规则计算得到设计参 数文件。设计参数文件也 可以给设计人员 或用 户修 改 ， 修改后保存为参数文件 以便通过 P r o ／ E读取并获 取产品的三维实体模型。 用户需求与快速设计系统参数的匹配首先要分析 总结锻压机床的结构和零件特点 ， 依据锻压机床的快 速设计模式和方法 ， 研究具体设计参数。有些客户能 够提 出机床的主要技术参数和技术要求 ， 比如最大开 口、 滑块行程 、 滑块速度等。设计人员根据用户提出的 机床主要技术参数获得快 速设计 系统相应 的设计参 数。然而有些客户对锻压机床不是很了解， 只能提出 机床的部分技术参数或部分技术要求 ， 这时设计人员 要根据机床的压制工艺要求， 将用户需求与机床的技 术参数智能匹配， 最终得到快速设计系统的设计参数。 如油缸设计 ， 锻压机床的技术参数公称压力 8 0 0 0 k N， 而油缸的公称力参数已经系列化 ， 如果采用三缸一字 排开， 则选择两个 2 5 0 0 k N油缸和一个 3 1 5 0 k N油 缸 ， 3 1 5 0 k N位于中间， 2 5 0 0 k N两边。校核如下 1 0 0％ 1 01 ． 8 75 ％ UUU 1 0 1 ． 8 7 5 ％在 9 5 ％ ～1 0 5 ％之 间， 满足设计要求 ， 从而实现机床技术参数与设计参数相匹配。 1 ． 3主机模 板的构 建 针对锻压机床产品多品种I ] qt t 量定制 的特征， 本 系统采用参数化 、 模块化 的快速变型设计方法。采用 三维建模软件 P r o ／ E 构建机床 的主机结构模板 ， 应 用了产品设计 当中 自顶 向下 的设计方法 ， 建立典型结 构的参数化模板。通过变型设计， 实现由单一 品种产 品转变成针对客户需求的产品族系列化设计。 锻压机床主机主要分 为 6大模块 上横 梁、 下横 梁、 立柱 、 滑块 、 工作台和油缸。每个模块间 由装配关 系所约束 ， 在机床设计过程当中必须综合考虑所有部 件之间的相互关系。如果采用传统 的零件设计 、 部件 组装 、 整机组装的方法 ， 容易造成装 配过程冲突 ， 部件 之间互相干涉。所以， 我们采用 自顶向下的建模方法， 从整机开始设计 ， 然后再细化到每个部件模块当中， 有 效地避免了传统设计方法产生的装配干涉问题。 主机结构模 板采用三维建模软件 P r o ／ E， 这里采 用 自顶向下的建模技术， 锻压机床骨架图的构建使得 很多尺寸数据可以共享 如图 2所示 ， 通过 P r o ／ E里 面的“ 关系 r e l a t i o n 工具” 来捕捉特征之间 、 参数之间 图2 锻压机床 快速设计骨架图 型 20 点 1 1 或装配体之间的设计联系， 根据客户输入的需求参数， 计算并驱动设计参数尺寸 ， 完成机床主机的设计 ， 达到 快速设计 的目的。 1 ． 4 建 立主要 部件 的族表 F a mi l y T a b l e 在零件设计时 ， 如果某些零件结构一样 ， 只是尺寸 不同， 那么这些零件就不必一一单个建立 ， 可建立一个 父零件 ， 定义各个控制零件形状大小的参数， 在设计时 通过改变各个参数的值来得到所需要 的衍生件 ， 从 而 建立一系列的零件 ， 这些零件组成 的集合称为族表。 族表是很多相似零件 或组件或特征 的集合 ， 这些零 件 组件／ 特征 从结构上看很相似 ， 但在一些细节部 分不同， 比如尺寸大小或详细特征等。 完成主机结构的设计后， 将客户确认的设计参数 和锻压机床的结构参数给设计部门进行部件的详细设 计 ， 有些部件可以利用族表工具将企业标准件 的经验 数据和设计准则做成表驱动零件 ， 根据实际情况来进 行参数化驱动， 避免详细设计 占用大量的时间， 达到快 速设计 的目的。本文以锻压机床里面的油缸为例 ， 建 立油缸 的族表 图3 。 图3 油缸的族表界 面 可见族表工具能够把零件的生成标准化， 节省大 量的时间 ， 从零件文件中生成各种零件， 而无需重新构 造 ， 也可以对零件产生细小的变化而无需用关 系改变 模型 ， 达到零部件快速设计的 目的。在锻压机床整机 设计完成后 ， 可以根据企业 的经验数据及快速设计 的 参数文件里面相关的数据作为表驱动零件 的数据 ， 利 用族表工具能够快速地完成标准件和复杂零部件的设 计 。 2 基于客户参与设计的锻压机床快速设计系 统开发 快速设计 系统 的开发在 V C ． N E T的环境 下 ， 以 P r o ／ E为平台， P r o ／ T o o l k i t 为开发工具实现了快速设计 系统 的开发。系统提供人机交互界面， 将 客户需求 与 脚到 20 11 茎 耋 D e s ig n 0 n d R e s e o r c h 设计与研究 设计参数相匹配， 将机床的技术参数转化为机床的设 计参数 ， 并能够计算 出其他零部件相关的尺寸 ， 利用 P r o ／ T o o l k i t开 发 工 具 中 所 提 供 的模 型 再 生 函 数 lP r 0 s 0 l i d R e g e n e r a l e将新的参数 传给模板 ， 参 数驱动模 板生成锻压机床的三维实体模型。 q 酋 ⋯． 一 蔗 裁 j 董 售筝 匿 圈 l 由 一 缚 ⋯ ⋯ {f ’ 雹 蕊 豳 } 羔 l l ≮ 图4 锻压机床 设计参数输入模块 我们 开发 的系统界面 如图4所示。点击设计界 面， 弹出机床设计对话框 ， 对话框左半部分是设计参 数示 意 图， 右半部 分是参 数及对参数的说 明， “ 上一 步” 和“ 下一步 ” 按钮 引导 客户参 与设计 ， 设计 参数 输入完 成后 ， 系统将 计算 输入的设计参数转化 为驱 动尺寸。 根据本文研究的快速 设计模式 ， 所开 发 的软件 系统 以某 型 号机 床 为例， 快速设计得到的主机结构 模型 如图 5所示 ， 以油 缸 为例利用族表工具建立的 图5 快速设计得 到的主机 结构模型 图6 利用族表工具建立的油 缸 的三维实体模 型 油缸的三维实体模型如图6所示。锻压机床快速设计 系统经测试， 快速设计结果能够满足客户需求。 本系统研究客户参与设计原理 ， 以及开发客户参 与设计 的系统 ， 减少 r机床设计过程中的反复交瓦过 程， 得到最适合客户实际需求的设计方案。 3 ； 结语 本文针对多品种小批量锻压机床产 品没计周期 长、 品种复杂多样的问题 ， 提出了基于客户参与设计 的 锻压机床的快速响应设计模式 ， 丌发 了锻压机床快速 设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a 基于虚拟仪器的双轴柔性辊弯成型机控制系统设计 张若青① 景作军① 李 凯② ①北方工业大学机 电工程学院， 北京 1 0 0 1 4 4 ； ② 中国农业科学研究院农产 品加工所， 北京 1 0 0 1 9 3 摘要 在介绍变截面辊弯成型原理的基础上 ， 描述了双轴变截面辊弯成型机结构 ， 阐述了基于虚拟仪器思 想的成型机控制系统构成， 给出了实现变截面成型的软件设计思想 ， 最后通过成 型实验分析了成型 轨迹控制精度。 关键词 变截面辊弯成型虚拟仪器 运动控制 轨迹控制 中图分类号 T P 2 0 2 文献标识码 A Co n t r o l s y s t e m d e s i g n o f d o u b l e - a x i s f l e x i b l e r o l l - f o r mi n g ma c hi n e b as e d o n vi r t u aIi n s t r u men t Z HANG Ru o q i ng ① ， J I N G Z u u n ①， L I K a i ② N o rt h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 1 4 4， C H N； T h e C h i n e s e A c a d e my o f A g r i c u l t u r a l S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 3 ， C H N Ab s t r a c t Af t e r i n t r o d u c t i o n t o t h e t h e o r y o f fl e x i b l e r o l l f o r mi n g，t h e me c h a n i c a l s t r u c t u r e o f t h e d o u b l e a x i s f l e x i b l e r o l l f o n n i n g ma c h i n e i s d e s c r i b e d，t h e c o n t r o l s y s t e m c o n fig ur a t i o n b a s e d O i l t h e v i r t u a l i n s t r u me n t i s e x p a t i a t e d，a n d t h e s o f t wa r e d e s i g n t o a c c o mp l i s h fle x i b l e r o l l f o r mi n g i s g i v e n，a n d t h e n t h e p r e c i s i o n o f t h e f o rm i n g t r a j e c t o r y i s a n a l y z e d b y r o l l f o r m i n g e x p e r i m e n t s ． K e y w o r d s F l e x i b l e R o l l - f o rmi n g ； V i rt u a l I n s t rum e n t ；M o t i o n C o n t r o l ； T r a j e c t o ry c o n t r o l 辊弯成型是一种高效 、 节能 、 节材 、 先进适用的板 金属深加工工艺。通过顺序配置具有一定形状 的成型 辊 ， 对卷材 、 带材等金属板带逐步进行弯曲变形 ， 制成 特定断面的型材⋯。与其他板金属成型工艺相 比， 辊 弯成型产品具有断面形状合理、 重量轻 、 机械性能好等 特点。当型材断面沿纵 向尺寸变化时 ， 相应产 品称为 变截面冷弯成型产 品。与等截面型材相比， 变截面产 品具有力学性能好 、 构件重量轻 、 节省材料等优点 ， 越 设计系统。所开发 的系统 可 以输入用 户 的需求 压 力 、 速度 、 行程等 ， 计算 出锻压机床 的主要技术参数 外形尺寸 、 质量、 油缸数 目等 ， 生成三维实体图形给 客户确认 ， 使得在谈判初期对锻压机床 的主机结构有 初步 的了解 ， 得到客户最满意的主机结构模型。 所开发的软件能够大幅度提高锻压机床的设计质 量和设计效率， 快速响应市场需求 。 参考文献 [ 1 ] s j ” g h N a n u a ，D i n g S ， J a g i r d a r R ．A k n o w l e d g e e n g i n e e r i n g f r a me w o r k f o r r a p id d e s i g n [ J ] ．C o mp u t e r s i n d ． E n g n g ， 1 9 9 7 ， 3 3 1 ／ 2 3 4 5 - 3 4 8 ． [ 2 ] S t e v e n A s h l e y ．Ra p i d - r e s p o n s e d e s i g n [ J ] ．Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 7， 1 1 9I 2 7I -7 4 ． 北京 市自然科学基金资助项 目 3 0 8 2 0 0 8变截面辊弯成型研究 7 8 [ 3 ] 陈永亮 ， 徐燕 申， 齐尔麦． 机械产品快速设计平 台的研究与开发 [ J ] ． 天津大学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 5 6 7 4 4 7 4 8 ． [ 4] 朱晓魏 ， 林忠钦 ， 金先龙 ， 等． 面 向大批 量定 制产品 的快速设计 系统 的研究 [ J ] ． 计算机集成制造系统一 C I M S， 2 0 0 3， 9 9 8 1 7 8 2 2 ． [ 5 ] 赵利平 ， 王宗彦 ， 秦慧斌 ， 等． 面 向大规模定 制的堆垛机快速 设计 系 统研究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 8 ， 1 9 1 8 2 1 6 1 2 1 6 5 ． [ 6 ] 祁国宁 ， 杨青海 ， 黄哲人 ， 等． 面 向大批 量定 制的产 品开 发设计 方法 研究[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 4， l 5 1 9 1 6 9 7 一 l 7 0 1 ． 第一作者 简介 练 国富， 男， 1 9 8 0年生， 博士研 究 生 ， 研 究方 向为快速 设计 、 快速报 价技 术 。 编辑 余捷 收稿日 期 2 0 1 】 一 0 3 0 1 文章编号 1 l 0 6 2 5 如果您慈发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 L U I I篓 _ 、咄 平弗0删