孫俊蘭，周臨震

(鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研制*

孫俊蘭，周臨震

(鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

研究基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，運(yùn)用知識(shí)工程的基本原理，以組合機(jī)床為研究對(duì)象，在分析組合機(jī)床傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上，將NX技術(shù)融入組合機(jī)床設(shè)計(jì)每個(gè)階段，從而建立融合NX技術(shù)的組合機(jī)床設(shè)計(jì)流程方案;研究NX的系統(tǒng)建模技術(shù)與集成推理技術(shù)，建立符合組合機(jī)床設(shè)計(jì)特點(diǎn)的推理機(jī)制;通過交互方式和系統(tǒng)的導(dǎo)引、推理，快速完成滿足客戶需求的組合機(jī)床設(shè)計(jì)。將組合機(jī)床的設(shè)計(jì)知識(shí)和規(guī)范集成在系統(tǒng)中，提高組合機(jī)床設(shè)計(jì)效率，減少組合機(jī)床設(shè)計(jì)過程中的重復(fù)勞動(dòng)，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而提高企業(yè)的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。

NX;組合機(jī)床;快速設(shè)計(jì)

0 引言

隨著市場競爭的加劇和對(duì)產(chǎn)品需求的提高，高精度、高生產(chǎn)率、柔性化、多品種、短周期、數(shù)控組合機(jī)床及其自動(dòng)線正在沖擊著傳統(tǒng)的組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)［1］。用戶在追求高質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)，同時(shí)會(huì)考慮其個(gè)性化需求，追求美的外觀、低的價(jià)格和短的交貨期。因此，為了提高競爭力，組合機(jī)床行業(yè)必須不斷縮短新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間(Time)、提高質(zhì)量(Quality)、降低成本(Cost)、改進(jìn)服務(wù)(Server)、并增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)(Environment)，只有這樣才能在激烈的市場競爭中立于不敗之地。面臨著這些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，組合機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)必須改變過去傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)的制造技術(shù)，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，降低成本，縮短交貨期，快速滿足用戶需求變化，快速搶占市場。

CAD/CAE/CAM/CAPP等先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)的推廣應(yīng)用，使許多組合機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)在其設(shè)計(jì)階段都采用了CAX技術(shù)。從早期AutoCAD輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，到以三維設(shè)計(jì)軟件UG、Pro/E等為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)的組合機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)、總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這些輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)在一定程度上減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)量，提高了設(shè)計(jì)效率，但當(dāng)組合機(jī)床設(shè)計(jì)涉及到方案決策、評(píng)價(jià)分析、重要參數(shù)選擇等方面時(shí)，往往需要設(shè)計(jì)師進(jìn)行較多的干預(yù)，設(shè)計(jì)師的水平在很大程度上決定了組合機(jī)床設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。組合機(jī)床的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:

(1)組合機(jī)床是典型的面向定單設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品，需根據(jù)加工對(duì)象及加工要求進(jìn)行即時(shí)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作量大，設(shè)計(jì)任務(wù)急，設(shè)計(jì)知識(shí)的運(yùn)用靈活;(2)組合機(jī)床設(shè)計(jì)中很多地方需要經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，但這些經(jīng)驗(yàn)知識(shí)缺乏有效的整理和歸納，知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的重用性和共享性差;(3)在組合機(jī)床生產(chǎn)過程中，設(shè)計(jì)周期占組合機(jī)床的生產(chǎn)周期比重過大，設(shè)計(jì)過程花費(fèi)的時(shí)間過多。因此，為了提高組合機(jī)床設(shè)計(jì)水平，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和速度，必須有效地將組合機(jī)床設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行整合，研發(fā)智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，建立知識(shí)庫，將專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范融合到系統(tǒng)中，模擬專家在組合機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)的思維決策過程，這樣設(shè)計(jì)人員只需提供被加工零件及加工要求，根據(jù)系統(tǒng)提示進(jìn)行選擇與判斷，就可以完成組合機(jī)床的快速設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，快速響應(yīng)市場的需求?；贜X的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)正是針對(duì)組合機(jī)床和裝備制造業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)的快速需求而提出來的。

1 基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

用基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重用，是企業(yè)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低設(shè)計(jì)成本、提高設(shè)計(jì)效率、增強(qiáng)企業(yè)的核心競爭力的一個(gè)重要手段。統(tǒng)計(jì)資料表明，當(dāng)研發(fā)一種新的產(chǎn)品時(shí)，往往有80%以上的零件在設(shè)計(jì)時(shí)可以參考借鑒或直接引用原有的產(chǎn)品圖紙，而對(duì)組合機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，可重復(fù)利用和借鑒的零部件數(shù)量就更多。［3］組合機(jī)床就是以大量通用件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)被加工件的樣式和生產(chǎn)工藝要求，采用少量的專用部件，組成的自動(dòng)或半自動(dòng)的模塊化專用機(jī)床。在組合機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)中盡量重用已有的產(chǎn)品零件，減少零件形狀、尺寸及功能要素的離散性。如在組合機(jī)床的夾具設(shè)計(jì)時(shí)，將常用零部件組成各種參數(shù)可變的定位夾緊模塊，供設(shè)計(jì)人員根據(jù)被加工件的定位夾緊需要進(jìn)行調(diào)用和拼裝，各模塊中所用零部件的結(jié)構(gòu)盡可能相近或相似。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)不是創(chuàng)造一個(gè)新零件，而是按先檢索后設(shè)計(jì)的順序，充分利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)資料，檢索現(xiàn)有零件，盡量利用現(xiàn)有的零部件拼裝出新產(chǎn)品，減少新設(shè)計(jì)零件的工作量，在合理繼承的基礎(chǔ)上再進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用NX的WAVE技術(shù)和KBE技術(shù)，將組合機(jī)床設(shè)計(jì)的有關(guān)知識(shí)歸納整理，建立知識(shí)庫和推理機(jī)制;通過對(duì)知識(shí)庫中設(shè)計(jì)知識(shí)的推理，引導(dǎo)用戶快速完成組合機(jī)床的設(shè)計(jì)過程。用戶只需輸入被加工對(duì)象及加工要求、改變或添加工藝參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶輸入的工藝參數(shù)依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則來驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過程，自動(dòng)生成新產(chǎn)品的數(shù)字化樣機(jī)。

圖1 組合機(jī)床設(shè)計(jì)模型

基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)建立的關(guān)鍵問題是如何將專家知識(shí)有效地融合到知識(shí)庫中，建立易于檢索和管理的實(shí)例庫和行之有效的推理機(jī)制。在實(shí)例庫的建庫過程中將零件(或部件)按功能、結(jié)構(gòu)、材料、尺寸和工藝等特征分類編碼，按相似性標(biāo)準(zhǔn)將零(部)件整理歸納為設(shè)計(jì)族，并根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后在NX中建立它的三維模型，將屬性特征的三維模型存放在實(shí)例庫中;在進(jìn)行組合機(jī)床零部件設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)其編碼信息進(jìn)行相似度比較，對(duì)檢索出的實(shí)例模型進(jìn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征的編輯修改，即可得到新零件的三維模型及二維工程圖，以滿足生產(chǎn)需要。

2 基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

在進(jìn)行組合機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)中嵌入了設(shè)計(jì)推理和設(shè)計(jì)過程引導(dǎo)機(jī)制，設(shè)計(jì)者只需根據(jù)設(shè)計(jì)過程的引導(dǎo)通過人機(jī)界面輸入產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，例如被加工件材料、加工面、加工要求等主要工藝參數(shù)，進(jìn)行簡單的操作，系統(tǒng)調(diào)用人工智能系統(tǒng)進(jìn)行基于實(shí)例的推理，從實(shí)例庫中推理出最相似的實(shí)例。系統(tǒng)推理出的實(shí)例可能與設(shè)計(jì)需求存在一定的差距，系統(tǒng)運(yùn)用基于規(guī)則的推理并通過人工交互方式對(duì)實(shí)例進(jìn)行修改，初步確定組合機(jī)床的總體布局及相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸及安裝位置、匹配方式等主要信息;然后系統(tǒng)調(diào)用模型庫中已有的相似零部件模型進(jìn)行修改和參數(shù)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行參數(shù)化建模和裝配;完成組合機(jī)床的的參數(shù)化初裝配后基本上確定了組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)方案，接下來對(duì)照客戶要求和標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)是否滿足要求，如滿足設(shè)計(jì)要求則輸出設(shè)計(jì)結(jié)果，如不能滿足要求則返回到人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行基于規(guī)則的推理，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，重復(fù)上述過程直到設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求為止。

圖2 組合機(jī)床的設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

3 基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)研制的技術(shù)路線

3.1 組合機(jī)床設(shè)計(jì)流程的確立

通過組合機(jī)床設(shè)計(jì)知識(shí)的收集，結(jié)合組合機(jī)床行業(yè)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定組合機(jī)床設(shè)計(jì)的人工設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)規(guī)則;通過對(duì)NX設(shè)計(jì)軟件中產(chǎn)品設(shè)計(jì)的Wave技術(shù)和系統(tǒng)工程方法進(jìn)行研究，確定了組合機(jī)床三維設(shè)計(jì)的一般流程;把組合機(jī)床的三維設(shè)計(jì)流程融入到智能化系統(tǒng)的開發(fā)中去，實(shí)現(xiàn)了組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)流程的智能化向?qū)А?/p>

3.2 定義工程規(guī)則

利用所挖掘的工程知識(shí)來定義組合機(jī)床設(shè)計(jì)過程中的工程規(guī)則，根據(jù)用戶的需要建立由這些工程規(guī)則和設(shè)計(jì)知識(shí)所組成的設(shè)計(jì)過程導(dǎo)引，從而實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品工程參數(shù)到三維模型幾何參數(shù)的轉(zhuǎn)化，并驅(qū)動(dòng)相關(guān)的設(shè)計(jì)過程。

3.3 組合機(jī)床控制結(jié)構(gòu)的建立

組合機(jī)床的三維設(shè)計(jì)主要是控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和零部件建模與裝配。在控制結(jié)構(gòu)中，通過基準(zhǔn)面和草圖，來定位各個(gè)組件的位置和形狀，這些基準(zhǔn)面的位置以及草圖尺寸通過表達(dá)式來控制。組合機(jī)床控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在組合機(jī)床控制結(jié)構(gòu)中建立大量通過表達(dá)式參數(shù)控制的基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、草圖等，從而控制組合機(jī)床產(chǎn)品裝配中各個(gè)零部件的位置、形狀等，從而實(shí)現(xiàn)了組合機(jī)床自頂向下的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3.4 組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)組合機(jī)床設(shè)計(jì)內(nèi)容和模塊，設(shè)計(jì)組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面見圖4～圖6。

3.5 組合機(jī)床通用件原型庫的建立

通用件原型庫的建立融合了系統(tǒng)建模技術(shù)、XML技術(shù)和部件族的概念。運(yùn)用系統(tǒng)建模技術(shù)，根據(jù)工程知識(shí)和工程規(guī)則所確定的幾何參數(shù)，建立蘊(yùn)含產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的原型模型，當(dāng)用戶修改參數(shù)、更新工程知識(shí)和調(diào)整工程規(guī)則時(shí)，系統(tǒng)能激活相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)，使原型模型自動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。在通用件原型庫的建立過程中，采用XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)通用件庫中的關(guān)鍵參數(shù)、顯示參數(shù)的動(dòng)態(tài)配置。每一種通用件庫的部件文件都有對(duì)應(yīng)的XML文件。通用件原型庫的建立采用部件族概念，把具有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的部件通過部件族的方法建立起來，把關(guān)鍵參數(shù)或者更新參數(shù)通過表達(dá)式或者部件屬性方法添加到部件族表中，這樣用戶只需要選擇關(guān)鍵參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)部件的更新，如圖6所示。

圖6 組合機(jī)床部件設(shè)計(jì)與選擇模塊

3.6 NX Open和Block Styler技術(shù)的使用

在組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)中，采用了全新的NX Open技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了NX二次開發(fā)中面向?qū)ο缶幊毯蚃ournal功能的結(jié)合使用，較傳統(tǒng)的UF開發(fā)技術(shù)極大地提高了效率。Block Styler是Siemens PLM Software公司推出的NX全新的界面制作技術(shù)，該技術(shù)制作出來的界面和NX系統(tǒng)無縫集成，提高了系統(tǒng)軟件的界面美觀和可操作性。

4 基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用效果分析

通過對(duì)組合機(jī)床設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)知識(shí)的研究，在NX平臺(tái)上建立組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有下列功能:

(1)本系統(tǒng)可根據(jù)輸入的加工對(duì)象和工藝要求，通過計(jì)算和推理，自動(dòng)選擇或按交互方式選擇組合機(jī)床的各通用部件;在過程導(dǎo)引指導(dǎo)下完成組合機(jī)床專用零部件的設(shè)計(jì)，快速生成滿足客戶需求的組合機(jī)床數(shù)字化樣機(jī);

(2)系統(tǒng)易于擴(kuò)展和維護(hù)，可方便地完成對(duì)已有實(shí)例模型的檢索、修改和新實(shí)例的添加，便于設(shè)計(jì)知識(shí)的積累和知識(shí)的重用;

(3)輸出可用于指導(dǎo)生產(chǎn)的二維工程圖，自動(dòng)生成標(biāo)題欄、明細(xì)表，自動(dòng)生成三維裝配模型的爆炸圖。

(4)系統(tǒng)界面簡潔、直觀，操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

該系統(tǒng)的使用，有助于三維CAD技術(shù)在組合機(jī)床及其他裝備制造業(yè)的推廣和應(yīng)用，有助于提升企業(yè)的創(chuàng)新能力和核心競爭力，加快制造業(yè)信息化進(jìn)程，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

［1］任小中，李春梅，等.基于UG的組合機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)［J］. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2007，34(2):28-29.

［2］姜大志，孫俊蘭.成組技術(shù)在產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2005，22(8):57-59.

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Research of Modular Machine Tool Rapid Design System Base NX

SUN Jun-lan，ZHOU Lin-zhen
(Yancheng Institute of Industry and technology，Jiangsu Yancheng 224051，China)

It is researched based NX that modular machine tool rapid design system in the paper.The principle ofknowledge based engineering is applied and modular machine tool is object in the research.The NX technology is combined to every stage of modular machine tool design.The design program is built with NX technology.System models and integrated deduction technology are researched.The deduction regulation is built according to feature of modular machine tool design.The customers requirement can be rapidly satisfy through Human-Computer Interacting and systemintelligence guiding or deducting.The design knowledge and specification of modular machine tool are integrated in design system.The way can enhance efficiency and quality.It can reduce repetition works.An enterprise’s design efficiency and level can be enhanced.

NX;modular machine tool;rapid design

TP391.7

B

1001-2265(2011)08-0091-04

2011-01-27;

2011-03-02

2010年度江蘇省高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進(jìn)工程項(xiàng)目(JH10-46)

孫俊蘭(1956—)，女，江蘇鹽城人，鹽城工學(xué)院機(jī)械學(xué)院副教授，主要從事CAD/CAM、先進(jìn)制造技術(shù)等方面的研究，(E-mail)sunjl@ycit.cn。

(編輯 趙蓉)