孫俊蘭，周臨震

(鹽城工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

基于NX的組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)的研制*

孫俊蘭，周臨震

(鹽城工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

研究基于NX的組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)，運用知識工程的基本原理，以組合機床為研究對象，在分析組合機床傳統(tǒng)設(shè)計流程的基礎(chǔ)上，將NX技術(shù)融入組合機床設(shè)計每個階段，從而建立融合NX技術(shù)的組合機床設(shè)計流程方案;研究NX的系統(tǒng)建模技術(shù)與集成推理技術(shù)，建立符合組合機床設(shè)計特點的推理機制;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床設(shè)計。將組合機床的設(shè)計知識和規(guī)范集成在系統(tǒng)中，提高組合機床設(shè)計效率，減少組合機床設(shè)計過程中的重復(fù)勞動，保證設(shè)計質(zhì)量，從而提高企業(yè)的設(shè)計效率和設(shè)計水平。

NX;組合機床;快速設(shè)計

0 引言

隨著市場競爭的加劇和對產(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)控組合機床及其自動線正在沖擊著傳統(tǒng)的組合機床行業(yè)企業(yè)［1］。用戶在追求高質(zhì)量產(chǎn)品的同時，同時會考慮其個性化需求，追求美的外觀、低的價格和短的交貨期。因此，為了提高競爭力，組合機床行業(yè)必須不斷縮短新產(chǎn)品開發(fā)時間(Time)、提高質(zhì)量(Quality)、降低成本(Cost)、改進服務(wù)(Server)、并增強環(huán)境保護意識(Environment)，只有這樣才能在激烈的市場競爭中立于不敗之地。面臨著這些嚴峻的挑戰(zhàn)，組合機床生產(chǎn)企業(yè)必須改變過去傳統(tǒng)的設(shè)計方式，利用先進的設(shè)計方法和先進的制造技術(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等先進的設(shè)計制造技術(shù)的推廣應(yīng)用，使許多組合機床生產(chǎn)企業(yè)在其設(shè)計階段都采用了CAX技術(shù)。從早期AutoCAD輔助設(shè)計系統(tǒng)，到以三維設(shè)計軟件UG、Pro/E等為開發(fā)平臺，開發(fā)的組合機床模塊化設(shè)計系統(tǒng)、總體設(shè)計系統(tǒng)，這些輔助設(shè)計系統(tǒng)在一定程度上減輕了設(shè)計人員的勞動量，提高了設(shè)計效率，但當(dāng)組合機床設(shè)計涉及到方案決策、評價分析、重要參數(shù)選擇等方面時，往往需要設(shè)計師進行較多的干預(yù)，設(shè)計師的水平在很大程度上決定了組合機床設(shè)計水平和質(zhì)量。組合機床的設(shè)計特點是:

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

1 基于NX的組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

用基于NX的組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的設(shè)計方法，實現(xiàn)知識的重用，是企業(yè)提高設(shè)計質(zhì)量、降低設(shè)計成本、提高設(shè)計效率、增強企業(yè)的核心競爭力的一個重要手段。統(tǒng)計資料表明，當(dāng)研發(fā)一種新的產(chǎn)品時，往往有80%以上的零件在設(shè)計時可以參考借鑒或直接引用原有的產(chǎn)品圖紙，而對組合機床產(chǎn)品設(shè)計而言，可重復(fù)利用和借鑒的零部件數(shù)量就更多。［3］組合機床就是以大量通用件為基礎(chǔ)，設(shè)計時根據(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，組成的自動或半自動的模塊化專用機床。在組合機床產(chǎn)品設(shè)計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。如在組合機床的夾具設(shè)計時，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)計人員根據(jù)被加工件的定位夾緊需要進行調(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)計者在設(shè)計時不是創(chuàng)造一個新零件，而是按先檢索后設(shè)計的順序，充分利用現(xiàn)有的設(shè)計資料，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)計零件的工作量，在合理繼承的基礎(chǔ)上再進行創(chuàng)新設(shè)計。

基于NX的組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)，采用NX的WAVE技術(shù)和KBE技術(shù)，將組合機床設(shè)計的有關(guān)知識歸納整理，建立知識庫和推理機制;通過對知識庫中設(shè)計知識的推理，引導(dǎo)用戶快速完成組合機床的設(shè)計過程。用戶只需輸入被加工對象及加工要求、改變或添加工藝參數(shù)，系統(tǒng)會根據(jù)用戶輸入的工藝參數(shù)依據(jù)設(shè)計規(guī)則來驅(qū)動設(shè)計過程，自動生成新產(chǎn)品的數(shù)字化樣機。

圖1 組合機床設(shè)計模型

基于NX的組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)建立的關(guān)鍵問題是如何將專家知識有效地融合到知識庫中，建立易于檢索和管理的實例庫和行之有效的推理機制。在實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)準將零(部)件整理歸納為設(shè)計族，并根據(jù)企業(yè)標(biāo)準對其進行標(biāo)準化處理，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例庫中;在進行組合機床零部件設(shè)計時，可根據(jù)其編碼信息進行相似度比較，對檢索出的實例模型進行參數(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的組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計流程

基于NX的組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

在進行組合機床設(shè)計時，系統(tǒng)中嵌入了設(shè)計推理和設(shè)計過程引導(dǎo)機制，設(shè)計者只需根據(jù)設(shè)計過程的引導(dǎo)通過人機界面輸入產(chǎn)品設(shè)計需求，例如被加工件材料、加工面、加工要求等主要工藝參數(shù)，進行簡單的操作，系統(tǒng)調(diào)用人工智能系統(tǒng)進行基于實例的推理，從實例庫中推理出最相似的實例。系統(tǒng)推理出的實例可能與設(shè)計需求存在一定的差距，系統(tǒng)運用基于規(guī)則的推理并通過人工交互方式對實例進行修改，初步確定組合機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行修改和參數(shù)化設(shè)計，進行參數(shù)化建模和裝配;完成組合機床的的參數(shù)化初裝配后基本上確定了組合機床總體設(shè)計方案，接下來對照客戶要求和標(biāo)準檢驗是否滿足要求，如滿足設(shè)計要求則輸出設(shè)計結(jié)果，如不能滿足要求則返回到人機交互系統(tǒng)進行基于規(guī)則的推理，對設(shè)計方案進行修改，重復(fù)上述過程直到設(shè)計方案滿足設(shè)計要求為止。

圖2 組合機床的設(shè)計系統(tǒng)框圖

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

3.1 組合機床設(shè)計流程的確立

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

3.2 定義工程規(guī)則

利用所挖掘的工程知識來定義組合機床設(shè)計過程中的工程規(guī)則，根據(jù)用戶的需要建立由這些工程規(guī)則和設(shè)計知識所組成的設(shè)計過程導(dǎo)引，從而實現(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)動相關(guān)的設(shè)計過程。

3.3 組合機床控制結(jié)構(gòu)的建立

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

在組合機床控制結(jié)構(gòu)中建立大量通過表達式參數(shù)控制的基準面、基準軸、草圖等，從而控制組合機床產(chǎn)品裝配中各個零部件的位置、形狀等，從而實現(xiàn)了組合機床自頂向下的參數(shù)化設(shè)計。

3.4 組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)界面設(shè)計

根據(jù)組合機床設(shè)計內(nèi)容和模塊，設(shè)計組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)界面見圖4～圖6。

3.5 組合機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。運用系統(tǒng)建模技術(shù)，根據(jù)工程知識和工程規(guī)則所確定的幾何參數(shù)，建立蘊含產(chǎn)品設(shè)計知識的原型模型，當(dāng)用戶修改參數(shù)、更新工程知識和調(diào)整工程規(guī)則時，系統(tǒng)能激活相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計知識，使原型模型自動更新，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計。在通用件原型庫的建立過程中，采用XML技術(shù)實現(xiàn)對通用件庫中的關(guān)鍵參數(shù)、顯示參數(shù)的動態(tài)配置。每一種通用件庫的部件文件都有對應(yīng)的XML文件。通用件原型庫的建立采用部件族概念，把具有相同拓撲結(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)就可以實現(xiàn)部件的更新，如圖6所示。

圖6 組合機床部件設(shè)計與選擇模塊

3.6 NX Open和Block Styler技術(shù)的使用

在組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)中，采用了全新的NX Open技術(shù)，實現(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的組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)使用效果分析

通過對組合機床設(shè)計流程和設(shè)計知識的研究，在NX平臺上建立組合機床快速設(shè)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有下列功能:

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

(2)系統(tǒng)易于擴展和維護，可方便地完成對已有實例模型的檢索、修改和新實例的添加，便于設(shè)計知識的積累和知識的重用;

(3)輸出可用于指導(dǎo)生產(chǎn)的二維工程圖，自動生成標(biāo)題欄、明細表，自動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)信息化進程，促進經(jīng)濟的發(fā)展。

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

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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)化推進工程項目(JH10-46)

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

(編輯 趙蓉)