模块化设计数控机床结构运动仿真系统的建模

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1　前言
  ?2 b  g5 b6 F0 W$ K　　随着国内近年来汽车工业的发展，机械产品品种和规格的更新速度不断加快，要求交货及时，以传统的组合机床或专用机床进行大批量生产已无法满足发展的需要，现代设计思想便应运而生。模块化设计思想产生以来，国内外对其研究和应用均有许多进展［1］。日本的Y.Ito,Y.Yoshida［2］等提出分级模块的概念和用GT码来描述机床结构。德国P.Dietz［3］研究了解决不同尺寸模块之间的组合问题。前苏联的D.Vragoo［4］和Y.Saito［5］研究了机床总体布局中的模块编码问题。国内陈敏贤［6］等对机床模块化设计与计算机技术的结合进行了理论探讨。华中理工大学的胡维刚［7］等开发了机床模块化设计智能知识系统。针对制造业面临的竞争激烈、动态多变的市场，以应标竞争为主要目的，模块化设计数控机床结构运动仿真系统(简称SDSS)［8］将模块化设计思想用于机床的工程设计中，将模块化机床的工程设计、工业设计和运动仿真纳入一个完整的计算机辅助设计系统。其中集成是关键，而系统建模定义了系统在整个生命周期中的所有数据，保证了集成的顺利实现。
　　近年来，特征技术的研究非常活跃，无论是基于特征的CAD，基于特征的CAPP，还是基于特征的产品建模系统，都以特征为基本信息单元和操作单元。特征已成为设计和制造过程的通讯媒介，也是CAD/CAM集成的重要元素。国内90年代造型技术的研究主要集中在三维实体造型和特征造型方面，如实体造型中的几何约束问题［9］、基于特征的三维参数化造型［10］等。SDSS系统采用特征建模。
) r+ m* Q  O( J5 t　　为使读者具有一个整体概念，给出SDSS系统工作流程图，如图1所示。系统采用AutoCAD提供的开发工具ADS和Borland C＋＋，Turbo C以及3DS为底层支持软件。
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- v% O: F% u1 y6 b/ ]9 {3 H2 m1 A图1　系统工作流程
( R0 F4 E$ p0 e4 D9 y+ M! c9 P2　机床模块的划分
　　机床的模块化设计包含两个过程，一是如何根据设计要求进行功能抽象、合理创建模块的过程，二是如何根据设计要求合理选择一组模块、产生机床拼装方案的过程。其中模块的创建问题是模块化设计的核心，而模块的划分则是首先需要解决的问题。
9 c) u" H* Y+ a: Y7 O4 L; A: t2.1　机床模块的划分原则
　　进行模块化设计，首先必须把产品划分成若干模块，再以模块为基本单元进行设计。模块必须具有可互换性、通用性和标准化的特点。因此，模块划分的合理性对模块化产品的性能、外观以及模块的通用化程度和成本均有很大影响。本文的模块划分是以功能分解为基础的，机床的功能分解细化到何种程度是模块划分的关键。若将零件级确定为最基层模块，通用性则高，却失去模块设计的意义；而功能综合程度过高，又会影响模块拼装时的柔性。本文借鉴同行的研究，参考组合机床的部件划分原则，并结合工厂实际，确定模块划分原则如下：
' E: S: w# T0 |, t5 z7 G/ {　　(1)独立性原则。包括相对于其它模块的功能独立和结构独立，有助于模块系列化发展，以实现纵系列机床设计。其中拼装结合面的连接方式和连接要素应实现标准化和系列化，以保证模块间拼装的可能性和互换性。
, D, l' g1 o( `0 {　　(2)部件原则。组合机床的拆分主要遵循部件原则，以保证结构的相对独立。
; h: }2 l) m5 z! A4 Q4 h/ e& o  p6 e　　(3)组件原则。对功能综合程度过高的部件进一步进行功能分解，将组件模块化。
  |) W/ J1 E9 T: b" p# _$ v　　(4)基础件原则。基础件功能和结构比较独立，例如床身、立柱等，其材质大都为铸件或焊接件，生产加工周期长，影响产品迅速改型。采用同一类型的联接为基础，建立接口标准化、通用化的基础件模块，可以在较低成本的前提下最经济地配生出各式各样的产品。
& B- Y) W& h' t6 G# c/ D2.2　基于功能分解的数控机床的模块划分
, o8 k1 v1 r6 }/ }2 y( I* [　　产品充其量是功能的载体，顾客购买的实质上是一种或多种功能，因此，功能分析是工程设计的一种重要手段［10］，也是模块化设计的基础。功能分析法是通过分析用户对产品的要求而确定总功能，然后对总功能进行分解，按分级方法直到最后分解出功能元。根据解法原理对功能元求解，得到功能元的原理解，即最基础模块。功能元的原理解通过选择、变异形成其上一级的分功能的原理解的备选方案，将其进行合理组合，寻求整体方案最优。其中形态学矩阵是表达以上工作的一种较为清晰的形式。
　　本文根据模块划分原则，并参考机床厂多年实践经验，利用功能分析方法，建立数控机床模块划分通用模型。对卧式加工中心进行了概念上的分解和综合后，得到八种功能模块(第一级)和十八种分功能模块(第二级)，由此得到的模块具有功能独立、结构互换和结构分级的特点。此外，各个模块(或分模块)并不是隶属于某一类机床(或模块)的，可跨类使用。
3　系统模型的特征分析
　　为实现系统中各个子系统的集成，系统模型包括模块模型和机床拼装模型。
3.1　模块特征分析
0 ~0 Q5 Z! ]4 t+ z) M9 U　　在对大量模块进行特征分析的基础上，提出了基于特征的满足结构运动仿真要求的模块特征层次树的概念，如图2所示。模块是在功能分析的基础上划分的，模块模型的其它几方面均为实现该功能服务，机床拼装时对模块的选择也是根据模块功能特征进行的。从各个功能的几何实现角度提取功能形状特征。

图2　模块特征层次树
7 b3 k8 o" b9 w+ [1 ~3.2　机床的拼装特征分析
. S8 o  [+ R7 B* C/ U- X5 g# [　　模块所具有的拼装特性，使选用大量标准模块和少量扩充模块拼装成满足用户要求的机床成为可能。图3为对机床的拼装特征的分析。其中联系特征指具有装配关系的模块的信息，如模块名称及其拓扑关系等。装配几何特征和方位面特征是拼装的核心，为保证拼装模型和模块模型的一致性，其具体内容从模块模型中部分提取。之所以不全部接受模块模型信息，是因为模块模型具有通用性，因而其设计中不可避免存在信息的冗余。

图3　机床的拼装特征分析
4　系统模型的创建与实现
% `7 N) w, h; P& d7 I( M4.1　模型结构
1 {' u. x3 M* O5 s　　在特征层次树的基础上建立系统模型。
　　为实现模型的计算机支持，模型必须满足：
! B1 B: I7 h9 |/ u) G/ {& ]3 q　　(1)描述方法的可读性。可读性既要使人能准确理解其中内容，又具有能被计算机理解的形式化程序，有利于计算机应用程序的生成。使用形式化的数据和规范化语言来描述，消除二义性。
2 j' E1 r% r0 V8 q& p( M　　(2)描述方式的集成性。定义了产品在整个生命周期中所有的产品数据，以提供系统模型各特征的唯一表达。
2 W0 ^- h$ j: A) V9 X　　(3)信息的一次性定义。使集成信息的冗余度降至最低，每一信息元素只定义一次。集成资源是从不同阶段和不同应用中抽取数据构成的，对这些资源进行整理、分类，消除冗余。
4.2　模型的表达
2 `* c2 X+ M( G, o3 L2 G) ^　　从系统的模型结构可知，模型具有封装性和继承性。系统内部数据交换方式有三种：动态工作文件格式、共享数据库方式和共享知识库方式。
  b0 ?5 [' e1 e4 ~! `　　为实现信息的集成，模块模型与机床拼装模型的统一数据结构表达是必要的。可以看出，系统模型与计算机领域的树形结构非常类似，因此该模型在计算机中的表达采用多叉树形式。为了运算和存储方便，将其转换为二叉树形式，其存储采用链式存储。模型的每个信息集合构成二叉树的一个节点；左子树指向该节点的具有继承和从属关系的子级信息集合节点，右子树指向该节点的具有同级关系的兄弟级信息集合节点；系统模型是二叉树的根。图4以模块模型中运动模型为例给出了模型的二叉树表达。
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2 v' q( t% |9 M% D图4　运动模型的二叉树表达
4.3　系统运行实例
　　以天津第一机床厂生产的门式刀库单主轴卧式加工中心为例进行系统运行，图5为加工中心组合形式之一：标准CNC分度转盘组合形式。本系统具有三方面功能：
' Q3 l7 S$ p' x6 a. V/ z/ S2 S; |　　(1)对机床各模块进行参数化三维实体构造，自动生成图形文件和数据文件。
　　(2)对机床模块进行拼装，得到性能各异的整机。自动建立各坐标系并实现其间的自动转换。
　　(3)利用灯光、摄象机等多种表现方式，对整机进行全方位外观显示和各运动模块的三维动画表现，以达到逼真的整机仿真效果。

图5　标准CNC分度转盘组合形式
( d, h- `9 X/ _7 F1 q7 M5　结论
; C0 O3 C/ }2 f: W- j  ?+ b. ^6 J　　(1)基于功能分解的数控机床模块划分通用模型，使模块具有功能和结构独立以及分级的特点，从而保证了模块的通用性和互换性，便于拼装出变型产品和组织专业化生产。
/ t7 _# a" d/ [3 m　　(2)特征技术不但着眼于完善产品的几何描述能力，而且更重视表达产品完整的技术和生产管理信息，实现产品的信息模型的集成和系统内部的数据共享。
文章关键词： 数控机床