1 前言

隨著國(guó)內(nèi)近年來(lái)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品品種和規(guī)格的更新速度不斷加快，要求交貨及時(shí)，以傳統(tǒng)的組合機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床進(jìn)行大批量生產(chǎn)已無(wú)法滿足發(fā)展的需要，現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想便應(yīng)運(yùn)而生。模塊化設(shè)計(jì)思想產(chǎn)生以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究和應(yīng)用均有許多進(jìn)展。日本的Y.Ito,Y.Yoshida等提出分級(jí)模塊的概念和用GT碼來(lái)描述機(jī)床結(jié)構(gòu)。德國(guó)P.Dietz研究了解決不同尺寸模塊之間的組合問(wèn)題。前蘇聯(lián)的D.Vragoo和Y.Saito研究了機(jī)床總體布局中的模塊編碼問(wèn)題。國(guó)內(nèi)陳敏賢等對(duì)機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了理論探討。華中理工大學(xué)的胡維剛等開(kāi)發(fā)了機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)智能知識(shí)系統(tǒng)。針對(duì)制造業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)激烈、動(dòng)態(tài)多變的市場(chǎng)，以應(yīng)標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)為主要目的，模塊化設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱SDSS)將模塊化設(shè)計(jì)思想用于機(jī)床的工程設(shè)計(jì)中，將模塊化機(jī)床的工程設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真納入一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其中集成是關(guān)鍵，而系統(tǒng)建模定義了系統(tǒng)在整個(gè)生命周期中的所有數(shù)據(jù)，保證了集成的順利實(shí)現(xiàn)。

近年來(lái)，特征技術(shù)的研究非常活躍，無(wú)論是基于特征的CAD，基于特征的CAPP，還是基于特征的產(chǎn)品建模系統(tǒng)，都以特征為基本信息單元和操作單元。特征已成為設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的通訊媒介，也是CAD/CAM集成的重要元素。國(guó)內(nèi)90年代造型技術(shù)的研究主要集中在三維實(shí)體造型和特征造型方面，如實(shí)體造型中的幾何約束問(wèn)題、基于特征的三維參數(shù)化造型等。SDSS系統(tǒng)采用特征建模。

為使讀者具有一個(gè)整體概念，給出SDSS系統(tǒng)工作流程圖，如圖1所示。系統(tǒng)采用AutoCAD提供的開(kāi)發(fā)工具ADS和Borland C＋＋，Turbo C以及3DS為底層支持軟件。

 
圖1 系統(tǒng)工作流程

2 機(jī)床模塊的劃分

機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)包含兩個(gè)過(guò)程，一是如何根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行功能抽象、合理創(chuàng)建模塊的過(guò)程，二是如何根據(jù)設(shè)計(jì)要求合理選擇一組模塊、產(chǎn)生機(jī)床拼裝方案的過(guò)程。其中模塊的創(chuàng)建問(wèn)題是模塊化設(shè)計(jì)的核心，而模塊的劃分則是首先需要解決的問(wèn)題。

2.1 機(jī)床模塊的劃分原則

進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，首先必須把產(chǎn)品劃分成若干模塊，再以模塊為基本單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。模塊必須具有可互換性、通用性和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)。因此，模塊劃分的合理性對(duì)模塊化產(chǎn)品的性能、外觀以及模塊的通用化程度和成本均有很大影響。本文的模塊劃分是以功能分解為基礎(chǔ)的，機(jī)床的功能分解細(xì)化到何種程度是模塊劃分的關(guān)鍵。若將零件級(jí)確定為最基層模塊，通用性則高，卻失去模塊設(shè)計(jì)的意義；而功能綜合程度過(guò)高，又會(huì)影響模塊拼裝時(shí)的柔性。本文借鑒同行的研究，參考組合機(jī)床的部件劃分原則，并結(jié)合工廠實(shí)際，確定模塊劃分原則如下：

(1)獨(dú)立性原則。包括相對(duì)于其它模塊的功能獨(dú)立和結(jié)構(gòu)獨(dú)立，有助于模塊系列化發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)縱系列機(jī)床設(shè)計(jì)。其中拼裝結(jié)合面的連接方式和連接要素應(yīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以保證模塊間拼裝的可能性和互換性。

(2)部件原則。組合機(jī)床的拆分主要遵循部件原則，以保證結(jié)構(gòu)的相對(duì)獨(dú)立。

(3)組件原則。對(duì)功能綜合程度過(guò)高的部件進(jìn)一步進(jìn)行功能分解，將組件模塊化。

(4)基礎(chǔ)件原則。基礎(chǔ)件功能和結(jié)構(gòu)比較獨(dú)立，例如床身、立柱等，其材質(zhì)大都為鑄件或焊接件，生產(chǎn)加工周期長(zhǎng)，影響產(chǎn)品迅速改型。采用同一類(lèi)型的聯(lián)接為基礎(chǔ)，建立接口標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的基礎(chǔ)件模塊，可以在較低成本的前提下最經(jīng)濟(jì)地配生出各式各樣的產(chǎn)品。

2.2 基于功能分解的數(shù)控機(jī)床的模塊劃分

產(chǎn)品充其量是功能的載體，顧客購(gòu)買(mǎi)的實(shí)質(zhì)上是一種或多種功能，因此，功能分析是工程設(shè)計(jì)的一種重要手段，也是模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。功能分析法是通過(guò)分析用戶對(duì)產(chǎn)品的要求而確定總功能，然后對(duì)總功能進(jìn)行分解，按分級(jí)方法直到最后分解出功能元。根據(jù)解法原理對(duì)功能元求解，得到功能元的原理解，即最基礎(chǔ)模塊。功能元的原理解通過(guò)選擇、變異形成其上一級(jí)的分功能的原理解的備選方案，將其進(jìn)行合理組合，尋求整體方案最優(yōu)。其中形態(tài)學(xué)矩陣是表達(dá)以上工作的一種較為清晰的形式。

本文根據(jù)模塊劃分原則，并參考機(jī)床廠多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，利用功能分析方法，建立數(shù)控機(jī)床模塊劃分通用模型。對(duì)臥式加工中心進(jìn)行了概念上的分解和綜合后，得到八種功能模塊(第一級(jí))和十八種分功能模塊(第二級(jí))，由此得到的模塊具有功能獨(dú)立、結(jié)構(gòu)互換和結(jié)構(gòu)分級(jí)的特點(diǎn)。此外，各個(gè)模塊(或分模塊)并不是隸屬于某一類(lèi)機(jī)床(或模塊)的，可跨類(lèi)使用。

3 系統(tǒng)模型的特征分析

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的集成，系統(tǒng)模型包括模塊模型和機(jī)床拼裝模型。

3.1 模塊特征分析

在對(duì)大量模塊進(jìn)行特征分析的基礎(chǔ)上，提出了基于特征的滿足結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真要求的模塊特征層次樹(shù)的概念，如圖2所示。模塊是在功能分析的基礎(chǔ)上劃分的，模塊模型的其它幾方面均為實(shí)現(xiàn)該功能服務(wù)，機(jī)床拼裝時(shí)對(duì)模塊的選擇也是根據(jù)模塊功能特征進(jìn)行的。從各個(gè)功能的幾何實(shí)現(xiàn)角度提取功能形狀特征。

圖2 模塊特征層次樹(shù)

3.2 機(jī)床的拼裝特征分析

模塊所具有的拼裝特性，使選用大量標(biāo)準(zhǔn)模塊和少量擴(kuò)充模塊拼裝成滿足用戶要求的機(jī)床成為可能。圖3為對(duì)機(jī)床的拼裝特征的分析。其中聯(lián)系特征指具有裝配關(guān)系的模塊的信息，如模塊名稱及其拓?fù)潢P(guān)系等。裝配幾何特征和方位面特征是拼裝的核心，為保證拼裝模型和模塊模型的一致性，其具體內(nèi)容從模塊模型中部分提取。之所以不全部接受模塊模型信息，是因?yàn)槟K模型具有通用性，因而其設(shè)計(jì)中不可避免存在信息的冗余。

圖3 機(jī)床的拼裝特征分析

4 系統(tǒng)模型的創(chuàng)建與實(shí)現(xiàn)

4.1 模型結(jié)構(gòu)

在特征層次樹(shù)的基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)模型。

為實(shí)現(xiàn)模型的計(jì)算機(jī)支持，模型必須滿足：

(1)描述方法的可讀性。可讀性既要使人能準(zhǔn)確理解其中內(nèi)容，又具有能被計(jì)算機(jī)理解的形式化程序，有利于計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的生成。使用形式化的數(shù)據(jù)和規(guī)范化語(yǔ)言來(lái)描述，消除二義性。

(2)描述方式的集成性。定義了產(chǎn)品在整個(gè)生命周期中所有的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，以提供系統(tǒng)模型各特征的唯一表達(dá)。

(3)信息的一次性定義。使集成信息的冗余度降至最低，每一信息元素只定義一次。集成資源是從不同階段和不同應(yīng)用中抽取數(shù)據(jù)構(gòu)成的，對(duì)這些資源進(jìn)行整理、分類(lèi)，消除冗余。

4.2 模型的表達(dá)

從系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)可知，模型具有封裝性和繼承性。系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換方式有三種：動(dòng)態(tài)工作文件格式、共享數(shù)據(jù)庫(kù)方式和共享知識(shí)庫(kù)方式。

為實(shí)現(xiàn)信息的集成，模塊模型與機(jī)床拼裝模型的統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)是必要的。可以看出，系統(tǒng)模型與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的樹(shù)形結(jié)構(gòu)非常類(lèi)似，因此該模型在計(jì)算機(jī)中的表達(dá)采用多叉樹(shù)形式。為了運(yùn)算和存儲(chǔ)方便，將其轉(zhuǎn)換為二叉樹(shù)形式，其存儲(chǔ)采用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)。模型的每個(gè)信息集合構(gòu)成二叉樹(shù)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)；左子樹(shù)指向該節(jié)點(diǎn)的具有繼承和從屬關(guān)系的子級(jí)信息集合節(jié)點(diǎn)，右子樹(shù)指向該節(jié)點(diǎn)的具有同級(jí)關(guān)系的兄弟級(jí)信息集合節(jié)點(diǎn)；系統(tǒng)模型是二叉樹(shù)的根。圖4以模塊模型中運(yùn)動(dòng)模型為例給出了模型的二叉樹(shù)表達(dá)。

圖4 運(yùn)動(dòng)模型的二叉樹(shù)表達(dá)

4.3 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

以天津第一機(jī)床廠生產(chǎn)的門(mén)式刀庫(kù)單主軸臥式加工中心為例進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行，圖5為加工中心組合形式之一：標(biāo)準(zhǔn)CNC分度轉(zhuǎn)盤(pán)組合形式。本系統(tǒng)具有三方面功能：

(1)對(duì)機(jī)床各模塊進(jìn)行參數(shù)化三維實(shí)體構(gòu)造，自動(dòng)生成圖形文件和數(shù)據(jù)文件。
(2)對(duì)機(jī)床模塊進(jìn)行拼裝，得到性能各異的整機(jī)。自動(dòng)建立各坐標(biāo)系并實(shí)現(xiàn)其間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
(3)利用燈光、攝象機(jī)等多種表現(xiàn)方式，對(duì)整機(jī)進(jìn)行全方位外觀顯示和各運(yùn)動(dòng)模塊的三維動(dòng)畫(huà)表現(xiàn)，以達(dá)到逼真的整機(jī)仿真效果。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)CNC分度轉(zhuǎn)盤(pán)組合形式

5 結(jié)論

(1)基于功能分解的數(shù)控機(jī)床模塊劃分通用模型，使模塊具有功能和結(jié)構(gòu)獨(dú)立以及分級(jí)的特點(diǎn)，從而保證了模塊的通用性和互換性，便于拼裝出變型產(chǎn)品和組織專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。

(2)特征技術(shù)不但著眼于完善產(chǎn)品的幾何描述能力，而且更重視表達(dá)產(chǎn)品完整的技術(shù)和生產(chǎn)管理信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的信息模型的集成和系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)共享。