數控銑床計算機模塊化工業設計研究

胡亞蓉，李祖志

HU Ya-rong，LI Zu-zhi

（宜賓職業技術學院，宜賓 644003）

0 引言

對于數控銑床而言，模塊化設計同樣可以使其具有很大的靈活性和適應性，縮短設計制造周期，降低制造成本，但同樣也使得數控銑床外觀造型單調，所以對模塊化數控銑床進行工業設計就成了必須。數控銑床的模塊化工業設計是在對數控銑床實施模塊化設計的基礎上，進行整機和模塊的工業造型設計，是兩種現代設計方法的有機結合[1]，本文主要分析了數控銑床計算機模塊化工業設計相關問題，對于提高我國數控機床水平具有一定作用。

1 數控銑床模塊化工業設計概述

數控銑床模塊化工業設計的基礎是進行數控銑床的模塊化設計。機床的模塊化設計方法主要有橫系列模塊化設計、縱系列模塊化設計、跨系列模塊化設計和全系列模塊化設計。橫系列模塊化是針對主參數相同的一組產品，通過選用不同的特定模塊形成不同產品的模塊化，例如數控銑床主參數不變的前提下，通過配置不同的排屑裝置形成不同的銑床產品；縱系列模塊化是指對主參數發生變化的產品系列進行模塊化設計，數控銑床的主參數為工作臺工作面寬度，所以針對數控銑床的縱系列模塊化是指把工作臺工作面寬度參數不同的各型號數控銑床作為對象，進行模塊化設計；跨系列模塊化指既有橫系列又有縱系列的模塊化設計；若在整個橫系列和縱系列即全部系列范圍內進行統一的模塊化設計，則稱為全系列模塊化設計。

在進行數控銑床的模塊化設計之前，必須對現有數控銑床產品型譜，主要參數等進行周密的規劃，建立主參數相同或相似的，具有實施模塊化設計可行性的對象的集合，即數控銑床模塊化設計產品族，并在此基礎上進行數控銑床的模塊劃分[2,3]。為了實現計算機輔助模塊化設計，以及模塊化生產制造，還必須對劃分好的模塊進行編碼。最后通過選擇不同分功能的模塊，評價它們組合的可能性和合理性，進行模塊的綜合，得到具有特定總功能及某些特殊功能或特性的產品。對于數控銑床，其功能已經確定，即基礎功能結構模塊已經確定，所以可供選擇的模塊將只包括一些輔助功能模塊。

2 數控銑床模塊化工業設計的方法

數控銑床的模塊化工業設計，以銑床模塊為基礎，在模塊劃分結束之后，進入數控銑床模塊化設計流程，即作為模塊的詳細設計內容之一展開。本文在數控銑床的模塊化工業設計這一前提下，根據模塊與銑床造型的相關程度，對模塊進行如下分類：1）功能結構模塊：這類模塊是實現銑床主功能（銑削加工）的模塊，與外觀造型無關，一般都是銑床內部的，不可見的機械結構模塊；2）外觀造型模塊：這類模塊是銑床外部的可見模塊，決定了銑床的造型樣式，且不是銑床的主功能模塊，受銑床的功能結構約束較小，具有較大的造型自由度：3）綜合模塊：這類模塊既是數控銑床的主功能模塊，又與銑床的造型相關，在實現銑床的主功能的前提下，與銑床造型風格樣式實現統一。除了第一類模塊，其它兩類模塊都與外觀造型有關。

在進行模塊的工業設計時，模塊與模塊間并不是孤立的。從工業設計的角度來看，簡單地追求單個模塊最優造型并不一定能達到整體造型的最優，所以數控銑床產品的造型設計也要從整體出發，宏觀地對數控銑床造型進行控制，即先確定整體的造型風格，從而推得單個模塊的具體造型。

“形式服從功能”是工業設計基本原則，在模塊造型的過程中也要遵循這一原則。造型的確定必須服從相關的數控銑床結構尺寸和機械性能的要求。不僅綜合模塊如此，外觀造型模塊也是如此。并且，由于模塊不是孤立存在的，它們之間通過接口實現相互關聯，所以在設計時不僅需要符合模塊自身的功能結構，還必須滿足模塊間的接口功能要求。

3 面向產品族的數控銑床分析

3.1 數控銑床產品族的建立

產品族是主參數相同或相似，具有實施模塊化設計可行性的對象的集合，是模塊化設計的基礎。產品族模型由功能模型、原理模型和結構模型組成，所以在數控銑床模塊化設計過程中，產品族的建立必須綜合考慮功能域、原理域和結構域這三方面因素。

從功能域角度來看，數控銑床主要功能為銑削加工，兼有鉆、鏜削加工等，根據配置的數控系統功能不同，數控銑床的加工能力也有所不同，兩軸坐標聯動可以實現平面類零件的加工，兩軸半坐標聯動可以實現較簡單的空間曲面加工，用三坐標或多坐標聯動可以加工如螺旋槳等復雜空間曲面。

從原理域角度來看，各類型數控銑床工作原理大致相同。數控銑床工作前，都要預先根據被加工零件的要求，確定零件加工工藝過程、工藝參數，并按一定的規則形成數控系統能理解的數控加工程序。然后用適當的方式將加工程序輸入數控銑床的數控裝置中，由數控銑床來運行數控加工程序，數控裝置會根據數控加工程序中的內容，發出各種控制指令，同時向特殊的執行單元發出數字位移脈沖信號并進行進給速度控制，完成對零件的加工。

從數控銑床基本結構來看，數控銑床可分為工作臺升降與工作臺不升降兩大系列。中華人民共和國第一機械工業部發布的工作臺不升降銑床系列中，將工作臺不升降銑床的基本形式分為十字工作臺型、立柱移動型和滑枕移動型三種。每種型式又分立式和臥式兩種。綜合以上三方面因素，及機床廠的實際情況，確定數控銑床模塊化設計的產品族為立式十字工作臺型，工作臺不升降三軸聯動數控銑床。

3.2 面向產品族的數控銑床功能分析

從數控銑床經過功能分解后得到的功能結構樹圖可以看出，根據模塊化設計的需要，最多處將數控銑床總功能分解至第四級子功能。雖然沒有得到外形功能這一子功能，但是其功能載體（銑床外罩等）所具有的其他功能（保護工作人員、觀察加工過程）在輔助切削功能中得到體現，所以模塊劃分的過程中外形功能因素也將隨之被考慮在內。

3.3 面向產品族的數控銑床結構分析

數控銑床的機械結構主要包括：主傳動系統、進給傳動系統、基礎支承件、輔助裝置。在引入各表現外觀造型的部件后，其中防護裝置與外觀造型直接相關，根據其功能的特點將其納入輔助裝置。

根據該數控銑床產品族結構組成中包含的結構組件間的裝配關系，進一步地進行面向工業設計，并基于已定義產品族的功能結構分解，得到數控銑床產品族裝配傳動關鍵結構圖。其中以床身部件作為的起點，對結構圖進行展開；導軌、滾珠絲杠、伺服電機后的整數1、2、3為部件編號，表示三處使用的是不同部件。

3.4 面向產品族的數控銑床造型分析

產品造型是相對感性的工作，其創新性和多樣性是產品工業設計實施重要表現之一，是產品工業設計的靈魂，這一點從千變萬化的手機造型設計中就不難看出；而計算機能完成的工作是基于數學和邏輯的運算，相對理性，這恰與工業設計的特點相矛盾。本文創新性地將計算機輔助技術與工業設計兩個矛盾體相結合，把利用智能計算機輔助技術進行數控銑床工業設計（即建立智能化的系統，根據用廠需求輸入提出數控銑床造型設計方案）作為目標。實現這一目標，提煉各數控銑床造型間的規律，就成為了必須。本節根據上文中定義的數控銑床模塊化工業設計產品族，對產品族下所包含的各型號數控銑床造型進行了分析和歸納。

另外，在省略了局部造型上的細小變化之后，數控銑床的造型呈現出四種相對固定的形式，它們的造型方法也相對簡潔和統一。這些造型上的有序性，使對數控銑床造型進行邏輯推理成為可能，為智能數控銑床計算機模塊化工業設計系統的建立打下了基礎。

4 數控銑床計算機模塊化工業設計系統的關鍵技術

本文提出的數控銑床計算機模塊化工業設計系統就是這樣一個基于知識的智能造型設計系統，它將基于實例的推理（CBR）技術融合進系統，根據用戶需求參數輸入，經過推理，生成數控銑床結構和造型方案，實現數控銑床模塊化工業設計的自動化。這里就基于虛擬幾何拓撲結構的數控銑床參數化造型的構建中的數控銑床造型特征編碼問題進行探討。

模塊編碼起著傳遞用戶需求和進行產品功能描述的作用，是建立在用戶和數據庫之間的橋梁和紐帶，是用戶和模塊以及模塊和模塊之間信息交流的語言。編碼的目的在于用規定的字符代碼和規則來表達確定的模塊信息，避免因直接用文字描述所引起的概念表達的多樣性、多義性和非標準化，從而為模塊的選擇和組合的計算機處理提供必要的條件。

本文根據數控銑床造型的特點，針對數控銑床計算機輔助模塊化工業設計系統建立的要求，對模塊的造型特征信息的編碼進行了研究，提出了一種基于造型拓撲結構的，二進制的造型特征信息編碼方法。

該編碼方法通過記錄拓撲結構之間的幾何約束關系，對數控銑床截面造型形式進行描述。基于以上數控銑床虛擬拓撲結構的構建方法，并且針對數控銑床截面造型形式的區別主要表現在截面正面的特點，用四位二進制數（O或1）對數控銑床截面造型特征信息進行編碼。為表示方便，造型正面三段拓撲結構由上至下分別用Segment1、Segment2、Segment3表示，其中Segment1和Segment3都為直線段，Segment2可能為直線段，亦可能為弧。

其中，1）當Segment2為弧時，其絕對幾何關系“豎直月E豎直”是指弧所在弦的絕對幾何關系；2）根據虛擬拓撲結構的定義，Segment1與Segment2，Segment2與Segment3分別相交或相切于它們的首尾連接點；3）兩直線段相切表示兩直線段共線。在虛擬拓撲結構的定義下，一個二進制造型特征信息編碼唯一對應一種造型形式，并且通過對二進制編碼的位運算，可以演化出不同形式的造型，適用于計算機的處理。

5 結束語

從大規模定制背景下國內數控機床企業所面臨的挑戰和模塊化設計、工業設計、以及計算機輔助設計等現代設計方法和設計技術的發展趨勢出發，創新性地將數控銑床模塊化設計、數控銑床工業設計和智能計算機輔助設計三者相結合，提出了以模塊化工業設計提高數控銑床產品競爭力的新方法，以及利用智能計算機輔助技術提高新產品研發造型設計效率的新途徑；針對傳統參數化建模所存在的程序編碼工作量大、效率低等不足，提出基于模型特征遍歷的參數化設計一般方法，充分利用了現有數控銑床CAD模型，大大提高效率的設計思想，對于今后提高數控機床水平具有一定幫助。

[1]吳俊庭,萬立.機床產品設計中的模塊化技術研究[J].中國機電工業,2007,（12）.

[2]劉小鵬,張衛國,鐘毅芳.機床模塊化設計中的模塊創建及應用[J].華中科技大學學報（自然科學版）,2000,28（5）.

[3]劉小鵬,吳俊庭,周濟.數控立式車床模塊化中的再設計過程研究[J].華中科技大學學報（自然科學版）,2000，28（5）.