數控機床模塊化設計系統研究與實現

瞿一帆，仲梁維，劉士標

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引 言

隨著工業技術的快速發展，數控機床作為工業的基礎所面臨的要求也日新月異。然而數控機床的設計與制造的技術相對還比較傳統，其設計繁雜，大部分的設計過程都是由設計人員人工完成設計的。此過程中需要對本產品設計擁有經驗十分豐富的工程師做大量的計算以及不斷修改，就算是相似的產品也要進行這些步驟，導致了設計過程中出現錯誤的可能性大大增加，并且使得設計周期增長。為了適應市場的發展速度，企業競爭的核心已聚焦在如何快速滿足客戶的需求上。因此，為了提高企業的設計效率，已是勢在必行［1］。

模塊化作為一種新型的設計方法是在傳統設計的基礎上演變而來的，可以滿足產品生產時的多樣性以及瞬變性等需求。將模塊化技術運用到數控機床產品設計中，最大程度地縮短了產品的設計周期，提升了企業的高效生產力和市場的競爭力。為企業的高速高效的生產提供技術支持，符合現代制造業的生產規范，實現企業零部件加工產品的生產規模和生產的高速發展。

1 模塊化設計的基本理論

模塊化設計作為一種被賦予現代內涵的設計思想、方法和理論，其主要是為了提高產品的多樣性。通過對于現有產品的基本特征進行分析和歸納，將產品根據其功能以及結構上等基本特征劃分為不同的模塊，并將這些功能模塊按照新產品的需求進行重組。企業也可以對于功能以及機構相似的模塊進行一定的標準化，實現資源的重復利用，增加企業產品的多樣化。

模塊化設計思想作為新的設計方法，基于模塊化的設計系統的開發和應用都是在一定的理論支撐下進行的，其所需要的理論主要包括以下四個：系統論原理、相似性原理、分解與組合原理以及重用性與標準化原理［2］。

模塊的劃分是進行產品模塊化設計的一個重要組成部分，將設計的產品劃分為若干模塊并作為基本模塊單元，以這些單元來進行產品的設計，而劃分的模塊需包含下面幾個特征：標準化、互換性、通用性［3］。通過模塊的劃分，可以讓設計出來的產品具有較高的互換性和通用性，大大降低設計成本和復雜程度。模塊劃分可劃分為以下步驟：（1）獲取客戶需求，并利用QFD技術將客戶需求轉化為產品的實際設計參數；（2）產品系統的功能分析和研究；（3）產品功能模塊劃分。

模塊化設計的另一個重要組成部分是模塊模型的參數化設計與建模。參數化設計（Parametric Design）是針對結構形式上相對比較固定的零件（或者部件），構建一組參數來對零部件的幾何圖形進行結構尺寸約束，當經過參數設置得到一組新的參數值的時候，就可以自動驅動形成滿足新的設計要求的、包含設計信息的產品模型［4，5］。模塊化模型的建則可分為幾何建模、信息建模和知識模型三部分。幾何建模是模塊的圖形載體、信息建模包括了模塊的各種信息，而知識模型可以讓已有的產品常識以及經驗等在模塊化設計中得以運用。

2 基于模塊化的數控機床設計系統的關鍵技術

2.1 系統的模塊化劃分

模塊劃分是進行模塊化設計的基礎和前提，模塊劃分結果的好壞關系直接影響著模塊化設計成功與否，國內外學者對模塊劃分的方法進行了很多研究，并提出了各種各樣的方法。與傳統數控機床產品設計方法相比，模塊化設計不是針對單個產品，而是面向整個產品族進行設計的。模塊化設計的目的是將已有的設計資源得到最大程度的重用，也即是以盡可能少的模塊種類和數量，重組成符合設計要求的多規格、多種類的產品，使設計資源達到最大利用率。

數控機床設計的最終目的是為了能夠生產出滿足客戶功能的產品，因此設計中的一個重要的過程就是進行功能分析。功能分析主要包括功能的認識，功能的分析、分解以及組合。在進行對已有的產品進行改造設計時，從功能的認識和分析出發才能了解到新產品與舊產品之間的本質區別。數控機床產品的總功能是按照客戶的要求抽象出來的，類似數控機床這樣的大型機械產品其構成比較復雜，很難直接由總功能設計出滿足要求的產品。由于整個系統是可以分解的，所以可以把總的功能分解成能相互獨立的一級子功能、二級子功能、三級子功能等，最后到基本功能單元。

數控機床產品通過一級子功能分解主要分為主運動系統、進給運動系統、換刀系統、工作臺分度回轉功能、支撐功能和輔助功能等6個子功能。然后通過二級子功能分解分別將6個一級子功能對應劃分為13個二級子功能，依次進行下一級分解，最終得到基本功能單元，如圖1所示。

圖1 數控機床產品功能分解

數控機床產品模塊化之后，不僅可以降低之后設計過程的復雜性，也可以方便后續調整以及維護工作。數控機床產品設計系統可以根據客戶需求，將所需要的模塊進行修改與組合，就能完成對產品的快速設計。

2.2 參數化建模

參數化建模的基礎是建立零件的參數化模型。對于數控機床模塊化設計系統而言，系統能夠從健全的模塊庫中調用產品模塊模型和設計信息模板，并將這些模板進行保存，運用到下一次產品設計中，是系統能夠快速、準確地運行并最終設計出符合客戶需求的新產品的重要前提。

建立零件參數化模型有以下主要步驟：

（1）在建立零件模型之前，對零件的尺寸參數和特征進行分析，分析出模型的主動參數、從動參數，各參數之間的關系以及根據零件的特征選擇合理的創建方法與順序。

（2）創建模型的草圖，并添加對應的幾何約束關系，首先生成零件的主要特征（如拉伸等），然后再生成其次要特征（如圓角、倒角等）。

（3）由于模型驅動之后生成的工程圖中有BOM表，表中有各零件對應的信息，如：零件名稱、數量、重量、材料等信息，這些信息會隨著零件參數設置的不同而聯動地發生改變，這種聯動關系可以在程序里面完成，但是這樣處理會比較繁瑣且也沒有必要。因此可以在零部件建模時做統一規定，即在模型創建好了通過添加自定義屬性來完成零部件信息的提取，使屬性和BOM表里各欄屬性值對應，從而生成工藝信息表格，可以實現聯動改變。

其次，參數化建模需要將各個零件組成為可以進行模塊劃分的組件。組件參數化模型的建立主要是將相關零件按照尺寸約束、位置關系、配合特征等進行組合，構成能滿足特定功能的產品。組件的參數化建模中所需要注意的是，組件模型應該要能隨著零件的變化同步進行更新。

參數化建模的最后，需要建立數控機床產品模塊的信息模型。模塊化產品一般是按照模塊為單位來進行生產管理，進行模塊化設計時，合理的模塊編碼有利于模塊的選擇、模塊的組合和模塊的管理等多方面的工作，是進行模塊化設計和制造的前提和基礎。數控機床的產品模塊編碼包括對模塊的編碼以及模塊接口的編碼等。

編碼是為了用規定的字符來代表冗長的文字概述。將編碼技術用在模塊分類系統中，也就是用一組包含完全表征模塊信息的編碼來唯一地識別某個模塊。這樣方便使模塊的主要參數以及功能特性字符化和代碼化，以便于信息的存儲、傳輸、檢索以及數據庫的共用等。模塊編碼需要滿足緊湊簡潔、代碼唯一、適應性強、含義明確、前后一致、識別性高、操作性強和使用穩定等特點。

通過對數控機床產品的模塊信息模型分析，可以得出模塊的主碼為18位。分別包括編碼版本信息碼1位，模塊叢屬關系碼10位，模塊的特征信息碼6位和備用碼1位，具體結構如表1所示。

表1 數控機床模塊的主碼

數控機床產品模塊模型的建模是模塊化設計系統中模塊管理和配置的基礎。通過幾何模型、信息模型和知識模型三方面可以建立數控機床模塊的模型結構，并對模塊模型進行編碼設計，保證后續模塊配置使用以及模塊庫擴充與更新。

2.3 模塊配置技術

模塊的配置就是根據客戶數控機床產品的特定需求，檢索選擇適合的模塊然后由標準接口進行各模塊之間的連接，最后自動裝配成符合要求的產品過程，它是模塊化設計中成功的關鍵。

數控機床模塊的自動裝配是指在模塊選擇以后，根據數控機床產品的要求或客戶的需求將不同的零件參數化模塊以及組件參數化模塊進行自動裝配，形成符合客戶需求的數控機床產品的過程。

基于實例推理選擇了相似實例后，提取對應模塊，依據模塊接口編碼找出對應的配合接口，然后比較模塊的接口信息。當接口類型和接口參數都相符，則說明兩模塊之間存在可進行裝配的接口。通過兩模塊之間接口的比對，確定模塊之間的裝配關系，例如：重合、同軸、平行、垂直等。

數控機床的模塊配置技術主要分為模塊的選擇以及自動裝配。通過實例推理技術的運用可以在數控機床模塊化配置時選擇適當的模塊，然后通過模塊間接口的對比選擇適當的裝配關系，讓模塊形成成品。為實現數控機床模塊化設計系統邁出了最為關鍵的一步。

3 系統開發實例

數控機床模塊化設計系統以 VB.NET （Microsoft Visual Studio 2008）為開發軟件，通過 Microsoft SQL Server數據庫，對產品知識信息進行數據存儲。使用Solidworks作為三維CAD軟件。實現的主要功能有：（1）實現快速的產品參數化三維實體建模；（2）繪制出三維模型的工程圖；（3）導出產品的BOM（Bill of Material）表。數控機床模塊化設計系統流程圖如圖2所示。

圖2 數控機床模塊化設計系統流程圖

整個系統主要包括兩大部分：

（1）數控機床產品模塊的劃分及模塊模型構建，主要實現對輸入的數控機床產品進行功能及結構分析并進行功能及結構分解，建立參數化模型，設計模塊接口以及編碼，將建立模塊模型結果儲存到產品零部件模塊庫中等功能；

通過數控機床模塊化劃分，可以將已有的數控機床劃分為不同的結構模塊，需要保證劃分的模塊在結構和功能上具有獨立性和互換性。圖3所示的是模塊編碼界面，是將已建模的模塊編碼保存以備之后配置時使用的一個重要步驟。

（2）數控機床模塊的配置，主要實現輸入需求并規范化、實例檢索、實例配置、輸出并儲存結果等功能。

圖3 模塊編碼界面

數控機床的模塊配置包含模塊的選擇與裝配兩個方面。模塊的選擇共有兩個步驟，首先根據客戶的配置從系統界面確定參數，對模塊庫進行檢索選擇相似實例，如果存在滿足客戶需求的方案，則通過實例推理機制選擇出相似度較高的產品方案，否則提示模塊庫無此模塊或無相似模塊。配置完成后進行模塊的裝配工作。模塊裝配就是將已修正模塊按照各模塊之間的接口將其裝配成符合客戶所需求產品的過程，圖4所示為數控龍門銑床的裝配體模型。該數控銑床為1×3 m數控龍門銑床，整體規格為床身長6 670 mm，整體機床高度為2 300 mm，寬為2 580 mm，主要模塊包括主軸單元、過渡軸單元、橫梁、立柱、床身、工作臺、滑枕、拖板、X軸絲桿、Y軸絲桿等。

圖4 數控龍門銑床的裝配體模型

4 結束語

文本以數控機床產品族為研究對象，對機械產品模塊化設計的理論、方式與一般過程、實現的方法和關鍵技術進行研究，以模塊化設計技術為基礎，將參數化作為模塊的變型設計為手段，數據庫作為系統資源管理工具，并結合企業的實際需求，開發出了數控機床模塊化設計系統，實現系統的智能化配置設計和模塊模型的變型設計，使企業快速響應市場需求。

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