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)。用戶在追求高質量產(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)、提高質量(Quality)、降低成本(Cost)、改進服務(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)的設計方式,利用先進的設計方法和先進的制造技術,以提高產(chǎn)品的質量和性能,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等先進的設計制造技術的推廣應用,使許多組合機床生產(chǎn)企業(yè)在其設計階段都采用了CAX技術。從早期AutoCAD輔助設計系統(tǒng),到以三維設計軟件NX、Pro/E等為開發(fā)平臺,開發(fā)的組合機床模塊化設計系統(tǒng)、總體設計系統(tǒng),這些輔助設計系統(tǒng)在一定程度上減輕了設計人員的勞動量,提高了設計效率,但當組合機床設計涉及到方案決策、評價分析、重要參數(shù)選擇等方面時,往往需要設計師進行較多的干預,設計師的水平在很大程度上決定了組合機床設計水平和質量。組合機床的設計特點是:
(1)組合機床是典型的面向定單設計制造的產(chǎn)品,需根據(jù)加工對象及加工要求進行即時設計,產(chǎn)品設計工作量大,設計任務急,設計知識的運用靈活;(2)組合機床設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,設計周期占組合機床的生產(chǎn)周期比重過大,設計過程花費的時間過多。因此,為了提高組合機床設計水平,提高設計質量和速度,必須有效地將組合機床設計知識進行整合,研發(fā)智能化設計系統(tǒng),建立知識庫,將專家的經(jīng)驗知識和標準規(guī)范融合到系統(tǒng)中,模擬專家在組合機床設計時的思維決策過程,這樣設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計,提高設計效率,快速響應市場的需求。基于NX的組合機床快速設計系統(tǒng)正是針對組合機床和裝備制造業(yè)對設計的快速需求而提出來的。
1 基于NX的組合機床快速設計系統(tǒng)的功能實現(xiàn)
用基于NX的組合機床快速設計系統(tǒng),替代傳統(tǒng)的設計方法,實現(xiàn)知識的重用,是企業(yè)提高設計質量、降低設計成本、提高設計效率、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,當研發(fā)一種新的產(chǎn)品時,往往有80%以上的零件在設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)品設計而言,可重復利用和借鑒的零部件數(shù)量就更多。組合機床就是以大量通用件為基礎,設計時根據(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,供設計人員根據(jù)被加工件的定位夾緊需要進行調用和拼裝,各模塊中所用零部件的結構盡可能相近或相似。設計者在設計時不是創(chuàng)造一個新零件,而是按先檢索后設計的順序,充分利用現(xiàn)有的設計資料,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,減少新設計零件的工作量,在合理繼承的基礎上再進行創(chuàng)新設計。
基于NX的組合機床快速設計系統(tǒng),采用NX的WAVE技術和KBE技術,將組合機床設計的有關知識歸納整理,建立知識庫和推理機制;通過對知識庫中設計知識的推理,引導用戶快速完成組合機床的設計過程。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)設計規(guī)則來驅動設計過程,自動生成新產(chǎn)品的數(shù)字化樣機。
圖1 組合機床設計模型
基于NX的組合機床快速設計系統(tǒng)建立的關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喊部件)按功能、結構、材料、尺寸和工藝等特征分類編碼,按相似性標準將零(部)件整理歸納為設計族,并根據(jù)企業(yè)標準對其進行標準化處理,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)和結構特征的編輯修改,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的組合機床快速設計系統(tǒng)的設計流程
基于NX的組合機床快速設計系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。
圖2 組合機床的設計系統(tǒng)框圖
在進行組合機床設計時,系統(tǒng)中嵌入了設計推理和設計過程引導機制,設計者只需根據(jù)設計過程的引導通過人機界面輸入產(chǎn)品設計需求,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零部件的結構尺寸及安裝位置、匹配方式等主要信息;然后系統(tǒng)調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計方案,接下來對照客戶要求和標準檢驗是否滿足要求,如滿足設計要求則輸出設計結果,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,對設計方案進行修改,重復上述過程直到設計方案滿足設計要求為止。
3 基于NX的組合機床快速設計系統(tǒng)研制的技術路線
3.1 組合機床設計流程的確立
通過組合機床設計知識的收集,結合組合機床行業(yè)工程師的設計經(jīng)驗,確定組合機床設計的人工設計流程和設計規(guī)則;通過對NX設計軟件中產(chǎn)品設計的Wave技術和系統(tǒng)工程方法進行研究,確定了組合機床三維設計的一般流程;把組合機床的三維設計流程融入到智能化系統(tǒng)的開發(fā)中去,實現(xiàn)了組合機床快速設計流程的智能化向導。
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)則和設計知識所組成的設計過程導引,從而實現(xiàn)從產(chǎn)品工程參數(shù)到三維模型幾何參數(shù)的轉化,并驅動相關的設計過程。
3.3 組合機床控制結構的建立
組合機床的三維設計主要是控制結構的設計和零部件建模與裝配。在控制結構中,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。組合機床控制結構如圖3所示。
圖3 組合機床控制結構
在組合機床控制結構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)化設計。
3.4 組合機床快速設計系統(tǒng)界面設計
根據(jù)組合機床設計內容和模塊,設計組合機床快速設計系統(tǒng)界面。
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、XML技術和部件族的概念。運用系統(tǒng)建模技術,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)品設計知識的原型模型,當用戶修改參數(shù)、更新工程知識和調整工程規(guī)則時,系統(tǒng)能激活相應的產(chǎn)品設計知識,使原型模型自動更新,實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設計。在通用件原型庫的建立過程中,采用XML技術實現(xiàn)對通用件庫中的關鍵參數(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,把具有相同拓撲結構的部件通過部件族的方法建立起來,把關鍵參數(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鍵參數(shù)就可以實現(xiàn)部件的更新,如圖6所示。
3.6 NX Open和Block Styler技術的使用
在組合機床快速設計系統(tǒng)的開發(fā)中,采用了全新的NX Open技術,實現(xiàn)了NX二次開發(fā)中面向對象編程和Journal功能的結合使用,較傳統(tǒng)的UF開發(fā)技術極大地提高了效率。Block Styler是Siemens PLM Software公司推出的NX全新的界面制作技術,該技術制作出來的界面和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的組合機床快速設計系統(tǒng)使用效果分析
通過對組合機床設計流程和設計知識的研究,在NX平臺上建立組合機床快速設計系統(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;在過程導引指導下完成組合機床專用零部件的設計,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,便于設計知識的積累和知識的重用;
(3)輸出可用于指導生產(chǎn)的二維工程圖,自動生成標題欄、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技術在組合機床及其他裝備制造業(yè)的推廣和應用,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。
(審核編輯: Doris)
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