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。