數(shù)控銑床計算機模塊化工業(yè)設計研究

胡亞蓉，李祖志

HU Ya-rong，LI Zu-zhi

（宜賓職業(yè)技術(shù)學院，宜賓 644003）

0 引言

對于數(shù)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(shù)控銑床外觀造型單調(diào)，所以對模塊化數(shù)控銑床進行工業(yè)設計就成了必須。數(shù)控銑床的模塊化工業(yè)設計是在對數(shù)控銑床實施模塊化設計的基礎(chǔ)上，進行整機和模塊的工業(yè)造型設計，是兩種現(xiàn)代設計方法的有機結(jié)合[1]，本文主要分析了數(shù)控銑床計算機模塊化工業(yè)設計相關(guān)問題，對于提高我國數(shù)控機床水平具有一定作用。

1 數(shù)控銑床模塊化工業(yè)設計概述

數(shù)控銑床模塊化工業(yè)設計的基礎(chǔ)是進行數(shù)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(shù)相同的一組產(chǎn)品，通過選用不同的特定模塊形成不同產(chǎn)品的模塊化，例如數(shù)控銑床主參數(shù)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(chǎn)品；縱系列模塊化是指對主參數(shù)發(fā)生變化的產(chǎn)品系列進行模塊化設計，數(shù)控銑床的主參數(shù)為工作臺工作面寬度，所以針對數(shù)控銑床的縱系列模塊化是指把工作臺工作面寬度參數(shù)不同的各型號數(shù)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(nèi)進行統(tǒng)一的模塊化設計，則稱為全系列模塊化設計。

在進行數(shù)控銑床的模塊化設計之前，必須對現(xiàn)有數(shù)控銑床產(chǎn)品型譜，主要參數(shù)等進行周密的規(guī)劃，建立主參數(shù)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(shù)控銑床模塊化設計產(chǎn)品族，并在此基礎(chǔ)上進行數(shù)控銑床的模塊劃分[2,3]。為了實現(xiàn)計算機輔助模塊化設計，以及模塊化生產(chǎn)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(chǎn)品。對于數(shù)控銑床，其功能已經(jīng)確定，即基礎(chǔ)功能結(jié)構(gòu)模塊已經(jīng)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(shù)控銑床模塊化工業(yè)設計的方法

數(shù)控銑床的模塊化工業(yè)設計，以銑床模塊為基礎(chǔ)，在模塊劃分結(jié)束之后，進入數(shù)控銑床模塊化設計流程，即作為模塊的詳細設計內(nèi)容之一展開。本文在數(shù)控銑床的模塊化工業(yè)設計這一前提下，根據(jù)模塊與銑床造型的相關(guān)程度，對模塊進行如下分類：1）功能結(jié)構(gòu)模塊：這類模塊是實現(xiàn)銑床主功能（銑削加工）的模塊，與外觀造型無關(guān)，一般都是銑床內(nèi)部的，不可見的機械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)控銑床的主功能模塊，又與銑床的造型相關(guān)，在實現(xiàn)銑床的主功能的前提下，與銑床造型風格樣式實現(xiàn)統(tǒng)一。除了第一類模塊，其它兩類模塊都與外觀造型有關(guān)。

在進行模塊的工業(yè)設計時，模塊與模塊間并不是孤立的。從工業(yè)設計的角度來看，簡單地追求單個模塊最優(yōu)造型并不一定能達到整體造型的最優(yōu)，所以數(shù)控銑床產(chǎn)品的造型設計也要從整體出發(fā)，宏觀地對數(shù)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(yè)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(guān)的數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)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(xiàn)相互關(guān)聯(lián)，所以在設計時不僅需要符合模塊自身的功能結(jié)構(gòu)，還必須滿足模塊間的接口功能要求。

3 面向產(chǎn)品族的數(shù)控銑床分析

3.1 數(shù)控銑床產(chǎn)品族的建立

產(chǎn)品族是主參數(shù)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(chǔ)。產(chǎn)品族模型由功能模型、原理模型和結(jié)構(gòu)模型組成，所以在數(shù)控銑床模塊化設計過程中，產(chǎn)品族的建立必須綜合考慮功能域、原理域和結(jié)構(gòu)域這三方面因素。

從功能域角度來看，數(shù)控銑床主要功能為銑削加工，兼有鉆、鏜削加工等，根據(jù)配置的數(shù)控系統(tǒng)功能不同，數(shù)控銑床的加工能力也有所不同，兩軸坐標聯(lián)動可以實現(xiàn)平面類零件的加工，兩軸半坐標聯(lián)動可以實現(xiàn)較簡單的空間曲面加工，用三坐標或多坐標聯(lián)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(shù)控銑床工作原理大致相同。數(shù)控銑床工作前，都要預先根據(jù)被加工零件的要求，確定零件加工工藝過程、工藝參數(shù)，并按一定的規(guī)則形成數(shù)控系統(tǒng)能理解的數(shù)控加工程序。然后用適當?shù)姆绞綄⒓庸こ绦蜉斎霐?shù)控銑床的數(shù)控裝置中，由數(shù)控銑床來運行數(shù)控加工程序，數(shù)控裝置會根據(jù)數(shù)控加工程序中的內(nèi)容，發(fā)出各種控制指令，同時向特殊的執(zhí)行單元發(fā)出數(shù)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(shù)控銑床基本結(jié)構(gòu)來看，數(shù)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(yè)部發(fā)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(shù)控銑床模塊化設計的產(chǎn)品族為立式十字工作臺型，工作臺不升降三軸聯(lián)動數(shù)控銑床。

3.2 面向產(chǎn)品族的數(shù)控銑床功能分析

從數(shù)控銑床經(jīng)過功能分解后得到的功能結(jié)構(gòu)樹圖可以看出，根據(jù)模塊化設計的需要，最多處將數(shù)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(xiàn)，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(nèi)。

3.3 面向產(chǎn)品族的數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)分析

數(shù)控銑床的機械結(jié)構(gòu)主要包括：主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、基礎(chǔ)支承件、輔助裝置。在引入各表現(xiàn)外觀造型的部件后，其中防護裝置與外觀造型直接相關(guān)，根據(jù)其功能的特點將其納入輔助裝置。

根據(jù)該數(shù)控銑床產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)組成中包含的結(jié)構(gòu)組件間的裝配關(guān)系，進一步地進行面向工業(yè)設計，并基于已定義產(chǎn)品族的功能結(jié)構(gòu)分解，得到數(shù)控銑床產(chǎn)品族裝配傳動關(guān)鍵結(jié)構(gòu)圖。其中以床身部件作為的起點，對結(jié)構(gòu)圖進行展開；導軌、滾珠絲杠、伺服電機后的整數(shù)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(chǎn)品族的數(shù)控銑床造型分析

產(chǎn)品造型是相對感性的工作，其創(chuàng)新性和多樣性是產(chǎn)品工業(yè)設計實施重要表現(xiàn)之一，是產(chǎn)品工業(yè)設計的靈魂，這一點從千變?nèi)f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(shù)學和邏輯的運算，相對理性，這恰與工業(yè)設計的特點相矛盾。本文創(chuàng)新性地將計算機輔助技術(shù)與工業(yè)設計兩個矛盾體相結(jié)合，把利用智能計算機輔助技術(shù)進行數(shù)控銑床工業(yè)設計（即建立智能化的系統(tǒng)，根據(jù)用廠需求輸入提出數(shù)控銑床造型設計方案）作為目標。實現(xiàn)這一目標，提煉各數(shù)控銑床造型間的規(guī)律，就成為了必須。本節(jié)根據(jù)上文中定義的數(shù)控銑床模塊化工業(yè)設計產(chǎn)品族，對產(chǎn)品族下所包含的各型號數(shù)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(shù)控銑床的造型呈現(xiàn)出四種相對固定的形式，它們的造型方法也相對簡潔和統(tǒng)一。這些造型上的有序性，使對數(shù)控銑床造型進行邏輯推理成為可能，為智能數(shù)控銑床計算機模塊化工業(yè)設計系統(tǒng)的建立打下了基礎(chǔ)。

4 數(shù)控銑床計算機模塊化工業(yè)設計系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

本文提出的數(shù)控銑床計算機模塊化工業(yè)設計系統(tǒng)就是這樣一個基于知識的智能造型設計系統(tǒng)，它將基于實例的推理（CBR）技術(shù)融合進系統(tǒng)，根據(jù)用戶需求參數(shù)輸入，經(jīng)過推理，生成數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)和造型方案，實現(xiàn)數(shù)控銑床模塊化工業(yè)設計的自動化。這里就基于虛擬幾何拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)控銑床參數(shù)化造型的構(gòu)建中的數(shù)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(chǎn)品功能描述的作用，是建立在用戶和數(shù)據(jù)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(guī)定的字符代碼和規(guī)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(jù)數(shù)控銑床造型的特點，針對數(shù)控銑床計算機輔助模塊化工業(yè)設計系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)之間的幾何約束關(guān)系，對數(shù)控銑床截面造型形式進行描述。基于以上數(shù)控銑床虛擬拓撲結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，并且針對數(shù)控銑床截面造型形式的區(qū)別主要表現(xiàn)在截面正面的特點，用四位二進制數(shù)（O或1）對數(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)系“豎直月E豎直”是指弧所在弦的絕對幾何關(guān)系；2）根據(jù)虛擬拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)束語

從大規(guī)模定制背景下國內(nèi)數(shù)控機床企業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)和模塊化設計、工業(yè)設計、以及計算機輔助設計等現(xiàn)代設計方法和設計技術(shù)的發(fā)展趨勢出發(fā)，創(chuàng)新性地將數(shù)控銑床模塊化設計、數(shù)控銑床工業(yè)設計和智能計算機輔助設計三者相結(jié)合，提出了以模塊化工業(yè)設計提高數(shù)控銑床產(chǎn)品競爭力的新方法，以及利用智能計算機輔助技術(shù)提高新產(chǎn)品研發(fā)造型設計效率的新途徑；針對傳統(tǒng)參數(shù)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(shù)化設計一般方法，充分利用了現(xiàn)有數(shù)控銑床CAD模型，大大提高效率的設計思想，對于今后提高數(shù)控機床水平具有一定幫助。

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

[2]劉小鵬,張衛(wèi)國,鐘毅芳.機床模塊化設計中的模塊創(chuàng)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(shù)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）.