0 引言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和對(duì)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(jī)床及其自動(dòng)線正在沖擊著傳統(tǒng)的組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)。用戶在追求高質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)，同時(shí)會(huì)考慮其個(gè)性化需求，追求美的外觀、低的價(jià)格和短的交貨期。因此，為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，組合機(jī)床行業(yè)必須不斷縮短新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間（Time）、提高質(zhì)量（Quality）、降低成本（Cost）、改進(jìn)服務(wù)（Server）、并增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)（Environment），只有這樣才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。面臨著這些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，組合機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)必須改變過去傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)的制造技術(shù)，以提高產(chǎn)品的質(zhì)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(chǎng)。

CAD/CAE/CAM/CAPP等先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)的推廣應(yīng)用，使許多組合機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)在其設(shè)計(jì)階段都采用了CAX技術(shù)。從早期AutoCAD輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，到以三維設(shè)計(jì)軟件NX、Pro/E等為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)的組合機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)、總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這些輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)在一定程度上減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)量，提高了設(shè)計(jì)效率，但當(dāng)組合機(jī)床設(shè)計(jì)涉及到方案決策、評(píng)價(jià)分析、重要參數(shù)選擇等方面時(shí)，往往需要設(shè)計(jì)師進(jìn)行較多的干預(yù)，設(shè)計(jì)師的水平在很大程度上決定了組合機(jī)床設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。組合機(jī)床的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：

(1)組合機(jī)床是典型的面向定單設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品，需根據(jù)加工對(duì)象及加工要求進(jìn)行即時(shí)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作量大，設(shè)計(jì)任務(wù)急，設(shè)計(jì)知識(shí)的運(yùn)用靈活；(2)組合機(jī)床設(shè)計(jì)中很多地方需要經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，但這些經(jīng)驗(yàn)知識(shí)缺乏有效的整理和歸納，知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的重用性和共享性差；(3)在組合機(jī)床生產(chǎn)過程中，設(shè)計(jì)周期占組合機(jī)床的生產(chǎn)周期比重過大，設(shè)計(jì)過程花費(fèi)的時(shí)間過多。因此，為了提高組合機(jī)床設(shè)計(jì)水平，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和速度，必須有效地將組合機(jī)床設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行整合，研發(fā)智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，建立知識(shí)庫(kù)，將專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范融合到系統(tǒng)中，模擬專家在組合機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)的思維決策過程，這樣設(shè)計(jì)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(jìn)行選擇與判斷，就可以完成組合機(jī)床的快速設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求。基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)正是針對(duì)組合機(jī)床和裝備制造業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)的快速需求而提出來(lái)的。

1 基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

用基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重用，是企業(yè)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低設(shè)計(jì)成本、提高設(shè)計(jì)效率、增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要手段。統(tǒng)計(jì)資料表明，當(dāng)研發(fā)一種新的產(chǎn)品時(shí)，往往有80%以上的零件在設(shè)計(jì)時(shí)可以參考借鑒或直接引用原有的產(chǎn)品圖紙，而對(duì)組合機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，可重復(fù)利用和借鑒的零部件數(shù)量就更多。組合機(jī)床就是以大量通用件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)或半自動(dòng)的模塊化專用機(jī)床。在組合機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jī)床的夾具設(shè)計(jì)時(shí)，將常用零部件組成各種參數(shù)可變的定位夾緊模塊，供設(shè)計(jì)人員根據(jù)被加工件的定位夾緊需要進(jìn)行調(diào)用和拼裝，各模塊中所用零部件的結(jié)構(gòu)盡可能相近或相似。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)不是創(chuàng)造一個(gè)新零件，而是按先檢索后設(shè)計(jì)的順序，充分利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)零件的工作量，在合理繼承的基礎(chǔ)上再進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用NX的WAVE技術(shù)和KBE技術(shù)，將組合機(jī)床設(shè)計(jì)的有關(guān)知識(shí)歸納整理，建立知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)制；通過對(duì)知識(shí)庫(kù)中設(shè)計(jì)知識(shí)的推理，引導(dǎo)用戶快速完成組合機(jī)床的設(shè)計(jì)過程。用戶只需輸入被加工對(duì)象及加工要求，改變或添加工藝參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶輸入的工藝參數(shù)依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過程，自動(dòng)生成新產(chǎn)品的數(shù)字化樣機(jī)。

圖1 組合機(jī)床設(shè)計(jì)模型

基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)建立的關(guān)鍵問題是如何將專家知識(shí)有效地融合到知識(shí)庫(kù)中，建立易于檢索和管理的實(shí)例庫(kù)和行之有效的推理機(jī)制。在實(shí)例庫(kù)的建庫(kù)過程中將零件喊部件）按功能、結(jié)構(gòu)、材料、尺寸和工藝等特征分類編碼，按相似性標(biāo)準(zhǔn)將零（部）件整理歸納為設(shè)計(jì)族，并根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(shí)例庫(kù)中；在進(jìn)行組合機(jī)床零部件設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)其編碼信息進(jìn)行相似度比較，對(duì)檢索出的實(shí)例模型進(jìn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)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(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 組合機(jī)床的設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

在進(jìn)行組合機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)中嵌入了設(shè)計(jì)推理和設(shè)計(jì)過程引導(dǎo)機(jī)制，設(shè)計(jì)者只需根據(jù)設(shè)計(jì)過程的引導(dǎo)通過人機(jī)界面輸入產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，系統(tǒng)調(diào)用人工智能系統(tǒng)進(jìn)行基于實(shí)例的推理，從實(shí)例庫(kù)中推理出最相似的實(shí)例。系統(tǒng)推理出的實(shí)例可能與設(shè)計(jì)需求存在一定的差距，系統(tǒng)運(yùn)用基于規(guī)則的推理并通過人工交互方式對(duì)實(shí)例進(jìn)行修改，初步確定組合機(jī)床的總體布局及相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸及安裝位置、匹配方式等主要信息；然后系統(tǒng)調(diào)用模型庫(kù)中已有的相似零部件模型進(jìn)行修改和參數(shù)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行參數(shù)化建模和裝配；完成組合機(jī)床的的參數(shù)化初裝配后基本上確定了組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)方案，接下來(lái)對(duì)照客戶要求和標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)是否滿足要求，如滿足設(shè)計(jì)要求則輸出設(shè)計(jì)結(jié)果，如不能滿足要求則返回到人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行基于規(guī)則的推理，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，重復(fù)上述過程直到設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求為止。

3 基于NX的組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)研制的技術(shù)路線

3.1 組合機(jī)床設(shè)計(jì)流程的確立

通過組合機(jī)床設(shè)計(jì)知識(shí)的收集，結(jié)合組合機(jī)床行業(yè)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定組合機(jī)床設(shè)計(jì)的人工設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)規(guī)則；通過對(duì)NX設(shè)計(jì)軟件中產(chǎn)品設(shè)計(jì)的Wave技術(shù)和系統(tǒng)工程方法進(jìn)行研究，確定了組合機(jī)床三維設(shè)計(jì)的一般流程；把組合機(jī)床的三維設(shè)計(jì)流程融入到智能化系統(tǒng)的開發(fā)中去，實(shí)現(xiàn)了組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)流程的智能化向?qū)А?/p>

3.2 定義工程規(guī)則

利用所挖掘的工程知識(shí)來(lái)定義組合機(jī)床設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)知識(shí)所組成的設(shè)計(jì)過程導(dǎo)引，從而實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品工程參數(shù)到三維模型幾何參數(shù)的轉(zhuǎn)化，并驅(qū)動(dòng)相關(guān)的設(shè)計(jì)過程。

3.3 組合機(jī)床控制結(jié)構(gòu)的建立

組合機(jī)床的三維設(shè)計(jì)主要是控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和零部件建模與裝配。在控制結(jié)構(gòu)中，通過基準(zhǔn)面和草圖，來(lái)定位各個(gè)組件的位置和形狀，這些基準(zhǔn)面的位置以及草圖尺寸通過表達(dá)式來(lái)控制。組合機(jī)床控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 組合機(jī)床控制結(jié)構(gòu)

在組合機(jī)床控制結(jié)構(gòu)中建立大量通過表達(dá)式參數(shù)控制的基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、草圖等，從而控制組合機(jī)床產(chǎn)品裝配中各個(gè)零部件的位置、形狀等，從而實(shí)現(xiàn)了組合機(jī)床自頂向下的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3.4 組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)組合機(jī)床設(shè)計(jì)內(nèi)容和模塊，設(shè)計(jì)組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面。

3.5 組合機(jī)床通用件原型庫(kù)的建立

通用件原型庫(kù)的建立融合了系統(tǒng)建模技術(shù)、XML技術(shù)和部件族的概念。運(yùn)用系統(tǒng)建模技術(shù)，根據(jù)工程知識(shí)和工程規(guī)則所確定的幾何參數(shù)，建立蘊(yùn)含產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的原型模型，當(dāng)用戶修改參數(shù)、更新工程知識(shí)和調(diào)整工程規(guī)則時(shí)，系統(tǒng)能激活相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)，使原型模型自動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。在通用件原型庫(kù)的建立過程中，采用XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)通用件庫(kù)中的關(guān)鍵參數(shù)、顯示參數(shù)的動(dòng)態(tài)配置。每一種通用件庫(kù)的部件文件都有對(duì)應(yīng)的XML文件。通用件原型庫(kù)的建立采用部件族概念，把具有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的部件通過部件族的方法建立起來(lái)，把關(guān)鍵參數(shù)或者更新參數(shù)通過表達(dá)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(guān)鍵參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)部件的更新，如圖6所示。

3.6 NX Open和Block Styler技術(shù)的使用

在組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)中，采用了全新的NX Open技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了NX二次開發(fā)中面向?qū)ο缶幊毯蚃ournal功能的結(jié)合使用，較傳統(tǒng)的UF開發(fā)技術(shù)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(shù)，該技術(shù)制作出來(lái)的界面和NX系統(tǒng)無(wú)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(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用效果分析

通過對(duì)組合機(jī)床設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)知識(shí)的研究，在NX平臺(tái)上建立組合機(jī)床快速設(shè)計(jì)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(duì)象和工藝要求，通過計(jì)算和推理，自動(dòng)選擇或按交互方式選擇組合機(jī)床的各通用部件；在過程導(dǎo)引指導(dǎo)下完成組合機(jī)床專用零部件的設(shè)計(jì)，快速生成滿足客戶需求的組合機(jī)床數(shù)字化樣機(jī)；

(2)系統(tǒng)易于擴(kuò)展和維護(hù)，可方便地完成對(duì)已有實(shí)例模型的檢索、修改和新實(shí)例的添加，便于設(shè)計(jì)知識(shí)的積累和知識(shí)的重用；

(3)輸出可用于指導(dǎo)生產(chǎn)的二維工程圖，自動(dòng)生成標(biāo)題欄、明細(xì)表，自動(dòng)生成三維裝配模型的爆炸圖。

(4)系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔、直觀，操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

該系統(tǒng)的使用，有助于三維CAD技術(shù)在組合機(jī)床及其他裝備制造業(yè)的推廣和應(yīng)用，有助于提升企業(yè)的創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力，加快制造業(yè)信息化進(jìn)程，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。