系統(tǒng)工程方法在組合機(jī)床設(shè)計(jì)中的研究和應(yīng)用

1、系統(tǒng)工程方法在組合機(jī)床設(shè)計(jì)中的研究和應(yīng)用【摘要】目前組合機(jī)床設(shè)計(jì)中正在從傳統(tǒng)的兩維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換過程中，本論文分析了在UG NX平臺(tái)上把UG Wave系統(tǒng)工程的方法應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的原理，提出了把該方法應(yīng)用到組合機(jī)床的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中詳細(xì)的思路和步驟。該方法提高了組合機(jī)床設(shè)計(jì)的產(chǎn)品級(jí)參數(shù)化水平和相關(guān)性，對(duì)組合機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)的水平和效率提高有重要的意義。提出了把自頂向下的系統(tǒng)工程的方法應(yīng)用到復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般的方法。論文關(guān)鍵詞：UGWAVE,系統(tǒng)工程,參數(shù)化,相關(guān)性引言機(jī)床是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)開展的根底。組合機(jī)床行業(yè)的水平代表了國(guó)家裝備制造業(yè)的技術(shù)水平，組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)主要對(duì)汽車、摩托車、內(nèi)燃機(jī)、農(nóng)

2、機(jī)、工程機(jī)械、化工機(jī)械、軍工、能源、輕工及家電等行業(yè)提供專用設(shè)備。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、降低本錢Cost、改良效勞Server、并增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)Environment，只有這樣才能在劇烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。面臨著這些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，將信息技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)組合機(jī)床行業(yè)并對(duì)之進(jìn)行改造，是現(xiàn)代組合機(jī)床行業(yè)開展的必由之路。目前組合機(jī)床設(shè)計(jì)的信息化水平較低，組合機(jī)床的設(shè)計(jì)具有搭積木;式的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，是由大量通用件和少量專用件組合而成的。組合機(jī)床的設(shè)計(jì)一般包含總體設(shè)計(jì)、多軸箱設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、以及其他局部的設(shè)計(jì)等組成。組合機(jī)床的主體設(shè)計(jì)模式還

3、停留在傳統(tǒng)的二維圖紙的設(shè)計(jì)模式。當(dāng)前三維的數(shù)字化設(shè)計(jì)以成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流，探索出一條實(shí)用的符合企業(yè)需用的組合機(jī)床的設(shè)計(jì)流程對(duì)組合機(jī)床的開展將起到巨大推動(dòng)作用，也將對(duì)其他行業(yè)產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)流程的建立起到示范的作用，對(duì)三維技術(shù)的推廣將起到積極的作用。1、UG/WaveWAVE(What-if Alternative Value Engineering)最早由美國(guó)Siemens公司推出，是一種實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配的各組件間關(guān)聯(lián)建模的技術(shù)。采用關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體方法來控制總體裝配結(jié)構(gòu)(在不同的組件之間關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體)，從而保證整個(gè)裝配和零部件的參數(shù)關(guān)聯(lián)性，最適合于復(fù)雜產(chǎn)品的幾何界面相關(guān)性、產(chǎn)品系列化和變型產(chǎn)品

4、的快速設(shè)計(jì)。WAVE是在概念設(shè)計(jì)和最終產(chǎn)品之間建立一種相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)方法，能對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品(如汽車車身)的總裝配設(shè)計(jì)、相關(guān)零部件和模具設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的控制?？傮w設(shè)計(jì)可以嚴(yán)格控制分總成和零部件的關(guān)鍵尺寸與形狀，而無(wú)需考慮細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)；當(dāng)總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸修改后，分總成和零部件的設(shè)計(jì)自動(dòng)更新，從而防止了零部件的重復(fù)設(shè)計(jì)的浪費(fèi)，使得后續(xù)零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)得到到有效的管理和再利用，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。2、系統(tǒng)工程方法Wave技術(shù)從最初推出到現(xiàn)在最新的NX7.5版本中Wave的應(yīng)用，有三種較為成熟的應(yīng)用模式。一是局部部件間的相關(guān)性建模，它實(shí)現(xiàn)的是局部間部件的形狀特征、時(shí)間的相關(guān)性的細(xì)節(jié)

5、設(shè)計(jì)，它是Wave技術(shù)的最根本的用法，比方化油器的墊片設(shè)計(jì)等。二是自頂相下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，用總體概念設(shè)計(jì)控制細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要通過草圖和曲線來控制產(chǎn)品的全局參數(shù)設(shè)計(jì)，用于中等復(fù)雜程度的零件設(shè)計(jì)；三是系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案由少數(shù)幾個(gè)全局的參數(shù)來控制，比方飛機(jī)的設(shè)計(jì)，汽車的設(shè)計(jì)等。 圖1 系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法圖2 被加工件零件圖系統(tǒng)工程的方法采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，將一個(gè)大型復(fù)雜產(chǎn)品分解為總體控制結(jié)構(gòu)和假設(shè)干具有關(guān)聯(lián)性的子系統(tǒng),見圖1。每個(gè)子系統(tǒng)都在保持與控制結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的條件下，可以獨(dú)立地開展設(shè)計(jì)工作，同時(shí)滿足產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)的要求。采用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)

6、的關(guān)鍵點(diǎn)就是控制結(jié)構(gòu)的建立，Wave控制結(jié)構(gòu)是一個(gè)裝配。在保證關(guān)聯(lián)性的條件下，可以將產(chǎn)品總布置設(shè)計(jì)和子系統(tǒng)別離出來，形成各自獨(dú)立的裝配結(jié)構(gòu)，以滿足總體控制和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的不同需要，特別適用于大型復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。在Wave控制結(jié)構(gòu)的頂級(jí)裝配中，通常包含產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)，如汽車軸距或飛機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度。這些參數(shù)用于驅(qū)動(dòng)幾何對(duì)象，如基準(zhǔn)、草圖、外形曲面等，而幾何對(duì)象定義了子系統(tǒng)的約束并且表達(dá)了設(shè)計(jì)規(guī)那么。在系統(tǒng)工程的方法中一般包含了兩種裝配樹結(jié)構(gòu)，一種就是控制結(jié)構(gòu)，另外一種是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹由產(chǎn)品裝配子系統(tǒng)組成?？刂平Y(jié)構(gòu)與產(chǎn)品裝配子系統(tǒng)之間采用連接部件方法，建立獨(dú)立的關(guān)聯(lián)性部件。在控制結(jié)構(gòu)中看不到連接

7、部件。另外，由于連接部件是單獨(dú)部件文件，因此需要另外定義產(chǎn)品子系統(tǒng)的裝配結(jié)構(gòu)?？刂平Y(jié)構(gòu)由總設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)，通過產(chǎn)品的全局參數(shù)控制產(chǎn)品的根本特征型號(hào)；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中的連接部件是由總設(shè)計(jì)師由控制結(jié)構(gòu)中的起始部件同Wave的方式創(chuàng)立連接部件的方式產(chǎn)生，是設(shè)計(jì)小組開始設(shè)計(jì)的原始部件，如果產(chǎn)品足夠復(fù)雜，小組設(shè)計(jì)師也可以進(jìn)一步生成更細(xì)層次的連接部件交由下游的設(shè)計(jì)小組設(shè)計(jì)。各級(jí)設(shè)計(jì)小組完成設(shè)計(jì)提交后，只需要把連接部件作為裝配組件以絕對(duì)定位的方式加載裝配，就可以生成產(chǎn)品裝配樹。3、組合機(jī)床的總體設(shè)計(jì)以氣缸體雙面鉆的組合機(jī)床設(shè)計(jì)為例，該零件兩個(gè)端面的孔通過鉆削加工生成，本文中把這兩個(gè)端面分別稱為前端面和后端面，見圖2

8、，組合機(jī)床類型為單工位、雙面、臥式鉆削組合機(jī)床，使用UG Wave系統(tǒng)工程的方法來進(jìn)行組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)。前期的設(shè)計(jì)流程和傳統(tǒng)的組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)類似，通常是根據(jù)與客戶簽訂的合同和技術(shù)協(xié)議書，針對(duì)具體加工零件，擬定工藝和結(jié)構(gòu)方案，并進(jìn)行方案圖樣和有關(guān)技術(shù)文件的設(shè)計(jì)。主要包括制定工藝方案確定零件在組合機(jī)床上完成的工藝內(nèi)容及加工方法，選擇定位基準(zhǔn)和夾緊部位，確定工步和刀具種類及其結(jié)構(gòu)形式，選擇計(jì)算切削用量等、確定機(jī)床配置型式、制訂影響機(jī)床總體布局和技術(shù)性能的主要部件的結(jié)構(gòu)方案等，這些不是本篇論文重點(diǎn)，本文研究的是一種基于產(chǎn)品的自頂向下的三維設(shè)計(jì)理念及其在組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，所以，本文的研究總體設(shè)

9、計(jì)參數(shù)計(jì)算開始，研究的重點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的建立，以及兩者之間的關(guān)聯(lián)。在基于Wave的系統(tǒng)工程的方法的組合機(jī)床設(shè)計(jì)中，總設(shè)計(jì)師根據(jù)組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)組合機(jī)床的控制結(jié)構(gòu)，在控制結(jié)構(gòu)中把組合機(jī)床設(shè)計(jì)分成主軸箱設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、通用件選擇設(shè)計(jì)等幾個(gè)子模塊，通過Wave的方式生成子模塊連接部件，把這些連接部件交由專門的設(shè)計(jì)小組設(shè)計(jì)，各個(gè)專門設(shè)計(jì)小組完成設(shè)計(jì)后，由總設(shè)計(jì)師在NX交互環(huán)境中以絕對(duì)定位的方式加載組件，完成組合機(jī)床的裝配。如果總設(shè)計(jì)師修改設(shè)計(jì)，只需要修改總體設(shè)計(jì)參數(shù)，組合機(jī)床整個(gè)模塊會(huì)自動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)了組合機(jī)床產(chǎn)品級(jí)的參數(shù)化全相關(guān)的自頂向下的設(shè)計(jì)。3.1設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算根據(jù)被加工零件的信

10、息，選擇切削余量，計(jì)算組合機(jī)床各加工位置的切削力、切削扭矩、切削功率等，為后續(xù)的通用件的選擇提供依據(jù)。組合機(jī)床加工余量的選擇，切削力、切削扭矩、切削功率以及主軸參數(shù)的計(jì)算參見組合機(jī)床簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)。參數(shù)計(jì)算完成后，根據(jù)切削功率選擇動(dòng)力箱；根據(jù)進(jìn)給力、工作行程、進(jìn)給速度選擇滑臺(tái)；根據(jù)滑臺(tái)可以選擇系列側(cè)底座、中間底座也可以自行設(shè)計(jì)整體底座。這里的通用件是組合機(jī)床行業(yè)的通用部件，比方CC系列側(cè)底座、HY系列機(jī)械滑臺(tái)等。這局部參數(shù)的計(jì)算和通用件的選擇和傳統(tǒng)的組合機(jī)床設(shè)計(jì)中的步驟是一樣，這里不一一贅述。本步驟的設(shè)計(jì)參數(shù)不直接反響到下述的控制結(jié)構(gòu)中，但是它們會(huì)影響控制結(jié)構(gòu)中的表達(dá)式的大小和草圖的位置，進(jìn)而影

11、響控制結(jié)構(gòu)，這種影響是由總設(shè)計(jì)師決策的。3.2控制結(jié)構(gòu)的建立組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)可分為主軸箱模塊、刀具接桿模塊、通用件模塊、夾具模塊等幾個(gè)子系統(tǒng)模塊。在組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)中，總體控制結(jié)構(gòu)是由通過草圖、基準(zhǔn)組成的。草圖和基準(zhǔn)是全參數(shù)化的，由表達(dá)式來控制的?？刂平Y(jié)構(gòu)草圖中的曲線一局部是通過Wave的方式與被加工件全相關(guān)，比方主軸箱設(shè)計(jì)的連接部件中孔曲線就是被加工件上加工孔的Wave連接過來的；另外一局部曲線是通過表達(dá)式來控制，主軸箱設(shè)計(jì)的外輪廓就是通過表達(dá)式ZT_Hou_DuoZhouXiang_Height和ZT_Hou_DuoZhouXiang_Width來表示的，詳見表1。首先確定組合機(jī)床的總體設(shè)

12、計(jì)參數(shù)，為了參數(shù)化建模的需要，在NX中，總體設(shè)計(jì)參數(shù)通常以表達(dá)式的表現(xiàn)。表1是汽缸體雙面鉆組合機(jī)床設(shè)計(jì)的后端面加工面的全局參數(shù)。這全局參數(shù)往往通過控制基準(zhǔn)面的位置、草圖上的尺寸來控制組合機(jī)床整個(gè)模型設(shè)計(jì)，把這些設(shè)計(jì)參數(shù)一般可以放在頂層的裝配組件中，但是把放在一個(gè)單獨(dú)的組件中也是一個(gè)較好的思路，其他使用該組件通過部件間的表達(dá)式的方式來獲得關(guān)聯(lián) 后多軸箱端面輪廓，包含各個(gè)加工孔的大小位置等 D_QianDZX_DuanMian_profile 前多軸箱端面輪廓，包含各個(gè)加工孔的大小位置等 圖3 基準(zhǔn)面草圖特征在頂級(jí)裝配下建立好控制全局參數(shù)和位置的基準(zhǔn)面和草圖后，下一步通過UG wave的方法把它們

13、連接到對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)部件中去，然后在各自的子系統(tǒng)部件中生成對(duì)應(yīng)的起始部件。在NX的裝配應(yīng)用中，在根部件的裝配導(dǎo)航器中，右鍵單擊空白處，把Wave mode選項(xiàng)打勾，這樣就可以在裝配環(huán)境中使用Wave模式了。下一步是右鍵選擇裝配根節(jié)點(diǎn)，選擇Wave，選擇Create New Level，創(chuàng)立子模塊節(jié)點(diǎn)，見圖4。以多軸箱子系統(tǒng)的創(chuàng)立為例，在彈出的菜單中輸入多軸箱子系統(tǒng)的部件名 cs_multiaxlebox，選擇要Wave Interpart Copy的對(duì)象，把這些對(duì)象通過Wave的方式從根部件Wave到新創(chuàng)立的部件中來，因?yàn)槭请p面鉆包含前端面和后端面，需要把多軸箱設(shè)計(jì)相關(guān)的基準(zhǔn)面和草圖曲線Wave

14、連接過來，每個(gè)端面都需要選擇3個(gè)基準(zhǔn)面，2個(gè)草圖，3個(gè)基準(zhǔn)面表示主軸伸出的位置、多軸箱前端面的位置以及后端面的位置，2個(gè)草圖分別表示多軸箱要加工的孔以及多軸箱輸入軸的信息等，見圖5。在WAVE控制結(jié)構(gòu)裝配完成之后，可以為相關(guān)子系統(tǒng)建立起始部件。起始部件一般是控制結(jié)構(gòu)中最底層的組件，通常作為一個(gè)或多個(gè)連接;部件的起始點(diǎn)，一個(gè)起始部件可以同時(shí)控制多個(gè)子系統(tǒng)。為了便于后續(xù)建立連接部件，通常需要在起始部件中建立一個(gè)或多個(gè)特定的引用集。起始部件可以采用Create New Level方法建立。 圖4 Wave創(chuàng)立子模塊圖5 多軸箱Wave特征信息因?yàn)榇嬖?個(gè)端面的多軸箱，因此重復(fù)上面的步驟，創(chuàng)立2個(gè)起始

15、部件，表示前端面多軸箱的起始部件和后端面的起始部件，2個(gè)起始部件的Wave的連接對(duì)象分別選擇對(duì)應(yīng)的3個(gè)基準(zhǔn)面和2個(gè)草圖。其他的子模塊的操作和上面介紹的類似，最終生成的控制結(jié)構(gòu)裝配樹和控制結(jié)構(gòu)見圖6： 圖6 控制結(jié)構(gòu)圖通過以上的步驟完成了組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)中控制結(jié)構(gòu)的建立。3.3 生成連接部件連接部件是獨(dú)立于控制結(jié)構(gòu)裝配的關(guān)聯(lián)性部件，其中包含了起始部件中全部或局部細(xì)節(jié)幾何對(duì)象，與起始部件保持相關(guān)性。在控制結(jié)構(gòu)裝配中不顯示連接部件。連接部件可以單獨(dú)存在，也可以作為組件參加子系統(tǒng)裝配。在生成起始部件的根底上，建立各個(gè)模塊的連接部件，見圖7。圖7 創(chuàng)立連接部件生成連接部件的時(shí)候，需要把各起始部件中所有的

16、特征wave的方式關(guān)聯(lián)到連接部件中去。起始部件cs_start_multiaxlebox_hou的連接部件為ps_multiaxlebox_hou，起始部件cs_start_multiaxlebox_qian的連接部件為ps_multiaxlebox_qian，其他子系統(tǒng)模塊方法類似。連接部件從起始部件建立關(guān)聯(lián)性連接部件，通過應(yīng)用集關(guān)聯(lián)性復(fù)制不同的幾何對(duì)象圖8組合機(jī)床系統(tǒng)工程方法流程3.4 組合機(jī)床產(chǎn)品裝配連接部件完成后，將生成的聯(lián)接部件，發(fā)送給對(duì)應(yīng)開發(fā)小組完成具體的詳細(xì)設(shè)計(jì)。各個(gè)設(shè)計(jì)小組設(shè)計(jì)完成后，只需要?jiǎng)?chuàng)立一個(gè)新的裝配部件文件，把各個(gè)連接部件按照絕對(duì)位置的方式裝配過來，這樣就完成了組合機(jī)床的總體設(shè)計(jì)。只要產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，總設(shè)計(jì)師只需要修改總體設(shè)計(jì)參數(shù)，就可以完成整個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的更新。組合機(jī)床的系統(tǒng)工程方法的設(shè)計(jì)流程見圖8。4、結(jié)論介紹了基于UG Wave技術(shù)的系統(tǒng)工程的方法的原理及其在組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，該技術(shù)解決組合機(jī)床三維設(shè)計(jì)中自頂向下的設(shè)計(jì)的難題，在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，該技術(shù)對(duì)三維技術(shù)在組合機(jī)床行業(yè)的推廣起到了促進(jìn)作用。另外，本文所提