机床运动功能模块的创成及装配

来源：<a href='http://bbs.hqew.com/viewthread.php?tid=246164' target='_blank'>wanghuixiang</a> 作者：华仔浏览：1169 时间：2016-08-10 14:18

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摘要：摘要：着重阐述了机床运动功能模块的创成方法、参数描述、几何约束关系及装配关系，并开发了相应的机床总体结构布局方案CAD软件系统(MGSCAD)，给出了应用实例。所开发的软件系统可实现机床总体结构布局的自动、快速设计。1前言为了科学地进行机床产品的创新设计，近年来出现了新的创成式的机床设计方法，该方法是根据刀具和被加工表面信息，分析被加工表面的成形运动，进行运动功能创成，形成运动功能模块，并将各运动功能模块按不

摘要：着重阐述了机床运动功能模块的创成方法、参数描述、几何约束关系及装配关系，并开发了相应的机床总体结构布局方案CAD软件系统(MGSCAD)，给出了应用实例。所开发的软件系统可实现机床总体结构布局的自动、快速设计。

1 前言

为了科学地进行机床产品的创新设计，近年来出现了新的创成式的机床设计方法，该方法是根据刀具和被加工表面信息，分析被加工表面的成形运动，进行运动功能创成，形成运动功能模块，并将各运动功能模块按不同的装配关系组合起来，形成机床总体结构布局方案。本文主要介绍如何进行运动功能模块的创成和模块的装配。 2 运动功能模块的创成

机床基本结构形态创成是以运动创成为基础的。根据运动功能创成得到的运动结构式是不形象的，需要把每个坐标方向的运动与一个或多个运动件联系起来，我们把这个运动件称为基本运动功能模块，借助基本运动功能模块对机床进行结构形态创成，才能使运动结构式具体化、直观化。

功能模块的基本尺寸创成
在机床的运动功能结构式中，是以地基为基准的，将运动分配给刀具侧和工件侧。如运动功能结构式W/X.ZY/g_p/T[“W ”表示工件，“T”表示刀具，用“.”表示基础(地基)位置，从基础位置到“W ”之间表示工件侧，“X”表示该侧分配有X 坐标方向的运动，从基础位置到“T”之间表示刀具侧，“ZY”分别表示该侧分配有Z 坐标和Y 坐标方向的运动，“g_p”表示主运动为刀具的回转运动，“/”为分隔符]。下面将分刀具侧和工件侧来介绍机床结构形态创成方法和步骤。
1. 建立机床总体坐标系，确定加工空间(图1a)。由加工空间初定运动行程。
  
  (a)
  (b)
  图1 刀具与加工空间位置关系
2. 根据坐标系确定刀具主轴方位。例如：刀具的切削运动为g_p，选择卧式布局主轴箱(图1b)。
3. 确定实现刀具侧运动功能的结构形态。根据运动行程、运动单元的性质及上一级模块来确定结合部及下一级模块的相关形状和尺寸。
4. 确定实现工件侧运动功能的结构形态。例如：以工件的加工空间为基准，可确定工作台的位置。根据X 方向行程和工作台结合部的尺寸可确定底座的长度或宽度，底座高度的确定要满足加工空间中第三维尺寸的需求。
5. 工件侧与刀具侧的尺寸协调。考虑行程、退刀及干涉等情况需对二者的尺寸进行协调。
运动功能模块的数据结构描述
运动功能模块的空间尺寸和形状可以在Auto-CADADS用以下的数据结构和方法来描述：
struct CParameter {intType：
struct MsizePara{

ads realCy1D1，Cy1D2，Cy1L：//圆柱或圆台的上、下顶径和高度
ads realCubeX，CubeY，CubeZ： //立方体的长、宽、高
intSideN： //任意多边形的边数
ads realRelX[SideN]，RelY[SideN]，RelZ[SideN]：//多边形各边长度
}：
}MSize：
voidSetMSize(structCParameter*s，intModelNo)：//设置模块尺寸
voidGetMSize(structCParameterCs，intModelNo)：//检出模块尺寸
以运动功能结构式为基础得出的各个运动功能模块在空间应满足装配关系，也就是任意一个运动功能模块在空间的起始位置取决于上一个功能模块的位置和尺寸，而它的位置和尺寸又影响下一个功能模块的起始位置，因此仅靠以上的数据结构和方法来描述功能模块还不能实现各模块间的空间自动装配，也不能实现在CAD中的尺寸参数化驱动，所以还需对功能模块的数据结构增加描述参数及方法，具体如下：
struct CParameter {
…
ads pointLocation： //功能的起始位置
ads pointOriention： //功能的方向矢量
…
}：
voidGetOriention(struct CParameter*s ，int ModelNo)：//检出模块的方向矢量
voidSetOriention(struct CParameter*s ，int ModelNo)：//设置模块的方向矢量
voidSetLocation(struct CParameter*s ，int ModelNo)：//设置模块的起始矢量
voidGetLocation(struct CParameter*s ，int ModelNo)：//检出模块的起始矢量

图2 约束关系示例

图3 构件模块的装配联接关系
引入功能模块数据结构及方法来描述功能模块，在设计过程中可以对其进行频繁分离、组装和调整。另外，建立功能模块的数据库，构成AutoCAD的图库的一部分，可以更加高效、方便地设计出形式各异的机床。

3 模块装配的尺寸参数驱动功能模块有了以上的描述参数的方法后，为模块间的装配提供了必要的依据，而要真正完成模块间的空间装配还必须建立模块间的几何约束关系。

几何约束关系
几何约束关系是建立基于约束的参数化技术的关键所在。本文在确定结构模块间的装配关系时采用了几何约束。
几何约束可以分为两大类：结构约束和尺寸约束。结构约束是根据几何元素之间的拓扑关系或其它关系表示的约束。它又分关系约束和非关系约束。关系约束包括平行、垂直、倾斜、相切、同心、贴合、对称、成比例等(图2)。非关系约束包括自身水平和自身垂直。尺寸约束则是通过各几何元素的尺寸表示的约束，例如距离、角度、半径、直径、倒角等。
装配关系
各构件模块的形状和尺寸确定后，它们之间的装配关系由关系约束来限定。在设计过程中要不断修改构件模块的尺寸和形状，为了使修改的模块不影响整个机床的总体装配关系，在得到总体装配图之前，必须要遍历所有的模块以判断模块间的连接关系和拓扑关系，并对其进行记录。为此定义一个如图3所示的链表结构来记录它们的连接关系和拓扑关系。
图3中ai表示模块的自身指针，bi表示模块的关系指针。本文采用的数据结构有利于实现尺寸参数驱动，即当构件模块的尺寸改变后，它与其它构件模块之间的拓扑关系不变。更有利于系列化、标准化设计以及对现有设计作继承性修改。

4 应用实例

本文利用上述原理和实现方法，对运动结构式为W/X.ZY/g_p/T的卧式加工中心进行CAD布局设计，以此考核该软件系统的可行性。

参数输入：零件群的形状：箱体

零件群的最大尺寸：长×宽×高=800mm×1200mm×600mm

对卧式加工中心进行尺寸规划后得到如下主要技术参数：

尺寸参数：工作台尺寸900mm×1400mm：

行程(x×y×z) 1000mm×830mm×750mm：

图4 W/X.ZY/g_p/T的卧式加工中心总体布局图

结构参数：主轴外径Ø128.57mm：

刀具最大直径Ø125mm：

刀具最大长度400mm：

机床外形尺寸3994mm×3660mm×3560mm：

动力参数：主电动机功率11kW：

根据运动功能结构式和布局规则确定卧式加工中心各功能模块的基本尺寸及装配关系，利用该软件生成如图4所示的总体布局图。

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