文献资料组合机床多轴箱CAD的应用现状.docx

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文献资料组合机床多轴箱CAD的应用现状

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文献资料

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柔性组合机床及其生产线的发展探讨

付书明1,李　明2

（1.机械工业第六设计研究院,郑州　450007;　2.郑州航空工业管理学院,郑州　450015）

摘　要:

　论述了柔性生产线的特点及发展趋势,介绍了数控组合机床的基本组成及常见的形式,指出了使传统的组合机床及其自动线具有柔性的重要意义.

关键词:

　柔性;组合机床;生产线

中图分类号:

　TG65　　　文献标识码:

　A

今天,市场环境发生了巨大的变化,消费的需求日趋主体化、个体化和多样化,这使得过去主要以成本高低来决定企业竞争力的局面得到了根本转变,企业竞争力已由产品品种、新产品上市速度、交货期、质量和成本等多个指标共同决定.甚至是新产品的上市速度成为决定企业生存与发展的关键问题,多品种变批量生产逐渐成为主流生产模式.进入20世纪90年代以来,汽车、拖拉机行业市场的竞争更趋激烈,新产品层出不穷,产品市场寿命进一步缩短,新的产品层出不穷,新产品的开发周期日益缩短.因而汽车、拖拉机工业对高速化、柔性自动化技术装备的需求量日益增多.因此,为适应新产品更新换代的步伐,使生产线在保持其高生产率的条件下,进一步提高其柔性,就越来越具有重要意义.

组合机床及其生产线,是专用于大批量机械产品生产的高效自动化技术设备,是汽车、拖拉机、内燃机等工业不可替代的主要加工设备.近年来随着数控技术、电子技术、计算机技术等的发展,组合机床的机械结构和控制系统也发生了翻天覆地的变化.因此,研究组合机床及其生产线的技术现状和发展趋势,使传统的组合机床及其自动线具有柔性,是拖拉机和汽车生产企业为满足市场需求所必须解决的问题.

1　生产线的柔性化发展特点

1.1　数控化

数控组合机床的出现,不仅完全改变了过去那种由继电器电路组成的组合机床的控制系统,而且也使组合机床机械结构乃至通用部件标准发生了或正在发生着巨大的变化.组合机床及其自动线的数控化,使得传统的专用机床和通用机床的界限,变得模糊起来.以至于在组合机床这种传统意义上的专用机床领域内,也出现了“组合机床柔性化”的提法和实践.传统意义上的组合机床刚性自动线和生产线,也具有了一定的柔性.组合机床柔性化在国际上发展较为迅速.如美国Lanm公司20世纪90年代前期生产的汽车发动机缸体、缸盖加工设备,有50%是传统的组合机床生产线,25%是可调可变生产线,25%是柔性生产系统（FTL,FMS）.日本在1988~1992年间,组合机床的数控化率已达32%~39%.德国在同时间内组合机床及自动线的数控化率为18%~62%[1].目前,国内也开展了数控组合机床的研究.如沈阳数控机床厂推出了SSK-U6030型缸体八工位数控组合机床,用以加工家用冰箱压缩机缸体[2].一些组合机床通用部件生产厂家也已经开发出一维数控滑台、二维数控十字滑台和数控回转台.与其它数控机床类似,数控组合机床也是通过数控加工程序来改变加工行程、工作循环、切削参数、加工位置和自动换刀.而且,结合组合机床特点,数控组合机床还可自动更换主轴箱,以适应变形品种的加工.

必须指出的是,一般意义上的数控组合机床与数控机床是完全不同的,数控机床是在通用机床的基础上发展起来的,它不必考虑零部件的通用化问题,它的加工工艺十分广泛,主要用于零件小批量生产模式中.而数控组合机床是在组合机床这类专用机床的基础上发展起来的,它是由数控化的通用部件作为零部件而组装成的,因而具有传统组合机床通用部件设计、制造标准化的优点;它的工艺范围相对较窄,主要用于多品种变批量生产当中.当然,数控组合机床是数控机床的一种,随着技术的发展,数控组合机床与一般意义上的数控机床的差别将逐渐缩小.

1.2　模块化

为适应数控组合机床的发展,就出现了组成数控机床的数控加工功能模块.组合机床模块化是组合机床数控化所带来的必然结果,也是组合机床数控化的必要基础.数控加工模块化极大地丰富了组合机床的通用件.它必将引起组合机床通用件发生根本性变化.数控加工模块,按其数控坐标（轴）数,主要有单坐标、双坐标和三坐标.按其主轴数,有单轴和多轴模块,也有单轴和多轴复合加工模块.数控加工模块的发展,主要有2种方式.一是与现有组合机床通用件相对应,设计数控通用件.目前国内已有企业正在研制数控一维滑台、数控二维（十字）滑台、数控回转工作台等,都属于这种方式;二是根据数控加工的特点,研制数控组合机床所独有的部件,如自动更换式多轴主轴箱、数控回转刀库、数控换刀机械手、数控换箱机械手等.

1.3　高速化

由于高速加工可大大降低零件表面粗糙度及切削力、大大减小切削温度、提高生产效率,故机床的高速化研究方兴未艾,特别是数控机床的主运动和进给运动已达到了惊人的高速.如美国生产的加工中心,主轴转速可达15000r~60000r/min,工作台快进速度高达90~120m/min[2].顺应机床高速化的潮流,组合机床的速度也越来越高.例如,德国大众汽车厂在加工铝合金缸盖燃烧室侧面时,采用PCD铣刀,铣削速度高达3075m/min,进给速度达3600mm/min,而采用安装有CBN刀片的新颖镗刀加工灰铸铁时,切削速度达800m/min,进给速度达1500mm/min[1].

1.4　精密化

由于机床实现了数控化,因而机床的加工精度越来越高,使一些过去看来难以达到的加工精度,今天也已经实现了.例如,意大利Mandelli公司生产的Thunder500型加工中心,X、Y、Z轴的定位精度均为0.008mm,重复定位精度为0.003mm;B轴定位精度6″,重复定位精度3″.在数控组合机床上,也要求提高设备的工序能力系数,使加工误差在0.01mm以内[1].

1.5　全防护化

全封闭防护是现在机床的一大特点,不论是单机还是机床生产线,均采用全封闭的外包装.电器、液压全部采用空中走线.全封闭防护,不但使机床及其生产线外型美观,而且也提高了机床及生产线的安全性、可靠性和维修的便利性.

2　数控组合机床通用部件

众所周知,传统的组合机床属刚性的专用机床,它主要由一些具有独立功能的通用部件及少许专用部件所构成,是典型的模块化机床.通过给通用部件（或模块）赋予柔性,使其成为柔性通用部件,用这些柔性通用部件就可以构成多种形式的柔性组合机床.因此,研制数控组合机床通用部件是制造柔性化的组合机床及其生产线的基础.

2.1　数控动力滑台

一维数控滑台、二维数控十字滑台是数控组合机床的基础部件.此类滑台可根据用户要求,采用交流伺服电机或步进电机驱动.数控滑台的导轨面及压板滑动面均粘贴了工业塑料导轨板.该工业塑料导轨板是一种以聚四氟乙烯为主的塑料板材,厚度为4mm（按需要可以选择不同的规格）,可以进行各种机械加工,其粘结工艺也很简单.这种工业导轨板的摩擦系数很小,可以使数控滑台运动轻快,振动小、噪声低,并能防止低速爬行.另外,由于这种材料具有较好的耐磨性,因此可以延长导轨的寿命.在组合机床中,在切削负荷较小的精加工场合,也可在动力滑台上用直线滚动导轨代替滑动导轨,实现动力滑台的滚动化（滚动导轨+滚珠丝杠）.一维、二维数控滑台的传动丝杠均采用双螺母滚珠丝杠,以消除双向传动间隙,提高数控滑台的传动精度.

2.2　数控回转工作台

在组合机床中,回转式多工位组合机床占有很重要的地位.根据有关统计资料,德国在1990~1992年期间,回转式多工位组合机床和自动线的产量约各占组合机床总数的50%左右[1].因为这类机床可以把工件的许多加工工序分配到多个加工工位上,并同时能从多个方向对工件的几个面进行加工,此外,还可以通过转位夹具（在回转工作台机床上）或通过转位、翻转装置（在自动线上）实现工件的五面加工或全部加工,因而具有很高的自动化程度和生产效率,被汽车、拖拉机和压缩机等工业部门广泛采用.而数控回转工作台是回转式多工位数控组合机床的基础部件.目前,国内已开发出系列数控回转工作台,它可以水平方式安装于主机中间底座的台面上,以完成对工件的多面加工,也可以垂直方式安装于主机动力滑台上,实现自动换刀加工.它利用主机的控制系统或专门配套的控制系统,完成与主机相协调的各种加工的分度回转运动.水平方式安装时,工作台上可安装板、盘或其它形状较复杂的被加工零部件,从而实现等分的和不等分的连续的孔、槽以及曲面的加工,且能达到很高的精度.

2.3　数控切削头

现国内已经开发出可实现无级调速的各种切削头,如数控钻削头、镗削头、铣削头等等.如大功率滑座式铣头,该铣头既可用于组合铣床,又可用于数控组合铣床.与传统铣头相比,该铣头有两个显著特点:

一是铣头转速可无级调速,这是因为它可采用变频器来实现电机的调速;二是它具有铣头轴向进给运动.它与数控回转台组合,可完成对零件的多面加工.该铣头的开发成功,不仅为组合铣床添加了新成员,也为数控组合机床增添了新的通用部件.

3　常见的柔性数控组合机床

3.1　数控转塔组合机床

数控转塔动力头可与数控滑台和其它通用部件组成数控转塔组合机床.数控转塔动力头有单轴和多轴的,有立式、卧式和倾斜式的,故可构成多种形式的数控转塔机床.通过转塔头的转位,即可对工件进行多工序加工,也可在不同的工位加工不同的零件.

3.2　数控自动更换多轴箱组合机床

多轴加工是组合机床获得高生产率的主要手段,由数控可更换主轴箱所组成的数控组合机床既保证了机床的高效又兼备了高的柔性.由于这种多轴箱只有在机床处于加工中它才与动力箱连接构成切削头.所以,从理论上讲,可更换的多轴箱的数量是不受限制的,从而具有更大的灵活性.这种柔性机床适合于中小批量多品种或中大批量轮番生产箱体类零件采用.

3.3　数控换刀和换箱复合式组合机床

此类柔性组合机床实际是将加工中心和组合机床巧妙地结合在一起,既保持了组合机床的高效又兼备了加工中心的高柔性.换刀主要是为较大直径的单轴孔的半精镗和精镗.

3.4　三坐标加工模块

带换刀装置的三坐标加工模块,其加工主轴可实现X、Y、Z三个坐标轴的运动,刀具也可自动更换,对加工族系零件有较大的灵活性.这种加工模块配以固定工作台可组成三坐标加工单元,配以回转工作台或回转夹具也可组成四轴、五轴加工单元.可以独立使用,又可以用于组合机床自动线,使其成为柔性自动线[4].

4　结　语

柔性组合机床及组合机床柔性生产线是实现刚性的多品种变批量生产方式的主要设备.它是在刚性的组合机床与组合机床生产线的基础上为适应市场消费个性化而产生的新型设备.数控技术、自动化技术等先进制造技术的发展为其生产与发展提供了坚实的技术基础.对许多企业而言,研制、采用柔性组合机床与组合机床柔性生产线,不仅应当成为技术革新的主要内容,而且将成为企业提高竞争力的

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1-4.

组合机床多轴箱CAD的应用现状

赵红美,李静,耿亚楠

（河北农业大学机电工程学院,保定071001）

摘要:

　总结国内外组合机床多轴箱CAD的应用现状,并讨论存在的问题,指出多轴箱的设计软件系统发展趋势。

关键词:

组合机床　多轴箱　CAD

中图分类号:

TP391·7　文献标识码:

A　文章编号:

1671—3133（2006）11—0063—03

0　引言

多轴箱是组合机床的重要组成部件,用于布置（按所要求的坐标位置）机床工作主轴及其传动零件和相应附加机构[1]。

多轴箱的设计是组合机床设计过程中至关重要的一环,其设计质量的好坏,将直接影响组合机床的设计质量。

目前,CAD技术已经广泛应用于多轴箱的设计领。

域,但在多轴箱的设计过程中,当CAD技术涉及到方案决策、评价分析、重要参数选择等方面的内容时,往往需要人为地进行较多的干预,设计师的水平在很大程度上决定了多轴箱的设计水平。

如果吸取领域专家在设计实践中积累起来的宝贵经验并将其形成规则用来指导设计师,使多轴箱CAD系统向智能型方向发展,势必会减少人为干涉,从而提高多轴箱的设计质量及其设计效率。

1　多轴箱CAD的关键技术

多轴箱CAD系统设计的关键在于将CAD技术灵活应用于传动方案的设计和干涉检验。

传动方案的确定是整个设计的关键,主要有传动比的分配、齿轮模数的选用、传动链的分组以及传动模型的选择、确定齿轮参数。

其次是干涉检验过程,主要检验齿轮之间、齿轮与轴或轴套之间、齿轮与箱体之间的干涉情况。

提高这两部分的智能化程度是多轴箱CAD系统的关键。

2　多轴箱CAD的研究现状

2·1　国外现状

国外组合机床CAD技术的研究开展得较早,上世纪60年代初,一些工业发达国家首先在多轴箱CAD方面开展研究。

尤其是进入80年代以来,随着计算机技术的发展,交互式绘图和数据库管理系统等发展和应用,使组合机床CAD技术使用范围不断扩大,如美国的INGERSOLL、KINGSBURY、BURGMAST、CINCIN-NATI、MILACRON、LAMB、CROSS等机床公司,德国赫勒·许勒（Huller-Hille）公司,英国克劳斯（Cross）公司,组合机床已经向CAD/CAM集成系统发展,其中多轴箱模块化设计已趋于成熟。

2·2　国内现状

上世纪70年代初,大连组合机床研究所已开始这方面的研究工作。

1978年,组合机床CAD技术列为国家机械工业重点项目,从此开始了我国组合机床CAD技术的研究。

目前,大连机床厂、常州机床总厂、武汉机床集团公司、安阳第二机床厂、保定第二机床厂、济宁机床厂和大连组合机床研究所等,在组合机床设计中普遍应用CAD技术。

近年来,随着CAD技。

术的日益成熟,Pro/E、UG、SolidEdge、AutoCAD等多种CAD技术已广泛应用于组合机床设计。

其中,有关多轴箱计算机辅助设计的研究工作也相应取得了很大成就,已经研制出较多有效的软件系统。

1）大连组合机床厂研制的多轴箱CAD系统通过数学模型模拟多轴箱运转情况,检验多轴箱的所有几何干涉、转速及转向错误,并能自动生成多轴箱的装配表、零件明细表、装配图和零件加工图等,软件设计科学、严谨。

2）河南科技大学根据组合机床的设计特点,结合先进设计技术,在三维设计软件UG的平台上进行二次开发,建立了组合机床CAD系统,其中,多轴箱的设计包括多轴箱体的设计和传动系统的设计两部分。

多轴箱设计模块在多轴箱总体装配模型的设计平台上,通过友好的人机交互界面接受用户输入的数据。

多轴箱体的设计过程是调用多轴箱体零件并根据参数更新模型;主轴箱的传动系统可以分为六种基本的传动模型,主轴箱设计图形库中包括这六种基本传动。

模型的模板,传动系统的设计过程是调用基本传动模型,并通过不断地组合形成需要的传动总体系统。

最后,配制成用户需要的多轴箱结构形式[4]。

此软件采用三维形式表达多轴箱的传动系统,便于干涉检验及参数的更改。

3）广西工学院利用三维CAD软件SolidEdge9·0开发针对多轴箱的三维变量化CAD系统。

所谓变量化设计是一种基于用户设计层次的设计方法,它将图形的尺寸关系和几何关系以变量的形式表示,通过对图形变量的赋值,以实现图形的生成或修改,从而得到所需的设计图形。

按这种方法设计多轴箱,不仅大大减少了设计人员的设计、计算和绘图工作量,而且设计出的多轴箱三维模型直观、可视性强,检查各种干涉方便快捷,如发现问题可再次修改变量,以满足设计要求。

此外,还可利用SolidEdge的机构运动模拟功能对装配好的多轴箱进行模拟旋转运动,更好地观察多轴箱的运动状态,使得设计更趋于合理。

4）黄石高等专科学校以AutoCAD为平台,开发组

合机床多轴箱传动总体方案设计CAI课件,该软件利用AutoCAD的内嵌AutoLISP语言编程实现AutoCAD二次开发[5]。

在AutoCAD中建立设计菜单,该菜单包括设计软件说明、使用方法选择、箱体选择、轴径计算、传动方案设计、干涉检查和输出结果等项。

其中,关键性的模块是传动方案设计和干涉检查。

传动方案设计包括分配传动比、选用齿轮模数、传动链分组、确定齿轮参数等;干涉检查模块主要检查指定齿轮与轴或轴套是否发生干涉,用户完成传动系统初步方案后,由于图中仅画出各齿轮的分度圆,有时对齿轮或轴套是否发生干涉用肉眼难以判断,调用该模块,用鼠标先后点取需检查的齿轮分度圆和轴心,便自动显示检查结论,若发生干涉,允许用户修改参数。

此CAI课件通过友好的人机交互界面得到了多轴箱的设计结果,既有利于掌握设计方法,又避免繁杂的计算,使学习效率大大提高,适用于教学。

另外,燕山大学,扬州大学,扬州柴油机厂,华北电力大学,渝州大学等部门也针对多轴箱开发了CAD设计软件,辅助完成从组合机床多轴箱设计到绘图的全过程。

综观国内外多轴箱的设计软件,其优点可归纳为:

1）多轴箱组成部件的模块化设计已基本实现,通过引入CAD技术如SolidEdge、UG、AutoCAD等来完成组成构件的参数化、模块化设计;2）各构件干涉校核部分也比较完善,尤其是在三维设计软件SolidEdge、UG等平台上开发的多轴箱CAD系统,设计过程比较形象直观,干涉校核方便快捷,易更改。

但也均存在一定的缺陷,如关于传动路线的确定,基本上靠设计者的经验来决策,还没有形成一种规则来引导设计者,或者是生成一种专家系统来指导设计者,整个多轴箱的设计过程基本上是将组成部件进行罗列、堆积,最后形成所需要的模型,智能化程度比较低。

这样多轴箱的设计周期及设计质量均无法保证,所以这些设计软件比较适用于小范围修改多轴箱的设计。

3　多轴箱CAD发展趋势

针对组合机床的功能及特点,它是大批量机械产品实现高效、高质量和经济性生产的重要设备。

随着市场经济的发展,作为组合机床的主要应用对象,如汽车、拖拉机、发动机、摩托车及其发动机等行业有了更深刻的变化,产品寿命周期不断缩短,品种日益增多。

加工产品不同,组合机床不同,多轴箱也不同。

这要求工程技术人员要不断地提高产品的开发能力,以满足市场要求。

因此,如何高效、高质量地设计出多轴箱已经成为组合机床厂家的追求目标。

就目前研究状况,CAD技术已经广泛应用于多轴箱设计,为设计人员提供了方便、快捷、高效的设计工具,但其智能化程度不高。

目前,硬件、软件、智能化等技术的发展,为开发更先进的多轴箱的设计软件提供了必要的技术基础。

从硬件看,存取容量、存取速度不断增大,数据处理、科学计算的功能不断增强,为开发软件提供了更强硬的设备后盾;从软件看,CAD专业软件的家族不断壮大,如Pro/E、SolidEdge、UG、AutoCAD等,及一些计算机高级语言诸如VB、VBA、AutoLISP、VC、VB.NET等不断更新,为机械CAD软件开发提供了有力的工具,可以运用这些工具在CAD专业软件的平台上开发出符合用户要求的设计系统,既解决了使用计算机语言开发的专用系统难度大、成本高的难题,又弥补了单使用通用商品化CAD专业软件效率不高的缺陷,这为多轴箱CAD设计提供了丰富的开发工具;从CAD智能化的发展趋势看,在人工智能技术飞速发展的前提下,随着知识工程技术的发展和深入研究,智能化CAD系统将应运而生,智能CAD软件采用动态导航技术、智能型知识检索工具和知识推送工具[3],为多轴箱CAD设计向更高层次发展提供了理论基础。

专家系统技术的引入可以提高多轴箱设计软件的智能化程度。

它是人工智能技术的一个分支,其结构一般包括人机接口、推理机、知识库及其管理系统、数据库及其管理系统、知识获取机构、解释机构六部分。

它能根据当前已知的事实,利用知识库中的事实,按一定的推理方法和控制策略进行推理,求得问题的答案,专家系统技术可将此领域专家设计经验归纳和利用,推进了设计质量和效率的提高。

就目前国内外研究现状来说,多轴箱的设计软件虽多,但涉及专家系统方面的设计软件还未见到,还停留在模块化设计的阶段,没有形成一种智能型CAD设计系统。

如果在多轴箱CAD系统中引入专家系统技术,使整个设计过程中利用专家的经验来模仿人的行为进行思考和推理,这将是顺应CAD的主要发展趋势的多轴箱设计系统。

4　结语

以知识为基础的专家系统可帮助设计师进行判断、推理和决策,可以提高设计软件的智能化程度。

引入人工智能技术,搜集并整理此领域的专家经验,用它来模拟专家的设计过程,协助设计人员完成评判、推理、确定最优化方案整个过程。

将专家系统技术与CAD技术相结合来开发多轴箱的CAD设计软件,势必既缩短多轴箱的设计周期,又提高其设计质量及智能化程度,较好地适应市场的需求。

参考文献:

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[4]　李春梅,崔凤奎.组合机床CAD系统[J].机械加工

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[5]　刘国光,叶茂.组合机床多轴箱设计CAI课件[J].

黄石高等专科学校学报,2000（6）.

作者简介:

赵红美,硕士研究生,研究方向:

计算机辅助设计与

制造。

李静,教授,硕士生导师,主要从事理论力学和机械设计

教学及CAD研究。

作者通讯地址:

河北省保定市河北农业大学机电工程学院2004研

（071001）