组合机床CAD系统开发与研究

　　1采用组合机床CAD技术势在必行

　　组合机床是用按系列化、标准化设计的通用部件和按工件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成的专用机床，属于一次性设计、一次性制造的单件生产产品。因此，设计量大，设计工作复杂。在当前竞争激烈的市场经济中，用户对机床的技术先进性、质量可靠性以及供货周期都要求很高，而保证这诸多因素的关键是设计。过去那种落后的手工设计方法已不能满足产品设计的要求，采用CAD技术，甩掉图板，已成为当前技术革命的潮流，势在必行。

　　2组合机床CAD应用现状

　　国外组合机床CAD技术的研究开始得比较早。70年代初，一些工业发达国家首先在多轴箱CAD方面开始研究。尤其是进入90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的发展和应用，使组合机床CAD技术日益实用且使用范围不断扩大，发达国家在组合机床设计中已普遍采用了CAD 技术。目前，正在向CAD/CAM集成系统发展。

　　近年来，据我们对美国几个主要机床厂家(BURGMAST、KINGSBURY、INGERSOLLLAMB、CINCINNATI、 MILACRON、CROSS等公司)的了解，其CAD技术已得到普遍应用。其中最引人注目的是INGERSOLL公司具有50个交互式CAD工作站组成的软、硬件环境，使其实现了几乎百分之百的CAD化。

　　国内对组合机床设计采用CAD的认识也比较早。70年代初，大连组合机床研究所就开始了这方面的研究工作。1978年国家把组合机床CAD列为机械工业重点项目，并责成上海交通大学、大连组合机床研究所、机械部自动化研究所负责，大连理工大学、清华大学、北京工业大学、上海机电产品研究院等单位参加，对钻孔组合机床CAD进行了研究，从此揭开了我国组合机床CAD技术的序幕。经过十多年的努力，取得了初步成果。

　　但是，组合机床CAD系统是在VAXⅡ-750和MicroVAXⅡ上开发的，硬件投资大，不易于推广应用。受当时硬件条件及软件环境的限制，软件适用范围窄，用户使用不方便。

　　3开发组合机床CAD系统专用软件

　　CAD技术是当代电子信息技术的重要组成部分，CAD技术商品化应作为高新技术产业中重中之重。在支撑软件和硬件的基础上，针对不同行业、不同专业进行软件二次开发，开发出适合本行业、本专业的专用商品化软件，不仅可以取得良好的经济效益，而且会取得重大的社会效益。

　　“九五”期间国家把汽车工业作为国民经济的支柱产业，给汽车工业提供技术装备的组合机床行业得以迅速发展。随着汽车工业的发展，提高组合机床设计质量、缩短设计周期便成为极其迫切的任务。采用组合机床CAD技术，能缩短设计周期，提高产品设计质量，提高企业在行业中的竞争力，给企业带来显著的经济效益。

　　大连是我国重要的工业基地，作为组合机床行业科技开发中心的大连组合机床研究所，应当发挥行业的主导作用，为实现设计自动化、增强企业技术创新能力和产品竞争能力，推动我国组合机床设计水平，尽快向组合机床行业厂提供功能强、操作灵活、界面友好、技术含量高的组合机床CAD软件。

　　4开发软件的技术基础

　　随着微电子技术的发展，微机的性能有了很大的提高。现在PⅡ已经主导市场，PⅢ开始上市，其CPU性能指标已接近几年前的工作站指标。国外CAD 软件向微机的Window95/98、WindowsNT上移植，如Pro/Engineer、Ⅰ-DEAS、CADDS5等。微机的图形加速卡性能在提高，基本上能进行实体的移动和旋转。微机CAD是一个发展方向，相应的硬件比工作站要降低很多。经过几年的努力，我们利用Windows的SDK软件开发技术、Windows环境下多进程间的动态数据交换技术(DDE)、数据库操作技术(ODBC)、图形软件二次开发技术及目标链接与嵌入技术 (OLE)，开发了集通用机械CAD和组合机床CAD于一体的CAD集成系统。

　　5组合机床CAD系统软件

　　组合机床CAD系统软件采用C++语言，在Windows环境下开发的面向组合机床设计人员的参数化图形信息管理系统。数据库系统用C++语言独立编写，本软件融数据库操作系统和参数化图形系统于一体，形成功能强大的参数化图形信息管理系统。组合机床CAD系统包括组合机床夹具CAD系统、组合机床自动线方案三维图形CAD系统、组合机床总图CAD系统、组合机床加工示意图CAD系统和组合机床多轴箱CAD系统。

　　组合机床夹具CAD系统

　　利用机械CAD参数化图形信息管理技术和交互设计方法，开发组合机床夹具CAD系统，其适用面广、实用性强、推广应用前景广阔。组合机床夹具 CAD系统按照其主要功能可分为四大模块：定位支撑系统CAD系统、夹紧机构CAD系统、导向装置CAD系统和典型夹具夹紧力的计算机辅助分析与计算。

　　定位支撑系统CAD系统

　　定位支撑系统主要由定位支撑、辅助支撑和限位元件组成。定位支撑是指在加工过程中维持工件有一定位置的元件；辅助支撑是仅用作加工过程中的刚度及稳定性的一种活动式支撑元件。建立支撑板、支撑块、辅助支撑、固定式定位销、伸缩式定位销参数化图形库及其性能数据库，通过查询定位支撑系统性能数据库、修改定位支撑参数化图形参数，利用交互设计方法，实现定位支撑系统CAD。

　　夹紧机构CAD系统

　　夹紧机构通常由夹紧力部分、中间传动机构和夹紧元件三部分组成。夹紧力部分用于产生动力源，并将作用力传给中间传动机构；中间传动机构即作为增力机构，能改变作用力的方向和大小，能产生自锁作用，以保证在加工过程中或动力源消失时，工件在切削力作用下仍能可靠夹紧；夹紧元件用以承受由中间传动机构传递的夹紧力，并与工件直接接触而执行夹紧动作。建立夹紧油缸、夹紧元件、直接夹紧机构、自锁夹紧机构参数化图形库及其性能数据库，通过查询夹紧机构性能数据库、修改夹紧机构参数化图形参数，利用交互设计方法，实现夹紧机构CAD。

　　导向装置CAD系统

　　导向装置的作用在于保证刀具与工件及刀具相互间的正确位置，提高刀具系统的支承刚性。正确选择、设计导向装置，对保证加工精度和机床的可靠工作有着重要作用。建立固定式导向套、“内滚式”导向装置、“外滚式”导向装置参数化图形库及其性能数据库，通过查询导向装置性能数据库、修改导向装置参数化图形参数，利用交互设计方法，实现导向装置CAD。

　　典型夹具夹紧力计算机辅助分析与计算

　　在保证机床正常、可靠工作的条件下，夹紧力愈小愈好。如果盲目地加大夹紧力，就会造成如下恶果：加大了夹具驱动机构的尺寸；为提高与夹紧力相关联的夹具刚性而使夹具过于庞大；增加了工件在夹紧时的变形而影响加工精度。因此，正确确定夹紧力显得十分重要。典型夹具夹紧力计算机辅助分析与计算包括：螺旋夹紧机构的夹紧力分析与计算、楔铁夹紧机构的夹紧力分析与计算、偏心夹紧机构的夹紧力分析与计算、其它夹紧机构的夹紧力分析与计算。

　　组合机床夹具CAD系统采用交互设计方法，使用灵活，适用面广，能满足各种加工工艺要求。系统通过建立夹具各组成部件的图形库、特征零件的参数化图形库，利用参数图形信息管理系统，实现交互绘制组合机床夹具。

　　组合机床自动线方案三维图形CAD系统、组合机床总图CAD系统、组合机床加工示意图CAD系统

　　0.轴上已有齿轮1.新设计齿轮

　　二轴齿轮设计优化

　　组合机床自动线方案三维图形CAD系统

　　该CAD系统能确定组合机床自动线方案、绘制组合机床自动线三维图形、管理组合机床通用部件结构和性能数据库。这三部分由三个独立的进程实现，利用Windows环境下多进程间的动态数据交换技术(DDE)，实现三个独立的进程动态交换数据，完成如下机床配置型式的组合机床方案设计：多轴箱卧式加工、多轴箱立式加工、多轴箱倾斜式加工、镗削头卧式加工、镗削头立式加工、镗削头倾斜式加工、钻削头卧式加工、钻削头立式加工、钻削头倾斜式加工、攻丝头卧式加工、攻丝头立式加工、攻丝头倾斜式加工、铣削头卧式加工、铣削头立式加工、铣削头倾斜式加工。

　　组合机床总图CAD系统

　　组合机床总图计算机辅助设计有自动设计和人机交互设计两种方法。自动设计是从结构方案到最后出图一次性完成，而交互设计则是用户参与，交互地选择部件、确定型号及定位的一种方法。组合机床是用按系列化、标准化的通用部件和按工件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成的专用机床，因而组合机床的特点即决定了其计算机辅助设计的方法。其通用性由计算机来完成，而专用性则由用户借助于计算机来实现，即避免了自动设计的适用性差、设计面窄的局限性。组合机床总图参数化图形信息管理系统是在Windows环境下开发的一种人机交互式设计系统，它集成了Windows的SDK技术、数据库技术及图形软件二次开发的ADS技术，为工程设计人员提供了极为方便、高效的设计机床总图的工具。该系统适用钻、扩、铰、锪、镗、铣、攻螺纹等机床加工工艺，机床配置形式为单工位卧、立、倾斜及复合式组合机床、移动工作台式组合机床、回转工作台式组合机床。

　　0.轴上已有齿轮1.新设计齿轮

　　图2三轴齿轮设计优化

　　组合机床加工示意图CAD系统

　　组合机床加工示意图是设计刀具和调整组合机床的重要工作图纸之一，是确定组合机床联系尺寸、绘制组合机床总图的基础。要完成钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、铣削和攻螺纹等工艺，组合机床加工示意图纷繁复杂。根据近十几年开发组合机床CAD的经验，采用自动设计，仅输入几个参数便完成组合机床加工示意图软件，但该示意图适用面小，有局限性。组合机床加工示意图参数化图形信息管理系统软件，采用交互设计方法，使用灵活，适用面广，能满足各种加工工艺要求。组合机床加工示意图参数化图形信息管理系统主要由主轴、接杆、导向套、刀具数据库操作系统，参数图形库操作系统，交互绘图系统和确定组合机床切削用量模块四部分组成。

　　多轴箱CAD系统

　　多轴箱CAD系统是一个专业性应用软件，可用于钻、扩、铰、镗、攻螺纹以及钻攻复合的组合机床多轴箱的设计。系统所需的原始数据来源于组合机床总体设计，即三图一卡(工件图、加工示意图、机床联系尺寸图和生产率计算卡)，如主轴坐标、转速等，在此基础上，系统能够交互或自动地从事各项工作。

　　多轴箱传动系统设计

　　组合机床多轴箱传动系统是一个多轴、多齿轮、多排次的复杂齿轮传动系统。我们采取了二轴、三轴齿轮传动的基本方法，传动系统的生成就是这两种基本连接方法的不断组合、调用。本模块完成传动轴坐标计算、各种几何干涉校核、传动部件的强度校核。为了达到传动系统优化目的(传动轴数尽可能少，传动齿轮个数尽可能少)，采用了如下设计方案，如图1、图2所示。

　　数据后处理

　　传动系统设计完成后，此模块应立即运行，以便为图形生成作数据准备。按照屏幕对话框提示输入图纸的图号(见图3)，方框中的值为缺项值。对于齿轮图号只需输入前一部分，后两位数字由系统自动添加。

　　自动生成多轴箱图形

　　多轴箱CAD自动绘制多轴箱装配总图、箱体补充加工图、前后侧盖补充加工图、专用零件图，如图4所示。

　　图形文件是AUTOCAD的D 格式，可直接为AUTOCAD调用。

　　WBCAD00.D ——WBCAD03.D 为多轴箱装配总图。

　　WBCAD11.D 为多轴箱箱体补充加工图。

　　WBCAD12.D 为多轴箱前盖补充加工图。

　　WBCAD13.D 为多轴箱后盖补充加工图。

　　WBCAD14.D 为多轴箱侧盖补充加工图。

　　GEAR01.D —GEARnn.D 为齿轮加工图。

　　其中nn为齿轮的总数，如齿轮个数为3，则齿轮图形为GEAR01.D ——GEAR03.D 。

　　TABLE01.D ——TABLEnn.D 为多轴箱明细表。

　　6组合机床CAD软件运行环境

　　软件运行的硬件环境：

　　CPU486以上，内存16M以上，全部软件所需硬盘空间350M以上。

　　软件运行的软件环境：

　　Windows95/98，WindowsNT4.0，AutoCADR14.0

　　7组合机床CAD软件已通过专家鉴定并已经推向市场

　　1998年组合机床CAD软件已通过专家鉴定。该软件技术先进、性能可靠、功能强、方便实用，为我国组合机床行业提供了现代化的设计工具，其技术水平处于国内领先地位。

　　该软件已在组合机床设计制造的专业厂和从事内燃机、发动机生产的大中型企业的组合机床设计制造部门广泛应用。如江苏恒力组合机床股份有限公司、保定第二机床厂、常柴股份有限公司、山东华源莱动内燃机有限公司等。企业在改造传统产业中，通过采用CAD技术，发挥了电子信息技术的威力，提高了设计水平，增强了企业的创造能力和产品竞争能力，取得了良好的经济效益和社会效益。

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