数控铣床计算机模块化工业设计研究

胡亚蓉，李祖志

HU Ya-rong，LI Zu-zhi

（宜宾职业技术学院，宜宾 644003）

0 引言

对于数控铣床而言，模块化设计同样可以使其具有很大的灵活性和适应性，缩短设计制造周期，降低制造成本，但同样也使得数控铣床外观造型单调，所以对模块化数控铣床进行工业设计就成了必须。数控铣床的模块化工业设计是在对数控铣床实施模块化设计的基础上，进行整机和模块的工业造型设计，是两种现代设计方法的有机结合[1]，本文主要分析了数控铣床计算机模块化工业设计相关问题，对于提高我国数控机床水平具有一定作用。

1 数控铣床模块化工业设计概述

数控铣床模块化工业设计的基础是进行数控铣床的模块化设计。机床的模块化设计方法主要有横系列模块化设计、纵系列模块化设计、跨系列模块化设计和全系列模块化设计。横系列模块化是针对主参数相同的一组产品，通过选用不同的特定模块形成不同产品的模块化，例如数控铣床主参数不变的前提下，通过配置不同的排屑装置形成不同的铣床产品；纵系列模块化是指对主参数发生变化的产品系列进行模块化设计，数控铣床的主参数为工作台工作面宽度，所以针对数控铣床的纵系列模块化是指把工作台工作面宽度参数不同的各型号数控铣床作为对象，进行模块化设计；跨系列模块化指既有横系列又有纵系列的模块化设计；若在整个横系列和纵系列即全部系列范围内进行统一的模块化设计，则称为全系列模块化设计。

在进行数控铣床的模块化设计之前，必须对现有数控铣床产品型谱，主要参数等进行周密的规划，建立主参数相同或相似的，具有实施模块化设计可行性的对象的集合，即数控铣床模块化设计产品族，并在此基础上进行数控铣床的模块划分[2,3]。为了实现计算机辅助模块化设计，以及模块化生产制造，还必须对划分好的模块进行编码。最后通过选择不同分功能的模块，评价它们组合的可能性和合理性，进行模块的综合，得到具有特定总功能及某些特殊功能或特性的产品。对于数控铣床，其功能已经确定，即基础功能结构模块已经确定，所以可供选择的模块将只包括一些辅助功能模块。

2 数控铣床模块化工业设计的方法

数控铣床的模块化工业设计，以铣床模块为基础，在模块划分结束之后，进入数控铣床模块化设计流程，即作为模块的详细设计内容之一展开。本文在数控铣床的模块化工业设计这一前提下，根据模块与铣床造型的相关程度，对模块进行如下分类：1）功能结构模块：这类模块是实现铣床主功能（铣削加工）的模块，与外观造型无关，一般都是铣床内部的，不可见的机械结构模块；2）外观造型模块：这类模块是铣床外部的可见模块，决定了铣床的造型样式，且不是铣床的主功能模块，受铣床的功能结构约束较小，具有较大的造型自由度：3）综合模块：这类模块既是数控铣床的主功能模块，又与铣床的造型相关，在实现铣床的主功能的前提下，与铣床造型风格样式实现统一。除了第一类模块，其它两类模块都与外观造型有关。

在进行模块的工业设计时，模块与模块间并不是孤立的。从工业设计的角度来看，简单地追求单个模块最优造型并不一定能达到整体造型的最优，所以数控铣床产品的造型设计也要从整体出发，宏观地对数控铣床造型进行控制，即先确定整体的造型风格，从而推得单个模块的具体造型。

“形式服从功能”是工业设计基本原则，在模块造型的过程中也要遵循这一原则。造型的确定必须服从相关的数控铣床结构尺寸和机械性能的要求。不仅综合模块如此，外观造型模块也是如此。并且，由于模块不是孤立存在的，它们之间通过接口实现相互关联，所以在设计时不仅需要符合模块自身的功能结构，还必须满足模块间的接口功能要求。

3 面向产品族的数控铣床分析

3.1 数控铣床产品族的建立

产品族是主参数相同或相似，具有实施模块化设计可行性的对象的集合，是模块化设计的基础。产品族模型由功能模型、原理模型和结构模型组成，所以在数控铣床模块化设计过程中，产品族的建立必须综合考虑功能域、原理域和结构域这三方面因素。

从功能域角度来看，数控铣床主要功能为铣削加工，兼有钻、镗削加工等，根据配置的数控系统功能不同，数控铣床的加工能力也有所不同，两轴坐标联动可以实现平面类零件的加工，两轴半坐标联动可以实现较简单的空间曲面加工，用三坐标或多坐标联动可以加工如螺旋桨等复杂空间曲面。

从原理域角度来看，各类型数控铣床工作原理大致相同。数控铣床工作前，都要预先根据被加工零件的要求，确定零件加工工艺过程、工艺参数，并按一定的规则形成数控系统能理解的数控加工程序。然后用适当的方式将加工程序输入数控铣床的数控装置中，由数控铣床来运行数控加工程序，数控装置会根据数控加工程序中的内容，发出各种控制指令，同时向特殊的执行单元发出数字位移脉冲信号并进行进给速度控制，完成对零件的加工。

从数控铣床基本结构来看，数控铣床可分为工作台升降与工作台不升降两大系列。中华人民共和国第一机械工业部发布的工作台不升降铣床系列中，将工作台不升降铣床的基本形式分为十字工作台型、立柱移动型和滑枕移动型三种。每种型式又分立式和卧式两种。综合以上三方面因素，及机床厂的实际情况，确定数控铣床模块化设计的产品族为立式十字工作台型，工作台不升降三轴联动数控铣床。

3.2 面向产品族的数控铣床功能分析

从数控铣床经过功能分解后得到的功能结构树图可以看出，根据模块化设计的需要，最多处将数控铣床总功能分解至第四级子功能。虽然没有得到外形功能这一子功能，但是其功能载体（铣床外罩等）所具有的其他功能（保护工作人员、观察加工过程）在辅助切削功能中得到体现，所以模块划分的过程中外形功能因素也将随之被考虑在内。

3.3 面向产品族的数控铣床结构分析

数控铣床的机械结构主要包括：主传动系统、进给传动系统、基础支承件、辅助装置。在引入各表现外观造型的部件后，其中防护装置与外观造型直接相关，根据其功能的特点将其纳入辅助装置。

根据该数控铣床产品族结构组成中包含的结构组件间的装配关系，进一步地进行面向工业设计，并基于已定义产品族的功能结构分解，得到数控铣床产品族装配传动关键结构图。其中以床身部件作为的起点，对结构图进行展开；导轨、滚珠丝杠、伺服电机后的整数1、2、3为部件编号，表示三处使用的是不同部件。

3.4 面向产品族的数控铣床造型分析

产品造型是相对感性的工作，其创新性和多样性是产品工业设计实施重要表现之一，是产品工业设计的灵魂，这一点从千变万化的手机造型设计中就不难看出；而计算机能完成的工作是基于数学和逻辑的运算，相对理性，这恰与工业设计的特点相矛盾。本文创新性地将计算机辅助技术与工业设计两个矛盾体相结合，把利用智能计算机辅助技术进行数控铣床工业设计（即建立智能化的系统，根据用厂需求输入提出数控铣床造型设计方案）作为目标。实现这一目标，提炼各数控铣床造型间的规律，就成为了必须。本节根据上文中定义的数控铣床模块化工业设计产品族，对产品族下所包含的各型号数控铣床造型进行了分析和归纳。

另外，在省略了局部造型上的细小变化之后，数控铣床的造型呈现出四种相对固定的形式，它们的造型方法也相对简洁和统一。这些造型上的有序性，使对数控铣床造型进行逻辑推理成为可能，为智能数控铣床计算机模块化工业设计系统的建立打下了基础。

4 数控铣床计算机模块化工业设计系统的关键技术

本文提出的数控铣床计算机模块化工业设计系统就是这样一个基于知识的智能造型设计系统，它将基于实例的推理（CBR）技术融合进系统，根据用户需求参数输入，经过推理，生成数控铣床结构和造型方案，实现数控铣床模块化工业设计的自动化。这里就基于虚拟几何拓扑结构的数控铣床参数化造型的构建中的数控铣床造型特征编码问题进行探讨。

模块编码起着传递用户需求和进行产品功能描述的作用，是建立在用户和数据库之间的桥梁和纽带，是用户和模块以及模块和模块之间信息交流的语言。编码的目的在于用规定的字符代码和规则来表达确定的模块信息，避免因直接用文字描述所引起的概念表达的多样性、多义性和非标准化，从而为模块的选择和组合的计算机处理提供必要的条件。

本文根据数控铣床造型的特点，针对数控铣床计算机辅助模块化工业设计系统建立的要求，对模块的造型特征信息的编码进行了研究，提出了一种基于造型拓扑结构的，二进制的造型特征信息编码方法。

该编码方法通过记录拓扑结构之间的几何约束关系，对数控铣床截面造型形式进行描述。基于以上数控铣床虚拟拓扑结构的构建方法，并且针对数控铣床截面造型形式的区别主要表现在截面正面的特点，用四位二进制数（O或1）对数控铣床截面造型特征信息进行编码。为表示方便，造型正面三段拓扑结构由上至下分别用Segment1、Segment2、Segment3表示，其中Segment1和Segment3都为直线段，Segment2可能为直线段，亦可能为弧。

其中，1）当Segment2为弧时，其绝对几何关系“竖直月E竖直”是指弧所在弦的绝对几何关系；2）根据虚拟拓扑结构的定义，Segment1与Segment2，Segment2与Segment3分别相交或相切于它们的首尾连接点；3）两直线段相切表示两直线段共线。在虚拟拓扑结构的定义下，一个二进制造型特征信息编码唯一对应一种造型形式，并且通过对二进制编码的位运算，可以演化出不同形式的造型，适用于计算机的处理。

5 结束语

从大规模定制背景下国内数控机床企业所面临的挑战和模块化设计、工业设计、以及计算机辅助设计等现代设计方法和设计技术的发展趋势出发，创新性地将数控铣床模块化设计、数控铣床工业设计和智能计算机辅助设计三者相结合，提出了以模块化工业设计提高数控铣床产品竞争力的新方法，以及利用智能计算机辅助技术提高新产品研发造型设计效率的新途径；针对传统参数化建模所存在的程序编码工作量大、效率低等不足，提出基于模型特征遍历的参数化设计一般方法，充分利用了现有数控铣床CAD模型，大大提高效率的设计思想，对于今后提高数控机床水平具有一定帮助。

[1]吴俊庭,万立.机床产品设计中的模块化技术研究[J].中国机电工业,2007,（12）.

[2]刘小鹏,张卫国,钟毅芳.机床模块化设计中的模块创建及应用[J].华中科技大学学报（自然科学版）,2000,28（5）.

[3]刘小鹏,吴俊庭,周济.数控立式车床模块化中的再设计过程研究[J].华中科技大学学报（自然科学版）,2000，28（5）.