1 前言

隨著國內近年來汽車工業的發展，機械產品品種和規格的更新速度不斷加快，要求交貨及時，以傳統的組合機床或專用機床進行大批量生產已無法滿足發展的需要，現代設計思想便應運而生。模塊化設計思想產生以來，國內外對其研究和應用均有許多進展。日本的Y.Ito,Y.Yoshida等提出分級模塊的概念和用GT碼來描述機床結構。德國P.Dietz研究了解決不同尺寸模塊之間的組合問題。前蘇聯的D.Vragoo和Y.Saito研究了機床總體布局中的模塊編碼問題。國內陳敏賢等對機床模塊化設計與計算機技術的結合進行了理論探討。華中理工大學的胡維剛等開發了機床模塊化設計智能知識系統。針對制造業面臨的競爭激烈、動態多變的市場，以應標競爭為主要目的，模塊化設計數控機床結構運動仿真系統(簡稱SDSS)將模塊化設計思想用于機床的工程設計中，將模塊化機床的工程設計、工業設計和運動仿真納入一個完整的計算機輔助設計系統。其中集成是關鍵，而系統建模定義了系統在整個生命周期中的所有數據，保證了集成的順利實現。

近年來，特征技術的研究非常活躍，無論是基于特征的CAD，基于特征的CAPP，還是基于特征的產品建模系統，都以特征為基本信息單元和操作單元。特征已成為設計和制造過程的通訊媒介，也是CAD/CAM集成的重要元素。國內90年代造型技術的研究主要集中在三維實體造型和特征造型方面，如實體造型中的幾何約束問題、基于特征的三維參數化造型等。SDSS系統采用特征建模。

為使讀者具有一個整體概念，給出SDSS系統工作流程圖，如圖1所示。系統采用AutoCAD提供的開發工具ADS和Borland C＋＋，Turbo C以及3DS為底層支持軟件。

 
圖1 系統工作流程

2 機床模塊的劃分

機床的模塊化設計包含兩個過程，一是如何根據設計要求進行功能抽象、合理創建模塊的過程，二是如何根據設計要求合理選擇一組模塊、產生機床拼裝方案的過程。其中模塊的創建問題是模塊化設計的核心，而模塊的劃分則是首先需要解決的問題。

2.1 機床模塊的劃分原則

進行模塊化設計，首先必須把產品劃分成若干模塊，再以模塊為基本單元進行設計。模塊必須具有可互換性、通用性和標準化的特點。因此，模塊劃分的合理性對模塊化產品的性能、外觀以及模塊的通用化程度和成本均有很大影響。本文的模塊劃分是以功能分解為基礎的，機床的功能分解細化到何種程度是模塊劃分的關鍵。若將零件級確定為最基層模塊，通用性則高，卻失去模塊設計的意義；而功能綜合程度過高，又會影響模塊拼裝時的柔性。本文借鑒同行的研究，參考組合機床的部件劃分原則，并結合工廠實際，確定模塊劃分原則如下：

(1)獨立性原則。包括相對于其它模塊的功能獨立和結構獨立，有助于模塊系列化發展，以實現縱系列機床設計。其中拼裝結合面的連接方式和連接要素應實現標準化和系列化，以保證模塊間拼裝的可能性和互換性。

(2)部件原則。組合機床的拆分主要遵循部件原則，以保證結構的相對獨立。

(3)組件原則。對功能綜合程度過高的部件進一步進行功能分解，將組件模塊化。

(4)基礎件原則。基礎件功能和結構比較獨立，例如床身、立柱等，其材質大都為鑄件或焊接件，生產加工周期長，影響產品迅速改型。采用同一類型的聯接為基礎，建立接口標準化、通用化的基礎件模塊，可以在較低成本的前提下最經濟地配生出各式各樣的產品。

2.2 基于功能分解的數控機床的模塊劃分

產品充其量是功能的載體，顧客購買的實質上是一種或多種功能，因此，功能分析是工程設計的一種重要手段，也是模塊化設計的基礎。功能分析法是通過分析用戶對產品的要求而確定總功能，然后對總功能進行分解，按分級方法直到最后分解出功能元。根據解法原理對功能元求解，得到功能元的原理解，即最基礎模塊。功能元的原理解通過選擇、變異形成其上一級的分功能的原理解的備選方案，將其進行合理組合，尋求整體方案最優。其中形態學矩陣是表達以上工作的一種較為清晰的形式。

本文根據模塊劃分原則，并參考機床廠多年實踐經驗，利用功能分析方法，建立數控機床模塊劃分通用模型。對臥式加工中心進行了概念上的分解和綜合后，得到八種功能模塊(第一級)和十八種分功能模塊(第二級)，由此得到的模塊具有功能獨立、結構互換和結構分級的特點。此外，各個模塊(或分模塊)并不是隸屬于某一類機床(或模塊)的，可跨類使用。

3 系統模型的特征分析

為實現系統中各個子系統的集成，系統模型包括模塊模型和機床拼裝模型。

3.1 模塊特征分析

在對大量模塊進行特征分析的基礎上，提出了基于特征的滿足結構運動仿真要求的模塊特征層次樹的概念，如圖2所示。模塊是在功能分析的基礎上劃分的，模塊模型的其它幾方面均為實現該功能服務，機床拼裝時對模塊的選擇也是根據模塊功能特征進行的。從各個功能的幾何實現角度提取功能形狀特征。

圖2 模塊特征層次樹

3.2 機床的拼裝特征分析

模塊所具有的拼裝特性，使選用大量標準模塊和少量擴充模塊拼裝成滿足用戶要求的機床成為可能。圖3為對機床的拼裝特征的分析。其中聯系特征指具有裝配關系的模塊的信息，如模塊名稱及其拓撲關系等。裝配幾何特征和方位面特征是拼裝的核心，為保證拼裝模型和模塊模型的一致性，其具體內容從模塊模型中部分提取。之所以不全部接受模塊模型信息，是因為模塊模型具有通用性，因而其設計中不可避免存在信息的冗余。

圖3 機床的拼裝特征分析

4 系統模型的創建與實現

4.1 模型結構

在特征層次樹的基礎上建立系統模型。

為實現模型的計算機支持，模型必須滿足：

(1)描述方法的可讀性。可讀性既要使人能準確理解其中內容，又具有能被計算機理解的形式化程序，有利于計算機應用程序的生成。使用形式化的數據和規范化語言來描述，消除二義性。

(2)描述方式的集成性。定義了產品在整個生命周期中所有的產品數據，以提供系統模型各特征的唯一表達。

(3)信息的一次性定義。使集成信息的冗余度降至最低，每一信息元素只定義一次。集成資源是從不同階段和不同應用中抽取數據構成的，對這些資源進行整理、分類，消除冗余。

4.2 模型的表達

從系統的模型結構可知，模型具有封裝性和繼承性。系統內部數據交換方式有三種：動態工作文件格式、共享數據庫方式和共享知識庫方式。

為實現信息的集成，模塊模型與機床拼裝模型的統一數據結構表達是必要的。可以看出，系統模型與計算機領域的樹形結構非常類似，因此該模型在計算機中的表達采用多叉樹形式。為了運算和存儲方便，將其轉換為二叉樹形式，其存儲采用鏈式存儲。模型的每個信息集合構成二叉樹的一個節點；左子樹指向該節點的具有繼承和從屬關系的子級信息集合節點，右子樹指向該節點的具有同級關系的兄弟級信息集合節點；系統模型是二叉樹的根。圖4以模塊模型中運動模型為例給出了模型的二叉樹表達。

圖4 運動模型的二叉樹表達

4.3 系統運行實例

以天津第一機床廠生產的門式刀庫單主軸臥式加工中心為例進行系統運行，圖5為加工中心組合形式之一：標準CNC分度轉盤組合形式。本系統具有三方面功能：

(1)對機床各模塊進行參數化三維實體構造，自動生成圖形文件和數據文件。
(2)對機床模塊進行拼裝，得到性能各異的整機。自動建立各坐標系并實現其間的自動轉換。
(3)利用燈光、攝象機等多種表現方式，對整機進行全方位外觀顯示和各運動模塊的三維動畫表現，以達到逼真的整機仿真效果。

圖5 標準CNC分度轉盤組合形式

5 結論

(1)基于功能分解的數控機床模塊劃分通用模型，使模塊具有功能和結構獨立以及分級的特點，從而保證了模塊的通用性和互換性，便于拼裝出變型產品和組織專業化生產。

(2)特征技術不但著眼于完善產品的幾何描述能力，而且更重視表達產品完整的技術和生產管理信息，實現產品的信息模型的集成和系統內部的數據共享。