機(jī)械畢業(yè)設(shè)計-平衡軸鉆孔組合機(jī)床總體及多軸箱體設(shè)計（全套含CAD圖紙）

機(jī)械畢業(yè)設(shè)計-平衡軸鉆孔組合機(jī)床總體及多軸箱體設(shè)計（全套含CAD圖紙）,機(jī)械,畢業(yè)設(shè)計,平衡,鉆孔,組合,機(jī)床,總體,整體,軸箱,設(shè)計,全套,cad,圖紙 文 獻(xiàn) 資 料專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 施蕾 班 級 BU機(jī)制101 學(xué) 號 1011501126 指導(dǎo)教師 趙健 完成日期 2014年3月9日 文獻(xiàn)綜述一、前言機(jī)械制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)實力、科技水平、生活水準(zhǔn)和國防實力。而制造業(yè)的生產(chǎn)能力主要取決于制造裝備機(jī)床的先進(jìn)程度。而多軸箱是組合機(jī)床的重要專用部件。它是根據(jù)加工示意圖確定工件加工孔的數(shù)量和位置、切削用量和主軸類型設(shè)計傳遞各主軸運動的動力部件。其動力來自通用的動力箱，與動力箱一起安裝于進(jìn)給滑臺，可完成鉆、擴(kuò)、鉸、鏜孔等加工工序。本課題主要設(shè)計多軸箱。多軸箱如箱體、主軸、傳動軸、齒輪和附加機(jī)構(gòu)等組成二、主題組合機(jī)床多軸箱概述：通用多軸箱由通用零件如箱體、主軸、傳動軸、齒輪和附加機(jī)構(gòu)等組成。多軸箱的箱體類零件箱體材料為HT200，前、后、側(cè)蓋等材料為HT150。多軸箱基本尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，9種名義尺寸用相應(yīng)滑臺的滑鞍寬度表示，多軸箱寬度和高度是根據(jù)配套滑臺的規(guī)格按規(guī)定的系列尺寸選擇。多軸箱的通用主軸包括通用鉆床類主軸和攻螺紋類主軸，其中通用鉆床類主軸按支承型式可分為三種：滾錐軸承主軸；滾珠軸承主軸；滾針軸承主軸。按與刀具的連接是浮動還是剛性連接，又可分為短主軸和長主軸。攻螺紋類主軸按支承型式可分為兩種：前后支承均為圓錐滾子軸承主軸和前后支承均為推力球軸承和無內(nèi)環(huán)滾針軸承的主軸。多軸箱的通用傳動軸按用途和支承型式分為六種。它們分別為：圓錐軸承傳動軸；滾針軸承傳動軸；埋頭傳動軸；手柄軸；油泵傳動軸；攻螺紋用蝸桿軸。多軸箱的通用齒輪有：傳動齒輪、動力箱齒輪和電動機(jī)齒輪三種。通用多軸箱是組合機(jī)床中的一個重要的部件，在多軸箱中通過傳動軸和傳動齒輪的傳動，將動力箱中的電動機(jī)軸的動能傳遞給主軸，主軸帶動刀具加工工件。通過對齒輪嚙合的調(diào)整可得到不同的傳動比，因此主軸就可以獲得不同的轉(zhuǎn)速。多軸箱可安裝多個不同的主軸，這樣就可以用多個主軸對同一個工件進(jìn)行不同的加工。多軸箱與動力箱一起安裝于進(jìn)給滑臺，可完成鉆、擴(kuò)、鉸、鏜孔等加工工藝。多軸箱的設(shè)計：軸箱設(shè)計原始依據(jù)圖是根據(jù)“三圖一卡”繪制的。其主要內(nèi)容和注意事項如下： （1） 根據(jù)機(jī)床聯(lián)系尺寸圖，繪制多軸箱外形圖，并標(biāo)注輪廓尺寸及動力箱驅(qū)動軸的相對位置尺寸。 （2） 根據(jù)聯(lián)系尺寸圖和加工示意圖，標(biāo)注所有主軸位置尺寸及工件與主軸、主軸與驅(qū)動軸的相關(guān)位置尺寸。在繪制主軸位置時，要特別注意：主軸與被加工零件在機(jī)床上是面對面放置的，因此，多軸箱主視圖上的水平方向尺寸與零件工序圖上的水平方向尺寸正好相反；其次，多軸箱上的坐標(biāo)尺寸基準(zhǔn)和零件工序圖上的基準(zhǔn)經(jīng)常不重合，應(yīng)根據(jù)多軸箱與加工零件的相對位置找出統(tǒng)一基準(zhǔn)，并標(biāo)注其相對位置關(guān)系尺寸，然后根據(jù)零件工序圖各孔位置尺寸算出多軸箱上各主軸坐標(biāo)值。（3） 根據(jù)加工示意圖標(biāo)注各主軸轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向主軸逆時針（面對主軸看）可不標(biāo)，只注順時針轉(zhuǎn)向。 （4）列表標(biāo)明各主軸的工序內(nèi)容、切削用量及主軸外伸尺寸等。 （5）標(biāo)明動力部件型號及其性能參數(shù)等。主軸型式和直徑、齒輪模數(shù)的確定，主軸的型式和直徑，主要取決于工藝方法、刀具主軸連接結(jié)構(gòu)、刀具的進(jìn)給抗力和切削轉(zhuǎn)矩。主軸直徑按加工示意圖所示主軸類型及外伸尺寸可初步確定。傳動軸的直徑也可以參考主軸直徑大小初步選定。待齒輪傳動系統(tǒng)設(shè)計完后再驗算某些關(guān)鍵軸頸。多軸箱的齒輪模數(shù)常用2，2.5，3，3.5，4幾種。由于為了便于生產(chǎn)，同一多軸箱中的模數(shù)規(guī)格最好不要多于兩種。本題統(tǒng)一選用齒輪的模數(shù)為2。多軸箱傳動設(shè)計是根據(jù)動力箱驅(qū)動軸位置和轉(zhuǎn)速，各主軸位置及其轉(zhuǎn)速要求，設(shè)計傳動鏈，把驅(qū)動軸與各主軸連接起來，使各主軸獲得預(yù)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。對多軸箱傳動系統(tǒng)的一般要求有：在保證主軸的強(qiáng)度、剛度、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的條件下，力求使傳動軸和齒輪的規(guī)格、數(shù)量為最少。為此，應(yīng)盡量用一根中間傳動軸帶動多根主軸，并將齒輪布置在同一排上。當(dāng)中心距不符合標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)采用變位齒輪或略微改變改變傳動比的方法解決。盡量不用主軸帶動主軸的方案，以免增加主軸負(fù)荷，影響加工質(zhì)量。為使結(jié)構(gòu)緊湊，多軸箱內(nèi)齒輪副的傳動比一般要大于0.5，后蓋內(nèi)齒輪傳動比允許取至1/31/3.5;盡量避免用升速傳動。用于粗加工主軸上的齒輪，應(yīng)盡量設(shè)置在第排，以減少主軸的扭轉(zhuǎn)變形；精加工主軸上的齒輪，應(yīng)設(shè)置在第，以減少主軸端的彎曲變形。多軸箱內(nèi)具有粗精加工主軸時，最好從動力箱驅(qū)動軸齒輪傳動開始，就分兩條傳動路線，以免影響加工精度。剛性鏜孔主軸上的齒輪，其分度園直徑要盡可能大于被加工孔的孔徑，以減少振動，提高運動平穩(wěn)性。驅(qū)動軸直接帶動的傳動軸數(shù)不能超過兩根，以免給裝配帶來困難。坐標(biāo)計算就是根據(jù)已知的驅(qū)動軸和主軸的位置及傳動關(guān)系，精確計算各中間傳動軸的坐標(biāo)。其目的是為多軸箱箱體零件補(bǔ)充加工圖提供孔的坐標(biāo)尺寸，并用于繪制坐標(biāo)檢查圖來檢查齒輪排列、結(jié)構(gòu)布置是否正確合理。通用多軸箱總圖設(shè)計包括繪制主視圖、展開圖、編制裝配表，制定技術(shù)條件等四部分。主視圖主要表明多軸箱主軸位置及齒輪傳動系統(tǒng)，齒輪齒數(shù)、模數(shù)及所在排數(shù)潤滑系統(tǒng)等。繪制主視圖就是在設(shè)計的傳動系統(tǒng)圖上標(biāo)出各軸編號，畫出潤滑系統(tǒng)，標(biāo)注主軸、有泵軸、有泵軸轉(zhuǎn)向、驅(qū)動軸轉(zhuǎn)向及坐標(biāo)尺寸、最低主軸高度尺寸及箱體輪廓尺寸等。并標(biāo)注部件代號。展開圖其特點是軸的結(jié)構(gòu)圖形多。各主軸和傳動軸及軸上的零件大多是通用化的，且有規(guī)則排列著。繪制的具體要求如下：（1）展開圖主要表示各軸及軸上零件的裝配關(guān)系。包括主軸、傳動軸、驅(qū)動軸手柄軸、有泵軸及其上相應(yīng)的齒輪、隔套、防油套、軸承或油泵等機(jī)件形狀和安裝的相對位置 （2）對結(jié)構(gòu)相同的同類型主軸、傳動軸可只畫一根，在軸端注明相同軸的軸號即可。對于軸向裝配結(jié)構(gòu)基本相同，只有齒輪大小和排列排列位置不同的兩根或兩組軸，可以合畫在一起，即軸心線兩邊各表示一根或一組軸。 （3）展開圖上應(yīng)完整標(biāo)注多軸箱的三大箱體厚度尺寸及箱壁和內(nèi)腔有關(guān)聯(lián)系尺寸，主軸外伸長度等。主軸傳動軸裝配表把多軸箱中每根軸（主軸、傳動軸、油泵軸）上齒輪套等基本零件的型號規(guī)格、尺寸參數(shù)和數(shù)量及標(biāo)準(zhǔn)件、外購件等，按軸號配套，用裝配表表示。多軸箱技術(shù)條件 多軸箱總圖上應(yīng)標(biāo)注多軸箱部件要求。即多軸箱制造和驗收技術(shù)條件；多軸箱按ZBJ58011-89組合機(jī)床多軸箱制造技術(shù)條件進(jìn)行制造，按ZBJ58012-89組合機(jī)床多軸箱驗收技術(shù)條件進(jìn)行驗收。主軸精度，按JB3043-82組合機(jī)床多軸箱精度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗收。多軸箱總圖設(shè)計中，大多數(shù)零件是選用通用件、標(biāo)準(zhǔn)件、和外購件；對于變位齒輪、專用軸等零件，則應(yīng)設(shè)計零件圖；對于多軸箱體類通用件，必須繪制補(bǔ)充加工圖。 （1）專用零件工作圖 如變位齒輪、專用軸和套等零件，可按一般工件圖規(guī)定。參照同類通用零件圖，結(jié)合專用要求設(shè)計繪圖。 （2）補(bǔ)充加工圖 多軸箱體、前蓋、后蓋等通用零件，應(yīng)根據(jù)多軸箱總圖要求，繪制出需補(bǔ)充加工的部件，通常習(xí)慣用粗實線畫出補(bǔ)充加工部位的結(jié)構(gòu)，其尺寸、形位公差、表面粗糙度等均按機(jī)械制圖國際規(guī)定格式標(biāo)記；通用逐漸的原有部分的輪廓等一律用細(xì)實線表示。三、總結(jié)多軸箱的設(shè)計方法并不是一成不變的，我們正在不斷的尋求更為簡便的設(shè)計方法，如論是用計算機(jī)輔助設(shè)計或是輔助制圖都是其中的一種嘗試，而多軸箱的設(shè)計方法也會隨之變的越來越簡便，越來越嚴(yán)謹(jǐn)參考文獻(xiàn)1 賀自敏、王斌、王盼鋒.多軸箱設(shè)計中減速箱的應(yīng)用.J通用機(jī)械.20132 俞樹斌、吉鵬拓. 組合機(jī)床多軸箱中間箱體的有限元模態(tài)分析.J機(jī)械研究與應(yīng)用.2012.(4)3 韋衡冰. 孔加工組合機(jī)床中多軸箱的設(shè)計與實踐.J煤礦機(jī)械.2010（9）4 李春燕、劉軍. 智能化多軸箱快速設(shè)計方法J.工藝與設(shè)備.2010（4）5 任小中、李春梅、蘇建新. 基于UG的組合機(jī)床多軸箱模塊化設(shè)計.J河南科技大學(xué)學(xué)報. 2007.066 倪建成. 組合機(jī)床通用多軸箱齒輪模數(shù)的確定J.維普資訊.2000(1)7 鄭岳、周建華. 計算機(jī)輔助多軸箱箱體孔系的加工J. 江蘇工學(xué)院學(xué)報. 1994(2)8 沈可興.多軸箱傳動系統(tǒng)設(shè)計中的轉(zhuǎn)速坐標(biāo)線相交法.J. 鎮(zhèn)江船舶學(xué)院學(xué)報.1991（3）9 朱朝寬. 基于ProE的多軸箱參數(shù)化設(shè)計J. 維普資訊 2002（10）10 康文利 、張文健、韓慶瑤. 多軸箱的計算機(jī)輔助設(shè)計.J 維普資訊.1994（2）基于UG的組合機(jī)床多軸箱模塊化設(shè)計任小中，李春梅，蘇建新(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽471003)摘 要：根據(jù)模塊化設(shè)計原理,在功能分析的基礎(chǔ)上劃分了組合機(jī)床多軸箱的各級模塊。將三維CAD技術(shù)與模塊化技術(shù)相結(jié)合，以UG為軟件開發(fā)平臺，利用其強(qiáng)大的三維造型功能和裝配功能，設(shè)計人員在系統(tǒng)界面的引導(dǎo)下可完成模塊選擇你、模塊組合和設(shè)計計算等環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)計算機(jī)輔助組合機(jī)床多軸箱三維模塊化設(shè)計，提高設(shè)計效率關(guān)鍵詞：組合機(jī)床；多軸箱；模塊化設(shè)計；三維造型前言組合機(jī)床多軸箱通常采用一根動力軸帶動多根主軸的工作方式，由于各傳動軸必須在有限的箱體空間內(nèi)得到適宜的分布位置并避免干涉，且各軸的設(shè)計又必須保證其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、強(qiáng)度和剛度，因此多軸箱設(shè)計難度大、周期長 ，往往成為組合機(jī)床設(shè)計的瓶頸，改變這一局面的措施是采用計算機(jī)輔助模塊化設(shè)計。模塊化設(shè)計是一種標(biāo)準(zhǔn)化、組合化設(shè)計，它不是面向某一具體產(chǎn)品，而是面向某一類產(chǎn)品系統(tǒng)以至有相似功能的相鄰產(chǎn)品系統(tǒng)，它不必對每種產(chǎn)品施以單獨設(shè)計，而是精心設(shè)計出多種模塊，用巧妙、靈活而多變的方式組合出多樣化的產(chǎn)品 。為此，我們開發(fā)了支持模塊化設(shè)計的組合機(jī)床CAD系統(tǒng)，將CAD技術(shù)和模塊化設(shè)計方法用于組合機(jī)床多軸箱的設(shè)計，不僅可以縮短多軸箱的設(shè)計和制造周期，降低成本，而且有助于保證多軸箱的質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)的競爭能力。1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與模塊劃分目前國內(nèi)機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)正逐步由以AutoCAD為代表的二維繪圖軟件轉(zhuǎn)向以UG，ProE ，Solidworks為代表的三維設(shè)計軟件 。組合機(jī)床多軸箱三維CAD系統(tǒng)選擇三維設(shè)計軟件Unigaphics(簡稱UG)為軟件開發(fā)平臺，采用了UGOPEN API接口，Visual studionet編譯環(huán)境，Windows 2000XP操作系統(tǒng)，利用UG快速、靈活、方便的三維參數(shù)化造型功能，保證系統(tǒng)順利進(jìn)行設(shè)計。模塊是產(chǎn)品、自然物或其混合物中，具有特定功能的基本單元，它具有標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、互換性等特點。模塊化設(shè)計是在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場的需求。在進(jìn)行多軸箱模塊化設(shè)計時，首先要把多軸箱劃分成若干模塊，由于多軸箱的具體結(jié)構(gòu)取決被加工零件的具體要求，如孔的數(shù)量、形狀、分布位置以及被加工零件的數(shù)量等，因此它不屬于通用件。但通過對多軸箱的組成零件進(jìn)行分類，可以實現(xiàn)多軸箱零件的通用化，例如，多軸箱的箱體和前后蓋是按輪廓尺寸和外形分類的；主軸按照用途分類，分為鉆孔類、鏜孔類、攻絲類等；齒輪則按照模數(shù)、齒數(shù)和孔徑分類等，利用這些通用化的零件可以配置成各種不同結(jié)構(gòu)形式的多軸箱。多軸箱的設(shè)計首先要采用基于裝配的特征建模法建立多軸箱的裝配模型，然后在這個模型中對零部件展開設(shè)計，多軸箱的設(shè)計主要包括多軸箱體的設(shè)計和傳動系統(tǒng)的設(shè)計 ，而傳動系統(tǒng)是由若干主軸、傳動軸和齒輪組成的。根據(jù)多軸箱的裝配層次，將多軸箱設(shè)計模塊分為3個子模塊，如圖1所示。多軸箱設(shè)計模塊在多軸箱總體裝配模型的平臺上，通過交互界面接受用戶輸入的設(shè)計數(shù)據(jù)。2 多軸箱主要模塊設(shè)計21 多軸箱體設(shè)計模塊多軸箱的通用箱體分為箱體、前、后、側(cè)蓋，多軸箱基本尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，名義尺寸用相應(yīng)滑臺的滑鞍寬度表示，多軸箱體寬度和高度是根據(jù)配套滑臺的規(guī)格按規(guī)定的系列尺寸選擇 ，其結(jié)合面上聯(lián)接螺孔、定位銷及其位置與動力箱聯(lián)系尺寸相適應(yīng)。多軸箱設(shè)計模塊包括多軸箱參數(shù)化模型，保存多軸箱全部參數(shù)的數(shù)據(jù)庫以及主控程序。多軸箱箱體的規(guī)格尺寸為寬度和高度，將這兩個尺寸設(shè)置為裝配層控制參數(shù)，在設(shè)計多軸箱參數(shù)化模型的時候，多軸箱箱體、前后、側(cè)蓋之間采用UGWAVE技術(shù)保持部件之間的相關(guān)性。首先建立多軸箱箱體的模型，然后在設(shè)計后蓋、前蓋和側(cè)蓋的時候，引用箱體的邊以及螺孔為WAVE鏈接圖形，這樣更改箱體參數(shù)的時候，其它部件也會相應(yīng)更新。在設(shè)計多軸箱箱體時，要求用戶選擇多軸箱類型，多軸箱類型分為臥式和立式兩種，其區(qū)別在于前蓋的厚度，然后選擇箱體尺寸，在主控程序中，提供了所有多軸箱的箱體尺寸，避免了查表，便于選擇標(biāo)準(zhǔn)化多軸箱。將多軸箱的箱體尺寸作為查詢條件，在箱體參數(shù)數(shù)據(jù)庫中提取所有設(shè)計參數(shù)，并傳遞給圖形庫中的箱體三維模型，模型按照提供的參數(shù)更新后，用戶選擇保存，在需要的時候可以裝配到裝配件文件中，多軸箱設(shè)計流程如圖2所示。22 齒輪設(shè)計模塊齒輪設(shè)計模塊中提供了3種齒輪設(shè)計模型，單個齒輪三維設(shè)計模型，在設(shè)計軸時建立齒輪模型和組合基本傳動模型，現(xiàn)以組合基本傳動模型為例介紹齒輪設(shè)計模塊的創(chuàng)建情況。根據(jù)傳動系統(tǒng)中齒輪間不同的嚙合方式，利用系統(tǒng)的交互建模方式，建立起常用的齒輪傳動裝配模型庫。組合機(jī)床多軸箱傳動系統(tǒng)中共有三種基本傳動模型：(1)同排一帶一、一帶二和一帶三；(2)異排一帶二；(3)異排一帶三。組合機(jī)床的傳動系統(tǒng)可由上述3種基本傳動模型組合而成?；緜鲃幽Ｐ湍K包括圖形庫、數(shù)據(jù)庫和主控程序三部分。圖形庫包括全參數(shù)化的齒輪模型，數(shù)據(jù)庫中存放所有傳動軸和主軸的坐標(biāo)，以便計算時調(diào)入，主控程序完成坐標(biāo)計算、數(shù)據(jù)訪問以及模型更新等操作。在進(jìn)行組合機(jī)床設(shè)計系統(tǒng)時，首先為每根傳動軸和主軸編號，并且將已知軸坐標(biāo)存放在數(shù)據(jù)庫中；然后選擇需要的基本傳動模型，經(jīng)過計算得出未知軸坐標(biāo)并存放于數(shù)據(jù)庫，最后建立模型。主控程序的主界面如圖3所示；程序流程如圖4所示?，F(xiàn)以異排一帶二傳動模型為例說明其計算過程，異排一帶二即在一根傳動軸上用兩對齒輪分別帶動兩根已知軸，如圖5所示。已知0軸、A軸的坐標(biāo)以及傳動齒輪的齒數(shù)和模數(shù)，B軸坐標(biāo)的計算過程如下異排一帶二傳動計算程序界面如圖6所示3 結(jié)語本文根據(jù)組合機(jī)床多軸箱總體方案和設(shè)計要求，劃分并設(shè)計了多軸箱的功能模塊，在三維軟件UG平臺上，利用其強(qiáng)大的三維造型功。能和裝配功能，建立了多軸箱模塊的三維參數(shù)化模型。采用三維設(shè)計方法取代傳統(tǒng)的二維設(shè)計方法，使設(shè)計過程可視化，設(shè)計結(jié)果直觀明了，有利于提高設(shè)計質(zhì)量。采用模塊化設(shè)計和三維CAD系統(tǒng)可極大地提高組合機(jī)床多軸箱的設(shè)計效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命，保證產(chǎn)品開發(fā)的一次成功。參考文獻(xiàn):1 丁國琴組合機(jī)床主軸箱的計算機(jī)輔助設(shè)計J機(jī)械工程師，2002(6)：45462 汪云祥，高洪模塊化設(shè)計及其在齒輪減速器中的應(yīng)用J安徽機(jī)電學(xué)院學(xué)報，2002，17(2)：9123 李春梅，崔鳳奎組合機(jī)床模塊化設(shè)計CAD系統(tǒng)J河南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，25(5)：9一l24 趙韓，宋 暉，朱家誠基于SolidWorks的模塊化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究J組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2004(11)：24265 童時中模塊化原理設(shè)計方法及應(yīng)用M北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，20006 賈延林模塊化設(shè)計M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19937 朱朝寬基于ProE的多軸箱參數(shù)化設(shè)計J組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2002(10)：35378 李春梅，崔鳳奎組合機(jī)床CAD系統(tǒng)J新技術(shù)新工藝，2004(1O)：283O9 謝家瀛組合機(jī)床設(shè)計手冊M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19961O 李明喜，王紅軍機(jī)床主軸的模糊可靠性設(shè)計J洛陽工學(xué)院學(xué)報，2002，23(1)：7577 智能化多軸箱快速設(shè)計方法李春燕，劉軍(鹽城工學(xué)院 優(yōu)集學(xué)院，江蘇鹽城 224051)摘 要：傳統(tǒng)多軸箱設(shè)計對工程師技能要求高且設(shè)計周期長，因此有必要進(jìn)行融合多項關(guān)鍵技術(shù)的智能化快速設(shè)計方法的研究，包括：利用知識工程的原理和方法創(chuàng)建原型庫、利用NX軟件的參數(shù)化設(shè)計和交互建模技術(shù)對傳動系統(tǒng)進(jìn)行智能化設(shè)計、利用WAVE技術(shù)對軸類組建進(jìn)行快速設(shè)計、通過設(shè)置柔性組件完成自適應(yīng)裝配、將系統(tǒng)功能重組實現(xiàn)自動質(zhì)量檢查與分析、利用相關(guān)性技術(shù)實現(xiàn)二維圖紙快速生成、通過軟件二次開發(fā)實現(xiàn)可視化人及交互界面的創(chuàng)建等，取得了良好的設(shè)計效果。關(guān)鍵詞： 智能化；多軸箱；快速設(shè)計；知識工程1. 多軸箱設(shè)計現(xiàn)狀分析多軸箱作為組合機(jī)床中工作量最大的部件，設(shè)計過程繁瑣復(fù)雜，周期長。通常，多軸箱的設(shè)計流程如圖1所示，大量工作量集中在“總體設(shè)計計算”和“詳細(xì)設(shè)計出圖”兩個階段，采用常規(guī)的設(shè)計方法，效率低，出錯率高，返工修改工作量大，嚴(yán)重影響組合機(jī)床生產(chǎn)周期和制造成本，迫切需要尋求一種新的設(shè)計手段來代替人工設(shè)計。揚州柴油機(jī)有限責(zé)任公司等機(jī)構(gòu)的研究人員曾進(jìn)行組合機(jī)床主軸箱的計算機(jī)輔助設(shè)計研究，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。但也有不盡人意的問題，如：影響傳動設(shè)計系統(tǒng)的因素很多，多解性、不確定性和經(jīng)驗性顯得尤為突出，難以取得最優(yōu)化結(jié)果；二維環(huán)境下的多軸箱設(shè)計通常是由設(shè)計師選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，完成一定的計算，沒有經(jīng)驗推理過程，設(shè)計過程不直觀，無法實現(xiàn)智能化設(shè)計；設(shè)計結(jié)果的分析檢查基于平面幾何，無法立體檢查，要求設(shè)計工程師具有較豐富的設(shè)計經(jīng)驗，制約了多軸箱設(shè)計自動化水平的提高。為了降低對設(shè)計師的能力要求，快速設(shè)計，節(jié)省時間，減少因設(shè)計失誤而帶來的各種損耗，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，增加開發(fā)效率，本文研究了智能化多軸箱快速設(shè)計系統(tǒng)。把人工智能的思想、方法和技術(shù)以及三維設(shè)計思想和軟件技術(shù)引入多軸箱設(shè)計系統(tǒng)中。利用“知識工程”的理論和方法，將機(jī)床的國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及企業(yè)多年的設(shè)計知識歸納、提煉、整理為相應(yīng)的設(shè)計知識，建立了多軸箱的知識庫、原型庫和推理機(jī)制。在NX環(huán)境下，直觀的進(jìn)行傳動系統(tǒng)設(shè)計，自動計算坐標(biāo)，智能化生成傳動系統(tǒng)圖。利用WAVE技術(shù)，采用自頂向下的方法，自動設(shè)計出多軸箱箱體、主軸組件、傳動軸組件等零部件，然后通過自適應(yīng)裝配，生成多軸箱模型，再后進(jìn)行設(shè)計質(zhì)量檢測，反饋檢測信息，修改完善前期設(shè)計，改進(jìn)庫文件等。通過二次開發(fā)技術(shù)設(shè)計出適應(yīng)工程師設(shè)計習(xí)慣的，具有可視化和自學(xué)習(xí)特點的友好的人機(jī)交互界面。2智能化多軸箱設(shè)計總體方案多軸箱是組合機(jī)床的重要組成部件，它是選用通用零件，按專用要求進(jìn)行設(shè)計的 ，為多軸箱的智能化快速設(shè)計提供了必要的條件。多軸箱的快速智能化設(shè)計(如圖2所示)主要體現(xiàn)在兩個階段：傳動系統(tǒng)的智能化設(shè)計，包括齒輪的排布、動力的計算、坐標(biāo)的生成和傳動系統(tǒng)校核等；詳細(xì)設(shè)計和出圖階段，包括三維模型的建立、自適應(yīng)裝配、自動質(zhì)量分析檢查和二維工程圖的自動生成等。3. 關(guān)鍵技術(shù)研究3.1 知識庫、原型庫和推理機(jī)的建立多軸箱設(shè)計涉及的知識種類很多，通過企業(yè)調(diào)研，收集整理將與多軸箱有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及企業(yè)多年的設(shè)計經(jīng)驗歸納、提煉、整理為相應(yīng)的設(shè)計知識，建立了多軸箱設(shè)計的知識庫、原型庫和推理機(jī)制。知識庫主要包括相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，如制圖標(biāo)準(zhǔn)、各類標(biāo)準(zhǔn)件的國家標(biāo)準(zhǔn)等。原型庫包括：多軸箱設(shè)計模板；基本齒輪傳動模型庫；主軸基本模式的基本模型庫；傳動軸基本模式的基本模型庫等。原型庫中包含了多軸箱設(shè)計過程中常用的零部件模型，并可以按照所需的尺寸等自動快速生成，以供設(shè)計人員選用和修改。根據(jù)組合機(jī)床總體設(shè)計結(jié)果，建立多軸箱的基本三維模型，數(shù)據(jù)以知識的形式存儲在該模型中，包括多軸箱輪廓尺寸、驅(qū)動軸相對位置、主軸位置尺寸及各軸轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速、各主軸與驅(qū)動軸相對位置關(guān)系、各主軸工序內(nèi)容、切削用量及外伸部分尺寸、動力部件型號及其性能參數(shù)等。這些將成為多軸箱智能化快速設(shè)計的依據(jù)。由圖2可見，從組合機(jī)床總體設(shè)計的“三圖一卡”和多軸箱設(shè)計原始模型到生成最終多軸箱裝配模型及圖樣，其問需經(jīng)過基本參數(shù)確定、傳動系統(tǒng)設(shè)計、各個部件設(shè)計、虛擬裝配、二維工程圖轉(zhuǎn)化，以及質(zhì)量分析檢查等多個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)之間都需要有知識的傳遞，如尺寸的相關(guān)性、位置的相關(guān)性、工藝性能等各方面的要求等等，為解決這些問題，有必要建立知識的推理機(jī)制，使每個環(huán)節(jié)的知識傳遞都能符合設(shè)計要求，減少重復(fù)設(shè)計的可能性。即使有不合理的地方，也可以通過后期的質(zhì)量分析檢查發(fā)現(xiàn)問題，然后修改模型、完善庫文件，改進(jìn)推理機(jī)制。32 傳動系統(tǒng)智能化設(shè)計傳遞系統(tǒng)設(shè)計主要是解決齒輪傳動路線的設(shè)計，是多軸箱設(shè)計中最關(guān)鍵的一步，直接影響多軸箱部件的質(zhì)量和零件的通用化程度。原則上應(yīng)保證在足夠強(qiáng)度和剛性的條件下，用最少的傳動軸及齒輪副把驅(qū)動軸和各主軸連接起來，使傳動鏈最短。系統(tǒng)根據(jù)已建立的基本齒輪傳動模型庫進(jìn)行傳動系統(tǒng)的智能化設(shè)計。利用NX軟件的參數(shù)化設(shè)計和交互建模技術(shù)，根據(jù)傳動系統(tǒng)中齒輪之間不同嚙合方式，建立起常用的齒輪傳動裝配模型庫，從而進(jìn)行傳動系統(tǒng)的智能化設(shè)計。齒輪傳動模型庫包括同心圓分布主軸傳動方案和直線分布主軸傳動方案，也可采用混合分布形式。系統(tǒng)可根據(jù)轉(zhuǎn)速自動計算中心距和總傳動比，然后根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的傳動比分配原則計算主、被動齒輪齒數(shù)，然后在NX的草繪模塊中利用尺寸和位置約束關(guān)系建立軸的布置圖。不同排的齒輪可利用顏色區(qū)分表示，使得生成的傳動系統(tǒng)圖清晰、直觀(圖3為加工某四缸柴油機(jī)發(fā)動機(jī)曲軸主軸承座螺紋底孔的多軸箱傳動系統(tǒng)圖)。傳動系統(tǒng)圖生成后，各軸的坐標(biāo)即可自動生成，無需計算，通過選擇菜單中的“軸的坐標(biāo)”，便可觀察軸坐標(biāo)列表。通過“傳動系統(tǒng)檢查”功能，參照知識庫文件，利用NX軟件的內(nèi)部計算，可對軸和齒輪的位置、轉(zhuǎn)速、強(qiáng)度等進(jìn)行校驗，得出檢查結(jié)果，對不合理的地方還可進(jìn)行改進(jìn)。傳動系統(tǒng)是在多軸箱基本三維模型中創(chuàng)建的，與其具有尺寸、位置等相關(guān)性，符合自頂向下的設(shè)計思想，為后續(xù)組件的設(shè)計打下基礎(chǔ)。33 軸類組件快速設(shè)計軸類組件的類型相對固定，因此通過交互方式輸入或選擇軸的類型、軸號等關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)便可參照內(nèi)部已存的信息，如基本模型中已存的軸徑、齒輪模數(shù)、厚度等，傳動系統(tǒng)設(shè)計生成的與該軸相關(guān)的齒輪齒數(shù)等信息，利用WAVE技術(shù)和相關(guān)性技術(shù) 快速自動生成該組件的基本模型，通過可視窗口預(yù)覽三維模型，針對長度等參數(shù)可在裝配時進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。組件確認(rèn)后，可在基本三維模型中的相應(yīng)位置生成，并具有相關(guān)性，即當(dāng)基本三維模型參數(shù)修改時，軸類組件將做相應(yīng)修改，針對某些不合理結(jié)構(gòu)可在后面介紹的自適應(yīng)裝配中調(diào)整34 自適應(yīng)裝配 多軸箱中涉及的軸類、齒輪等零件較多，且具有嚴(yán)格的傳動關(guān)系，結(jié)構(gòu)緊湊，因此裝配過程中可能會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理的部位，自適應(yīng)裝配便是多軸箱部件中設(shè)置柔性組件，根據(jù)組件間的裝配要求和柔性組件的變形規(guī)則，基于簡單沖突消除目標(biāo)及綜合優(yōu)化目標(biāo)，自適應(yīng)地選擇或調(diào)整相關(guān)組件，并實現(xiàn)有效的產(chǎn)品裝配建模 。多軸箱主要零部件設(shè)計好后，進(jìn)入到總裝階段。利用NX軟件虛擬裝配、WAVE功能及相關(guān)性建模等技術(shù)，在基本三維模型中根據(jù)傳動系統(tǒng)中設(shè)定的各軸分布情況，逐步設(shè)計或加入主軸組件、傳動軸組件、手柄軸組件等，形成多軸箱的初步設(shè)計。裝配過程中，可時時檢測待裝組件與已裝組件之間的匹配關(guān)系，干涉情況等，通過信息處理，對照比較，自動找出可能存在的不合理結(jié)構(gòu)，并生成裝配檢測報告，提醒用戶是否需要修改。用戶可根據(jù)出錯報告信息，利用NX軟件的“可變形組件”等功能，設(shè)置部件可調(diào)，或參數(shù)可調(diào)，然后由系統(tǒng)自動生成最合適的裝配狀態(tài)，完成自適應(yīng)裝配。35 自動進(jìn)行質(zhì)量檢查與分析多軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求緊湊、傳動系統(tǒng)要有嚴(yán)格的傳動關(guān)系，采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計手段，僅可以從平面觀察運動情況和是否存在干涉，多軸箱設(shè)計好壞與設(shè)計師的水平有較大關(guān)系。而利用三維設(shè)計軟件的虛擬裝配、運動分析和干涉檢查等手段，則在設(shè)計階段就可以方便的預(yù)測到實際加工、裝配和生產(chǎn)過程中可能會發(fā)生的問題，進(jìn)而及早改進(jìn)，減少因干涉等問題造成的零件返工甚至報廢等損失，為企業(yè)降低出錯率、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。利用UG NX軟件的應(yīng)用程序接口(API)，對與質(zhì)量分析檢查有關(guān)的功能進(jìn)行整合，以VisualC 60為編程工具，設(shè)計友好的交互界面，界面信息包括多軸箱基本信息，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、軸徑，齒輪齒數(shù)模數(shù)，傳動比、總的質(zhì)量、體積等等，是否進(jìn)行干涉檢查和檢查結(jié)果，是否進(jìn)行運動分析和分析結(jié)果，并可顯示質(zhì)量分析檢查報告單，以作為設(shè)計人員的參考數(shù)據(jù)。對于多軸箱中存在的不合理結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)還允許對相應(yīng)零部件進(jìn)行修改，由于各個零部件間存在關(guān)聯(lián)，因此修改某一參數(shù)便可完成與其相關(guān)的零部件模型和裝配的修改，同時對于原型庫中的不合理結(jié)構(gòu)也可進(jìn)行修改。經(jīng)過一定時期的使用和完善整理，使系統(tǒng)性能穩(wěn)定，有一定的糾錯能力。36 二維圖紙的自動快速生成利用NX的“建模模塊”、“工程圖模塊”及其相關(guān)功能，系統(tǒng)可根據(jù)裝配好的多軸箱三維模型自動生成多軸箱總圖，包括主視圖、展開圖、裝配表等，如果需要還可生成單個零件的模型及其補(bǔ)充加工圖，實現(xiàn)二維圖的快速繪制，保證設(shè)計、加工之間技術(shù)交流通暢。37 可視化人機(jī)交互界面的創(chuàng)建人機(jī)交互界面作為設(shè)計師使用本系統(tǒng)的直接對話內(nèi)容，設(shè)計了內(nèi)容直觀、信息豐富、符合設(shè)計師的習(xí)慣的界面。界面形式采用圖形和文字交叉，比如在選擇主軸組件類型時，在選擇傳動系統(tǒng)類型時，分別提供相應(yīng)的圖片以便辨認(rèn)。通過研究傳統(tǒng)二維設(shè)計軟件的交互界面，了解設(shè)計師的操作習(xí)慣，將其用知識表示，達(dá)到自學(xué)習(xí)的目的，融人到多軸箱三維設(shè)計系統(tǒng)中，并對存在的問題予以改進(jìn)，以達(dá)到設(shè)計師能以最快速度設(shè)計出最理想的產(chǎn)品的目的。利用NX模板建模技術(shù)建立多軸箱中通用件的模型，開發(fā)了參數(shù)化的、尺寸驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)子系統(tǒng)。系統(tǒng)的開發(fā)是以NX系統(tǒng)為平臺，以NX的應(yīng)用程序接口(API)作為開發(fā)工具，以VisualC 60為編程工具，通過開發(fā)微軟基礎(chǔ)類庫(MFC)與UFUN之間的接口，實現(xiàn)通用件庫的后臺數(shù)據(jù)管理。人機(jī)交互界面達(dá)到可視化操作和鏈接自學(xué)習(xí)的目的。5.結(jié)論智能化多軸箱快速設(shè)計融合了知識工程、智能化設(shè)計、傳統(tǒng)多軸箱設(shè)計、先進(jìn)三維設(shè)計方法等多方面知識，以三維設(shè)計軟件(UG NX)及其二次開發(fā)工具為應(yīng)用工具，為多軸箱設(shè)計提供了可行的、可靠的發(fā)展空間，大大縮短了設(shè)計周期，實現(xiàn)了多軸箱的智能化快速設(shè)計。圖4為采用該系統(tǒng)設(shè)計生成的加工某四缸柴油機(jī)發(fā)動機(jī)曲軸主軸承座螺紋底孔的多軸箱三維模型。參考文獻(xiàn)：1丁國琴組合機(jī)床主軸箱的計算機(jī)輔助設(shè)計J機(jī)械工程師，2002(6)：45462姚永明非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計M上海：上海交通大學(xué)出版社。19993朱朝寬基于ProE的多軸箱參數(shù)化設(shè)計J組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2002（10）：35-37 4方水良，楊維學(xué)，李金華 自下而上產(chǎn)品設(shè)計中的自適應(yīng)裝配建模J計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008（11）：2150-2154