数控镗(铣)床主轴箱CAD系统

　　摘　要：介绍一个数控镗(铣)床主轴箱CAD系统。该系统采用面向对象思想进行主轴箱动力参数计算、三维实体图形库的建立，使该系统具有方便快捷、自动化程度高、可扩充的特点，可大幅度地提高设计效率，降低设计、生产成本，提高产品质量，并将产生较大的经济效益。　　关键词：面向对象；主轴箱；参数化特征建模；多态性；继承性　　分类号：TP391.72　文献标识码：A　　文章编号：1001-2265(2000)　02-0011-03　　1　引言　　芜湖重型机床厂的WHZ-02X系列数控镗(铣)床属多品种、小批量产品，主要根据用户和市场需求进行专机设计生产。在这种生产方式下，产品改型频繁，主传动系统是镗(铣)床的关键部件，也是变化频率最高的部件。以往主传动系统的设计基本是靠人工手工设计，不仅工作量大、周期长，不能满足市场变化的需要，而且无法从理论上定量定性分析设计，使设计水平的提高受到极大的限制。为增强市场竞争力，实现数控镗(铣)床主轴箱快速并行设计，显得尤为重要。本文采用综合性产品建模系统，面向对象的思想，建立完善的CAD应用环境，以满足市场及用户对产品设计快速响应的需求，实现产品全相关快速变型设计。　　2　系统总体框架设计　　本系统通过用户输入的主要技术指标(最大行程、转速、工件最大直径等)，计算出主切削力、切削功率，进而进行机床的快速设计。通过查询三维机床型谱图库，得到相近设计，为新的设计提供参考。用Visual　C++这种面向对象的语言对数控镗(铣)床主轴箱系统进行界面设计、动力参数计算，它提供给我们所需的数据抽象、数据隐藏、模块化等概念，该系统由原始数据输入模块、切削力切削功率计算模块、计算结果输出模块等主要模块组成，大大增强了系统的可靠性［1］。采用自上而下、面向装配的全相关并行设计思想(DFA)，由装配图产生零件图［2］，由整体到局部，建立参数化图形库。其实质是面向对象的思想建立主轴箱三维实体模型。本系统总体框架设计如图1所示。针对用户和市场不同需求，依据需方提出的具体要求进行总体方案优化设计，从而实现主轴箱总体方案设计、动力参数计算、结构设计、装配干涉检查、零部件性能分析和评价。　　图1　数控镗(铣)床主轴箱CAD系统框架设计图　　执行此应用程序后，显示主进程界面如图2所示。点击“计算切削力”主菜单的下拉菜单各选项，可分别弹出车、镗、铣、钻削力参数输入对话框。点击OK按扭，对话框消失，屏幕上出现对应加工方法的计算结果。　　图2　主轴箱CAD系统主进程界面图　　3　数控镗(铣)床主轴箱CAD系统结构及其运行逻辑　　3.1　动力参数计算模块设计　　本模块是进行车、镗、铣、钻、铰等各种加工方式对应的切向切削力、径向切削力、轴向切削力及切削功率的计算。同一加工方式，切削力、切削功率的影响因素较多，不同材料硬度、切削速度、刀具角度对切削力切削功率有不同的影响，因而计算公式亦不同，需输入输出较多数据，计算较为复杂。为此，在文档/视窗架构的基础上，由ClassWizard定义一系列新类：对话类(Chexueli、Xixueli、Zuanxueli，用于各加工方式的原始参数和切削用量的输入)、计算结果输出类(Chexueresult、Xixueresult、Zuanxueresult,为便于文档类和对话类数据对应、交换，在这些类中定义各加工方式的切削用量、原始参数和成员函数Drawresult()、Serialize())。为方便不同切削用量和原始参数输入后所得计算结果的比较，采用多文档类型。在文档类中定义各计算结果类的对象，以便文档类可访问计算结果类中各成员数据和成员函数。用文档类中的成员函数Serialize()来调用不同结果类中的Serialize()函数，实现不同加工方式的数据写到持久存储介质中［1］，以后再从持久存储介质中读该对象状态来重新构造该对象，从而可大大方便文档类数据的管理和操作。视图类通过Getdocument()函数，获得指向文档指针来访问文档类数据，可调用各计算结果类中的Drawresult()函数，来实现各种加工方式在屏幕上的显示。此软件系统框架如图3所示。　　图3　动力参数计算程序框架图　　3.2　主轴箱三维实体图形库的建立　　3.2.1　标识唯一性、分类性　　——零部件的名称唯一，主轴箱总装配体中各子装配体的分类。　　主轴箱是用来联系运动源(电机)和机床的执行器官(主轴)。其功能是：①把一定的功率从运动源传递给执行器官。②保证执行器官一定的转速和一定的调速范围。③根据需要，能方便地进行运动的启动、停止、换向和制动。根据数控镗(铣)床TK6410主轴箱功能要求、装配关系及设计约束，将主轴箱分为以下几大部件：主轴类(Ⅰ轴，主轴箱中的执行器官)、变速机构类(Ⅱ、Ⅲ轴，保证执行器官一定的转速和一定的调速范围，本传动系为二级变速传动机构：由电机输出轴→连接轴→Ⅱ轴→Ⅲ轴→Ⅱ轴→Ⅰ轴，从而达到铣轴所需转速；由电机输出轴→连接轴→Ⅱ轴→Ⅰ轴，从而达到镗轴所需转速)、电机输出轴类(连接轴通过齿轮轴套与电机输出轴相连，用于将电机功率传递给变速机构)、油缸类(油缸组件中的活塞推动Ⅱ、Ⅲ轴上的拨叉移动，拨叉使Ⅱ轴上的双联滑移外齿轮作轴向移动与Ⅲ轴上的齿轮脱开，与其右端同轴上的内齿轮啮合，实现由电机输出轴→连接轴→Ⅱ轴→Ⅰ轴的变速传动)、箱体类(箱体内各轴线的布置与箱体的形状有关，箱体对其内各组件起支撑和密封的作用，并承受各种载荷)等子装配体。在总体装配关系约束下，同步地对这些子装配体进行并行设计，每个功能单元可进一步分解为下一子功能单元结构。将变速机构分为Ⅱ、Ⅲ轴部件类，Ⅱ、Ⅲ轴部件子装配体进一步细分为轴、轴承、轴上的传动件，直至最终实现每个功能单元的结构为已知的形状特征或部件单元为止［3］。　　3.2.2　多态性、继承性　　——零件及总装配体中，子装配体的互换性、互换的子装配体之间装配约束关系的多样性。　　零件中，基特征与辅助特征的父子继承关系。装配体中，自上而下，由总装配体→子装配体→再子装配体之间的父子继承关系，由上一层装配体中的装配约束关系继承而来的继承参数，如定位面、配合面、支撑面、基准面的尺寸参数及加工要求都将成为下一层装配体的设计约束。设计过程中有两类参数：①继承参数　从上一层继承下来的参数，本层设计部门不但必须满足，而且无权直接修改。如拨叉两孔分别与Ⅱ、Ⅲ轴配合，拨叉上两孔间距参数及孔径参数由图4所示。②生成参数　从继承参数中导出，或根据当前的设计需要制定，如图4拨叉总长度、总宽度尺寸，当继承参数有所改变时，相关的生成参数要随之调整。当拨叉上两孔之间的距离以及孔径变化时，其总长度、总宽度尺寸也发生相应变化。　　图4　拨叉尺寸参数的继承性图　　面向对象的程序设计中，多态性指同一消息被不同的对象接收后被解释为不同含义的能力，它和类的继承性密切相关。一个对象能接受若干个不同形式、不同内容的消息，相同形式的消息可以送往不同的对象，不同的对象对相同形式的消息可以有不同的解释，从而作出不同的响应。主轴箱中，结构约束好比消息，同一子装配体可采用不同的或相同的结构约束，与不同的子装配体装配成不同的装配体。如Ⅱ轴子装配体采用相同的结构约束(齿轮传动)分别与Ⅰ、Ⅲ轴、连接轴装配成不同的装配体，采用不同的结构约束(端面对齐)与油缸组件装配成装配体。主轴箱中各子装配体的分类、多态性、结构约束多样性如图5所示。　　图5　主轴箱中各子装配体的分类、多态性、结构约束多样性图　　4　结束语　　本文采用Visual C++进行主轴箱动力参数的计算，采用面向装配的全相关并行设计思想(DFA)，建立主轴箱三维实体模型。其实质是采用面向对象中类、继承性、多态性、动态装订等面向对象的思想，建立主轴箱CAD系统，从而大大增强了系统的扩充性、稳定性，使本系统能为今后的CAD/CAM/CAE集成奠定基础。