| 1 組合機床CAD系統的現狀分析 CAD技術從二維繪圖起步，在短短的二三十年內，經歷了三維線框、曲面造型、實體造型和現今廣泛使用的特征造型幾個階段，取得了豐碩的成果。然而，這些技術都是圍繞零件的詳細設計而發展起來的。隨著市場競爭的日益激烈，對產品設計自動化的要求越來越高，除了產品的詳細設計、工程繪圖之外，還必須支持產品的方案設計、初步設計等早期設計過程。與產品的詳細設計相比較，CAD技術在產品早期設計階段的應用還很薄弱，其主要原因是這階段的信息抽象層次比較高，不易形式化，難以被計算機處理。
方案設計是組合機床設計的*步，它是零部件設計和制造裝配的重要基礎。方案設計的優劣直接影響機床的設計質量和生產成本。近年來，人們在組合機床CAD方面做了不少工作，相繼推出了多個組合機床CAD系統［1］～［3］。這些系統的面市，實現了組合機床設計的部分自動化，促進了組合機床行業的技術進步。然而，這些系統均未能很好地解決組合機床方案設計問題，如文獻［1］［2］向用戶提供了一套較為完備的組合機床通用件、標準件圖形庫和人機交互界面，借助于該系統可方便地繪制組合機床方案設計所需的三圖一卡，但不能支持方案設計過程，根據其功能僅能算是一個組合機床繪圖系統；文獻［3］能夠支持方案設計過程，用戶可根據系統導航完成組合機床的方案設計，并能自動生成輸出方案設計結果(即三圖一卡)，但該系統是基于傳統設計模型，依賴于結構化程序設計方法所建立的，限制了系統功能的擴展和維護，不能向用戶提供擴展接口，難以適應當今組合機床日益多變的設計要求。 2 方案設計對CAD系統的要求 組合機床方案設計屬于產品早期的概念設計階段，在此設計階段所涉及的信息類型多，包括機床的加工工藝、選用刀具、結構形式、導向類型、機床夾具等多方面信息。所有這些信息抽象層次高，因為此時還沒有機床具體體形概念，沒有零部件的規格形狀，僅有的只是該機床所需完成的功能要求。組合機床方案設計就是一種從功能需求出發所進行的機床結構配置、刀具選擇、確定支撐導向和夾具形式的設計過程。為此，它要求CAD系統除了具有常規的詳細設計功能之外，還必須具備：
支持產品自上而下的設計過程。首先從機床總體結構出發，根據所設計機床的功能要求，確定機床的基本配置和組成，確定零部件之間的裝配關系，建立機床概念模型。
能對設計模型進行分解。根據總體裝配關系和約束，形成對零部件設計的具體約束條件，支持對下游的設計、制造和裝配等并行工作的需求。
便于系統功能擴展，以適應組合機床日益多變的需要。
滿足上述設計要求的關鍵，在于建立一個能夠描述產品功能、裝配關系、參數約束的裝配模型，以及這種模型在產品設計過程中的運行機制。 3 組合機床裝配模型的描述 產品裝配模型是一種描述整個產品信息的數據結構，它能反映產品的功能需求、結構裝配關系以及參數約束等各方面的信息，不僅能支持產品設計，還能支持產品的制造、裝配等后續的各種生產環節。
3.1 組合機床功能需求分析和描述
所設計的組合機床功能主要反映在它所完成的加工工藝上，因而，組合機床的功能需求可通過加工工藝信息進行描述。組合機床的加工工藝信息包括加工工藝面、工藝類型、精度要求，以及各加工工藝面中各個加工元素的幾何形狀和位置信息等。這里所說的加工工藝面不是通常所指的幾何表面，而是指幾何表面上所完成的工藝內容，這樣一個幾何表面可能會有銑削、鉆削、攻螺紋等多個加工工藝面。這種加工工藝面能與機床結構中的加工單元建立起一一對應的關系，如銑削加工工藝面、孔加工工藝面、攻螺紋工藝面等。
組合機床功能除了需完成的工藝內容之外，還包括工件的裝夾、照明、冷卻等輔助功能，它們也將與組合機床的夾具和其它的輔助裝置建立一一對應的關系。
3.2 裝配關系描述
機械產品是由具有層次關系的零部件所組成的系統。一個部件可以分解成若干零件或子部件，子部件還可再分解成若干更下層的零件和子部件。表現在裝配次序上，就是先由零件組裝成部件，然后參與整機的裝配。這種層次性的裝配關系可用如圖1所示的裝配樹進行表示。由圖1可見，一臺組合機床可由若干個加工單元和電氣、液壓、夾具等主輔部件組成，各個加工單元又可分為側底座、滑臺、動力箱等部件。裝配關系樹中的連線表示父結點與子結點之間的隸屬關系，而結點表示各個加工單元或零部件的具體描述。 圖1 組合機床裝配樹 3.3 零部件間參數約束關系的描述
零部件間參數約束關系可以反映在兩個方面：其一為零部件相互位置約束關系，其二為零部件間的可配套約束關系。
對于零部件間位置約束關系的描述首先需要確定一個基準件，該基準件應是與其它零件部件發生關系zui多的一個零件或部件。以該基準件為核心，分別描述其它零部件的位置關系，便可建立該產品各個零部件之間位置約束關系模型。對于組合機床整機而言，各個加工單元都是相對于中間底座或工作臺布置的，因而可將中間底座作為基準件來處理；而對于各個加工單元來說，則可以側底座或立柱底座作為基準件來描述該加工單元內各零部件之間位置約束關系。
組合機床標準化、系列化程度較高，在組合機床設計標準中，提供了各通用部件間可供選擇的配套關系表。利用該配套關系表作為組合機床的配套性約束，以它作為正確選擇所需零部件的導航準則。
3.4 面向對象的組合機床裝配模型的定義
面向對象的技術是用計算機分析和解決問題的一種新方法，它具有封裝、繼承和重載等特性，為產品裝配模型的描述和定義提供了一個新的思路。
面向對象的技術將具有相同的結構、相同的操作，并遵循相同約束規則的對象構成一個類，在同一類中的各個對象都具有相同的屬性。因而，可將組合機床定義為一個類，而所設計的每一臺具體機床則是該類的一個對象。這種組合機床類是一個復雜的類，它由各種不同的屬性所構成。每種屬性又包含不同的子類，子類又有子類，形成一種類的層次關系。下面是以類定義的組合機床裝配模型，在該裝配模型中包含如下的屬性：
組合機床類｛
管理屬性：機床名稱、圖號、設計者、設計說明、日期等；
工件屬性：工件名稱、材料、材料特性、定位基準，CGS文件指針；
功能屬性：加工工藝面標識、方位、工藝類型，加工孔類｛
標識、坐標、孔類型、形狀參數等｝；裝夾、冷卻、照明及其它輔能；
工藝屬性：刀具類；
支承導向類；
結構屬性：加工單元類｛標識、方位，部件類；裝配關系和位置約束｝工作臺或中間底座類；夾具類；輔助裝配類；裝配關系和位置約束；
(1)管理屬性：包括機床名稱、圖號、設計者、設計說明等；
2)工件屬件：工件是組合機床設計的基礎，也是產生工序圖的依據，除了工件名稱、材料等特性之外，還應包括工件造型的CSG文件指針、定位基準等信息；
(3)功能屬性：如第3.1節所述，這里主要以加工工藝面類描述所設計機床的功能需求；
(4)工藝屬性：工藝屬性包括切削用量、切削刀具以及刀具的支承導向等工藝內容。工藝屬性和功能屬性具有某種對應關系，例如：工藝面中每一加工元素(譬如加工孔)，都應有相應的刀具、切削用量，以及支承導向與之對應。
(5)結構屬性：該屬性應能反映出整個機床的配置、布局和裝配約束關系。對于機床整體而言，包含有各加工單元、工作臺或中間底座、夾具、電氣液壓系統和其它輔助裝置，以及它們之間的裝配關系和約束關系；而對于每一加工單元，則又有各個通用和部件組成，這些部件又有自身的裝配和約束關系，每個部件又有多種零件組成，從而構成了一個具有層次結構的裝配樹。 4 基于裝配模型的組合機床方案設計CAD系統的實現 基于裝配模型的組合機床方案設計CAD系統的結構框架如圖2所示，其輸入為工件信息，根據所輸入的工件信息提取機床功能需求，以建立所設計機床的功能模型；通過推理分析，由機床的功能模型推導出機床結構的概念模型，例如：需要幾個加工單元、各單元的配置形式、夾緊定位方式等。由于一種功能可能由多種結構實現，同一結構也可實現多種功能，所以它們是多對多的映射關系。因此，建立功能約束和結構實現的映射關系庫和規則庫是實現這一步的關鍵。一旦建立了機床的概念模型，便可進行方案的詳細設計。根據概念模型中的約束條件確定各組成部件的規格類型，以及各組成部件間的裝配關系和位置約束關系，從而逐步生成所設計組合機床的裝配模型。根據該裝配模型可從事后繼的三圖一卡、等各項設計工作。 圖2 組合機床方案設計CAD系統框架 | 
機床商務網