一、組合機床在國內(nèi)外的發(fā)展
國外組合機床CAD技術(shù)的研究開始得比較早。70年代初，一些工業(yè)發(fā)達國家首先在多軸箱CAD方面開始研究。尤其是進入90年代以來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，交互式繪圖和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等的發(fā)展和應(yīng)用，使組合機床CAD技術(shù)日益實用且使用范圍不斷擴大，發(fā)達國家在組合機床設(shè)計中已普遍采用了CAD技術(shù)。目前，正在向CAD/CAM集成系統(tǒng)發(fā)展。近年來，據(jù)我們對美國幾個主要機床廠家(BURGMAST、KINGSBURY、INGERSOLL LAMB、CINCINNATI、MILACRON、CROSS等公司)的了解，其CAD技術(shù)已得到普遍應(yīng)用。其中最引人注目的是INGERSOLL公司具有50個交互式CAD工作站組成的軟、硬件環(huán)境，使其實現(xiàn)了幾乎百分之百的CAD化。
國內(nèi)對組合機床設(shè)計采用CAD的認(rèn)識也比較早。70年代初，大連組合機床研究所就開始了這方面的研究工作。1978年國家把組合機床CAD列為機械工業(yè)重點項目，并責(zé)成上海交通大學(xué)、大連組合機床研究所、機械部自動化研究所負(fù)責(zé)，大連理工大學(xué)、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、上海機電產(chǎn)品研究院等單位參加，對鉆孔組合機床CAD進行了研究，從此揭開了我國組合機床CAD技術(shù)的序幕。經(jīng)過十多年的努力，取得了初步成果。但是，組合機床CAD系統(tǒng)是在VAXⅡ-750和Micro VAXⅡ上開發(fā)的，硬件投資大，不易于推廣應(yīng)用。受當(dāng)時硬件條件及軟件環(huán)境的限制，軟件適用范圍窄，用戶使用不方便。
二、開發(fā)組合機床CAD系統(tǒng)
CAD技術(shù)是當(dāng)代電子信息技術(shù)的重要組成部分，CAD技術(shù)商品化應(yīng)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中重中之重。在支撐軟件和硬件的基礎(chǔ)上，針對不同行業(yè)、不同專業(yè)進行軟件二次開發(fā)，開發(fā)出適合本行業(yè)、本專業(yè)的專用商品化軟件，不僅可以取得良好的經(jīng)濟效益，而且會取得重大的社會效益。
“九五”期間國家把汽車工業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，給汽車工業(yè)提供技術(shù)裝備的組合機床行業(yè)得以迅速發(fā)展。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，提高組合機床設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計周期便成為極其迫切的任務(wù)。采用組合機床CAD技術(shù)，能縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，提高企業(yè)在行業(yè)中的競爭力，給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益。大連是我國重要的工業(yè)基地，作為組合機床行業(yè)科技開發(fā)中心的大連組合機床研究所，應(yīng)當(dāng)發(fā)揮行業(yè)的主導(dǎo)作用，為實現(xiàn)設(shè)計自動化、增強企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力和產(chǎn)品競爭能力，推動我國組合機床設(shè)計水平，盡快向組合機床行業(yè)廠提供功能強、操作靈活、界面友好、技術(shù)含量高的組合機床CAD軟件。
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微機的性能有了很大的提高?，F(xiàn)在PⅡ已經(jīng)主導(dǎo)市場，PⅢ開始上市，其CPU性能指標(biāo)已接近幾年前的工作站指標(biāo)。國外CAD軟件向微機的Window95/98、Windows NT上移植，如Pro/Engineer、Ⅰ-DEAS、CADDS5等。微機的圖形加速卡性能在提高，基本上能進行實體的移動和旋轉(zhuǎn)。微機CAD是一個發(fā)展方向，相應(yīng)的硬件比工作站要降低很多。經(jīng)過幾年的努力，我們利用Windows的SDK軟件開發(fā)技術(shù)、Windows環(huán)境下多進程間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)(DDE)、數(shù)據(jù)庫操作技術(shù)(ODBC)、圖形軟件二次開發(fā)技術(shù)及目標(biāo)鏈接與嵌入技術(shù)(OLE)，開發(fā)了集通用機械CAD和組合機床CAD于一體的CAD集成系統(tǒng)。
組合機床CAD系統(tǒng)軟件采用C++語言，在Windows環(huán)境下開發(fā)的面向組合機床設(shè)計人員的參數(shù)化圖形信息管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用C++語言獨立編寫，本軟件融數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)和參數(shù)化圖形系統(tǒng)于一體，形成功能強大的參數(shù)化圖形信息管理系統(tǒng)。組合機床CAD系統(tǒng)包括組合機床夾具CAD系統(tǒng)、組合機床自動線方案三維圖形CAD系統(tǒng)、組合機床總圖CAD系統(tǒng)、組合機床加工示意圖CAD系統(tǒng)和組合機床多軸箱CAD系統(tǒng)。
1、組合機床夾具CAD系統(tǒng)
利用機械CAD參數(shù)化圖形信息管理技術(shù)和交互設(shè)計方法，開發(fā)組合機床夾具CAD系統(tǒng)，其適用面廣、實用性強、推廣應(yīng)用前景廣闊。組合機床夾具CAD系統(tǒng)按照其主要功能可分為四大模塊：定位支撐系統(tǒng)CAD系統(tǒng)、夾緊機構(gòu)CAD系統(tǒng)、導(dǎo)向裝置CAD系統(tǒng)和典型夾具夾緊力的計算機輔助分析與計算。
（1）定位支撐系統(tǒng)CAD系統(tǒng)
定位支撐系統(tǒng)主要由定位支撐、輔助支撐和限位元件組成。定位支撐是指在加工過程中維持工件有一定位置的元件；輔助支撐是僅用作加工過程中的剛度及穩(wěn)定性的一種活動式支撐元件。建立支撐板、支撐塊、輔助支撐、固定式定位銷、伸縮式定位銷參數(shù)化圖形庫及其性能數(shù)據(jù)庫，通過查詢定位支撐系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)庫、修改定位支撐參數(shù)化圖形參數(shù)，利用交互設(shè)計方法，實現(xiàn)定位支撐系統(tǒng)CAD。
（2）夾緊機構(gòu)CAD系統(tǒng)
夾緊機構(gòu)通常由夾緊力部分、中間傳動機構(gòu)和夾緊元件三部分組成。夾緊力部分用于產(chǎn)生動力源，并將作用力傳給中間傳動機構(gòu)；中間傳動機構(gòu)即作為增力機構(gòu)，能改變作用力的方向和大小，能產(chǎn)生自鎖作用，以保證在加工過程中或動力源消失時，工件在切削力作用下仍能可靠夾緊；夾緊元件用以承受由中間傳動機構(gòu)傳遞的夾緊力，并與工件直接接觸而執(zhí)行夾緊動作。建立夾緊油缸、夾緊元件、直接夾緊機構(gòu)、自鎖夾緊機構(gòu)參數(shù)化圖形庫及其性能數(shù)據(jù)庫，通過查詢夾緊機構(gòu)性能數(shù)據(jù)庫、修改夾緊機構(gòu)參數(shù)化圖形參數(shù)，利用交互設(shè)計方法，實現(xiàn)夾緊機構(gòu)CAD。
（3）導(dǎo)向裝置CAD系統(tǒng)
導(dǎo)向裝置的作用在于保證刀具與工件及刀具相互間的正確位置，提高刀具系統(tǒng)的支承剛性。正確選擇、設(shè)計導(dǎo)向裝置，對保證加工精度和機床的可靠工作有著重要作用。建立固定式導(dǎo)向套、“內(nèi)滾式”導(dǎo)向裝置、“外滾式”導(dǎo)向裝置參數(shù)化圖形庫及其性能數(shù)據(jù)庫，通過查詢導(dǎo)向裝置性能數(shù)據(jù)庫、修改導(dǎo)向裝置參數(shù)化圖形參數(shù)，利用交互設(shè)計方法，實現(xiàn)導(dǎo)向裝置CAD。
在保證機床正常、可靠工作的條件下，夾緊力愈小愈好。如果盲目地加大夾緊力，就會造成如下惡果：加大了夾具驅(qū)動機構(gòu)的尺寸；為提高與夾緊力相關(guān)聯(lián)的夾具剛性而使夾具過于龐大；增加了工件在夾緊時的變形而影響加工精度。因此，正確確定夾緊力顯得十分重要。典型夾具夾緊力計算機輔助分析與計算包括：螺旋夾緊機構(gòu)的夾緊力分析與計算、楔鐵夾緊機構(gòu)的夾緊力分析與計算、偏心夾緊機構(gòu)的夾緊力分析與計算、其它夾緊機構(gòu)的夾緊力分析與計算。組合機床夾具CAD系統(tǒng)采用交互設(shè)計方法，使用靈活，適用面廣，能滿足各種加工工藝要求。系統(tǒng)通過建立夾具各組成部件的圖形庫、特征零件的參數(shù)化圖形庫，利用參數(shù)圖形信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)交互繪制組合機床夾具。
（1）組合機床自動線方案三維圖形CAD系統(tǒng)
該CAD系統(tǒng)能確定組合機床自動線方案、繪制組合機床自動線三維圖形、管理組合機床通用部件結(jié)構(gòu)和性能數(shù)據(jù)庫。這三部分由三個獨立的進程實現(xiàn)，利用Windows環(huán)境下多進程間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)(DDE)，實現(xiàn)三個獨立的進程動態(tài)交換數(shù)據(jù)，完成如下機床配置型式的組合機床方案設(shè)計：多軸箱臥式加工、多軸箱立式加工、多軸箱傾斜式加工、鏜削頭臥式加工、鏜削頭立式加工、鏜削頭傾斜式加工、鉆削頭臥式加工、鉆削頭立式加工、鉆削頭傾斜式加工、攻絲頭臥式加工、攻絲頭立式加工、攻絲頭傾斜式加工、銑削頭臥式加工、銑削頭立式加工、銑削頭傾斜式加工。
（2）組合機床總圖CAD系統(tǒng)
組合機床總圖計算機輔助設(shè)計有自動設(shè)計和人機交互設(shè)計兩種方法。自動設(shè)計是從結(jié)構(gòu)方案到最后出圖一次性完成，而交互設(shè)計則是用戶參與，交互地選擇部件、確定型號及定位的一種方法。組合機床是用按系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的通用部件和按工件的形狀及加工工藝要求設(shè)計的專用部件組成的專用機床，因而組合機床的特點即決定了其計算機輔助設(shè)計的方法。其通用性由計算機來完成，而專用性則由用戶借助于計算機來實現(xiàn)，即避免了自動設(shè)計的適用性差、設(shè)計面窄的局限性。組合機床總圖參數(shù)化圖形信息管理系統(tǒng)是在Windows環(huán)境下開發(fā)的一種人機交互式設(shè)計系統(tǒng)，它集成了Windows的SDK技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及圖形軟件二次開發(fā)的ADS技術(shù)，為工程設(shè)計人員提供了極為方便、高效的設(shè)計機床總圖的工具。該系統(tǒng)適用鉆、擴、鉸、锪、鏜、銑、攻螺紋等機床加工工藝，機床配置形式為單工位臥、立、傾斜及復(fù)合式組合機床、移動工作臺式組合機床、回轉(zhuǎn)工作臺式組合機床。
（3）組合機床加工示意圖CAD系統(tǒng)
組合機床加工示意圖是設(shè)計刀具和調(diào)整組合機床的重要工作圖紙之一，是確定組合機床聯(lián)系尺寸、繪制組合機床總圖的基礎(chǔ)。要完成鉆孔、擴孔、鏜孔、鉸孔、銑削和攻螺紋等工藝，組合機床加工示意圖紛繁復(fù)雜。根據(jù)近十幾年開發(fā)組合機床CAD的經(jīng)驗，采用自動設(shè)計，僅輸入幾個參數(shù)便完成組合機床加工示意圖軟件，但該示意圖適用面小，有局限性。組合機床加工示意圖參數(shù)化圖形信息管理系統(tǒng)軟件，采用交互設(shè)計方法，使用靈活，適用面廣，能滿足各種加工工藝要求。組合機床加工示意圖參數(shù)化圖形信息管理系統(tǒng)主要由主軸、接桿、導(dǎo)向套、刀具數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)，參數(shù)圖形庫操作系統(tǒng)，交互繪圖系統(tǒng)和確定組合機床切削用量模塊四部分組成。
1998年組合機床CAD軟件已通過專家鑒定。該軟件技術(shù)先進、性能可靠、功能強、方便實用，為我國組合機床行業(yè)提供了現(xiàn)代化的設(shè)計工具，其技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。該軟件已在組合機床設(shè)計制造的專業(yè)廠和從事內(nèi)燃機、發(fā)動機生產(chǎn)的大中型企業(yè)的組合機床設(shè)計制造部門廣泛應(yīng)用。如江蘇恒力組合機床股份有限公司、保定第二機床廠、常柴股份有限公司、山東華源萊動內(nèi)燃機有限公司等。企業(yè)在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中，通過采用CAD技術(shù)，發(fā)揮了電子信息技術(shù)的威力，提高了設(shè)計水平，增強了企業(yè)的創(chuàng)造能力和產(chǎn)品競爭能力，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
多軸箱CAD系統(tǒng)是一個專業(yè)性應(yīng)用軟件，可用于鉆、擴、鉸、鏜、攻螺紋以及鉆攻復(fù)合的組合機床多軸箱的設(shè)計。系統(tǒng)所需的原始數(shù)據(jù)來源于組合機床總體設(shè)計，即三圖一卡(工件圖、加工示意圖、機床聯(lián)系尺寸圖和生產(chǎn)率計算卡)，如主軸坐標(biāo)、轉(zhuǎn)速等，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)能夠交互或自動地從事各項工作。
組合機床是用按系列化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的通用部件和按工件的形狀及加工工藝要求設(shè)計的專用部件組成的專用機床，屬于一次性設(shè)計、一次性制造的單件生產(chǎn)產(chǎn)品。因此，設(shè)計量大，設(shè)計工作復(fù)雜。在當(dāng)前競爭激烈的市場經(jīng)濟中，用戶對機床的技術(shù)先進性、質(zhì)量可靠性以及供貨周期都要求很高，而保證這諸多因素的關(guān)鍵是設(shè)計。過去那種落后的手工設(shè)計方法已不能滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求，采用CAD技術(shù)，甩掉圖板，已成為當(dāng)前技術(shù)革命的潮流，勢在必行。
