一、組合機床在國內(nèi)外的發(fā)展
國外組合機床CAD技術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)展和應用，使組合機床CAD技術日益實用且使用范圍不斷擴大，發(fā)達國家在組合機床設計中已普遍采用了CAD技術。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技術已得到普遍應用。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)對組合機床設計采用CAD的認識也比較早。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，并責成上海交通大學、大連組合機床研究所、機械部自動化研究所負責，大連理工大學、清華大學、北京工業(yè)大學、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，不易于推廣應用。受當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技術是當代電子信息技術的重要組成部分，CAD技術商品化應作為高新技術產(chǎn)業(yè)中重中之重。在支撐軟件和硬件的基礎上，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，提高組合機床設計質(zhì)量、縮短設計周期便成為極其迫切的任務。采用組合機床CAD技術，能縮短設計周期，提高產(chǎn)品設計質(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，應當發(fā)揮行業(yè)的主導作用，為實現(xiàn)設計自動化、增強企業(yè)技術創(chuàng)新能力和產(chǎn)品競爭能力，推動我國組合機床設計水平，盡快向組合機床行業(yè)廠提供功能強、操作靈活、界面友好、技術含量高的組合機床CAD軟件。
隨著微電子技術的發(fā)展，微機的性能有了很大的提高?，F(xiàn)在PⅡ已經(jīng)主導市場，PⅢ開始上市，其CPU性能指標已接近幾年前的工作站指標。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。微機CAD是一個發(fā)展方向，相應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、Windows環(huán)境下多進程間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(DDE)、數(shù)據(jù)庫操作技術(ODBC)、圖形軟件二次開發(fā)技術及目標鏈接與嵌入技術(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和交互設計方法，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CAD系統(tǒng)、導向裝置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)，利用交互設計方法，實現(xiàn)定位支撐系統(tǒng)CAD。
（2）夾緊機構CAD系統(tǒng)
夾緊機構通常由夾緊力部分、中間傳動機構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；中間傳動機構即作為增力機構，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、自鎖夾緊機構參數(shù)化圖形庫及其性能數(shù)據(jù)庫，通過查詢夾緊機構性能數(shù)據(jù)庫、修改夾緊機構參數(shù)化圖形參數(shù)，利用交互設計方法，實現(xiàn)夾緊機構CAD。
（3）導向裝置CAD系統(tǒng)
導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、設計導向裝置，對保證加工精度和機床的可靠工作有著重要作用。建立固定式導向套、“內(nèi)滾式”導向裝置、“外滾式”導向裝置參數(shù)化圖形庫及其性能數(shù)據(jù)庫，通過查詢導向裝置性能數(shù)據(jù)庫、修改導向裝置參數(shù)化圖形參數(shù)，利用交互設計方法，實現(xiàn)導向裝置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)動機構的尺寸；為提高與夾緊力相關聯(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：螺旋夾緊機構的夾緊力分析與計算、楔鐵夾緊機構的夾緊力分析與計算、偏心夾緊機構的夾緊力分析與計算、其它夾緊機構的夾緊力分析與計算。組合機床夾具CAD系統(tǒng)采用交互設計方法，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構和性能數(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(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計有自動設計和人機交互設計兩種方法。自動設計是從結構方案到最后出圖一次性完成，而交互設計則是用戶參與，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、標準化的通用部件和按工件的形狀及加工工藝要求設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)，即避免了自動設計的適用性差、設計面窄的局限性。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計系統(tǒng)，它集成了Windows的SDK技術、數(shù)據(jù)庫技術及圖形軟件二次開發(fā)的ADS技術，為工程設計人員提供了極為方便、高效的設計機床總圖的工具。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、傾斜及復合式組合機床、移動工作臺式組合機床、回轉工作臺式組合機床。
（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。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)代化的設計工具，其技術水平處于國內(nèi)領先地位。該軟件已在組合機床設計制造的專業(yè)廠和從事內(nèi)燃機、發(fā)動機生產(chǎn)的大中型企業(yè)的組合機床設計制造部門廣泛應用。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，發(fā)揮了電子信息技術的威力，提高了設計水平，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)性應用軟件，可用于鉆、擴、鉸、鏜、攻螺紋以及鉆攻復合的組合機床多軸箱的設計。系統(tǒng)所需的原始數(shù)據(jù)來源于組合機床總體設計，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、轉速等，在此基礎上，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、標準化設計的通用部件和按工件的形狀及加工工藝要求設計的專用部件組成的專用機床，屬于一次性設計、一次性制造的單件生產(chǎn)產(chǎn)品。因此，設計量大，設計工作復雜。在當前競爭激烈的市場經(jīng)濟中，用戶對機床的技術先進性、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鍵是設計。過去那種落后的手工設計方法已不能滿足產(chǎn)品設計的要求，采用CAD技術，甩掉圖板，已成為當前技術革命的潮流，勢在必行。
