0 引言
随着市场竞争的加剧和对产品需求的提高，高精度、高生产率、柔性化、多品种、短周期、数控组合机床及其自动线正在冲击着传统的组合机床行业企业。用户在追求高质量产品的同时，同时会考虑其个性化需求，追求美的外观、低的价格和短的交货期。因此，为了提高竞争力，组合机床行业必须不断缩短新产品开发时间（Time）、提高质量（Quality）、降低成本（Cost）、改进服务（Server）、并增强环境保护意识（Environment），只有这样才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。面临着这些严峻的挑战，组合机床生产企业必须改变过去传统的设计方式，利用先进的设计方法和先进的制造技术，以提高产品的质量和性能，降低成本，缩短交货期，快速满足用户需求变化，快速抢占市场。
CAD/CAE/CAM/CAPP等先进的设计制造技术的推广应用，使许多组合机床生产企业在其设计阶段都采用了CAX技术。从早期AutoCAD辅助设计系统，到以三维设计软件NX、Pro/E等为开发平台，开发的组合机床模块化设计系统、总体设计系统，这些辅助设计系统在一定程度上减轻了设计人员的劳动量，提高了设计效率，但当组合机床设计涉及到方案决策、评价分析、重要参数选择等方面时，往往需要设计师进行较多的干预，设计师的水平在很大程度上决定了组合机床设计水平和质量。组合机床的设计特点是：
(1)组合机床是典型的面向定单设计制造的产品，需根据加工对象及加工要求进行即时设计，产品设计工作量大，设计任务急，设计知识的运用灵活；(2)组合机床设计中很多地方需要经验知识，但这些经验知识缺乏有效的整理和归纳，知识和经验的重用性和共享性差；(3)在组合机床生产过程中，设计周期占组合机床的生产周期比重过大，设计过程花费的时间过多。因此，为了提高组合机床设计水平，提高设计质量和速度，必须有效地将组合机床设计知识进行整合，研发智能化设计系统，建立知识库，将专家的经验知识和标准规范融合到系统中，模拟专家在组合机床设计时的思维决策过程，这样设计人员只需提供被加工零件及加工要求，根据系统提示进行选择与判断，就可以完成组合机床的快速设计，提高设计效率，快速响应市场的需求。基于NX的组合机床快速设计系统正是针对组合机床和装备制造业对设计的快速需求而提出来的。
1 基于NX的组合机床快速设计系统的功能实现
用基于NX的组合机床快速设计系统，替代传统的设计方法，实现知识的重用，是企业提高设计质量、降低设计成本、提高设计效率、增强企业的核心竞争力的一个重要手段。统计资料表明，当研发一种新的产品时，往往有80%以上的零件在设计时可以参考借鉴或直接引用原有的产品图纸，而对组合机床产品设计而言，可重复利用和借鉴的零部件数量就更多。组合机床就是以大量通用件为基础，设计时根据被加工件的样式和生产工艺要求，采用少量的专用部件，组成的自动或半自动的模块化专用机床。在组合机床产品设计中尽量重用已有的产品零件，减少零件形状、尺寸及功能要素的离散性。如在组合机床的夹具设计时，将常用零部件组成各种参数可变的定位夹紧模块，供设计人员根据被加工件的定位夹紧需要进行调用和拼装，各模块中所用零部件的结构尽可能相近或相似。设计者在设计时不是创造一个新零件，而是按先检索后设计的顺序，充分利用现有的设计资料，检索现有零件，尽量利用现有的零部件拼装出新产品，减少新设计零件的工作量，在合理继承的基础上再进行创新设计。
基于NX的组合机床快速设计系统，采用NX的WAVE技术和KBE技术，将组合机床设计的有关知识归纳整理，建立知识库和推理机制；通过对知识库中设计知识的推理，引导用户快速完成组合机床的设计过程。用户只需输入被加工对象及加工要求，改变或添加工艺参数，系统会根据用户输入的工艺参数依据设计规则来驱动设计过程，自动生成新产品的数字化样机。
图1 组合机床设计模型
基于NX的组合机床快速设计系统建立的关键问题是如何将专家知识有效地融合到知识库中，建立易于检索和管理的实例库和行之有效的推理机制。在实例库的建库过程中将零件喊部件）按功能、结构、材料、尺寸和工艺等特征分类编码，按相似性标准将零（部）件整理归纳为设计族，并根据企业标准对其进行标准化处理，然后在NX中建立它的三维模型，将属性特征的三维模型存放在实例库中；在进行组合机床零部件设计时，可根据其编码信息进行相似度比较，对检索出的实例模型进行参数和结构特征的编辑修改，即可得到新零件的三维模型及二维工程图，以满足生产需要。
2 基于NX的组合机床快速设计系统的设计流程
基于NX的组合机床快速设计系统的工作流程如图2所示。
图2 组合机床的设计系统框图
在进行组合机床设计时，系统中嵌入了设计推理和设计过程引导机制，设计者只需根据设计过程的引导通过人机界面输入产品设计需求，例如被加工件材料、加工面、加工要求等主要工艺参数，进行简单的操作，系统调用人工智能系统进行基于实例的推理，从实例库中推理出最相似的实例。系统推理出的实例可能与设计需求存在一定的差距，系统运用基于规则的推理并通过人工交互方式对实例进行修改，初步确定组合机床的总体布局及相关零部件的结构尺寸及安装位置、匹配方式等主要信息；然后系统调用模型库中已有的相似零部件模型进行修改和参数化设计，进行参数化建模和装配；完成组合机床的的参数化初装配后基本上确定了组合机床总体设计方案，接下来对照客户要求和标准检验是否满足要求，如满足设计要求则输出设计结果，如不能满足要求则返回到人机交互系统进行基于规则的推理，对设计方案进行修改，重复上述过程直到设计方案满足设计要求为止。
3 基于NX的组合机床快速设计系统研制的技术路线
3.1 组合机床设计流程的确立
通过组合机床设计知识的收集，结合组合机床行业工程师的设计经验，确定组合机床设计的人工设计流程和设计规则；通过对NX设计软件中产品设计的Wave技术和系统工程方法进行研究，确定了组合机床三维设计的一般流程；把组合机床的三维设计流程融入到智能化系统的开发中去，实现了组合机床快速设计流程的智能化向导。
3.2 定义工程规则
利用所挖掘的工程知识来定义组合机床设计过程中的工程规则，根据用户的需要建立由这些工程规则和设计知识所组成的设计过程导引，从而实现从产品工程参数到三维模型几何参数的转化，并驱动相关的设计过程。
3.3 组合机床控制结构的建立
组合机床的三维设计主要是控制结构的设计和零部件建模与装配。在控制结构中，通过基准面和草图，来定位各个组件的位置和形状，这些基准面的位置以及草图尺寸通过表达式来控制。组合机床控制结构如图3所示。
图3 组合机床控制结构
在组合机床控制结构中建立大量通过表达式参数控制的基准面、基准轴、草图等，从而控制组合机床产品装配中各个零部件的位置、形状等，从而实现了组合机床自顶向下的参数化设计。
3.4 组合机床快速设计系统界面设计
根据组合机床设计内容和模块，设计组合机床快速设计系统界面见图4～图6。
图4 组合机床快速设计系统界面
图5 组合机床快速设计系统初始化
图6 组合机床部件设计与选择模块
3.5 组合机床通用件原型库的建立
通用件原型库的建立融合了系统建模技术、XML技术和部件族的概念。运用系统建模技术，根据工程知识和工程规则所确定的几何参数，建立蕴含产品设计知识的原型模型，当用户修改参数、更新工程知识和调整工程规则时，系统能激活相应的产品设计知识，使原型模型自动更新，实现产品的快速设计。在通用件原型库的建立过程中，采用XML技术实现对通用件库中的关键参数、显示参数的动态配置。每一种通用件库的部件文件都有对应的XML文件。通用件原型库的建立采用部件族概念，把具有相同拓扑结构的部件通过部件族的方法建立起来，把关键参数或者更新参数通过表达式或者部件属性方法添加到部件族表中，这样用户只需要选择关键参数就可以实现部件的更新，如图6所示。
3.6 NX Open和Block Styler技术的使用
在组合机床快速设计系统的开发中，采用了全新的NX Open技术，实现了NX二次开发中面向对象编程和Journal功能的结合使用，较传统的UF开发技术极大地提高了效率。Block Styler是Siemens PLM Software公司推出的NX全新的界面制作技术，该技术制作出来的界面和NX系统无缝集成，提高了系统软件的界面美观和可操作性。
4 基于NX的组合机床快速设计系统使用效果分析
通过对组合机床设计流程和设计知识的研究，在NX平台上建立组合机床快速设计系统。该系统具有下列功能：
(1)本系统可根据输入的加工对象和工艺要求，通过计算和推理，自动选择或按交互方式选择组合机床的各通用部件；在过程导引指导下完成组合机床专用零部件的设计，快速生成满足客户需求的组合机床数字化样机；
(2)系统易于扩展和维护，可方便地完成对已有实例模型的检索、修改和新实例的添加，便于设计知识的积累和知识的重用；
(3)输出可用于指导生产的二维工程图，自动生成标题栏、明细表，自动生成三维装配模型的爆炸图。
(4)系统界面简洁、直观，操作方便，运行稳定、可靠。
该系统的使用，有助于三维CAD技术在组合机床及其他装备制造业的推广和应用，有助于提升企业的创新能力和核心竞争力，加快制造业信息化进程，促进经济的发展。
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本文标题：基于NX的组合机床快速设计系统的研制
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