模塊化數(shù)控機(jī)床概念設(shè)計(jì)的研究(1)

1、模塊化數(shù)控機(jī)床概念設(shè)計(jì)的研究機(jī)床是制造工業(yè)的基礎(chǔ)裝備，它的技術(shù)水平直接影響到制造業(yè)的發(fā) 展。當(dāng)前，以加工中心為代表的數(shù)控機(jī)床已成為工業(yè)發(fā)達(dá)國家普遍采用的現(xiàn) 代化制造車間的加工單元。從普通機(jī)床發(fā)展到數(shù)控機(jī)床，是機(jī)床在傳動和結(jié) 構(gòu)方面的一次飛躍，與此相適應(yīng)，數(shù)控機(jī)床在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也必然要求有 新的設(shè)計(jì)方法和理論來指導(dǎo)?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下一些特點(diǎn)：-數(shù)控機(jī)床中有不少獨(dú)立的功能單元，如導(dǎo)軌件、絲杠副、冷卻、潤滑、驅(qū)動、控制、檢測裝置等。這一特點(diǎn)使其適應(yīng)于模塊化設(shè)計(jì)方法；-數(shù)控機(jī)床的加工要求向高速、高精度方向發(fā)展。要求機(jī)床結(jié)構(gòu)具有 高剛度、高可靠性，機(jī)床各部件的結(jié)構(gòu)動、靜態(tài)特性成為設(shè)計(jì)的主要

2、矛盾；-數(shù)控機(jī)床的傳動控制上，用電機(jī)變速代替機(jī)械變速，用計(jì)算機(jī)數(shù)控 代替了內(nèi)聯(lián)系傳動鏈和靠模來保證各軸之間的運(yùn)動關(guān)系，使得機(jī)床的功能設(shè)計(jì)原理大為簡化；-市場競爭和市場需求的多變要求機(jī)床產(chǎn)品功能強(qiáng)、 性能好、成本低, 制造周期短。機(jī)床的功能及性能往往和成本相矛盾，而產(chǎn)品總成本的75%以上及產(chǎn) 品的性能在設(shè)計(jì)階段就己經(jīng)確定，所以應(yīng)通過改進(jìn)設(shè)計(jì)來提高產(chǎn)品的質(zhì)量和 性能并降低其成本。模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)正是解決這一矛盾的的重要手段。在數(shù) 控機(jī)床的概念設(shè)計(jì)階段，用模塊化的構(gòu)思構(gòu)造出模塊化的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品系 列，可以提高產(chǎn)品開發(fā)速度，快速響應(yīng)市場需求。1概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型根據(jù)Pahl和Beitz對概念設(shè)計(jì)的描述，在

3、概念設(shè)計(jì)階段首先要明確 設(shè)計(jì)任務(wù)，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑扒蠼鈱?shí)現(xiàn)功 能的結(jié)構(gòu)載體方案。針對模塊化數(shù)控機(jī)床，設(shè)計(jì)各階段的任務(wù)及設(shè)計(jì)方案的 形成過程可分為：(1) 需求分析：在建立產(chǎn)品的功能模型的基礎(chǔ)上將用戶需求轉(zhuǎn)化為用 戶功能需求；(2) 功能分析、分解：通過分析機(jī)床的運(yùn)動，將總功能逐級分解為分 功能(或子功能)，建立數(shù)控機(jī)床的功能結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生機(jī)床運(yùn)動功能方案解；(3) 結(jié)構(gòu)方案求解：通過 功能、結(jié)構(gòu)映射尋求實(shí)現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)載體, 根據(jù)運(yùn)動分配、布局的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局方案，同時可進(jìn)行機(jī)床結(jié) 構(gòu)、外形尺寸的初步規(guī)劃；(4) 結(jié)構(gòu)動、靜剛度分析和優(yōu)化；(5) 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4、；(6) 在基型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)床的變型設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)，以模 塊化的產(chǎn)品系列，快速響應(yīng)市場需求。r功施分析1?=：機(jī)床功能結(jié)構(gòu)II-映射求解J機(jī)床範(fàn)同給構(gòu)J-81塊劃分篠塊設(shè)計(jì)方案-J3-1U 模塊評價*t塊市案評拚II功能需求Tj汕床整體方案圖1概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型圖2廣義映射過程模型事實(shí)上，上述的機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)各階段之間并無明顯的界限，各個階段的不斷重復(fù)在整個設(shè)計(jì)過程中都存在。 廣義的概念設(shè)計(jì)包含了產(chǎn)品在詳細(xì)設(shè)計(jì)之前的各個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，完成產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)、原理設(shè)計(jì)、形狀布局及初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過分析數(shù)控機(jī)床概念設(shè)計(jì)的任務(wù)和經(jīng)歷的過程，本文建立 如圖1所示的模塊化數(shù)控機(jī)床概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)

5、模型分為功能域、 結(jié)構(gòu)域和評價域三個子模型(1) 功能域：通過功能定義、功能分析，建立機(jī)床的功能結(jié)構(gòu)；(2) 結(jié)構(gòu)域：進(jìn)行模塊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建；(3) 評價域：評價設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，選擇最佳的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)求解的過程中需要相應(yīng)的設(shè)計(jì)知識， 設(shè)計(jì)規(guī)則和算法的支持,因此，要建立設(shè)計(jì)知識庫、數(shù)據(jù)庫及圖形庫等作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。2概念設(shè)計(jì)過程中廣義映射的概念圖1所示的系統(tǒng)模型中，最為關(guān)鍵的過程為從功能域到結(jié)構(gòu)域的映 射求解，即實(shí)現(xiàn) 功能、結(jié)構(gòu) 映射。本文提出廣義映射的概念和方法來實(shí)現(xiàn) 模塊化數(shù)控機(jī)床概念設(shè)計(jì)中的這一重要環(huán)節(jié)。在模塊化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)對象的功能表示向模塊結(jié)構(gòu)演變過程中存在著映射關(guān)系，即以一定的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

6、相應(yīng)的產(chǎn)品功能。當(dāng)然，這種映射不是簡 單的一對一的對應(yīng)，而是功能模型的信息通過數(shù)學(xué)、物理及概念層的運(yùn)算和 轉(zhuǎn)化，體現(xiàn)概念設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)思維的發(fā)散、轉(zhuǎn)換和綜合等特性，為此，可 稱之為廣義映射。廣義映射具有如下特征：(1) 廣義映射的概念不僅有功能要求與結(jié)構(gòu)載體之間的 對應(yīng)關(guān)系，還包括一對多，多對多、多對一的關(guān)系，如分解、聚集或組合映射；(2) 相應(yīng)于概念設(shè)計(jì)的多層次、分階段的演進(jìn)過程，廣義映射也是分 層進(jìn)行的；(3) 通過建立功能域及結(jié)構(gòu)域信息的數(shù)據(jù)模型，可應(yīng)用數(shù)學(xué)工具，進(jìn)行特征信息的映射；(4) 廣義映射的規(guī)則須在建立設(shè)計(jì)對象概念模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行定義。 映射需要設(shè)計(jì)知識庫、數(shù)據(jù)庫的支持。3廣義

7、映射中產(chǎn)品模型的演變通過對機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程的分析， 用面向?qū)ο蟮姆椒ń⒐δ堋?結(jié)構(gòu)映射求解的過程模型如圖2所示。模塊結(jié)構(gòu)求解過程中生成三種模型。(1) 模型I，運(yùn)動功能模型：機(jī)床的運(yùn)動功能布局，描述為一系列運(yùn)動單元的組成的鏈。以字符有序組來表示為：W(m1 m2 o, m3 m4, Cp)T, m仁4代表機(jī)床能夠完成的 各個進(jìn)給運(yùn)動，Cp代表主運(yùn)動，“ 0”表示固定基礎(chǔ)。有序組的排列對應(yīng)于 運(yùn)動功能的分配及完成的順序。工件和刀具所完成的運(yùn)動分別以矩陣W T表示。(2) 模型II :結(jié)構(gòu)布局模型在這一模型中以原型特征來表達(dá)機(jī)床結(jié)構(gòu)布局。原型特征所表達(dá)的 是各部分結(jié)構(gòu)的對外聯(lián)接關(guān)系、空間幾何

8、形狀和概略的空間尺寸，其抽象程 度介于功能抽象層和結(jié)構(gòu)實(shí)體層之間。本文在考查大量機(jī)床結(jié)構(gòu)實(shí)例的基礎(chǔ) 上，通過描述結(jié)構(gòu)要素的主要構(gòu)形而忽略結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，歸納和抽象出具有較強(qiáng) 概念表達(dá)能力的一系列結(jié)構(gòu)原型特征。機(jī)床結(jié)構(gòu)布局方案描述為結(jié)構(gòu)原型特征集合：MACHINE二SPF,1 SPF2 SPF3 ,SPFn結(jié)構(gòu)原型特征SPF由基本特征單元EF的集合組織成具體的結(jié)構(gòu)模塊，可表示為：SPF=式中，U EF為特征單元集，SID為標(biāo)志號。BOX是其幾何包圍盒，以 長度矢量及原點(diǎn)全局坐標(biāo)組成的復(fù)合向量 表示， 代表了原型特征所占據(jù)的空間尺寸。UR 是特征單元之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合。特征單元EF所包含的信息可以描述為

9、：EF=其中，EID為標(biāo)志號，CLASS為單元類型，CLASS MOVE ROTATE FIX , MLST是功能面的集合；PSH則為其關(guān)聯(lián)圖形(圖像)指針；EBOX弋表特 征尺寸和位置的復(fù)合向量。結(jié)構(gòu)特征通過單元 功能面是進(jìn)行裝配，功能面屬性包括面類型，面方位矢量等。圖3機(jī)床運(yùn)動功能模型(3) 模型III，模塊模型：由功能信息模型、結(jié)構(gòu)信息模型、裝配信息模型和管理信息模型綜 合而成，如圖3所示。功能信息模型：反映模塊的主要功能信息，是模塊創(chuàng)建和模塊選取 的主要依據(jù)；結(jié)構(gòu)信息模型：模塊的結(jié)構(gòu)由下一級的分模塊結(jié)構(gòu)相互間的關(guān)聯(lián)和 一定的空間位置描述聚集而成。包含反映模塊的主要結(jié)構(gòu)和特征的尺寸；裝配

10、信息模型：描述模塊的的外部特征，即模塊接口的特性。模塊 的接口是判斷兩模塊能否組合，建立結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的依據(jù)，進(jìn)行模塊互換時，也 必須保證接口特征的一致；管理信息模型：描述模塊的狀態(tài)，記錄管理模塊所必須信息。4廣義映射過程的步驟和方法如圖2所示的廣義映射過程中從設(shè)計(jì)需求到機(jī)床的模塊化結(jié)構(gòu)方案 的生成，經(jīng)歷以下三步映射，實(shí)現(xiàn)前述三種模型的演變，其具體步驟與方法 如下所述。(1) 映射I，設(shè)計(jì)需求t運(yùn)動功能模型根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)需求信息，經(jīng)過功能分析可建立機(jī)床的功能結(jié)構(gòu)，再依據(jù)功能結(jié)構(gòu)建立運(yùn)動功能對象集 MS二Movel Move?，Moven,以此 可以建立工件和刀具運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型。77?!00tr400

11、 1T0tr200琨0.00TR300WT刀具與工件位姿關(guān)系；TRi 運(yùn)動i的行程要求,(i=1,2,6)WT由工件和刀具的運(yùn)動矩陣求解：WT二PWW+PTTW:工件的運(yùn)動矩陣；T:刀具的運(yùn)動矩陣；PW PT:工件和刀具的 運(yùn)動轉(zhuǎn)換矩陣。顯然，刀具及工件的運(yùn)動反求結(jié)果為多種方案。一組PV, PT對應(yīng)加工成型運(yùn)動在刀具和工件之間分配及排序的方案。例如某一運(yùn)動功能解為：Cp：360-b0.0圖4機(jī)床運(yùn)動功能模型X: 300(1,0. 07:500(0, JF0 RZ:3600,0a -1W(RZ X, Y, O, Z, Cp)T-30)00 0001r05000000L o0000-姒)-0 00

12、00(Tr0 00000=0 0400000其中:若以不同的符號代表各個運(yùn)動，可得該機(jī)床運(yùn)動模型圖如圖4所示(2) 映射II :運(yùn)動功能模型-機(jī)床結(jié)構(gòu)布局這一步映射是要根據(jù)模型%求解由一系列結(jié)構(gòu)原型的有機(jī)組合而構(gòu)成結(jié)構(gòu)布局方案。創(chuàng)建結(jié)構(gòu)布局需確定結(jié)構(gòu)原型的類型及其空間包圍盒， 并建立特征單元之間的關(guān)系矩陣*。一旦確定各原型結(jié)構(gòu)和它們的空間位置 及尺寸，機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局方案就產(chǎn)生了。過程中經(jīng)歷的步驟有：在模型I中取取刀具和工件之間綜合相對運(yùn)動節(jié)點(diǎn)對象，取工件中心設(shè)置全局坐標(biāo)原點(diǎn)，并根據(jù)刀具運(yùn)動信息確定刀具頂點(diǎn)的空間位置。分別循綜合運(yùn)動和固定基礎(chǔ)之間形成的兩條單向運(yùn)動傳遞鏈，對各 運(yùn)動功能結(jié)點(diǎn)，根據(jù)

13、其功能模型(類型和子功能集)實(shí)例化相應(yīng)的運(yùn)動部件、 支撐驅(qū)動部件、支撐基礎(chǔ)及傳動結(jié)構(gòu)特征等結(jié)構(gòu)原型特征模型，并進(jìn)行初始 化。這一步映射時運(yùn)動功能域的信息集合到結(jié)構(gòu)特征單元集合的映射。設(shè)定各原型結(jié)構(gòu)的接口功能面的方位向量和屬性值；建立特征單元集中各元素之間的關(guān)系矩陣*，同時判斷特征單元之間 的組合的可能性；設(shè)定各原型結(jié)構(gòu)的幾何包圍盒復(fù)合向量，其中尺寸向量的傳遞方向 是從工件刀具綜合相對運(yùn)動節(jié)點(diǎn)向固定基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的方向。(3) 映射III :機(jī)床布局原型結(jié)構(gòu)t模塊模型根據(jù)模塊創(chuàng)建的原則，為實(shí)現(xiàn)機(jī)床各模塊間功能和結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性， 應(yīng)將相互間關(guān)系緊密的結(jié)構(gòu)特征聚集成同一模塊。模型II中原型結(jié)構(gòu)特征是面向功能

14、的實(shí)現(xiàn)對實(shí)際結(jié)構(gòu)的抽象，其模型包含了結(jié)構(gòu)特征的功能、空間 尺寸和裝配關(guān)系等信息，其中的關(guān)系集合UR 可以作為結(jié)構(gòu)相關(guān)性的衡量基 礎(chǔ)。模型II中原型特征由特征單元集合構(gòu)成， 原型特征之間的關(guān)聯(lián)通過 它們包含的特征單元之間的關(guān)系 REL實(shí)現(xiàn)。對不同類型的關(guān)系，根據(jù)模塊創(chuàng) 建原則賦以不同的值r代表不同的相關(guān)程度。對原型結(jié)構(gòu)SPF1和SPF2之間 的相關(guān)程度確定一個相關(guān)系數(shù) X1,2來表示，、J, k表示關(guān)系的個數(shù)。例如：關(guān)系矩陣X轉(zhuǎn)化為X*:根據(jù)原型結(jié)構(gòu)間的相關(guān)系數(shù) Xi,j ,可建立相關(guān)矩陣X, 丫為一對稱矩 陣，主對角線上的元素設(shè)為0,元素Xi,j兩代表原型結(jié)構(gòu)SPFi，SPFj之間 的相關(guān)度，

15、矩陣建立之后，采用一種聚簇收斂算法進(jìn)行處理，得到的新矩陣X*表現(xiàn)為值較大的元素沿主對角線聚簇的狀態(tài)。1-0201Onio o22()00=0 1X=)1J0Ljr* 三|o0210103012 00030IL1F a mX*中元素的值聚簇在主對角線周圍，于是可以如上面的兩個實(shí)線方框，將特征原型分為兩組，構(gòu)造兩個模塊 M1, M2方框所圍住的子矩陣，構(gòu)成模塊內(nèi)各結(jié)構(gòu)的關(guān)系矩陣；虛線框內(nèi)的元素，表示M1和M2之間的裝配關(guān)系，虛線框圍成的矩陣正標(biāo)志著模塊的接口。產(chǎn)生的機(jī)床模塊方案，保證了模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)間的緊密結(jié)合，同時使模塊間的接口關(guān)系盡量簡化圖5模塊化機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)例5系統(tǒng)開發(fā)及設(shè)計(jì)實(shí)例本文基于圖1所示系統(tǒng)模型，以,MicroSoft Visule C+為開發(fā)工具， 在Windows系統(tǒng)平臺下，針對加工中心類數(shù)控機(jī)床開發(fā)了模塊化結(jié)構(gòu)概念設(shè) 計(jì)系統(tǒng)，并通過三維CAD平臺Autodesk Mechanical Desktop 的二次開發(fā)接 口 ObjectArx及McadAP，開發(fā)了從機(jī)床結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)方案到模塊結(jié)構(gòu)實(shí)體 創(chuàng)建的轉(zhuǎn)換工具。系