模塊化數(shù)控機(jī)床概念設(shè)計的研究

1、模塊化數(shù)控機(jī)床概念設(shè)計的研究機(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)計方面也必然要求有新的設(shè)計方法和理論來指導(dǎo)?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計有以下一些特點： -數(shù)控機(jī)床中有不少獨立的功能單元，如導(dǎo)軌件、絲杠副、冷卻、潤滑、驅(qū)動、控制、檢測裝置等。這一特點使其適應(yīng)于模塊化設(shè)計方法； -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)計的主要矛盾；

2、 -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)計階段就己經(jīng)確定，所以應(yīng)通過改進(jìn)設(shè)計來提高產(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)計系統(tǒng)模型 根據(jù)Pahl和Beitz對概念設(shè)計的描述，在概念設(shè)計階

3、段首先要明確設(shè)計任務(wù)，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑扒蠼鈱崿F(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)計各階段的任務(wù)及設(shè)計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：通過映射尋求實現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)載體，根據(jù)運(yùn)動分配、布局的設(shè)計，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； (6)在基型設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)

4、床的變型設(shè)計、系列化設(shè)計，以模塊化的產(chǎn)品系列，快速響應(yīng)市場需求。圖1 概念設(shè)計系統(tǒng)模型圖2 廣義映射過程模型 事實上，上述的機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計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)計過程中都存在。廣義的概念設(shè)計包含了產(chǎn)品在詳細(xì)設(shè)計之前的各個設(shè)計環(huán)節(jié)，完成產(chǎn)品的功能設(shè)計、原理設(shè)計、形狀布局及初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過分析數(shù)控機(jī)床概念設(shè)計的任務(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)計系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)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)計方案的優(yōu)劣，選擇最佳的

5、設(shè)計方案。 在設(shè)計求解的過程中需要相應(yīng)的設(shè)計知識，設(shè)計規(guī)則和算法的支持，因此，要建立設(shè)計知識庫、數(shù)據(jù)庫及圖形庫等作為設(shè)計的基礎(chǔ)。2 概念設(shè)計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，即實現(xiàn)映射。本文提出廣義映射的概念和方法來實現(xiàn)模塊化數(shù)控機(jī)床概念設(shè)計中的這一重要環(huán)節(jié)。 在模塊化設(shè)計中，設(shè)計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)實現(xiàn)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)計過程中設(shè)計思維的發(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

6、如下特征： (1)廣義映射的概念不僅有功能要求與結(jié)構(gòu)載體之間的一一對應(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)計對象概念模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行定義。映射需要設(shè)計知識庫、數(shù)據(jù)庫的支持。3 廣義映射中產(chǎn)品模型的演變 通過對機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的分析，用面向?qū)ο蟮姆椒ń⒐δ堋⒔Y(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

7、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，m14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，“o”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)實體層之間。本文在考查大量機(jī)床結(jié)構(gòu)實例的基礎(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

8、述為結(jié)構(gòu)原型特征集合： MACHINE=SPF1，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，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。R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： EF= 其中，EID為標(biāo)志號，CLASS為單元類型，CLASSMOVE，ROTATE，F(xiàn)IX，MLST是功能面的集合；PSH則為其關(guān)聯(lián)圖形(圖像)指針；EBOX代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

9、，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

10、 如圖2所示的廣義映射過程中從設(shè)計需求到機(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)計需求運(yùn)動功能模型 根據(jù)用戶的設(shè)計需求信息，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=Move1，Move2，Moven，以此可以建立工件和刀具運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型。 WT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=PWW+PTT W：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PW

11、，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：W(RZ，X，Y，O，Z，Cp)T其中：圖4 機(jī)床運(yùn)動功能模型 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)點對象，取工件中心設(shè)置全局坐標(biāo)原點，并根據(jù)刀具運(yùn)動信息確定刀具頂

12、點的空間位置。 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，根據(jù)其功能模型(類型和子功能集)實例化相應(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)點向固定基礎(chǔ)節(jié)點的方向。 (3)映射III：機(jī)床布局原型結(jié)構(gòu)模塊模型 根據(jù)模塊創(chuàng)建的原則，為實現(xiàn)機(jī)床各模塊間功能和結(jié)構(gòu)

13、的獨立性，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)特征是面向功能的實現(xiàn)對實際結(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R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，k表示關(guān)系的個數(shù)。 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，Y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

14、，SPFj之間的相關(guān)度，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)。例如：關(guān)系矩陣X轉(zhuǎn)化為X*： X*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)計實例 5 系統(tǒng)開發(fā)及設(shè)計實例 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)計系統(tǒng)，并通過三維CAD平臺Autodesk Mechanical Desktop的二次開發(fā)接口ObjectArx及McadAPI，開發(fā)了從機(jī)床結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方案到模塊結(jié)構(gòu)實體創(chuàng)建的轉(zhuǎn)換工具。系統(tǒng)運(yùn)行的實例如： 基本