機(jī)床結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)

1、CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING2008,21(3)機(jī)床結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)XUYanshen,CHENYongliang(SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)ZHANGGuojun(SchoolofMechanicalScienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)GUPeihua(DepartmentofMechatronicEngineer

2、ing,ShantouUniversity,Shantou515063,China;SchoolofMechanicalScienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;DepartmentofMechanicalandManufacturingEngineering,UniversityofCalgary,CalgaryT2N1N4,Canada)摘要：適應(yīng)性強(qiáng)的設(shè)計(jì)目的是擴(kuò)展的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的實(shí)用性。具體方法是在機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)際發(fā)展出實(shí)用的對(duì)于適應(yīng)性強(qiáng)的設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序，包括適合的平臺(tái)、界

3、面和模塊的設(shè)計(jì)。在適應(yīng)性綁定約束下為適應(yīng)平臺(tái)設(shè)計(jì)，制定適應(yīng)的重新設(shè)計(jì)問題。分析工具然后建議實(shí)施的機(jī)床結(jié)構(gòu)，包括重新設(shè)計(jì)變化技術(shù)基于敏感性分析、基于相似的通用性分析、改善性能和適應(yīng)性措施。機(jī)床結(jié)構(gòu)適應(yīng)性的具體措施是通過獲得從適應(yīng)性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的相似性和性能改進(jìn)的量化衡量的。本方法提供了一種途徑,也就是使你能夠適應(yīng)事物的設(shè)計(jì)過程,并考慮材料的成本和收益的適應(yīng)能力。數(shù)控螺旋錐齒輪切削機(jī)結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)有助于你理解這些觀念和新的方法。關(guān)鍵詞：適應(yīng)性設(shè)計(jì)機(jī)床0介紹為更好地提高產(chǎn)品功能、質(zhì)量、特點(diǎn)、定制、環(huán)保、成本、交貨期等的競(jìng)爭(zhēng)力，需要以產(chǎn)品為導(dǎo)向的制造企業(yè)應(yīng)更積極地響應(yīng)并負(fù)責(zé)產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化整個(gè)產(chǎn)品生命周期。

4、現(xiàn)代制造企業(yè)已成為更靈活和更敏捷，并可通過網(wǎng)絡(luò)和供應(yīng)鏈的連接良好。不過，先進(jìn)的制造技術(shù)使一個(gè)人不會(huì)足以應(yīng)付所有的挑戰(zhàn)，如有的來自產(chǎn)品設(shè)計(jì)。因此，先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和工具在早期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，最重要的決定是根據(jù)產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、工藝性、成本、環(huán)保對(duì)產(chǎn)品和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與開發(fā)。用這些設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，提供所需的產(chǎn)品，能夠滿足不斷變化的設(shè)計(jì)要在過去的二十年,經(jīng)大量的研究，對(duì)發(fā)展基本的理解和不同的有效工具方面的設(shè)計(jì)過程已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。工程設(shè)計(jì)研究的例子包括公理化設(shè)計(jì)、基于函數(shù)的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品系列/組合結(jié)構(gòu)、模塊化和平臺(tái)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)理論方法、TRIZ理論方法在工程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新中的應(yīng)用、面向制造的設(shè)計(jì)、裝配、服務(wù)

5、和環(huán)境。制造企業(yè)已通過了一些如制造和裝配設(shè)計(jì)技術(shù)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)。然而，這些進(jìn)步，尤其是重點(diǎn)特定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，應(yīng)該被用來處理整個(gè)產(chǎn)品生命周期的優(yōu)化問題。一個(gè)更加靈活和全面的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是尚未通過使求設(shè)計(jì)各種新建立有效的設(shè)計(jì)工具。適應(yīng)性設(shè)計(jì)（AD）是一種既經(jīng)濟(jì)和環(huán)境相協(xié)調(diào)的新設(shè)計(jì)模式。AD的基本理念能適應(yīng)的新的要求和重用的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)的能力以及當(dāng)情況發(fā)生變化時(shí)，比如說，更換一個(gè)適應(yīng)的產(chǎn)品與一組多種產(chǎn)品附加的配件或附件。適應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)了一個(gè)產(chǎn)品服務(wù)或擴(kuò)展到其他應(yīng)用程序中。延伸使用周期和適應(yīng)性強(qiáng)的產(chǎn)品的適用性通常需要額外的工作，就是所謂的“適應(yīng)”的過程。適應(yīng)，只要合理，可以更利于回收，因?yàn)樗褂玫拇蟛糠纸M件

6、可以再造，因?yàn)樗褂玫拇蟛糠纸M件，在產(chǎn)品供應(yīng)鏈的早期階段它的材料，回收和重新使用【14】本文介紹了AD在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。該文件的其余部分內(nèi)容如下。第1節(jié)討論了適應(yīng)性設(shè)計(jì)實(shí)施的適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法和分析工具。第2節(jié)描述了一個(gè)在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)適應(yīng)關(guān)聯(lián)應(yīng)用程序與其他的工程分析。討論和總結(jié)發(fā)言載于第3節(jié)。方法和分析工具的適應(yīng)性設(shè)計(jì)AD實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵要素AD旨在延長(zhǎng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和實(shí)用程序。推廣實(shí)用的外觀設(shè)計(jì)基本上是設(shè)計(jì)再利用，例如說，使用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出適合的新設(shè)計(jì)。對(duì)產(chǎn)品效用擴(kuò)展是為適應(yīng)當(dāng)前的產(chǎn)品以全新的使用，再利用，再制造，回收和升級(jí)。因此，至關(guān)重要的是產(chǎn)品與設(shè)計(jì)要求的適應(yīng)性。實(shí)現(xiàn)一個(gè)適應(yīng)性的做

7、法是基于本地化的修改。一個(gè)獨(dú)立的體系結(jié)構(gòu)支持自我包含的、相對(duì)獨(dú)立的模塊開發(fā)，可以很容易地分離、修改、重新安置和替換。擁有分離架構(gòu)的產(chǎn)品通常是模塊化的，修改能進(jìn)行更換或者局部更改這些模塊。這樣的架構(gòu)產(chǎn)品的開發(fā)，包括獨(dú)立的功能和物理結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計(jì)、平臺(tái)設(shè)計(jì)和適應(yīng)性界面設(shè)計(jì)，如圖1所示，AD構(gòu)成實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。圖1：適應(yīng)性設(shè)計(jì)的基本要素適應(yīng)功能結(jié)構(gòu)SUH【i】中描述的功能為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)模型有廣泛的例子。對(duì)SUH的模型的主要特點(diǎn)可以概括如下。（1）設(shè)計(jì)問題是由一組定義的功能（FPs），因?yàn)樗鼈兪潜匾统渥愕脑O(shè)計(jì)問題的目標(biāo)的說明。（2）對(duì)于每一個(gè)FR，解決方案，典型的設(shè)計(jì)參數(shù)（DPs）都要被選擇。這可能

8、會(huì)采取進(jìn)一步的子問題，從而在分解后，在他們來中，只有DPs被選擇。（3）設(shè)計(jì)過程中繼續(xù)通過在分層結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的分解后的FRs。SUH的獨(dú)立性公理要求FRS通過適當(dāng)?shù)倪x擇DPs保持獨(dú)立性。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，功能要求的物理現(xiàn)象，通?；ハ喔蓴_的關(guān)系，并通過關(guān)系式和物理相連接。這些物理關(guān)系建立依賴的關(guān)系，這反過來又導(dǎo)致多種類型的限制，例如空間的限制。因?yàn)檫@些往往是必然的依賴關(guān)系，對(duì)設(shè)計(jì)的某些部分的變化可能會(huì)影響到其他地方的設(shè)計(jì)。因此，一個(gè)組件的設(shè)計(jì)變更，可能要求其他組件的重新設(shè)計(jì)。由于AD在促進(jìn)變化的基礎(chǔ)上，要求所有的組件和模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能獨(dú)立，為了維持局部的功能和本身物理結(jié)構(gòu)的任何潛在的設(shè)計(jì)變更。

9、適應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)決定產(chǎn)品的配置，需滿足功能需求和產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的限制。兩種最常用的結(jié)構(gòu)是平臺(tái)和模塊設(shè)計(jì)，這樣可以比整體結(jié)構(gòu)提高適應(yīng)能力。平臺(tái)的設(shè)計(jì)是建筑在各類產(chǎn)品都有一個(gè)共同的基礎(chǔ)平臺(tái)的這種特殊類型上的。研究人員已經(jīng)開發(fā)出通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和定制研究構(gòu)建平臺(tái)的各種技術(shù)。已開發(fā)各種平臺(tái)中包括通用平臺(tái)、工藝和制造平臺(tái)、可擴(kuò)展的產(chǎn)品平臺(tái)、模塊化的平臺(tái)等。一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)和模塊化的平臺(tái)的組合是以推廣模塊為基礎(chǔ)的，其也可被稱為廣義的產(chǎn)品平臺(tái)。模塊化設(shè)計(jì)的目的在于開發(fā)包括可拆卸模塊產(chǎn)品架構(gòu)?！澳K”是指任何子裝配可以很容易從其余的產(chǎn)品中脫落。模塊化設(shè)計(jì)可以有不同的目標(biāo)。其中的一些目標(biāo)例如升級(jí)、品種和定

10、制，對(duì)模塊功能的重點(diǎn)關(guān)系到適應(yīng)性設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)，例如說，擴(kuò)展實(shí)用程序。其他生命周期的目標(biāo)模塊化，如并行發(fā)展、維護(hù)和物質(zhì)循環(huán)，要么與之有關(guān)的其他利益或可以遵循獨(dú)立，在沒有沖突的適應(yīng)性設(shè)計(jì)過程中。適應(yīng)性界面設(shè)計(jì)適應(yīng)性界面設(shè)計(jì)也是對(duì)適應(yīng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要的。善于適應(yīng)的接口方便模塊，平臺(tái)和變種的使用。如果適應(yīng)接口提供內(nèi)部模塊，可以為分模塊和關(guān)鍵部件的重復(fù)使用提供便利。例如，一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和使用的產(chǎn)品系列。附加的模塊連接到基礎(chǔ)平臺(tái)使用適應(yīng)性接口。這種接口也可用于產(chǎn)品升級(jí)換代。有五種類型的適應(yīng)性接口：機(jī)械、電子、軟件、機(jī)電和固件驅(qū)動(dòng)。制定適應(yīng)性設(shè)計(jì)有些適應(yīng)性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題可以制定為可平臺(tái)設(shè)計(jì),以最大限

11、度地適應(yīng)能力強(qiáng)的產(chǎn)品。對(duì)于給定的產(chǎn)物P,初步解決方案為S。假設(shè)S=S1,S2，Sm由于改進(jìn)原有設(shè)計(jì)產(chǎn)品P調(diào)整，以滿足新的要求。善于適應(yīng)設(shè)計(jì)的問題，然后提出來證明該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)適應(yīng)性maxA(P)S.t.Spq(Xp)5s5ei、AF(Si)5a其中AP-產(chǎn)品設(shè)計(jì)適應(yīng)性措施S-一組對(duì)原有產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)的候選spq(Xp)-結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案p和qXp-產(chǎn)品設(shè)計(jì)指數(shù)p,Xp=(xp,xp,xp)t12nB-給定要調(diào)整的相似值E(Si)-產(chǎn)品設(shè)計(jì)的選項(xiàng)對(duì)比原設(shè)計(jì)性能的改進(jìn)產(chǎn)品性能值提升的理由AF(S.)適應(yīng)性設(shè)計(jì)中的任務(wù)因子S.,i=1,2,.,m從-證明給定的適應(yīng)性價(jià)值技術(shù)變化的敏感性分析在設(shè)計(jì)結(jié)

12、構(gòu)時(shí)，工程分析工具通常使用。該以變化敏感度為基礎(chǔ)的分析技術(shù)已被用來識(shí)別參數(shù)的影響較不敏感的結(jié)構(gòu)性能。設(shè)計(jì)的靈敏度計(jì)算在每個(gè)設(shè)計(jì)變量的表現(xiàn)變量(也稱為設(shè)計(jì)響應(yīng))。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將要審議的關(guān)鍵回應(yīng)如下：重量或質(zhì)量(m)、硬度(彈性或位移，d)、第一階固有頻率(f)和壓力(S)。響應(yīng)相關(guān)矩陣式為(2)du1dx.idUmdxV1du1dxndUmdxn丿(2)其中A-靈敏度矩陣Up-向量的設(shè)計(jì)反應(yīng)(性能變量)Up二(mp,dp,Sp,fp)Tmaxmax0靈敏度是采取的一個(gè)多么敏感的結(jié)構(gòu)性能，是每一個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化跡象。先考慮敏感性相對(duì)較低的變量，然后考慮平臺(tái)的變量?；谙嗨频耐ㄓ眯苑治鲈跊Q策過程中要

13、確定利用哪些變量，相似性措施是至關(guān)重要的。相似性函數(shù)構(gòu)造作為設(shè)計(jì)變量之間的距離測(cè)度【15】。兩個(gè)變量距離越小越相似，最類似的變量是共享變量的未知數(shù)。對(duì)于相似的功能,s，根據(jù)相似理論【16】,我們選擇了設(shè)計(jì)變量的值，xp和xq,s定義為jj3)minx(p,xq)Spq(X)jjjmaxx(p,xq)jj其中xp-產(chǎn)品的設(shè)計(jì)變量值pjxq-產(chǎn)品的設(shè)計(jì)變量值qjmin(xp,xq)是函數(shù)xp和xq的最小值之和，max(xp,xq)是函數(shù)xp和xq的最大值之jjjjjjjj和。然后，產(chǎn)品p和q的相似性定義為spqYWxSpq(x)jjSpqe4)其中wx-設(shè)計(jì)變量的重量jnYwx=1jj11.5性能

14、改進(jìn)設(shè)U(u,u，,u)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。12i根據(jù)模糊變換原理，評(píng)價(jià)模型可以表示其中CRWu(r11r21r12r22r1ir2iYw)1w25)rm1C-價(jià)值評(píng)價(jià)結(jié)果rm2r.八miC(C,C，,C)12mC第i個(gè)候選設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)結(jié)果S，i1,2,m，其計(jì)算方法是iiCi=工wur(6)kikk=1其中W-向量的大小uWu=(wu,wu,wu)T12iwu-評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)u的大小ikWu=1kk=1R-可接受矩陣的值r在第k個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中第i個(gè)候選設(shè)計(jì)的允許值，它是一個(gè)相對(duì)值ik7)UiUnr=sgnkk-iku0k其中u0-原設(shè)計(jì)的變量值kui-現(xiàn)在設(shè)計(jì)的變量值k本文設(shè)計(jì)的第i個(gè)候選值可通過有限元分析。8

15、)然后，性能改進(jìn)的設(shè)計(jì)S的總量比初步設(shè)計(jì)S可以計(jì)算出i0E(S)=1Cii根據(jù)E(S)值，設(shè)計(jì)未知數(shù)的排列順序。i1.6適應(yīng)性措施考慮的顧提出的適應(yīng)性措施【14】，在一般方程的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的適應(yīng)性可表示如下A(P)=CmPr(S)AF(S)9)iii=1CmPr(S)=1ii=1其中A(P)產(chǎn)品P的適應(yīng)性Pr(S)適應(yīng)任務(wù)S所發(fā)生的概率iiAF(S)設(shè)計(jì)任務(wù)S的適應(yīng)性要素iiAF(S)的計(jì)算方法是將所需要的信息內(nèi)容，改變了從S到S的產(chǎn)品的狀態(tài)i0i信息。信息內(nèi)容代表總成本，從而與S表示對(duì)任何資源消耗指標(biāo)相關(guān)的復(fù)雜性。i據(jù)公式(4)和(8)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性表示為AF(S)=i10)E(S

16、)i1sp0其中sp0初步候選設(shè)計(jì)S和S相比的結(jié)構(gòu)相似性po這種評(píng)價(jià)方法考慮到修改對(duì)產(chǎn)品的功能。它反映了產(chǎn)品之間的功能和結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系。因此，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)適應(yīng)性的具體措施可以被定義如下。適應(yīng)性是通過結(jié)構(gòu)的相似性和性能改進(jìn)定量測(cè)量獲得的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，這是一個(gè)節(jié)省成本的指標(biāo)。對(duì)設(shè)計(jì)的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定設(shè)計(jì)過程中最佳的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。例：一臺(tái)機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1背景該YH60系列螺旋錐齒輪加工機(jī)床采用西門子系統(tǒng)精確的控制在同步運(yùn)行所有主軸。其應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)檩p型卡車的錐齒輪。YH60機(jī)床的結(jié)構(gòu)遵循了所有證明數(shù)控機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)。圖2顯示的支柱、床、鞍、一個(gè)數(shù)控螺旋錐齒輪加工機(jī)床和工件的夾具模塊。為了提高齒輪加

17、工性能和質(zhì)量要求，進(jìn)過改進(jìn)的YH603改進(jìn)了原有機(jī)械結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度，同時(shí)降低機(jī)器的重量。YH603機(jī)床的模量范圍只為4mm，它不能被用于削減中型卡車錐齒輪，新一代的齒輪切割機(jī)模數(shù)范圍的上限，必須發(fā)展到12mm。要求新機(jī)床提高靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)剛度，一個(gè)充滿活力的設(shè)計(jì)方法，采用適應(yīng)性設(shè)計(jì)與分析，以確定該機(jī)器的模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。(b)初步的設(shè)計(jì)模型圖2：YH603數(shù)控螺旋錐齒輪加工機(jī)床2.2重新設(shè)計(jì)機(jī)器結(jié)構(gòu)的過程本機(jī)床結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)過程如圖3所示。這種方法同時(shí)進(jìn)行適應(yīng)性模塊化設(shè)計(jì)，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，步驟如下所示。（1）原機(jī)床模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。（2）對(duì)所有模塊進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。（

18、3）獲取通過修改的模塊結(jié)構(gòu)，在模塊結(jié)構(gòu)的一系列改進(jìn)的基礎(chǔ)上分析結(jié)果。（4）通過選擇和組合優(yōu)化模塊來獲得改進(jìn)整體機(jī)床。最佳模塊上作出的決定基于性能改進(jìn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。模塊之間的接口是保持不變的。（5）進(jìn)行整體機(jī)床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。（6）根據(jù)分析結(jié)果，選擇最好的設(shè)計(jì)適應(yīng)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。（7）優(yōu)化計(jì)算以確定最終的設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述步驟，這里可用以支持設(shè)計(jì)過程的工具，例如，這臺(tái)機(jī)器和其模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析。正如前面討論的，可以通過更改功能要求和或幾何模型的重新定義產(chǎn)品或模塊的變體。機(jī)器結(jié)構(gòu)是通過使用有限元軟件的有限元分析建模。靜負(fù)荷情況下（在框架上的作用力）進(jìn)行了初步分析。這些工況的屬性提供給設(shè)計(jì)師，

19、作為有效的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。圖3：機(jī)械重新設(shè)計(jì)過程2.3重新設(shè)計(jì)過程的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)2.3.1指引性能機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)在機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一階固有頻率f、最大位移d、重量m都被用來作max為功能參數(shù)。在機(jī)器的布局設(shè)計(jì)中，這些功能參數(shù)可以用于有限元計(jì)算模型【17】。性能參數(shù)向量是Up二(mp,dp,fp)T，性能參數(shù)向量的大小為Wu=(w,w,w)。max0j123有限元分析的輸出質(zhì)量(m),前三個(gè)自然頻率(f,f,f)，除了對(duì)工作臺(tái)的012位移靜載荷(d)以及相應(yīng)的敏感性的所有設(shè)計(jì)變量。這些都是肋板的橫截面max尺寸(寬度b高度h和厚度t)。對(duì)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估規(guī)則【18】如下。規(guī)則1：重量的標(biāo)準(zhǔn)，以減少整機(jī)重

20、量和成本或材料為目的，并降低機(jī)器重心。規(guī)則2：高靜剛度的標(biāo)準(zhǔn)，以減少機(jī)械結(jié)構(gòu)整體位移，提高了加工過程的質(zhì)量和改善所有模塊。規(guī)則3：高動(dòng)態(tài)剛性標(biāo)準(zhǔn)，以增加機(jī)器的固有頻率，提高了加工過程的質(zhì)量及改善頻率的模塊合理布局。規(guī)則4：制造標(biāo)準(zhǔn)，以改善結(jié)構(gòu)的制造及降低制造成本。2.3.2結(jié)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)1：性能改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)，使得性能改善E大于預(yù)期。i標(biāo)準(zhǔn)2：結(jié)構(gòu)相似標(biāo)準(zhǔn)，使機(jī)器結(jié)構(gòu)相似sp0達(dá)到原始的結(jié)構(gòu)盡可能高的程度。標(biāo)準(zhǔn)3：適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)，使得重新設(shè)計(jì)的高適應(yīng)性的結(jié)構(gòu)可能選擇AF(S)或產(chǎn)i品A(P)。重新設(shè)計(jì)的模塊這些模塊設(shè)計(jì)見表中，代表了設(shè)計(jì)S，0計(jì)的S代i候選。的重新1。在表1原來的重新設(shè)表第i個(gè)

21、有限元分析、定量分析和評(píng)價(jià)分析床身、床鞍、工件夾具和模塊。Table1Stniclu理氧nfiiiodulrsModiLiwColumnBwjWitpieteSlideFiriKtujT-壞.Wn-luilEaseboard喝saddEcOriinHKtructure&MUlKtU堆StPlnpnHEditnictmtFruposedstructwrS-,PnjposdAEtniciiutSiPropowdYiruclunSt,其中t代表的側(cè)面和背肋柱板和頂部和底部板厚度；t代!A1bCMfln,JUH-JJnirrKof|lxoririnfllCQIlhiui1削厚度；t3是內(nèi)部敏度分析的結(jié)

22、果,和底部的板塊有重能。其他參數(shù)的影肋板厚度為推薦之了改善其動(dòng)態(tài)性度和固有頻率的靈重新設(shè)計(jì)的柱可以作為一個(gè)例子來說明這個(gè)過程。柱支持主軸系統(tǒng)，并且柱剛度是一個(gè)重要的因素，影響加工精度。在切割過程中，柱可能影響沿x和y方向的指令，從而降低精度。因此重新設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一就是增加列的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度。Ttajgzofpta虧tmrnIbiSoiirhvin-elflaiK日話血awmcnlI.disipnpumnulifT畐H-lii!ldlWr4nfnhlHkJIIIHI重新設(shè)計(jì)過程的第一步是要進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析。從分析中獲得的數(shù)據(jù)都顯示在圖4表的前板厚度和切肋板厚度基于靈外部的厚度、頂部大

23、影響的動(dòng)態(tài)性響不顯著。因此，列的重新設(shè)計(jì)，為能。圖4顯示了剛敏度分析。設(shè)計(jì)參數(shù)頻率的敏感性圖4：原始支柱的敏感性分析重新設(shè)計(jì)過程中的第二步是要進(jìn)行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的相似性分析。設(shè)計(jì)參數(shù)的重新定義如下根據(jù)方程（3）和（4），柱設(shè)計(jì)參數(shù)中的重新設(shè)計(jì)和原設(shè)計(jì)相似性見表2-4。表2在原來和現(xiàn)在的YH603機(jī)床支柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)候選設(shè)計(jì)外壁厚度t/mmi內(nèi)壁厚度t/mm3底面厚度t/mm4肋板厚度h/mmi內(nèi)部肋板的形式肋骨圓角原設(shè)計(jì)S025184540*形無新設(shè)計(jì)S129124595#形無新設(shè)計(jì)S20124595#形無2新設(shè)計(jì)S3201245125#形無新設(shè)計(jì)S4201245125#形有新設(shè)計(jì)S5151

24、245125#型有新設(shè)計(jì)S6151245125#型有表3原設(shè)計(jì)和新設(shè)計(jì)的支柱的結(jié)構(gòu)相似點(diǎn)候選設(shè)計(jì)每個(gè)結(jié)構(gòu)的參數(shù)的相似點(diǎn)sp0(x)外壁內(nèi)壁底面肋板內(nèi)部肋板的形式肋骨圓角新設(shè)計(jì)S10.80.66700.42101新設(shè)計(jì)S20.80.66700.42101新設(shè)計(jì)S30.80.66700.32001新設(shè)計(jì)S40.80.66700.32000新設(shè)計(jì)S50.60.66700.32000新設(shè)計(jì)S60.60.66700.32000表4支柱的適應(yīng)性候選設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相似點(diǎn)sp0性能改善Ei新設(shè)計(jì)的適應(yīng)性AF(S)i新設(shè)計(jì)S10.4811.4482.790新設(shè)計(jì)S20.4811.4282.751新設(shè)計(jì)S30.4651

25、.4442.699新設(shè)計(jì)S40.2981.4762.103新設(shè)計(jì)S50.2661.4371.958新設(shè)計(jì)S60.2661.4962.035重新設(shè)計(jì)過程的第三步是進(jìn)行性能改善和功能參數(shù)的適應(yīng)性分析。其功能參數(shù)的重定義如下w（0.5,0.25,0.25）u根據(jù)方程（7）和（8），對(duì)改善結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了計(jì)算，并在表5和6中所示表5原設(shè)計(jì)和新設(shè)計(jì)的支柱的結(jié)構(gòu)性能候選設(shè)計(jì)一階頻率f/Hz位移s/“m重量w/kg原設(shè)計(jì)S011914.60308新設(shè)計(jì)S11947.64291新設(shè)計(jì)S21917.64300新設(shè)計(jì)S31957.01315新設(shè)計(jì)S42026.72318新設(shè)計(jì)S51938.74276新設(shè)計(jì)S6205

26、6.80309表6原設(shè)計(jì)和新設(shè)計(jì)間的支柱的性能的改進(jìn)候選設(shè)計(jì)每個(gè)性能參數(shù)的性能改進(jìn)一階頻率的改變位移的改變重量的改變新設(shè)計(jì)S1-0.630-0.477-0.055新設(shè)計(jì)S2-0.605-0.477-0.026新設(shè)計(jì)S3-0.639-0.5200.023新設(shè)計(jì)S4-0.697-0.5400.032新設(shè)計(jì)S5-0.622-0.401-0.104新設(shè)計(jì)S6-0.723-0.5340.003適應(yīng)性計(jì)算，如表6所示。對(duì)原來的結(jié)構(gòu)、性能改進(jìn)和重新設(shè)計(jì)的比較也顯示在表6。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的AD1,重新設(shè)計(jì)S是最好的選擇。6使用相同的步驟對(duì)以下進(jìn)行重新設(shè)計(jì),其他模塊的重新設(shè)計(jì)和適應(yīng)性分析也可以由其得到，如表7-10.

27、每個(gè)模塊的最佳選擇列于表11。表7床身的適應(yīng)性候選設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相似點(diǎn)sp0性能改善Ei新設(shè)計(jì)的適應(yīng)性AF(S)i新設(shè)計(jì)S10.7541.4465.878新設(shè)計(jì)S20.7541.3395.443新設(shè)計(jì)S30.7331.4205.318新設(shè)計(jì)S40.7331.2924.839表8工件夾具的適應(yīng)性候選設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相似點(diǎn)sp0性能改善Ei新設(shè)計(jì)的適應(yīng)性AF(S)i新設(shè)計(jì)S10.8380.8735.389新設(shè)計(jì)S20.6691.0393.139新設(shè)計(jì)S30.6591.0563.191表9工作臺(tái)的適應(yīng)性候選設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相似點(diǎn)sp0性能改善Ei新設(shè)計(jì)的適應(yīng)性AF(S)i新設(shè)計(jì)S10.8540.7845.370新設(shè)計(jì)S2

28、0.8540.8095.541表10床座的適應(yīng)性候選設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相似點(diǎn)SP0性能改善Ei新設(shè)計(jì)的適應(yīng)性AF(S)i新設(shè)計(jì)S10.8540.7845.370新設(shè)計(jì)S20.8540.8095.541表11新老YH603機(jī)床的模塊候選設(shè)計(jì)支柱床身工件夾具工作床座原設(shè)計(jì)PiMSMSMSMSMS01020304050新設(shè)計(jì)PiMSMSMSMSMS11623334352新設(shè)計(jì)PiMSMSMSMSMS21725242323整個(gè)機(jī)器的改進(jìn)對(duì)整個(gè)機(jī)器重新設(shè)計(jì)過程的第一步是要獲取模塊組裝整個(gè)機(jī)器。根據(jù)表11，全面提高機(jī)器性能可以得到最佳結(jié)合模塊。圖5顯示了整機(jī)結(jié)構(gòu)和待改進(jìn)項(xiàng)目?；赮H603原結(jié)構(gòu)的改進(jìn)模塊（P1）,

29、0決定一個(gè)全新的結(jié)構(gòu)（P1）的設(shè)計(jì)?？紤]到重新設(shè)計(jì)的新機(jī)床的制造成本，修1改后的重新設(shè)計(jì)的版本（P1）獲得通過，為了避免重新制作鑄造模具。2改后的指尖的相識(shí)性12所示。重新設(shè)計(jì)過程的能參數(shù)的適應(yīng)性分態(tài)分析的結(jié)果顯示在性能的改善、計(jì)算如（10），重新設(shè)計(jì)是對(duì)所示。io)initialHMtuUnx|c|iVHfiOSBdiiaJwlutJuflR(b|iYH&Q)tdciilKilifliDnF對(duì)整個(gè)機(jī)器重新設(shè)計(jì)過程中的第二步是進(jìn)行相似性分析。每個(gè)在原來和經(jīng)修都是經(jīng)過計(jì)算得出的，如表第三步是進(jìn)行性能改善和功析。本機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)表13。其對(duì)原機(jī)相比，整機(jī)表14所示。據(jù)公式（9）和適應(yīng)性進(jìn)行了計(jì)

30、算，如表15圖5YH603機(jī)床設(shè)計(jì)候選設(shè)計(jì)模塊的結(jié)構(gòu)相似點(diǎn)sp0支柱床身工件夾具工作床座新設(shè)計(jì)P1MSMSMSMSMS11623334352新設(shè)計(jì)PlMSMSMSMSMS21725242323表13新老YH603機(jī)床的性能候選設(shè)計(jì)一階頻率f/Hzy軸剛度k/(N-pm-1)全重m/kg原設(shè)計(jì)S069.3357.132890新設(shè)計(jì)S199.03145.822472新設(shè)計(jì)S278.31106.433037表14新老YH603機(jī)床的性能的改進(jìn)候選設(shè)計(jì)一階頻率的改變f/Hzy軸剛度的改變k/(N-pm-1)全重的改變m/kg新設(shè)計(jì)s1-1.798-1.552-0.145新設(shè)計(jì)S2-0.130-0.86

31、30.051表15YH603機(jī)床的適應(yīng)性候選設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相似點(diǎn)sp0性能改善Ei新設(shè)計(jì)的適應(yīng)性AF(S)i新設(shè)計(jì)S10.6372.3236.400新設(shè)計(jì)S20.9301.26818.110根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AD3,重新設(shè)計(jì)Pi是最好的選擇。2因?yàn)槲覀儧]有更多具體的關(guān)于信息,因此,適應(yīng)任務(wù)概率的定義如下Pr(S)二(0.5,0.5)i原來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的適應(yīng)性為A(P)=12.255在不大幅度增加生產(chǎn)成本的情況下,實(shí)際上通過重新設(shè)計(jì)了增強(qiáng)的功能P?；诂F(xiàn)有的鑄造模型和模態(tài)分析,肋板被添加到薄弱構(gòu)造區(qū)以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。尖角改為圓角。其他變化,如改變鑄造墻的厚度,沒有被采納,因?yàn)檫@些變化將使得代價(jià)高昂。開發(fā)的新一代齒輪切割

32、機(jī)YH605為了滿足需要切割機(jī)齒輪模數(shù)范圍的上限到12mm，在YH603基礎(chǔ)上開發(fā)出了新一代機(jī)床YH605，并有較大的性能改善(Pi)。1圖6顯示了YH605機(jī)AD過程。隨著YH605特別被關(guān)注，其重點(diǎn)被放在高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度。這也可以看到其外部極其嚴(yán)格的機(jī)械零件和恰當(dāng)?shù)某叽?。特別是在高的求的基礎(chǔ)項(xiàng)外，對(duì)一的錐齒輪其廣泛。CunihiHdliuriu1rrntJuIfyp.YHM)5GmilkrlulntnAilupcalionmodulesJJ川尸i汁146用iikalsduLinnDccumpositinnuilomodukcs系統(tǒng)剛性要上，除其他事些大型機(jī)器切割要求及YH605機(jī)的了計(jì)算

33、，并在機(jī)中進(jìn)行試表16所示。對(duì)該性能進(jìn)行機(jī)器的樣驗(yàn)證明，如圖6YH605機(jī)床的設(shè)計(jì)步驟表16YH605機(jī)床的性能項(xiàng)目一階頻率f/Hzy軸剛度k/（N-卩m-1）全重m/kg設(shè)計(jì)結(jié)果53.1136.029692實(shí)驗(yàn)結(jié)果50.9116.1312000分析和討論重新設(shè)計(jì)的結(jié)果基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，床身、床鞍和工件夾具的位置都得到了確認(rèn)。我們?cè)u(píng)估了重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，對(duì)重新設(shè)計(jì)的機(jī)床的適應(yīng)性夜進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，采用重新設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性是良好的，還提高了機(jī)器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)減少了20%的機(jī)器質(zhì)量。當(dāng)床鞍進(jìn)行了改進(jìn)，其床鞍的動(dòng)力性能得到了提高，而其質(zhì)量基本不變。工件夾具

34、的靜態(tài)剛度保持不變，但重新設(shè)計(jì)后其重量減少了20。本機(jī)重新設(shè)計(jì)后增加了30以上的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)降低了17的整機(jī)重量。經(jīng)過努力，在機(jī)器結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)中，以保持對(duì)肋骨和板筋厚度不變，因此，為了盡量減少費(fèi)用，重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以在同一生產(chǎn)平臺(tái)制造的。經(jīng)適應(yīng)性計(jì)算，并表示出必要的變更，在重新設(shè)計(jì)的過程中有效地引導(dǎo)難度。總結(jié)適應(yīng)性設(shè)計(jì)是一個(gè)更靈活、全面的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。在以往的產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐和模塊化設(shè)計(jì)、方法、工具及實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法的探索中建議將重點(diǎn)放在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。在數(shù)控機(jī)床系列重新設(shè)計(jì)中采用的方法提供了一種途徑，在設(shè)計(jì)過程考慮到適應(yīng)性設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到成本和適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。最后，本文的目的是為了填

35、補(bǔ)適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐上的空白，以及以幫助人們從一個(gè)抽象的概念到適應(yīng)有形的現(xiàn)實(shí)。參考文獻(xiàn)SUHNP.TheprinciplesofdesignM.Oxford:OxfordUniversityPress,1990.PAHLG,BEITZ.Engineeringdesign:asystematicapproachM.Berlin:Spinger-Verlag,1988.HASHEMIANM,GUP.AfunctionrepresentationschemeforconceptualmechanicaldesignC/Proc.ofthe11thInternationalConferenceonE

36、ngineeringDesign,ICED97,August19-21,1997,Tampere,Finland,1997:311-314.ULRICHKT,TUNGK.FundamentalsofproductmodularityC/ASMEWinterAnnualMeeting,DE,1991:73-80.SIMPSONTW,MAIERJRA,MISTREEF.Productplatformdesign:methodandapplicationJ.EngineeringDesign,2001,13:2-22.YOSHIKAWAH.GeneraldesigntheoryandaCADsyst

37、emC/Man-machineCommunicationsinCAD/CAM,Tokyo,Oct.2-4,1980,ProceedingsofIFIPWG5.2,North_holland,Amsterdam,1980:35-38.YOSHIKAWAH.SystematizationofdesignknowledgeJ.AnnalsofCIRP,1993,42(1):131-134.MAIMONO,BRAHA,D.OnthecomplexityofthedesignsynthesisproblemJ.IEEETransactionsonSystems,ManandCybernetics,1996,26(1):141-150.ZENGY,GUP.Ascience-basedapproachtoproductdesigntheorypartI:formulationandformalizationofdesignprocessJ.JournalofRobotics&ComputerIntegratedManufacturi