實(shí)現(xiàn)活塞專用加工機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì),根據(jù)用戶提出的總體任務(wù)和要求,進(jìn)行模塊選擇與模塊裝配組合設(shè)計(jì),是實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的關(guān)鍵所在。

基于模塊的活塞專用加工機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)是指通過(guò)分析用戶提出的總體任務(wù)定義與功能要求,進(jìn)行模塊選擇與模塊裝配組合設(shè)計(jì)教物。由于模塊化方案設(shè)計(jì)的多解性,必須從眾多的方案中優(yōu)選出擬采用的方案乌骇。為此,首先要對(duì)各候選方案進(jìn)行評(píng)價(jià),然后根據(jù)評(píng)價(jià)的結(jié)果決策。如果方案不能達(dá)到預(yù)定的目標(biāo),則必須進(jìn)行再設(shè)計(jì),提出新的設(shè)計(jì)方案或?qū)υ桨傅哪骋徊糠诌M(jìn)行修改,得到比較滿意的設(shè)計(jì)方案彪性。

基于模塊的總體方案設(shè)計(jì)

基于模塊的機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)可以歸結(jié)為兩個(gè)相反的過(guò)程,即分解和組合彩梅。分解是根據(jù)被加工對(duì)象的工藝信息和用戶的功能要求定義機(jī)床總功能和性能指標(biāo),確定機(jī)床總體方案形式和主要性能參數(shù)、特性參數(shù)值,并將其分解成一系列易于實(shí)現(xiàn)的子功能稍记；組合是根據(jù)子功能要求選擇出所有滿足要求的模塊,并通過(guò)模塊綜合,組合出多個(gè)可實(shí)現(xiàn)的機(jī)床總體方案巩恼。由于機(jī)床功能結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,難以從整體上直接完成其設(shè)計(jì)任務(wù)的求解,因此,設(shè)計(jì)任務(wù)的分解是必須的,分解出的子功能可由相應(yīng)的模塊完成】恳郑基于模塊的機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)基本步驟如下:

(1)根據(jù)機(jī)床總功能和性能參數(shù)將總?cè)蝿?wù)分解成一些相對(duì)簡(jiǎn)單的子功能量九；

(2)根據(jù)子功能的性能參數(shù)的要求查出滿足要求的模塊；

(3)由于滿足某一子功能要求的模塊往往不止一個(gè),故可形成多個(gè)組合方案颂碧；

(4)進(jìn)行模塊接口分析,確定可實(shí)現(xiàn)的組合方案荠列；

(5)建立方案的裝配模型。

1.任務(wù)分解

設(shè)計(jì)任務(wù)的分解主要是在進(jìn)行功能分解的同時(shí)將總的設(shè)計(jì)參數(shù)分配到相應(yīng)的子功能,由子功能結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),或者說(shuō)給子功能規(guī)定相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)载城。當(dāng)總功能被分解后,可以得到一個(gè)分層的任務(wù)體系,如圖1所示活塞精止口肌似、鉆中心孔機(jī)床功能分解圖。

圖1 活塞精止口诉瓦、鉆中心孔機(jī)床功能分解

2.模塊的選擇與組合

模塊的選擇是在現(xiàn)有機(jī)床模塊的基礎(chǔ)上,針對(duì)機(jī)床總功能要求的劃分,從已建立的模塊庫(kù)中,搜索到與所需模塊功能相一致的模塊川队。主要內(nèi)容包括對(duì)現(xiàn)有模塊的功能選擇、調(diào)用和判斷睬澡。

以活塞精密車床系列為例,現(xiàn)有主要模塊種類為:主軸箱固额、主軸箱支座(過(guò)橋)、滑臺(tái)煞聪、滑臺(tái)座斗躏、尾座、床身和底座7種模塊讹荣。根據(jù)模塊結(jié)合面特征,可得如圖2所示模塊的組合形式父森。

圖2 模塊的組合形式

模塊的組合方案有S1＝{1,2,3,4,5,6,7},S2＝{1,3,4,5,6,7},S3＝{1,3,4,5,6},S4＝{1,2,3,4,5,6},S5＝{1,2,3,4,5,7},S6＝{1,3,4,5,7}, S7＝{1,3,4,6,7}。

例如:BHC-50A活塞環(huán)槽精密車床采用S2＝{1,3,4,5,6,7}模塊組合形式,BHC-22活塞精密外圓車床采用S5＝{1,2,3,4,5,7},精止口合杜、鉆中心孔機(jī)床模塊組合形式采用S7＝{1,3,4,6,7}效聂。

3.模塊之間的連接方式

模塊在產(chǎn)品中一般是成鏈狀、樹(shù)狀或網(wǎng)狀組合在一起的卑裹。由于模塊在產(chǎn)品中的作用不同,即實(shí)現(xiàn)的子功能不同,與其他模塊之間的組合關(guān)系也不同枷澜。根據(jù)某一模塊所能連接其他模塊的數(shù)量,可分為單向連接、雙向連接和多向連接(圖3)蜒媳。

圖3 模塊的連接方式

單向連接是指模塊只有一個(gè)接口,并且僅能與另外一個(gè)模塊相連接的組合方式跷缀。單向連接的模塊都處于鏈或樹(shù)的末端。

雙向連接的模塊有兩個(gè)接口,能與另外兩個(gè)模塊相連接。雙向連接的模塊可以通過(guò)組合使所構(gòu)成的系統(tǒng)由兩端向外擴(kuò)展那捍。

多向連接是指模塊可同時(shí)與兩個(gè)以上的其他模塊相連接的組合方式拾点。所謂多向連接并不意味著在三維的每一方向必有其他模塊與之相連,也不表示每一方向上只有一個(gè)連接面,或只能有惟一的模塊與之相連接。如機(jī)床滑臺(tái)模塊3是單向連接,床身模塊6為多向連接模塊槐滔。

4.建立基于模塊的裝配模型

為了適應(yīng)產(chǎn)品系列中不同產(chǎn)品的需要,裝配模型也必須是基于約束的參數(shù)化模型勃痴。基于模塊模型的產(chǎn)品裝配模型表達(dá)模塊之間的位置热康、配合沛申、聯(lián)接及尺寸等約束關(guān)系。本文建立一種適應(yīng)模塊化方案設(shè)計(jì)的參數(shù)化裝配模型,其基本思想是:在建立滿足各種約束的裝配實(shí)體模型的同時(shí),建立一個(gè)與之相聯(lián)系的裝配數(shù)據(jù)模型姐军。當(dāng)某一模塊的設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化時(shí),通過(guò)裝配數(shù)據(jù)模型調(diào)整與該設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)的其他設(shè)計(jì)參數(shù),從而在外部表現(xiàn)為裝配實(shí)體模型的相應(yīng)調(diào)整,始終維系原有的約束關(guān)系和裝配要求铁材。裝配建模的過(guò)程如圖4所示。

圖4 裝配模型的建立流程

圖5為裝配模型的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)過(guò)程奕锌。當(dāng)機(jī)床的設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化時(shí),通過(guò)裝配數(shù)據(jù)模型產(chǎn)生模塊當(dāng)前設(shè)計(jì)參數(shù)值,并通過(guò)模塊數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)體模型發(fā)生變化著觉。由于各種裝配約束不變,模塊實(shí)體模型的變化必然引起裝配實(shí)體模型作相應(yīng)的變化。例如,圖6所示中,當(dāng)主軸分模塊設(shè)計(jì)參數(shù)前軸徑D1和跨距L變化時(shí),帶輪模塊的裝配約束參數(shù)Ld保證帶輪相對(duì)于主軸的裝配位置惊暴。以此原理,可以將各種模塊通過(guò)定義裝配約束,形成機(jī)床總體裝配模型(圖7),完成機(jī)床總體方案設(shè)計(jì),并產(chǎn)生裝配信息表(圖8)饼丘。

圖5 裝配模型的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)過(guò)程

圖6 裝配模型參數(shù)化驅(qū)動(dòng)

圖7 精止口、鉆中心孔機(jī)床裝配方案

圖8 精止口辽话、鉆中心孔機(jī)床裝配信息

機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)

1.評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法

由于模塊化方案設(shè)計(jì)的多解性,必須從眾多的方案中優(yōu)選出擬采用的方案葬毫。為此,首先要對(duì)各候選方案進(jìn)行評(píng)價(jià),然后根據(jù)評(píng)價(jià)的結(jié)果決策。如果方案不能達(dá)到預(yù)定的目標(biāo),則必須進(jìn)行再設(shè)計(jì),提出新的設(shè)計(jì)方案或?qū)υ桨傅哪骋徊糠诌M(jìn)行修改,得到比較滿意的設(shè)計(jì)方案屡穗。圖9所示為機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)過(guò)程,介紹了從模塊化設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)入手,探討其評(píng)價(jià)指標(biāo)和決策的方法。

圖9 方案的評(píng)價(jià)過(guò)程

作為評(píng)價(jià)的第一步,首先應(yīng)該確定評(píng)價(jià)準(zhǔn)則娶恕。對(duì)不同的產(chǎn)品可以采用相同的評(píng)價(jià)方法,但是其評(píng)價(jià)指標(biāo)卻各不相同揖漫。因此,進(jìn)行機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是建立其評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)。

評(píng)價(jià)準(zhǔn)則來(lái)自對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的要求篓释。這些要求包括整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的不同方面,如技術(shù)垄坡、經(jīng)濟(jì)、安全采璧、外觀和環(huán)境等琼葫。這些方面具有不同的重要性,不能同樣看待。因此,評(píng)價(jià)準(zhǔn)則不止一個(gè),其重要程度也不相同,它們組成了一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)馋顶。在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)遵循下列原則:

(1)指標(biāo)系統(tǒng)中應(yīng)盡可能完全地包括與決策關(guān)系重大的各項(xiàng)要求蚯巍。盡量避免在評(píng)價(jià)中遺漏重要方面。

(2)各評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)盡可能做到互不相關(guān)麻彬。這樣,在某一方面作改進(jìn)時(shí)將不致影響其他方面的評(píng)價(jià)浅涛。

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)所遵循的定量分析原則,在建立指標(biāo)系統(tǒng)中應(yīng)盡量選取定量指標(biāo)或至少是較具體的定性指標(biāo)。

用模塊化設(shè)計(jì)方法形成活塞專用加工機(jī)床設(shè)計(jì)方案后,接下來(lái)應(yīng)對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)指標(biāo)為:

(1)功能性。功能是產(chǎn)品性質(zhì)的根本恤锣。功能性表現(xiàn)在產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量,具有明確的功效特征,能滿足活塞加工工藝要求廷蓉。功能性的另一含義,就是要適應(yīng)人的需要,即人——機(jī)系統(tǒng)的合理性。

(2)合理性马昙。指所設(shè)計(jì)的機(jī)床的可制造性與企業(yè)擁有的物質(zhì)條件以及工作條件的適應(yīng)程度桃犬。

(3)經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性主要指產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值行楞。經(jīng)濟(jì)價(jià)值是產(chǎn)品功能與成本的相對(duì)關(guān)系,即:經(jīng)濟(jì)價(jià)值 k=功能/成本(k:系數(shù))攒暇。在不犧牲消費(fèi)者利益的前提下,降低成本,提高功能,才能最大限度地提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(4)獨(dú)創(chuàng)性敢伸。人們?cè)趯徝肋^(guò)程中,對(duì)形式的要求首先是立意新,以及在美的基礎(chǔ)上,外形結(jié)構(gòu)應(yīng)富有獨(dú)創(chuàng)性扯饶。

(5)將來(lái)性。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)力圖在設(shè)計(jì)意念中凝聚對(duì)過(guò)去的繼承和對(duì)未來(lái)的認(rèn)識(shí)池颈。設(shè)計(jì)的將來(lái)性表現(xiàn)在設(shè)計(jì)要有超前的構(gòu)想和理念,在社會(huì)上有一定的持久性尾序。

活塞專用機(jī)床的評(píng)價(jià),屬于在多因素下的一種綜合評(píng)價(jià)。模糊數(shù)學(xué)建立了綜合評(píng)價(jià)的模式,將復(fù)雜的評(píng)價(jià)問(wèn)題演變?yōu)橐粋€(gè)較為簡(jiǎn)便的模糊變換躯砰。

設(shè)X和Y是有限論域:X＝{x1,x2,……,xn},Y＝{y1,y2,……,yn}每币。

R為X到Y(jié)的模糊關(guān)系,即R＝(rij)n×m的模糊矩陣。任給X上的模糊子集A,則A和R的合成A?R是Y上的模糊集,記為B琢歇。這種將X上的模糊集變?yōu)閅上的模糊集的變換稱為模糊變換峰遇。

設(shè)X是因素集,Y是決策集。對(duì)于任意的xi∈X,yj∈Y拭牌。因rij表示xi在yi上的特征指標(biāo)(可能程度),對(duì)于每個(gè)xi得一向量(ri1,ri2,……,rim)是xi關(guān)于Y的特征指標(biāo)向量,(i=1,2,……,n)篡前。再以這幾個(gè)向量作為行組成n×m的矩陣R＝(rij)n×m,就得出X到Y(jié)的模糊關(guān)系矩陣,稱為單因素評(píng)價(jià)矩陣。

用X上的模糊集A＝(a1,a2,……,an)表示權(quán)重分配,即ai是因素xi的數(shù)量指標(biāo),由A?R＝B,則B＝(b1,b2,……,bm)表示決策集上各種決策的可能性系數(shù)方占。再用最大隸屬度原則選擇最大的bj,對(duì)應(yīng)yj作為評(píng)價(jià)結(jié)果泡愉。

(1)一級(jí)評(píng)價(jià)模型,確定評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集,X＝{x1,x2,……,xn}；給出決策集,Y＝{y1,y2,……,ym}升院；確定單因素評(píng)價(jià)矩陣R＝(rij)n×m锄灾；通過(guò)X到Y(jié)的模糊變換A R得對(duì)象集的一個(gè)決策。

(2)多級(jí)評(píng)價(jià)模型,在一級(jí)評(píng)價(jià)模型中若評(píng)價(jià)因素集個(gè)數(shù)n過(guò)多,由于權(quán)重分配滿足 ,每個(gè)ai一般很小,所以在合成運(yùn)算取小時(shí),R的元素被篩選過(guò)多,致使評(píng)價(jià)失敗匠借。另一方面n過(guò)大,權(quán)重分配很難合理,即難以反映各因素在整體中的地位覆霹。所以,因素集n過(guò)大最好用多級(jí)模型。

①將因素集X按某種屬性分為s個(gè)子集,記作x1,x2,……,xs,且滿足胆快。每個(gè)子集xi記為:xi＝{xi1,xi2,……,xip},(i＝1,2,……,s),且煞陵。

②對(duì)每個(gè)xi按一級(jí)模型分別進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。假若評(píng)價(jià)集為:Y＝{y1,y2,……,ym},xi的單因素評(píng)價(jià)矩陣設(shè)為Ri,xi的各因素權(quán)重分配Ai＝(ai1,ai2,……,aip),則第一級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果Ai?Ri＝(bi1,bi2,……,bim)＝Bi(i=1,2,……,s)烁焙。

③將每個(gè)xi看作一個(gè)元素,用Bi作為它的單因素評(píng)價(jià)向量,得單因素評(píng)價(jià)矩陣:

對(duì)每個(gè)xi在X中的重要性給出權(quán)重分配:Ai＝(a1,a2,……,as),則二級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果:B＝A?R略吨。

這就是二級(jí)評(píng)價(jià)模型。如果X的因素個(gè)數(shù)n過(guò)大,對(duì)X分割X＝X1U,X2U,……,XsU時(shí),s仍然過(guò)大,第二級(jí)評(píng)價(jià)仍有因素過(guò)多的現(xiàn)象,這樣可以仿照前面對(duì)每個(gè)xi分割,進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。

2.活塞精止口翠忠、鉆中心孔機(jī)床綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)工廠實(shí)際情況,將因素集定為:X＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6},其中,x1鞠苟、x2、x3秽之、x4当娱、x5、x6分別代表功能性考榨、合理性跨细、經(jīng)濟(jì)性、獨(dú)創(chuàng)性河质、將來(lái)性冀惭、審美性。又設(shè)評(píng)價(jià)因素集合為:Y＝{y1,y2,y3,y4,y5,y6},其中,y1掀鹅、y2散休、y3、y4出蛾、y5促讶、y6分別代表很好、好掏躬、較好侮捷、一般、較差续疲、很差偶画。

首先做單因素評(píng)價(jià)。請(qǐng)企業(yè)有關(guān)專家嘁梦、工程技術(shù)人員祟期、制造維修人員、一線操作人員等各方面與有關(guān)人員參加評(píng)價(jià)见炫。

(1)對(duì)功能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在評(píng)價(jià)中,30%的參評(píng)人員認(rèn)為“很好”, 40%的人認(rèn)為“好”,10%的人認(rèn)為“較好”,10%的人認(rèn)為“一般”,10%的人認(rèn)為“較差”,沒(méi)有人認(rèn)為“差”拙达。 從而得到x1的評(píng)價(jià)結(jié)果為:(0.3,0.4,0.1,0.1,0.1,0)得稼。類似地,逐次對(duì)x2、x3俭驮、x4回溺、x5、x6進(jìn)行評(píng)價(jià),得到如表所示因素隸屬度混萝。

由于因素較多,運(yùn)用多級(jí)模型求解,將評(píng)價(jià)因素分為2個(gè)子系統(tǒng),即:X＝{X1,X2}遗遵。其中,X1＝{x1,x2,x3},X2＝{x4,x5,x6}。它們所對(duì)應(yīng)的單因素評(píng)價(jià)矩陣分別為:

根據(jù)評(píng)價(jià)時(shí)對(duì)因素的傾向性不同,如針對(duì)活塞專用加工機(jī)床,主要是評(píng)價(jià)其功能性,即能否滿足生產(chǎn)需要,那么對(duì)功能性的權(quán)重分配值就偏大。

現(xiàn)定權(quán)重分別取:A1＝[0.4 0.32 0.28],A2＝[0.5 0.2 0.3]车要。

于是得出:A1?R1＝[0.332 0.34 0.16 0.116 0.1 0.016]允粤；A2?R2＝[0.24 0.26 0.31 0.15 0.065 0.035]。

因?yàn)楣S對(duì)專用機(jī)床的評(píng)價(jià)重在實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性,因而對(duì)B1翼岁、B2的權(quán)重分配為A＝(0,75,0,25),則綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為:B＝A?R＝[0.28 0.32 0.19 0.11 0.09 0.01]类垫。根據(jù)最大隸屬度原則,0.32對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因素是“好”,因此,對(duì)活塞精止口、鉆中心孔機(jī)床的綜合評(píng)價(jià)為“好”琅坡。

結(jié)語(yǔ)

本文從模塊化方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)入手,探討其設(shè)計(jì)方法悉患、評(píng)價(jià)指標(biāo)和決策方法。

通過(guò)對(duì)機(jī)床模塊化總體方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià),明確了機(jī)床模塊化總體方案設(shè)計(jì)的步驟榆俺；通過(guò)對(duì)模塊的選擇與組合,確定機(jī)床的組合方案原則售躁；最終,我們運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)一種活塞專用機(jī)床方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

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