（机械电子工程专业论文）基于solidworks的数控机床模块化设计技术研究.pdf

r q n 删i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c 0 1 1 e g eo fm e c h a l l i c a la 1 1 de 1 e c t r i c a le n g i n e 耐n g m o d u l a r d e s i g n o fc n cm a c h i n et 0 0 l s b a s e do ns o l i d w o r k s a t h e s i si 1 1 m e c h a n i c a la l l de l e c 仃i c a le n g i n e e n n g b y s um i l l g a d 啊s e d b y m c h e nw e i 胁g s u b n l i t t e di np a n i a lf u l f i u m e n t f o rm e d e g r e eo f m a s t e ro f e n g i l l e e r i n g d e c ，2 0 0 9 。 - y 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航 天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：墨：垒童 日 期：呈皇! 旦：芝： 一、 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 用户需求的个性化和多样化正成为机床制造业发展的一个重要特色，如何快速响应市场的 需求对企业在竞争中占据有利地位具有重要的意义，另一方面企业在长期的产品设计过程中积 累了丰富的设计经验，迫切需要一种高效可行的方法来重复利用这些已有的设计经验以提高产 品设计的质量和效率。本文针对这一企业需求，将模块化设计思想引入了数控机床的设计当中， 在研究模块化设计的一般方法的基础上针对数控机床的特点对其进行了模块的划分、建模、配 置等工作，并基于s o l i d w 0 r l 涵开发了数控机床模块化设计系统。主要研究内容如下： 1 分析了现有的模块化设计理论和方法，在此基础上，提出了一种面向客户的基于产品全 生命周期的模块划分方法。在获取客户需求的基础上针对m c h 6 3 系列数控机床建立了面向客 户需求的功能模糊矩阵，并从产品生命周期角度，建立了各个阶段的结构矩阵，利用模拟遗传 退火算法对上述矩阵进行了聚类优化计算，实现了数控机床的模块划分。 2 在模块划分基础上，对数控机床模块的建模原理和技术进行了详细的研究，将数控机床 模型分为几何模型和信息模型两个部分，提出了基于尺寸驱动原理的参数化几何建模方法。在 模块的信息建模方面重点研究了模块的编码技术和接口技术，分析了数控机床模块接口的功能 和分类，并给出了数控机床模块接口的结构示意图，在此基础上建立了由从属关系码、特征信 息码和接口码组成的数控机床模块的1 4 位编码体系。 3 在模块建模的基础上，提出了基于实例推理的数控机床模块配置方法，重点研究了如何 使用检索算法获得满足客户需求的数控机床模块，并给出了判断所选模块能否进行装配的依据， 分析了在s o l i 们舭s 平台上的实现数控机床模块自动装配的方法。 4 建立了数控机床模块化设计系统的体系结构，分析了系统的主要功能模块和运行流程， 完成了基于s o l i d w b d 岱的数控机床模块化设计系统的开发，并给出了系统的运行实例。 x - r “ 关键词：模块化设计，数控机床，实例推理，模块划分，参数化建模，模块配置 基于s o l i d w b r l 匹的数控机床模块化设计技术研究 a b s t r a c t p e l l s o n a l i z a t i o n 觚dd i v e 璐i f i c a d o no fu s e r 他q u i l l m l 锄皓i sb e m i i l go n eo fm em o s ti m p o n a n t c l 埝m c 谢s t i c so fm a 姗f a c t 岫l g i ti ss i g i l i f i c 锄tt or a p i d l yr e s p o n s et 0 也em 耵姗do f 也em a r k e tf 1 0 r e n t e q 试st a l 【i l l ga d _ 删1 诅g e o 吣p o 鲥o n i i l c o m p e t i t i h l位 眦删e ，删哪f a c t i l 血g c o 印o r a l i o 鸺h a v e c u m l l l a t e dr i c hd e s i g ne x p e r i e n c ei nl gc 伽培eo fp r o d i u c td c s i g n a n dt h e i s 蛆u 瞥i n tm e do f 锄e 伍c i e n ta n d 危越i b l em e 廿l o df o rr e p e a t e d 璐i n go f “se x i s t i n gd e s i 弘 e x p 耐e n c e ，t 0i 】p r o v em eq u 2 l l 时托de 伍c i e n c yo fp r o d u c td e s i 弘i l lo r d c rt on 妣t l i s 鹏c d m c m o d u l a rd e s i 鲈n 1 0 u g h tw 勰d m w 疏ot h ed e s i 印o f 肌m 喇c a lc 仃d li m c m m b 鹊e d t h e 萨r a l m e 廿1 0 do fm o d u i 盯d e s i 弘，m o d u l e ，m o d e l i l l g 狐dc 册矗9 1 瑚以o fc n cm a c h i w l 粥托s e a r c h e d c o r d i i l gt 0 也ec h a r t e r i s t i c so fi t ac n c 嫩c l l i mm o d u l 撕t yd e s i g ns y s t e mw 觞d e v e l o p e db y s o l i i l w o r k s t h em a i l lr 弓s e a i l c ：hc o n t e 吣铷呤a sf - 0 n o w s f i r s t l y t l l ee x i s 恤gm o d u l a rd e s i 印t l l e o r ya n dm e 1 0 dw 舔锄a l y z 吐孤dam o d u l ep a n i t i o n m e 廿l o d ，f a c i i l g l ec 璐t o m e 塔b 舔e do nt h ew h o l el i f ec y c l eo fp r o d u c t s ，w 弱p u tf 0 确倍r d o n l eb a s i s o fc u s t o m 盯d e m a n d ，t l 圮c 惦t o m 盯d e m 锄df i m c d o ff i 屹巧m a 缸讧w 笛e s t a b l i s h e df o rm c h 6 3 s e l i e so 、丁ci m c h i i l e m 圯v i e wo f 吐l ep r o d u c tl 如c y c l e ，髓c hp h 嬲es 缸u c t u 他m a 臼奴w 私b u i l t c l 砸t e 血g0 p t i i l l i z a t i o nc a l c u l 撕w a sc 枷e do u tf o rt h ea ：b o v en l a 劬【b y 眦i i l gg e n 以cs i l u l a t e d 锄n e a l 证ga l g o s e c o n d l y i i lb 蕊i so fm o d u l ep a i t i t i o n ，吐地m o d e l i l l gt h e o 巧a n dt e c l l i l o l o g yo fc n c 础诎l i n e 啷 s t u d i e di l ld e t a i l t h ec n cm a c h i i 圮m o d e lw 雒d i v i d c di 1 1 t o 细op a r t s ，g e o m e t r i cm o d e la n d i i l | f 0 m l a t i o nm o d e l p a 黜圯t 豇砌删) d e l i n gg e 伽舱仃y 脒浊o dw 笛r a i s e db 淞c d也e触i h v t mp 而1 c i p l e t h ee n c o d i i l gt b n o l o g y 锄di i l t e r f a c em o h l l et e c l l i l o l o g yw e 陀m a i n l y 他s 龇h t 通 i n 圯i n f o l 曲撕0 nm o d e l i i l go fm o d l d e ，锄dt l l e 劬c t i 叩a n dc l 舔s i 丘c a t i 帆o fc n cm 孔l l i i l em o d u l e i n t e r f k 髂w 弱a n a l y z e d a n 盯t h a tt h em o d u l es 仇l c t i i 他o fd i a g 甩mq 屺m h i n ei n t e j 妣sw 鹌 p v i d e d o nt l l i sb 勰i s 也e1 4c o d i n gs ) r s t e mo fc n c m o d l l l ew 够e s t a b l i s h e d ，w t l i c hw 勰c 0 叩o s e d o f 揽l i a t e 他l a 矗o n s h i p ，危a t i l 托i 1 1 f o m l a 6 0 nc o d e 锄di i l t c f 陆cc o d e 1 1 l i r m y ，伍em e m o d o fn cm a c h i n ec o 而g l 】嗯t i m o d u l ew h i c hw 弱c a s e - b 笛e d 他舔- i i l gw 雒 p u tf 0 确，a r d h o wt ol i 也e 枷e 、r a la l g o r i 也mt om e e tc 惦t o m e rd e z n 觚do fa 屺m h i n em 0 ( 1 u l 嚣 w 弱s t u d i e d 彻叩h a t i c a l l ya n dt h ej u d g i i l gn l l eo fw 】h c 也e rt h e k c t e dm o d l l l ec o u l db e 笛s 曲 1 b l e d w 器g i v t h ew a yo f m o 叫e 删c 麟e m b l y i nm cs o l i 眦p l a 响锄w 笛鼬c 札 f i n a l l y n 圯s y s 晒ns n 眦t i l l o fc n cm a c h i i l em o d u l 撕t yd e s i 髓w 勰髂t a 【b l i s l l e da n dt h em a i n i： ， j f u r “ 南京航空航天大学硕士学位论文 如n c t i o n a lm o d u l e s 锄do p e m t i o np r o c e d u 他sw e 咒砌y 鹚d m o d u l 缸d e s i g l lo ft l l ec n cs y s t e mb y s o l i d w b r | i 【sw 嬲i i l i t i a l l yc o m p l e t e d a n d 也er 眦l i l i n gi i l s t a i l c e so f l es y s t e mw e 他a l s og i v e n k e y w o r d s ：m o d u l 盯d e s i 驴，n u m e r i c a lc 的lm a c h h 地1 抽l s ，c 嬲e b 鹊e dr e 舔o n i r l g ，m o d u l e p a n i t i o n ，p a 姗m 仃i cm o d e l i l l g ，m o d u l ec o 蚯g u r a t i l l i 基于s 0 1 i d w b d ( s 的数控机床模块化设计技术研究 目录 摘要i a b s 缸a c t 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和意义l 1 1 1 课题背景1 1 1 2 课题研究意义2 1 2 模块化设计的研究现状以及存在的问题2 1 2 1 模块化设计研究现状2 1 2 2 模块化设计在数控机床行业的应用。4 1 2 3 模块化设计存在的问题。5 1 3 论文研究内容5 第二章模块化设计理论基础7 2 1 模块化设计的方式和一般过程7 2 1 1 模块化设计的方式7 2 1 2 模块化设计的一般过程1 0 2 2 模块化设计的关键技术1 3 2 3 本章小结1 4 第三章数控机床模块划分方法1 5 3 1 数控机床产品功能和物理结构分析1 5 3 2 客户需求对数控机床功能模块划分的影响1 5 3 2 1 客户需求获取及分析1 5 3 2 2 建立面向客户需求的功能相关度矩阵1 7 3 3 生命周期各阶段对数控机床功能模块划分的影响1 8 3 3 1 数控机床产品生命周期的划分1 8 3 3 2 面向生命周期各阶段的零部件相关度矩阵1 9 3 4 基于遗传算法的相关度矩阵的优化2 3 3 4 1 优化函数的构建2 3 3 4 2 优化算法的选取2 4 3 4 3 基于模拟遗传退火算法的矩阵优化2 6 3 5 数控机床模块划分结果的分析2 9 3 6 本章小结一3l 第四章数控机床模块的建模技术3 2 4 1 数控机床模块的模型结构3 2 4 2 数控机床模块的几何建模技术3 2 4 2 1 三维c a d 软件常用的几何建模方法3 3 4 2 2 零件模块自动几何建模的关键技术3 3 4 2 3 数控机床组件模块几何建模关键技术一3 7 i 、， l 1 一 南京航空航天大学硕士学位论文 4 3 数控机床模块的信息建模技术3 8 4 3 1 数控机床模块的信息模型结构3 8 4 3 2 数控机床模块的接口技术3 8 4 3 3 数控机床模块的编码技术4 2 4 4 本章小结4 5 第五章数控机床模块配置设计技术。4 6 5 1 实例推理技术4 6 5 2 基于实例推理技术的模块配置技术4 8 5 2 1 模块索引机制4 8 5 2 2 模块实例的检索算法4 8 5 2 3 模块实例的修改：5 l 5 2 4 数控机床模块实例存储策略5 2 5 3 数控机床模块的装配技术5 2 5 3 1 数控机床模块的可装配性判断5 2 5 3 2 基于s o l i d w 6 d 岱平台的数控机床模块自动装配实现方法5 3 5 4 本章小结5 5 第六章基于s 0 1 i d w r o r i 【s 的数控机床模块化设计系统开发。5 6 6 1 数控机床模块化设计系统的结构设计5 6 6 1 1 数控机床模块化设计系统框架图5 6 6 1 2 数控机床模块化设计系统流程图5 6 6 1 3 数控机床模块化设计系统功能模块5 8 6 1 4 数控机床模块化设计系统数据结构5 9 6 2 数控机床模块化设计系统运行界面6 0 6 2 1 数控机床模块划分模块6 0 6 2 2 数控机床模块管理模块6 l 6 2 3 数控机床模块配置模块6 2 6 3 本章小结6 5 第七章总结与展望6 6 7 1 总结6 6 7 2 展望6 7 参考文献6 8 致 射7 2 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 3 v 基于s o l i d w b r l c s 的数控机床模块化设计技术研究 图清单 图表清单 图1 1 论文的组织结构6 图2 1 普通铣床横系列模块化设计实例7 图2 2 普通磨床的模块化设计实例图。8 图2 3 模块化镗铣床9 图2 4 龙门铣床全系列的主要型式。9 图2 5 模块化设计过程1 0 图2 6 产品设计的用户需求树1 0 图2 7 功能分解图1 1 图2 8 零部件关系模型1 2 图3 1 加工中心功能分解图1 6 图3 2 加工中心物理结构图f 1 6 图3 3q f d 转化图1 7 图3 4 生命周期划分层次结构图2 2 图3 5 模拟退火算法流程图2 6 图3 6 遗传算法流程图2 6 图3 7 基于模拟遗传退火算法的矩阵优化流程图2 7 图3 8 优化后的面向客户需求的功能模糊相似矩阵7 7 2 8 图3 9 优化后的面向机床产品全生命周期的结构模糊相似矩阵三7 2 9 图3 1 0 数控机床机床本体模块示意图3 0 图4 1 数控机床模块的模型框架3 2 图4 2 立柱模块驱动原理图3 4 图4 3 立柱模块模板图3 4 图4 4 尺寸参数驱动方程式3 4 图4 5 导轨模块自动几何建模原理图3 7 图4 6 数控机床模块的信息模型图3 8 图4 7 数控机床模块接口的功能3 9 图4 8 数控机床模块接口分类。4 0 图4 9 数控机床模块接口结构示意图4 l 图4 1 0 主轴箱模块接口分布图4 l 图4 1 1 数控机床模块的编码信息。4 2 图4 1 2 数控机床产品系列树一4 3 图4 1 3 模块特征信息码编码说明4 4 图4 1 4 模块接口码编码说明“ 图5 1c b r 循环图4 7 图5 2 数控机床模块库的层次结构5 0 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 3 检索算法流程图5 1 图5 4 数控机床产品的装配层次结构图5 3 图6 1 数控机床模块化设计系统框架图5 7 图6 2 数控机床模块化设计系统流程图5 8 图6 3 数控机床模块化设计系统功能模块5 9 图6 4 数据库中各表之间的关系6 0 图6 5 矩阵建立界面6 0 图6 6 经过优化后的矩阵界面6 0 图6 。7 添加模块基本信息属性6 1 图6 8 添加模块参数属性6 1 图6 9 添加模块包含零件信息6 2 图6 1 0 添加模块图形信息。6 2 图6 1 1 添加模块接口信息6 2 图6 1 2 客户需求输入界面6 3 图6 1 3 模块修改界面。6 3 图6 1 4m c h 6 3 五轴摇篮式加工中心装配图6 4 表清单 表3 1 研发阶段零件间相关度定义1 9 表3 2 制造阶段零件间相关度定义2 0 表3 3 装配、维修阶段零件间相关度定义2 0 表3 4 数控机床零件物理和功能寿命( 单位：年) 2 l 表3 5 标度的定义值2 2 表3 6b 层判断矩阵2 2 表3 7c 层判断矩阵2 2 表3 8 常用的优化算法及其描述2 5 表3 9 数控机床模块划分情况3 0 表4 1 主轴箱模块接口表4 l 表4 2 加工中心模块分类码编号4 3 表4 3 加工中心零件分类码编号4 3 表4 4 模块的主码4 5 表6 1 数控机床模块信息表“ v l i v i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 课题背景 本课题来自江苏省成果转化专项资金项目“同步双驱高速高效精密卧式加工中心研发与产 业化” 随着经济发展的全球化，市场竞争的日益激烈，我国的装配制造业面临着巨大的挑战，制 造业企业必须提高复杂产品及设备的创新能力和快速响应市场的能力，才能在全球竞争的范围 内立于不败之地。加入、1 o 以来，关税壁垒保护的丧失，我国的装配制造行业面临着更加激 烈的市场竞争。为使企业在激烈的市场竞争中处于有利地位，必须增强产品创新能力、缩短设 计周期、提高用户化程度，同时又要降低成本，保证质量及良好的售后服务。传统的产品设计 方法已经无法满足这些设计要求，而模块化设计技术通过模块的划分和组合，实现了用户化产 品的批量化生产及大规模生产条件下的个性化，可适应市场激烈竞争的需求，因而受到了国内 外学术界和工业界的广泛关注【1 捌。 随着市场结构的演化，客户对产品的需求正朝着多品种、小批量、低成本和高质量的方向 发展，产品的开发也逐步从传统的批量生产( m 弱sp r o d u c t i o n ) 模式向批量定制似舔s c 璐t 锄i z a t i o n ) 模式转变m 】。 为了克服产品批量定制引起的一些问题，许多企业采用模块化设计的指导思想【丌。“模块化 设计”是欧美国家5 0 年代提出的一种新的设计概念和设计方法。所谓模块化设计就是指将产品 分解成相对独立的子单元，并通过对这些子单元的标准化和重新配置，最终产生一组满足不同 客户需求的产品集合嗍。这些相对独立的子单元具有特定的功能和完整的接口，所以我们可以 称之为模块，模块是模块化产品的基本组成元素【9 l 。通过模块组合来实现的具有全局功能的产 品即可称为模块化产品。与传统意义上的产品相比，模块化设计是一种柔性开发策略，企业能 够通过模块的重组来实现产品的开发，从而缩短了开发的周期和设计成本。 近几年来，随着计算机技术的迅速发展，计算机软件应用于产品的开发、设计、分析与制 造已经成为大多数企业提升竞争力的主要方法。设计自动化技术已被工业界所广泛应用，并从 以画图为特征的结构详细设计向计算机辅助概念设计阶段发展。大多数学者将计算机辅助为手 段的产品设计、分析、制造技术统称为c a x 技术【协1 1 】c a x 技术涉及的内容非常广泛，主要 包括计算机辅助设计( c 唧u t e ra i d e dd e s i 印，c a d ) 、计算机辅助工艺规划( c o m p u t e ra i d e d p f o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 、计算机辅助制造( c o n 啄) u t 贫a i d e dm a n u f a c t u l 证g ，c a m ) 等等。其 基于s o l i d w b r l 【s 的数控机床模块化设计技术研究 中c a d 技术作为一种可以提供快速、有效设计工具和手段的技术在企业数字化、信息化过程 中起着重要作用【1 2 】。正如此，基于计算机辅助设计的模块化设计已经成为当前研究热点之一。 然而目前绝大多数c a d 系统软件，比如u g 、c a t 队、p m e 、s o l i 栅，0 t b 等，虽然提供了一些 常用的标准件库，但是都没有提供面向数控机床产品设计的参数化、用户可方便自扩充的模块 库。这样，对于产品设计人员，就常常因为没有模块库，而要进行很多不必要的重复设计、分 析工作，大大降低了设计人员的工作效率。因此在c a d 系统上建立一套用户可以自行维护修 改的参数化的数控机床模块库及管理系统便成了企业进行数控机床模块化设计要解决的当务之 急。 1 1 2 课题研究意义 模块化设计为改变我国装配制造业长期落后的面貌带来了希望。国外应用此技术与方法已 有大量成功的先例”】，如美国克莱斯勒公司开发n e 小型汽车，减少了6 3 的工程技术人员， 缩短了2 8 的开发时间；又如d e c 公司使得产品的开发时间缩短了6 0 等等。模块化设计技术 在国内起步比较晚，但是近年来由于经济的飞速发展，国家基础建设的增加，对机械产品特别 是数控机床产品的需求量增加，模块化设计技术的研究和应用在这些行业也得到了重视。然而 我们知道，数控机床的功能、性能往往和成本相矛盾，而一般情况下，7 5 以上的产品总成本 及产品的性能在设计阶段就已经确定；另一方面，为了适应市场变化，快速响应市场，必须快 速研发新产品，而这与正常的新产品研发周期是矛盾的。所以，必须通过先进的设计方法来提 高产品的质量和性能，降低生产成本，缩短研发制造周期。所以模块化设计技术适用于数控机 床的设计，它解决了数控机床功能、制造成本、研发周期之间的相互矛盾。 1 2 模块化设计的研究现状以及存在的问题 1 2 1 模块化设计研究现状 国内外的许多大学、学术机构都在对模块化设计理论和实际应用进行研究，不断的完善其 理论体系。本文从以下几个方面分析了模块化设计理论的研究现状。 o 1 2 1 i 模块化设计概念 u l r i c h 【1 4 1 认为模块化与设计中的两个特点紧密相关：1 设计中功能领域与物理结构领域之 ，。 间的对应程度影响模块化的程度；2 产品物理结构间相互影响程度的最小化。这两点从设计学 角度指出了影响模块化设计的基本因素。基于这一观点，u l r i c h 定义了三种模块化类型：部件 互换模块化、部件共享模块化和总线模块化这三种方式描述了模块化产品中模块的基本组合 方式。这些不同的组合方式是形成不同类型产品系列的基础。s l l i 】匝o h 【1 5 】从分析机床结构入手 提出了分级模块化的概念和设想，并指出了完善模块化设计理论与方法应研究和解决的四个原 则( 分析原则、标准化原则、结合原则、适应原则) 。s l l h 【1 q 从功能一设计参数映射的角度定义 2 南京航空航天人学硕士学位论文 模块化设计：模块化设计是产生一种分析结果。而这种结果以产品、过程和系统的形式表现， 并能满足预定的需求，其方法是选择适当的设计参数，完成从功能需求域到设计参数域的映射。 p a l l l 和b e i d l 7 1 认为模块化设计是完成从功能需求域到模块功能域的映射，然后在考虑模块性能 ( 如尺寸、重量等) 基础上完成从模块功能域到模块结构域的映射，并将模块功能域的功能分 为基本功能、附加功能、适应性功能、专用功能和用户定制功能五类，相应的将模块结构定义 为基本模块、附加模块、适应性模块、专用模块和用户定制模块。在国内，贾延林【l8 】认为模块 化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基 础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和重组可以构成不同的产品，以满足市 场不同需求的设计方法。劳俊【l9 】等人认为，模块化设计是综合考虑系统对象，把系统按功能分 解成不同用途和性能的模块，并使之接口标准化，选择不同的模块( 必要时设计部分专用模块) 迅速组成符合各种要求的系统的一种方法。童时中【2 0 】从系统论角度定义模块化为：为取得最佳 效益，从系统观点出发，研究产品( 从系统) 的构成形式，用分解和组合的方法，建立模块化 系统，并运用模块组合成产品( 或系统) 的全过程。施迸发、梁锡昌【2 1 】认为，机床模块化设计 是将机床上同一功能的单元设计成具有不同用途或者性能的，可互相选用的模块，根据市场需 要组成具有不同性能特点的机床。胡维刚【2 2 】认为，模块是一组同时具有相同功能和相同结合要 素，而具有不同性能或用途甚至不同结构特征但能互换的单元。并进一步指出模块化设计是基 于模块的思想，将一般产品设计任务设计成模块化产品设计任务的设计方法。 1 2 1 2 模块化设计方法 台湾学者黄俊哲例、梁文耀【2 4 1 研究了面向对象的模块化设计方法。k 懈i a k 【2 5 1 的文章中表达 了一种侧重于功能分解和集成的模块化设计方法，主要指产品和过程的集成，对产品的分解、 集成和评估做了讨论。s e g a l 【2 6 】将人工智能技术和成组技术应用到模块化夹具的设计中。p a l l l 【1 7 】 将产品设计过程分为：设计任务定义；建立功能系统结构：寻找原理和概念，选择和评价；准 备布局设计几个阶段。这种研究从系统的角度来展开模块化设计。s a m i e h 和k a m 伯n i 【27 】提出了 一种结构化的方法，这种方法包括需求分析、概念分析( 分解) 、概念集成。j i 和t s e i 讨2 8 】提 出了一种模块化的系统规划，在三个连续的观点即功能( 需求分析) 、技术( 分解集成) 、物 理( 经济评估) 中集成了产品开发中的不同阶段。国内吴俊庭【2 9 】认为数控机床的模块化设计的 主要方法分为横系列、纵系列和跨系列三种方式。童时中【3 0 】指出开展模块化设计的一般思路应 注意五个方面的工作：市场调查、技术预测、品种规划、科研先行和功能分析，并探讨了模块 化设计的具体实施中需要注意的一些问题 1 2 1 3 模块划分方法 k 吣i a l c 【2 5 】等人应用了启发式的图解模块识别方法，并给出了替换式、共享式和总线式三种 模块化结构形式，综合考虑了设计成本和功能的模糊神经网络评价方法。g u 【3 i j 等人提出的面 向产品全生命周期的模块化划分方法，针对每一阶段的设计目标构造相关矩阵，由设计师对每 3 基于s o l i d w b r l ( s 的数控机床模块化设计技术研究 一个设计目标的模块划分结果进行对比和综合，得到最终的模块划分结果；n e 【3 2 l 等提出一种 启发式模块创建方法，根据产品功能结构图中的能量流、物料流、信号流等来进行产品模块划 分。t s a i 【3 3 】等人通过制造和装配过程中的功能设计研究，得出模块形成的最优方式，并对模块 的设计、制造顺序进行排序。s a l l l i e h 【3 4 】等人把模块的形成过程分解成四个阶段，即通过潜在用 户、供应客户进行产品需求分析和预测；将需求转化成功能目标，进行操作功能条件和功能的 权重分析；将产品按照功能和结构进行模块划分；建立相似度索引、相似矩阵进行模块组合， 并通过零件之间特征指标的关联度形成模块。国内刘晓鹏【3 5 】等提出了数控机床模块划分的四个 原则，即以独立的功能单元为模块；以部件为模块；以组件为模块以及以机床大件为模块。王 海军【3 6 】等分别用直接集类法、最大模糊树法和模拟退火算法进行了面向产品再设计的功能模块 划分。高飞p 7 】等利用广义有向图对创新设计产品功能模块进行了合理的划分。南京理工大学的 周开俊p 阳等利用遗传算法进行了面向产品创新设计的划分。北京理工大学的杜陶钧等【3 9 】等人讨 论了功能元独立的条件，建立了功能相关度的四种类型，应用相关度聚合划分了功能模块。南 京航空航天大学的朱春燕f 柏】提出了一种基于公理化设计的产品模块化分方法，着重研究了以功 能分解为基础、综合考虑零部件之间存在的能量流、信息流等流关系的强弱及零部件序列关系 的影响度的模块划分方法。 1 2 1 4 模块的编码和配置方法 f 把d r i l ，1 】结合应用公理化设计原理和传统的面向装配和制造的设计方法进行模块化设计 的接口分析。日本学者【4 2 】提出一种由g t 编码和力流组成的称为结构模式的结构描述方法，该方 法的描述语言为按力流顺序排列的g t 编码。陈敏贤等f 4 3 l 提出了基于模块编码的计算机辅助模块 组合方法，该方法在日本学者的基础上增加了四位主码用于描述结合面参数，并用两位辅助码 表示机床类型，这一改进可作出模块可组合性的判别，并易予实现计算机辅助的模块组合。宁 波大学的楼应侯【“j 在前者研究的基础上又引入了模块技术参数码以解决结构冗欠问题，并提高 方案组合的有效性。 1 2 2 模块化设计在数控机床行业的应用 v 模块化的概念和模块化制造的思想都来源于人们长期的生产实践。德国一家家具公司于 1 9 0 0 年用模块化原理设计出所谓的“理想书架”该设计是将书架划分为尾座、架体和项板三 种模块，其中架体具有几种不同的尺寸，用户根据要求选择不同的架体组成自己想要的书架， 这种书架是我们知道的最早运用模块化原理设计的产品之一 1 9 2 0 年左右，德国一些厂家首先提出了“模块化构造”( m o d l l l 缸c o 鹏t n l 甜) 的设计方 法，并将此方法运用于铣床和车床等机床的机械系统设计中。如德国的弗里茨一维尔纳公司设计 的铣床，就是按功能将其划分成模块而进行设计和制造的，这些模块可供用户选择以便组成所 要求的铣床m 】。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 2 0 世纪5 0 年代，模块化设计得到越来越多的重视，瑞士s c l l a _ u b l i i l 公司对仪表机床进行了 模块化改进，从而使其产品具有精度高、功能强以及互换性好等优点。日本通产省在1 9 7 7 年开 始研究柔性加工单元( f m c ) ，明确地引进了模块化构造的概念【1 8 】。 目前，模块化设计广泛应用在国外机床行业中，是近年来发达国家普遍采用的一种先进设 计方法。德国n d 盯公司的模块化减速器达到了八个系列具有不同的功率和传动比：德国 s i e m e 璐公司用模块化原理设计出的工业汽轮机取得了很好的效果；瑞典l i n d e n 公司采用6 1 个标准模块和一些非模块零部件，经过选择理论上可组成四万多种不同的转塔机刚。美国的 c a r e r p i a r 公司和日本的小松公司在土方运输机械方面采用模块化设计方法，推出众多系 列的铲土运输机械。德国d 锄g 公司所设计和制造的单梁吊车改用模块化设计以后，其设计费 用仅为以前的1 2 ，生产成本降低了5 5 ，显著提高了产品的经济效益和产品的竞争力脚】 我国于2 0 世纪7 0 年代开始重视模块化设计，并逐步的进行应用。上海市机床厂、上海仪 表机床厂和上海第十二机床厂组成“小型精密机床模块化技术研究”联合研究小组，对仪表机 床的模块化设计进行研究【4 3 】；南京机床厂的n - 0 3 8 型高效数控车床便采用模块化设计思想设计 的：齐齐哈尔第二机床厂采用模块化设计方法设计了万能摇臂铣床系列；东方机床厂应用模块 化设计方法设计的轻型龙门刨床，取得了良好的效果；上海第四机床厂对5 0 0 r 姗工作台升降 铣床进行了模块化设计；杭州汽轮机厂将模块化设计应用到工业汽轮机的设计中【4 刀；天津大学 先