（机械制造及其自动化专业论文）石材异型制品加工设备模块化设计平台关键技术研究.pdf

摘要 摘要 石材异型制品生产多品种、小批量、订单式的特点以及对质量要求越来越高 的趋势，必然要求其加工设备在高效率、高质量完成制品加工的基础上，实现一 机多能，快速响应市场需求。在此背景下提出以模块化设计思想来指导石材异型 制品加工设备的开发，针对模块化实施过程中存在的问题，提出构建模块化设计 平台进行石材异型制品加工设备的模块化设计，目标是实现模块化设计过程的计 算机化。该平台以模块化设计为理论指导，以产品的配置设计和创新设计为核心， 以数据管理技术和协同设计技术为辅助支撑技术，按照软件工程的思想进行开发。 深入研究模块化设计平台的关键支撑技术模块化设计技术，研究模块化 开发的基本理论及关键技术。按照石材异型制品加工设备的特点，分析模块化开 发的基本原理；建立其模块化开发的模式和过程模型：根据功能模块之间的相关 度计算进行模块划分；提出基于协同设计方法的模块创新设计和面向模块化设计 平台的编码方案。 深入研究模块化设计平台开发的关键技术需求分析建模。按照软件工程 的基本开发思路对模块化设计平台进行总体规划与设计，采用i d e f 系列方法建立 设计平台的功能模型、数据模型，通过此方法建立的各种模型，方便开发者与用 户之间的交流，有效指导了平台软件开发。 在需求分析建模的基础上进行数据设计、体系结构设计。提出利用面向对象 的方法建立模块化设计平台的数据模型和采用树形结构实现功能一结构映射知识 库的物理存储，通过实例说明平台数据字典的设计方法；选用多层分布式体系结 构，将数据处理和数据存储分离，按功能划分平台的软件程序模块，指出其逻辑 关系。最终通过运行实例说明了模块化设计平台的结构、功能及特点。 模块化设计思想指导石材异型制品加工设备的开发，减少重复设计，提高设 计资源的利用率，必将推动石材装备制造业的快速发展，而构建的模块化设计平 台使设计过程自动化、智能化、网络化，能大大提高模块化设计的速度、质量， 实现设计信息共享和快速设计的目标，推动石材装备制造业的信息化的发展。 关键词石材异型制品；加工设备；模块化设计；需求分析建模；i d e f v a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i p l eb r e e d s ，s m a l lb a t c h e sa n do r d e rf o r mo f s p e c i a l - s h a p e ds t o n e sp r o d u c i n g 懿w e l la s t h et r e n d so fh i g h e ra n dh i g h e rq u a l i t y r e q u i r e m e n t ，m a c h i n i n ge q u i p m e n t sa r ec a l l e df o rt h ea b i l i t yo fo n e - e q u i p m e n tw i t h m u l t i - f u n c t i o na n dr e s p o n d i n gt ot h em a r k e td e m a n dq u i c k l y ，o nt h eb a s i so f p r o c e s s i n g w i t hh i g he f f i c i e n c ya n dq u a l i t y o nt h i s b a c k g r o u n d ，e q u i p m e n td e v e l o p m e n tf o r m a c h i n i n gs p e c i a l s h a p e ds t o n e s ，w h i c hi sg u i d e db yt h em o d u l a rd e s i g nm e t h o d o l o g y ， i sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp r o b l e m so fm o d u l a rd e s i g ni m p l e m e n t a t i o n ， c o n s t r u c t i o no fm o d u l a rd e s i g np l a t f o r m ，w h i c hw i l lc a l l 哆o u tt h em o d u l a rd e s i g no f e q u i p m e n tf o rm a c h i n i n gs p e c i a l - s h a p e ds t o n e s ，i si n t r o d u c e d t h ea i mi st or e a l i z et h e c o m p u t e r i z e dm o d u l a rd e s i g n i ti sg u i d e db yt h em o d u l a rd e s i g nt h e o r y ，谢t ht h e c o n f i g u r a t i o nd e s i g na n di n n o v a t i v ed e s i g na si t sc e n t e r , w i t hd a t a b a s em a n a g e m e n t t e c h n o l o g ya n dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nt e c h n o l o g ya si t sb a s i cs u p p o r t s ，a n di sd e v e l o p e d b yt h ei d e o l o g yo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g d of u r t h e rr e s e a r c ho nt h ek e ys u p p o r t i v et e c h n o l o g i e s - - - - m o d u l a rd e s i g no ft h e p l a t f o r m r e s e a r c ho nt h eb a s i ct h e o r i e sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fm o d u l a rd e s i g n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fe q u i p m e n tf o rm a c h i n i n gs p e c i a l - s h a p e ds t o n e s ， a n a l y z et h ef u n d a m e n t a l s ，b u i l dt h ed e v e l o p i n gm o d ea n dp r o c e s sm o d e lo f m o d u l a r d e s i g n d i v i d em o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ef u n c t i o n a lm o d u l e s p u tf o r w a r da ni n n o v a t i v em e t h o do ft h em o d u l ed e s i g nb a s e do nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n m e t h o d o l o g y , a n dt h ee n c o d i n gs y s t e mf a c e dt ot h ed e s i g np l a t f o r m d of u r t h e rr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e s - - - r e q u i r e m e n ta n da n a l y s i sm o d e l i n g o ft h em o d u l a rd e s i g np l a t f o r md e v e l o p m e n t c o m p l e t et h eo v e r a l ll a y o u ta n d d e s i g no f t h e p l a t f o r mo nt h eg r o u n do fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g b u i l dt h ef u n c t i o n a lm o d e l ， d a t a b a s em o d e li ns e r i e so fi d e fp r i n c i p l e s t h em o d e l sb u i l d e db yt h e s em e t h o d s f a c i l i t a t et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ed e v e l o p e r sa n du s e r s ，a n dg u i d et h ep l a t f o r m d e v e l o p m e n te f f i c i e n t l y o nt h eb a s i so fr e q u i r e m e n ta n da n a l y s i sm o d e l s ，c o m p l e t et h ed a t ad e s i g na n d a r c h i t e c t u r a ld e s i g n p u tf o r w a r dt ob u i l dt h ed a t a b a s em o d e lo fp l a t f o r mi nt h eo o m e t h o d r e a l i z et h ep h y s i c a l s t o r a g eo ft h ef u n c t i o n - s t r u c t u r em a p p i n gk n o w l e d g e d a t a b a s et h r o u g ht h et r e es t r u c t u r e a n ds e ta l le x a m p l eo fd a t a b a s ed i c t i o n a r yd e s i g n v i i 山东人学硕i j 学位论文 s e l e c tt h em u l t i - t i e rd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e ，s e p a r a t et h ed a t ap r o c e s s i n ga n ds t o r a g e d i v i d et h ep l a t f o r mi n t om a n yp r o g r a mm o d u l e s ，a n dp o i n to u tt h el o g i c a lr e l a t i o n b e t w e e nt h e m f i n a l l ys h o wt h es t r u c t u r e ，f u n c t i o n ，a n dc h a r a c t e ro ft h ep l a t f o r mb y r u n n i n ge x a m p l e t h ed e v e l o p m e n to fe q u i p m e n tf o rm a c h i n i n gs p e c i a l - s h a p e ds t o n e si sg u i d e db y t h em o d u l a rd e s i g nc o n c e p t a sar e s u l tt h er e p e t i t i o no fd e s i g ni s r e d u c e d ，t h e u t i l i z a t i o nr a t i oo fd e s i g nr e s o u r c ei se n h a n c e d a n di tw i l lp r o m o t et h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yo fs t o n ee q u i p m e n t t h em o d u l a rd e s i g n p l a t f o r m ，w h i c hi sc h a r a c t e r i s e db ya u t o m a t e d ，i n t e g r a t e da n dn e t w o r k e d ，w i l lg r e a t l y p r o m o t et h es p e e da n dq u a l i t yo f m o d u l a rd e s i g n ，r e a l i z es h a r i n go fd e s i g ni n f o r m a t i o n a n d q u i c kd e s i g n ，a n dp r o m o t e i n f o r m a t i o n i z a t i o no ft h es t o n e e q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y k e y w o r d ss p e c i a l s h a p e ds t o n e s ；m a c h i n i n ge q u i p m e n t ；m o d u l a rd e s i g n ；r e q u i r e m e n t a n da n a l y s i sm o d e l i n g ；i d e f v i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：亟i 重垄 日期：兰塑：兰夕 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塾! 篷点导师签名：期：坐 第1 章绪论 第1 章绪论 近年来，石材异型制品生产具有多品种、小批量、订单式的特点，而且对质 量要求越来越高，因此，企业的生产模式和设备必须具有足够的柔性，才能有效 组织起大规模、多品种的生产，最大限度地满足市场需求，这就要求设备在高效 率、高质量完成制品加工的基础上，实现一机多能，并能够快速响应市场需求。 模块化设计技术通过产品结构重组实现单机设备的多功能，很好地解决了设 备的个性化要求与多功能之间的矛盾，在品种与成本、性能之间找到最佳的平衡 点，使设备具有高柔性。模块化设计被认为是当前工程领域中最优设计的目标之 一，并已成为工程产品的主要发展趋势之一【l 。石材异型制品加工设备模块化设 计平台是将人在模块化设计过程中所扮演的角色由计算机实现，提高了模块化设 计的效率和质量。 1 1 基本概念及定义 ( 1 ) 石材异型制品加工设备 通常将除矩形规则板材制品之外的其他石材制品归类为石材异型制品，将能 够完成此类制品加工功能的设备称作石材异型制品加工设备【4 1 。 石材异型制品的分类方式很多，被行业公认的主要是按制品的特点和加工方 式进行分类，包括平面异型制品、曲面异型制品、实体回转面制品、雕刻制品， 对应的加工设备分别为：平面异型制品加工设备、曲面异型制品加工设备、实体 回转面制品加工设备、雕刻制品加工设备。 ( 2 ) 石材异型制品加工设备模块化设计 模块化指使用模块的概念对产品进行规划或组织。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、不同规格的设备进行功能分析的基础上， 划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以 满足市场不同需求，这种设计方法称作模块化设计【5 1 。模块化技术应用在在石材装 备制造业中，就产生了石材异型制品加工设备的模块化及模块化设计。在石材异 型制品加工设备的模块化设计过程中，通过不同模块的组合可以产生大量的变型 产品，企业则通过这种方式能够快速设计制造适应市场需求的产品。 山东大学硕i ：学位论文 模块化实施的基本原理是系统论、相似性原理，从整体的角度分析产品部件 之间的相似关系，同时考虑功能完整性和结构完整性。模块化设计是一个动态的 过程，模块创建完成后并不是一成不变的，随着市场和用户需求的变化以及新技 术的发展，模块不断更新，还会产生新的模块。 近年来，随着石材行业的发展，为应对快速多变的市场需求，很多石材设备 生产企业在设计生产时主动将设备划分为几大功能部件，分别进行制造装配，并 逐渐统一各个组件之间的装配关系，使同类组件之间可以互换，这就有了在石材 装备制造业使用模块化技术的现实基础。 ( 3 ) 石材异型制品加工设备模块化设计平台 石材异型制品加工设备的模块化设计平台是将计算机技术、产品数据管理技 术、协同设计技术和模块化设计技术相结合，将人在模块化设计过程中所扮演的 角色由计算机实现，并能够将模块生命周期所有相关人员协同起来共同为模块化 设计服务的一套设计工具或软件组合，是数字化、信息化的集成，具有自动化、 智能化的特点。目的是建立企业模块化产品系统，构建适用于企业特点的设计模 式，实现石材异型制品加工设备的模块化快速设计。 石材异型制品加工设备模块化设计平台的开发是建立在一定类型产品的功能 模型、功能一结构映射模型、模块数据模型、基于模块的设备模型等的基础上， 形成的具有计算机辅助模块化设计功能，实现快速设计的要求的过程，其基础是 信息化，即广泛实现信息的共享，设计过程的数字化是前提，开放式、分布式网 络环境和数据库系统是其支撑。 1 2 研究现状及发展趋势 1 2 1 模块化设计技术的研究现状及发展趋势 ( 1 ) 研究现状 目前针对模块化设计研究主要是从产品设计的某一特定角度或阶段研究模块 化的实施方法和技术。 1 ) 产品模块识别及模块划分 关于模块划分方法的研究集中于产品的结构、功能的分析和分解展开。以功 2 第l 章绪论 能相关分析为主进行模块划分的方法是将产品的总功能划分为一系列子功能，并 按照一定的相关性影响因素进行聚类分析，从子功能之间的功能相关、装配相关、 信息相关、空间相关的角度对功能进行分类划分 6 1 。通过相关性分析利用算法把结 构单元聚集成模块，而矩阵分析法是相关性分析的常用算法【6 。8 1 。 分级模块化1 9 , 1 0 1 认为，某一等级的模块元件都是由下一级的模块元件组成，最 低一级的模块元件一般为最基本的几何形体，若能实现完全的分级模块化，将是 最彻底的模块化。分级模块化有利于采用c a d 技术和成组技术等先进的设计管理 系统。 2 ) 模块接e 1 分析和模块组合 模块接口是模块间的结合部分，是模块组合的依据，尤其对于机械产品，对 接口本身及其在模块化设计中的相关技术问题进行深入研究是非常有必要的。模 块接口技术的研究主要包括两个方面：一是接口本身的设计加工技术；二是接口 的管理技术。针对结合面的形状与联接形式许多学者进行了总结归纳，并针对机 床产品总结了大多数情况下的几何特征图谱。文献【1 1 】提出了一种基于公理设计的 接口设计方法。 模块组合是根据设计任务选择出模块并组合产品，由于满足相应功能要求的 模块可能不只一个，可能产生多个模块组合方案，使用有向图 1 2 】可以清楚地表示 模块的组合方案。为实现计算机辅助模块化设计，还需要合理定制模块接口及编 码。模块组合过程也是产品的装配设计过程，文献【1 3 】研究了模块化产品的装配设 计问题，文献 1 4 】研究了分布协同的网络设计环境下模块的组合方法。 3 ) 模块编码 模块编码的合理与否对模块选择、模块组合以及企业的生产管理等诸多方面 都有重要的影响。对于模块化设计，建立合适的编码系统是进行计算机辅助模块 化设计的基本前提之一，它主要应用于模块的管理与模块的计算机辅助选择和组 合【1 5 - 1 7 1 。文献 1 8 】提出了面向定制的大规模编码系统，由分类码、识别码和视图码 组成，分类码根据德国工业标准d i n 4 0 0 0 编制，识别码为计算机产生的对象唯一 编号，视图码为面向图形进行表示的编码。 ( 2 ) 研究热点与发展趋势 随着计算机信息技术、网络技术、先进设计制造技术等的不断发展，给产品 山东人学硕+ l ：学位论文 模块化设计理论及实践研究提出更多新的课题，融合、利用现代设计方法、制造 和管理技术成为现代模块化设计的发展趋势。 1 ) 成组技术在模块化设计中的应用 如何有效地表达模块的功能、形状，尤其是结合面的要素，在模块化设计和 组合中是非常重要的。因此，把成组技术 1 9 - 2 1 】，尤其是其中的编码原理应用到模 块化设计中来是很有益处的。成组技术实质上是按零件的形状、尺寸、制造工艺 性等特征将零件归并成组，以扩大批量，使中小批量能够获得大批量生产的效益。 模块化设计满足了多品种发展的需要，同时由于产品按功能划分成模块，功能模 块加工、制造、装配时容易得到形状、尺寸、制造工艺上的相似性，从而为成组 技术在模块化设计中的应用创造了条件。 2 ) 模块化设计c a d 计算机辅助设计系统包括科学计算、图形及数据库三个部分。利用现有模块 组成产品以及根据用户需要设计新产品的过程，都可以通过c a d 系统来完成，它 有效地利用了计算机的信息处理和存储功能，计算机辅助模块化设计工作的性质 决定了运用c a d 技术的必要性【2 2 2 3 1 。 3 ) 基于模块化的产品协同设计 协同设计【2 4 】是随着网络技术和并行工程的发展而产生的一种新的产品设计模 式，它是计算机支持的协同工作的一个重要领域，是计算机辅助设计的必然发展 方向。模块化产品的分布式协同设计为快速响应市场提供了一种更为有效的途径， 能够增强产品的创新能力，使设计生产模式具有高的柔性，将产品全生命周期的 各个环节协同起来共同为模块化产品设计服务，提高设计质量，并能够快速响应 市场需求。 4 ) 虚拟模块化技术 近年来，随着计算机技术、仿真技术以及虚拟现实技术的发展，虚拟设计与 虚拟制造逐渐成为研究热点。虚拟设计是现实产品开发环境在计算机虚拟环境中 的映射，虚拟设计技术和模块化技术结合，产生了一种全新的设计理论和方法体 系虚拟模块化设计 2 5 , 2 6 1 ，它使虚拟产品模型的构造和数据管理更为规范和简 单，虚拟模块化设计是新技术条件下的计算机辅助模块化设计，是计算机辅助模 块化设计的高级形式。 4 第1 章绪论 另外，模块化还是实现快速设计f 2 7 2 8 】的基础使能技术与理想途径。 1 2 2 产品数据管理和协同设计技术的研究现状及发展趋势 ( 1 ) 产品数据管理技术的发展趋势 模块化设计过程中的模块模型数据、设备模型数据及各种设计知识数据，能 有效地对这些数据进行管理是实现模块化设计过程计算机化的基础条件之一，产 品数据管理技术是目前最有效的方法。 产品数据管理技术( p d m ，p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 是企业信息化的重要组成 部分，p d m 在提高企业效率、提高企业竞争力方面的杰出表现，使得越来越多的 企业应用或实施p d m l 2 9 1 。随着分布式计算机技术、网络技术的发展，产品数据管 理技术在应用系统的集成、三层c s ( c l i e n t j s e r v e r ) 结构的w e b 使能技术、面向对 象技术、过程管理与配置管理的强化等方面有大的发展。 ( 2 ) 协同设计技术 协同设计是一种利用计算机技术和信息技术，在产品设计阶段就考虑产品生 命周期的各种因素的影响的产品开发模式。 面向模块化产品设计的协同设计可以使相关人员通过网络考察设计的可行 性，验证设计的正确性，随着计算机和网络技术的发展，它向着产品设计网络化、 虚拟化、敏捷化、集成化等方向发展。关于协同设计的概念、结构、特点及其实 施环境等，国内外学者进行了较为广泛的研究【2 4 1 。 1 3 课题的提出 ( 1 ) 石材异型制品加工设备模块化设计的提出 山东省石材工程技术研究中心在长期从事石材加工技术研究及其装备开发的 基础上，总结了石材异型制品加工技术、设备与市场需求现状之间的矛盾，提出 以模块化设计思想为指导，进行石材异型制品加工设备的开发，在一定程度和一 定范围内指导了石材装备制造业的发展。石材异型制品加工设备的模块化设计在 经济上和技术上都具有明显的优点，主要体现在以下几个方面： 1 ) 缩短设备的设计制造周期。 2 ) 利于设备的更新换代和新产品的开发，增强企业对市场的快速应变能力。 5 山东人学硕l ? 学位论文 3 ) 有利于提高质量，降低成本，增强产品的竞争能力。 4 ) 便于维修。 ( 2 ) 模块化实施的问题 石材异型制品加工设备制造企业在设计制造的过程中不断渗入了模块化设计 的思想，将石材异型制品加工设备划分为几大模块进行制造生产，已具有了实施 模块化设计的现实条件，但在模块化实施过程中仍然存在很多问题，主要包括： 1 ) 产品结构规范化、标准化程度较低。由于长期采用传统设计方法，在设计 过程中毫无约束地大量使用借用件，难以对模块变型进行有效的控制与规范，不 但增加了制造成本和生产周期，而且质量难以有效控制。 2 ) 产品设计方法落后，制约产品开发能力。由于c a d 工具没有先进的设计 方法做为知道，产品的设计水平无法得到真正提高。 3 ) 随着产品品种的增加，产品数据难以进行有效管理。随着产品数据的增加， 现行的个人存储目录产品数据管理方法难以有效地管理大量的产品数据，同时由 于没有贯彻分类编码系统，产品的图纸数量不断增大，不同产品之间的零部件借 用现象很多，造成编码管理混乱，使得数据查询困难，进一步影响了设计资源的 重用。 ( 3 ) 石材异型制品加工设备模块化设计平台的提出 石材异型制品生产多品种、小批量、订单式的特点以及对质量要求越来越高 的趋势，必然要求设备在高效率、高质量完成制品加工的基础上，实现一机多能， 并能够快速响应市场需求，为此，我们提出以模块化设计思想来指导石材异型制 品加工设备的开发，通过模块的重构实现设备的多功能、多用途和高柔性，通过 模块化技术实现设备的快速设计、制造。 针对模块化设计实施中的问题，结合虚拟模块化设计技术、协同设计技术、 产品数据管理技术等先进设计制造技术，以及计算机技术、网络技术和数据库技 术等底层支撑技术，构建基于三层c s 结构的集模块配置设计、创新设计、模块 数据管理功能于一体的模块化设计平台。该平台是基于i n t e m e t 的w e b 技术开发， 又是运用非数值算法解决复杂问题，是属于基于w e b 的软件，也属于人工智能或 知识工程的范畴，同时它又是面向用户的，不直接进入市场，属于业务过程工程。 本文得到山东省科技发展计划资助项目( 2 0 0 7 g g l 0 0 0 4 0 0 8 ) 资助。 6 第1 章绪论 1 4 课题的研究内容 本文以模块化设计为理论指导，深入研究了模块化设计平台的关键技术：石 材异型制品加工设备模块化设计技术和面向模块化设计平台的需求分析建模技 术，并按照软件工程的基本方法，构建基于三层c s 结构的模块化设计平台。主 要研究内容如下： ( 1 ) 深入研究石材异型制品加工设备模块化开发的基本原理以及模块的形成 机理，建立模块化开发模式和开发过程模型，深入研究模块的划分、组合与管理 等基础性的关键问题以及模块创新设计的方法。建立适用于石材异型制品加工设 备模块化设计平台的关键支撑技术体系。 ( 2 ) 针对石材异型制品加工设备模块化设计实施中的问题，构建模块化设计平 台，并按照软件工程的思想对平台进行总体规划与设计。探讨建立模块化设计平 台需求分析数据模型、功能模型的方法，建立石材异型制品加工设备模块化设计 平台开发的需求分析模型。 ( 3 ) 在需求分析建模的基础上进行石材异型制品加工设备模块化设计平台的 数据设计和体系结构设计，并对基本功能进行编码测试。 7 第2 章石材异型制品加工设备模块化设计技术 皇置量鼍詈詈晕皇詈詈i ii 曼曼詈曼皇量鲁鼍詈曼詈詈皇! 苎曼暑暑鼍詈詈曼詈詈皇! 詈皇皇皇詈! 曼曼曼! 皇曼詈量詈暑鲁詈! ! 曼曼毫皇詈詈皇基皇詈詈! 詈皇皇曼曼鼍詈寡 第2 章石材异型制品j j 口- r 设备模块化设计技术 模块化理论在机床、汽车、军工等行业得到了广泛应用1 3 0 3 2 1 ，实施和实现模 块化的方法和手段随着研究对象的不同而不同，本章在分析、归纳其他行业尤其 是机床行业模块化研究和实施经验的基础上，针对石材加工装备行业的特点，分 析石材异型制品加工设备模块化设计平台的关键技术模块化设计技术的基本 原理及其实施的关键技术。 2 1 石材异型制品加工设备模块化设计的基本原理 模块化设计技术在其他行业尤其是机床行业的应用比较广泛，国内许多学者 对机械行业模块化设计方法进行了归纳和总结【3 3 ，3 4 1 ，并给出了模块化设计的明确 定义f 5 1 ，但在石材装备制造业中的应用尚处于起步阶段，所以明确石材异型制品加 工设备模块化设计的内涵及基本原理，对于模块化设计平台设计目标、任务的确 定具有重要的作用。 2 1 1 基本原理及相关术语 ( 1 ) 基本原理 1 ) 系统论原理 模块化的事物都是一个系统，整体性是系统的基本属性，模块化实施只有善 于运用系统论的原理才能取得良好的整体效果【5 , 3 3 - 3 5 】。模块化系统的开发是模块化 设计的前提和基础，在进行石材异型制品加工设备模块化系统的开发时，要面向 整个设备产品系列。 系统内各单元是相互联系、相互作用、有机结合的，系统与环境、系统之间 也存在着相互联系和相互作用。在模块化系统中，这种联系体现为模块间的接口， 只有充分考虑接口的匹配性，才能保证模块化系统整体质量和可靠性。 2 ) 相似性原理【5 , 3 5 分析和识别大量不同产品和过程的相似性，挖掘存在于不同产品和过程中的 几何相似性、功能相似性、结构相似性，利用标准化、系列化方法，减少产品的 内部多样性，提高零部件和生产过程的可重用性，这些不同类型相似性的归纳构 9 山东人学硕1 ：学位论文 成模块化系统的基础。 将模块间的各种相关性进行加权并计算相关度作为模块划分和组合的依据。 ( 2 ) 相关术语及定义 关于模块化设计的基本术语及其定义【5 3 6 】： 1 ) 功能单元功能单元描述的是模块的功能，它是在功能相关性分析的基础上 进行功能划分的结果，如石材异型制品加工设备的支撑功能单元。 2 ) 功能模块产品族中对应于功能单元的产品构成元素，如实现支撑功能的模 块。 3 ) 结构模块实现功能模块之功能的具体结构载体，常简称为模块，如对应支 撑功能的框架模块，对于模块化设计平台，结构模块的信息包含几何数据模型和 非几何数据模型。 4 ) 模块接口结构模块组合时相互间几何、物理关系的接口副，它具有对偶性， 如框架模块和横拖板模块之间的接口副，同样，对于模块化设计平台，模块接口 信息也包含几何数据模型和非几何数据模型。 5 ) 基型模块指设计中通用性强、结构完整的典型结构模块。 6 ) 变型模块指在基型模块基础上，针对特定的功能要求改变模块的某些结构 或参数而派生出的模块。 7 ) 模块组合通过选择具有不同分功能的模块组合成具有特定的总功能及某 些特殊功能或特性的设备的方法称作模块组合，如通过选择相关结构模块实例， 根据模块间的接口关系，组合成石材异型制品加工设备实例。 8 ) 横系列模块化指在同一规格设备基础上在变型产品范围内进行模块化设 计，如通过更换动力头模块，可组成平面异型制品加工设备、曲面异型制品加工 设备、实体回转制品加工设备、雕刻设备等。 9 ) 纵系列模块化在同一类型中对不同规格的基型产品进行模块化设计，规格 参数不同往往体现为主参数不同，而主参数不同往往动力参数不同，导致结构形 式或尺寸的不同，根据石材加工装备行业的市场需求分析，纵系列产品按照加工 范围包括三种型号，见表2 3 。 l o ) 跨系列模块化：在横系列模块化的基础上兼顾纵系列模块化或在纵系列模 块化的基础上兼顾横系列模块化，形成既有横系列又有纵系列的模块化实现方法 1 0 第2 章石材异型制品加工设备模块化设计技术 称作跨系列模块化，石材异型制品加工设备的模块化开发就是在纵系列模块化的 基础上进行的横系列模块变型。 2 1 2 模块形成机理功能一结构映射 石材异型制品加工设备的设计过程是将产品市场需求映射为产品功能要求， 并将功能要求转化为具体的的产品结构的过程。从功能一结构映射数据建模的角 度研究功能一结构映射问题，建立功能模块域与结构模块域之间的功能模块载体 域空间，并通过知识库表达出来，是一种有效的机械产品结构设计自动化的途径。 功能一结构映射研究方法是研究功能域到模块域的映射方法、规则、性质的一种 数学上较为严谨的方法 3 6 - 3 9 】。 功能部件是能够完成一定功能的可独立装配的部件，是机械产品结构设计中 由分解的产品功能对应的相对独立的单元。根据分级模块化的原理，模块化设计 中的分级包括两个方面：结构分级和功能分级，结构分级是指在模块化系统中， 除最基本的单元模块外的任一模块均可分解为下一级模块，功能分级是指除基本 功能单元外的任一功能均可分解为下一级子功能。公理化设计理论指出结构分级 和功能分级之间存在一一对应的关系，这就是功能一结构映射原理的基础与依据。 石材异型制品加工设备功能一结构映射的过程为：将总功能划分为成形加工、 控制、冷却润滑和辅助功能等一级功能；成形加工功能又可分解为主运动、粥亿 向运动功能和支撑功能等二级功能；各二级功能又可继续分解，直至功能元。各 级功能可映射为相应的结构模块，具体过程如图2 - 1 所示。 嚯 主运动 y 向运动 z 向运动 向运动 支撑 一级功能二级功能 子功能l 子功能2 子模块1h 动力头模块 。蠹一 l 功能模块h 广= = 冷却润滑模块h 辅助功能 j 子功能一l l 子模块疗i - i 框架模块 亟耋至一至 图2 1 功能一结构映射过程 一级模块 拦一 山东大学硕i ：学位论文 2 1 3 开发模式和开发过程 ( 1 ) 开发模式矩阵模型 石材异型制品加工设备具有整体性、相关性和结构层次性的特点，基于功能 的结构主参数分级特性明显，可按照功能分解原理对其进行模块划分和组合，实 施产品的模块化开发。 如图2 2 所示，描述了机械产品模块化开发的矩阵模型： 产品矩阵 m p 基型模块 矩阵m b 第i 个模块 的系列化矩 阵m i 图2 2 模块化开发的矩阵模型 1 ) 产品矩阵m p 中的一行构成一个横系列产品集，- - n 构成一个纵系列产品 集，定义每行的第一个元素为基型产品。 2 ) 基型模块矩阵m b 中的一行是组成该基型产品所有模块，一列是某一模块 的纵系列变型，基型模块矩阵m b 是由产品模型矩阵m p 中的第- - n 扩展而来的。 3 ) 第f 列中模块的系列化矩阵脚中的一行构成了横系列模块集，- - n 构成了 纵系列模块集，每行中的第一个元素定义为基型模块。 按照此方法对石材异型制品加工设备进行模块化系统开发，规划其矩阵模型 图2 3 所示。 1 2 自下而上的设计过程模块化设计 自上而下的规划过程模块化系统的构建v -!i!_ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - l - _ _ _ - _ - _ _ - _ _ l _ _ _ _ _ _ - - - - - _ _ _ _ _ _ i _ _ _ - _ _ _ _ l _ - l _ o l - _ _ _ - i _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ l - _ _ _ _ _ l _ - _ _ o - - _ - _ _ _ _ i _ _ _ _ o o _ o o o _ o r 纵i f 平面异型制品加工a 型曲面异型制品加工a 型实体回转制品加ia 型雕刻加工a 型l 瓤 罢茎罢篓罢篓尝篓_ j 图2 - 3 石材异型制品加工设备矩阵模型 ( 2 ) 开发过程模型 模块化系统的开发和基于模块化的产品设计是对石材异型制品加工设备实 施、应用模块化技术的两个方面。模块化系统的开发是前提，是模块化设计平台 数据模型的来源，是功能设计的主要对象。 ， 在开发过程中，模块可以并行地或者先后依次开发出来，前者称为按过程定 位，后者称为按产品定位。石材异型制品加工设备模块化系统的开发工作要面向 整个产品系列，开始阶段以按过程定位的方式进行，在模块化系统投入运行之后， 再按产品定位的开发方式进行，具体过程如图2 4 所示。 图2 4 石材异型制品加工设备模块化系统的开发方式 石材异型制品加工设备模块化设计 石材异型制廿删加工设备模块化开发 山东人学硕f j 学位论文 2 2 石材异型制品加工设备模块化设计关键技术 2 2 1 模块的划分与组合 模块划分是指将产品的总体功能按照模块化设计的特点合理划分成多个功能 模块的过程。在模块划分过程中，首先对产品的总功能进行逐级分解，得到一系 列基本功能单元，然后按照功能单元之间的相关程度重新聚集成模块。因此，模 块划分过程就其本质而言是一个功能单元的重组过程。在模块划分时，需要解决 的主要关键问题有产品总功能的分解、功能单元相关度计算、功能单元如何聚集 成模块等，通过功能单元相关度的计算进行功能分析与分解，不仅为模块组合提 供依据，而且为模块化设计平台的功能建模提供技术支撑。 ( 1 ) 模块划分中的功能分析与分解 石材异型制品加工设备的模块划分与组合是其模块化设计的基础。模块划分 过程中功能分析与分解是建立模块化设计平台功能一结构映射知识库的前提，是 模块数据建模的内容之一。 1 ) 功能分析 功能是产品或者系统所能完成的任务的抽象描述，是产品所具有的重要属性， 是从使用角度对产品提出的要求。就模块化设计而言，功能就是产品或者模块所 具有的能满足用户要求的特性，或者说是产品或者模块所具有的效能、用途、使 用价值。产品是功能的载体，因此功能分析是实现工程设计的一个重要手段。 石材异型制品加工设备的功能按重要程度可以分为基本功能和辅助功能，按 功能的用途可分为加工功能、控制功能、冷却润滑功能和辅助功能。完成总功能 所不可缺少的功能是必要功能，不必要功能包括冗余功能和过剩功能，传统设计 原则上是保证必要功能，调整过剩功能，去除冗余功能，但对模块化设计而言产 品冗余功能有其特定的作用，保有一定的冗余功能或者结构才能实现扩展。 2 1 ) 功能的分解 4 0 , 4 1 总功能由设计对象已知的输入输出条件抽象得出，根据系统的可分解性及产 品模块分级的需要，将总功能分解为相对独立的级功能、二级功能直至功能元。 石材异型制品加工设备功能分解的方法为：从设备的整体功能或基本功能开 始，以直接推进方式向后寻找实现此功能的子功能，直至功能元。 1 4 第2 章石材异型制品加t 设备模块化设计技术 功能分解程度问题又称为功能粒化程度问题，是指功能分解停止点的确定过 程。功能分解过细，功能到结构的映射算法和结果庞大，以至无法进行；反之， 若分解过粗，则又丧失创造性。关于功能分解的程度一般有两个确定原则：能够 实现功能到结构的一一对应；功能对应的结构模块必需是有意义的。如图2 5 所示 以曲面石材异型制品加工设备为基型设备对其进行功能分解，分解到三级子功能， 能够保证功能到结构的一一对应，保证对应的结构模块有意义。 瓜翮 成形加工ii 控制ii 冷却润滑ii 辅助 一级 土运动ilj ，向运动il z 向返动ii x 向运动l1 支撑 l 二级 主 动 力 支 撑 耄耋ff塑fj害fl囊il霎jf霎l障ii萋ii霎l离il晷ll呈ll霎ii翼il萋霎ii萎ii垂 图2 5 曲面石材异型制品加：设备功能分解 k 向 变 速 三级 ( 2 ) 功能相关性 设备各个子功能之间存在一定的相互关系，这种关系就称作相关，存在功能 相关关系的模块称作相关模块。子功能之间的相关性分为功能相关、装配相关、 空间相关、信息相关四种，设第故拓l ，2 ，n ) 种相关对相关度的影响系数为， 则f 、，两子功能之间的相关度为： 勺= 雌嘭 ( 2 1 ) 式中，t jl ，当i 、j 两模块之间满足第k 种相关条件时 一w i o ，当i 、j 两模块之间不满足第k 种相关条件 根据四种相关对模块划分的重要程度的不同，权重的计算结果为= 0 4 5 5 、 w 2 = 0 2 6 3 、= o 1 4 1 、= o 1 4