模块化数控机床概念设计的研究(1)

1、模块化数控机床概念设计的研究机床是制造工业的基础装备，它的技术水平直接影响到制造业的发 展。当前，以加工中心为代表的数控机床已成为工业发达国家普遍采用的现 代化制造车间的加工单元。从普通机床发展到数控机床，是机床在传动和结 构方面的一次飞跃，与此相适应，数控机床在其结构设计方面也必然要求有 新的设计方法和理论来指导。现代数控机床的结构设计有以下一些特点：-数控机床中有不少独立的功能单元，如导轨件、丝杠副、冷却、润滑、驱动、控制、检测装置等。这一特点使其适应于模块化设计方法；-数控机床的加工要求向高速、高精度方向发展。要求机床结构具有 高刚度、高可靠性，机床各部件的结构动、静态特性成为设计的主要

2、矛盾；-数控机床的传动控制上，用电机变速代替机械变速，用计算机数控 代替了内联系传动链和靠模来保证各轴之间的运动关系，使得机床的功能设计原理大为简化；-市场竞争和市场需求的多变要求机床产品功能强、 性能好、成本低, 制造周期短。机床的功能及性能往往和成本相矛盾，而产品总成本的75%以上及产 品的性能在设计阶段就己经确定，所以应通过改进设计来提高产品的质量和 性能并降低其成本。模块化设计技术正是解决这一矛盾的的重要手段。在数 控机床的概念设计阶段，用模块化的构思构造出模块化的数控机床产品系 列，可以提高产品开发速度，快速响应市场需求。1概念设计系统模型根据Pahl和Beitz对概念设计的描述，在

3、概念设计阶段首先要明确 设计任务，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及求解实现功 能的结构载体方案。针对模块化数控机床，设计各阶段的任务及设计方案的 形成过程可分为：(1) 需求分析：在建立产品的功能模型的基础上将用户需求转化为用 户功能需求；(2) 功能分析、分解：通过分析机床的运动，将总功能逐级分解为分 功能(或子功能)，建立数控机床的功能结构，产生机床运动功能方案解；(3) 结构方案求解：通过 功能、结构映射寻求实现功能的结构载体, 根据运动分配、布局的设计，产生机床的结构布局方案，同时可进行机床结 构、外形尺寸的初步规划；(4) 结构动、静刚度分析和优化；(5) 详细结构设计

4、；(6) 在基型设计的基础上，进行机床的变型设计、系列化设计，以模 块化的产品系列，快速响应市场需求。r功施分析1?=：机床功能结构II-映射求解J机床範同給构J-81块划分篠块设计方案-J3-1U 模块评价*t块市案评拚II功能需求Tj汕床整体方案图1概念设计系统模型图2广义映射过程模型事实上，上述的机床产品设计各阶段之间并无明显的界限，各个阶段的不断重复在整个设计过程中都存在。 广义的概念设计包含了产品在详细设计之前的各个设计环节，完成产品的功能设计、原理设计、形状布局及初步的结构设计。通过分析数控机床概念设计的任务和经历的过程，本文建立 如图1所示的模块化数控机床概念设计系统模型。该系统

5、模型分为功能域、 结构域和评价域三个子模型(1) 功能域：通过功能定义、功能分析，建立机床的功能结构；(2) 结构域：进行模块结构的创建；(3) 评价域：评价设计方案的优劣，选择最佳的设计方案。在设计求解的过程中需要相应的设计知识， 设计规则和算法的支持,因此，要建立设计知识库、数据库及图形库等作为设计的基础。2概念设计过程中广义映射的概念图1所示的系统模型中，最为关键的过程为从功能域到结构域的映 射求解，即实现 功能、结构 映射。本文提出广义映射的概念和方法来实现 模块化数控机床概念设计中的这一重要环节。在模块化设计中，设计对象的功能表示向模块结构演变过程中存在着映射关系，即以一定的结构实现

6、相应的产品功能。当然，这种映射不是简 单的一对一的对应，而是功能模型的信息通过数学、物理及概念层的运算和 转化，体现概念设计过程中设计思维的发散、转换和综合等特性，为此，可 称之为广义映射。广义映射具有如下特征：(1) 广义映射的概念不仅有功能要求与结构载体之间的 对应关系，还包括一对多，多对多、多对一的关系，如分解、聚集或组合映射；(2) 相应于概念设计的多层次、分阶段的演进过程，广义映射也是分 层进行的；(3) 通过建立功能域及结构域信息的数据模型，可应用数学工具，进行特征信息的映射；(4) 广义映射的规则须在建立设计对象概念模型的基础上进行定义。 映射需要设计知识库、数据库的支持。3广义

7、映射中产品模型的演变通过对机床产品设计开发过程的分析， 用面向对象的方法建立功能、 结构映射求解的过程模型如图2所示。模块结构求解过程中生成三种模型。(1) 模型I，运动功能模型：机床的运动功能布局，描述为一系列运动单元的组成的链。以字符有序组来表示为：W(m1 m2 o, m3 m4, Cp)T, m仁4代表机床能够完成的 各个进给运动，Cp代表主运动，“ 0”表示固定基础。有序组的排列对应于 运动功能的分配及完成的顺序。工件和刀具所完成的运动分别以矩阵W T表示。(2) 模型II :结构布局模型在这一模型中以原型特征来表达机床结构布局。原型特征所表达的 是各部分结构的对外联接关系、空间几何

8、形状和概略的空间尺寸，其抽象程 度介于功能抽象层和结构实体层之间。本文在考查大量机床结构实例的基础 上，通过描述结构要素的主要构形而忽略结构细节，归纳和抽象出具有较强 概念表达能力的一系列结构原型特征。机床结构布局方案描述为结构原型特征集合：MACHINE二SPF,1 SPF2 SPF3 ,SPFn结构原型特征SPF由基本特征单元EF的集合组织成具体的结构模块，可表示为：SPF=式中，U EF为特征单元集，SID为标志号。BOX是其几何包围盒，以 长度矢量及原点全局坐标组成的复合向量 表示， 代表了原型特征所占据的空间尺寸。UR 是特征单元之间的关联关系集合。特征单元EF所包含的信息可以描述为

9、：EF=其中，EID为标志号，CLASS为单元类型，CLASS MOVE ROTATE FIX , MLST是功能面的集合；PSH则为其关联图形(图像)指针；EBOX弋表特 征尺寸和位置的复合向量。结构特征通过单元 功能面是进行装配，功能面属性包括面类型，面方位矢量等。图3机床运动功能模型(3) 模型III，模块模型：由功能信息模型、结构信息模型、装配信息模型和管理信息模型综 合而成，如图3所示。功能信息模型：反映模块的主要功能信息，是模块创建和模块选取 的主要依据；结构信息模型：模块的结构由下一级的分模块结构相互间的关联和 一定的空间位置描述聚集而成。包含反映模块的主要结构和特征的尺寸；装配

10、信息模型：描述模块的的外部特征，即模块接口的特性。模块 的接口是判断两模块能否组合，建立结构关联的依据，进行模块互换时，也 必须保证接口特征的一致；管理信息模型：描述模块的状态，记录管理模块所必须信息。4广义映射过程的步骤和方法如图2所示的广义映射过程中从设计需求到机床的模块化结构方案 的生成，经历以下三步映射，实现前述三种模型的演变，其具体步骤与方法 如下所述。(1) 映射I，设计需求t运动功能模型根据用户的设计需求信息，经过功能分析可建立机床的功能结构，再依据功能结构建立运动功能对象集 MS二Movel Move?，Moven,以此 可以建立工件和刀具运动的数学模型。77?!00tr400

11、 1T0tr200琨0.00TR300WT刀具与工件位姿关系；TRi 运动i的行程要求,(i=1,2,6)WT由工件和刀具的运动矩阵求解：WT二PWW+PTTW:工件的运动矩阵；T:刀具的运动矩阵；PW PT:工件和刀具的 运动转换矩阵。显然，刀具及工件的运动反求结果为多种方案。一组PV, PT对应加工成型运动在刀具和工件之间分配及排序的方案。例如某一运动功能解为：Cp：360-b0.0图4机床运动功能模型X: 300(1,0. 07:500(0, JF0 RZ:3600,0a -1W(RZ X, Y, O, Z, Cp)T-30)00 0001r05000000L o0000-姒)-0 00

12、00(Tr0 00000=0 0400000其中:若以不同的符号代表各个运动，可得该机床运动模型图如图4所示(2) 映射II :运动功能模型-机床结构布局这一步映射是要根据模型%求解由一系列结构原型的有机组合而构成结构布局方案。创建结构布局需确定结构原型的类型及其空间包围盒， 并建立特征单元之间的关系矩阵*。一旦确定各原型结构和它们的空间位置 及尺寸，机床的结构布局方案就产生了。过程中经历的步骤有：在模型I中取取刀具和工件之间综合相对运动节点对象，取工件中心设置全局坐标原点，并根据刀具运动信息确定刀具顶点的空间位置。分别循综合运动和固定基础之间形成的两条单向运动传递链，对各 运动功能结点，根据

13、其功能模型(类型和子功能集)实例化相应的运动部件、 支撑驱动部件、支撑基础及传动结构特征等结构原型特征模型，并进行初始 化。这一步映射时运动功能域的信息集合到结构特征单元集合的映射。设定各原型结构的接口功能面的方位向量和属性值；建立特征单元集中各元素之间的关系矩阵*，同时判断特征单元之间 的组合的可能性；设定各原型结构的几何包围盒复合向量，其中尺寸向量的传递方向 是从工件刀具综合相对运动节点向固定基础节点的方向。(3) 映射III :机床布局原型结构t模块模型根据模块创建的原则，为实现机床各模块间功能和结构的独立性， 应将相互间关系紧密的结构特征聚集成同一模块。模型II中原型结构特征是面向功能

14、的实现对实际结构的抽象，其模型包含了结构特征的功能、空间 尺寸和装配关系等信息，其中的关系集合UR 可以作为结构相关性的衡量基 础。模型II中原型特征由特征单元集合构成， 原型特征之间的关联通过 它们包含的特征单元之间的关系 REL实现。对不同类型的关系，根据模块创 建原则赋以不同的值r代表不同的相关程度。对原型结构SPF1和SPF2之间 的相关程度确定一个相关系数 X1,2来表示，、J, k表示关系的个数。例如：关系矩阵X转化为X*:根据原型结构间的相关系数 Xi,j ,可建立相关矩阵X, 丫为一对称矩 阵，主对角线上的元素设为0,元素Xi,j两代表原型结构SPFi，SPFj之间 的相关度，

15、矩阵建立之后，采用一种聚簇收敛算法进行处理，得到的新矩阵X*表现为值较大的元素沿主对角线聚簇的状态。1-0201Onio o22()00=0 1X=)1J0Ljr* 三|o0210103012 00030IL1F a mX*中元素的值聚簇在主对角线周围，于是可以如上面的两个实线方框，将特征原型分为两组，构造两个模块 M1, M2方框所围住的子矩阵，构成模块内各结构的关系矩阵；虚线框内的元素，表示M1和M2之间的装配关系，虚线框围成的矩阵正标志着模块的接口。产生的机床模块方案，保证了模块内部结构间的紧密结合，同时使模块间的接口关系尽量简化图5模块化机床设计实例5系统开发及设计实例本文基于图1所示系统模型，以,MicroSoft Visule C+为开发工具， 在Windows系统平台下，针对加工中心类数控机床开发了模块化结构概念设 计系统，并通过三维CAD平台Autodesk Mechanical Desktop 的二次开发接 口 ObjectArx及McadAP，开发了从机床结构概念设计方案到模块结构实体 创建的转换工具。系