伯特利數(shù)控 加工中心  鉆攻中心  

 前言：

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 引言

構(gòu)、提高加工中心資源利用率和重構(gòu)效率出發(fā)設(shè)計(jì)出滾、銑可重構(gòu)主軸加工頭；李一全⁰通過(guò)對(duì)車(chē)銑微加工系統(tǒng)的深入研究，設(shè)計(jì)出兩種應(yīng)用于主軸模塊和工作臺(tái)模塊的新型接口；張浩⁰針對(duì)可重構(gòu)加工中心模塊配置設(shè)計(jì)方案優(yōu)選問(wèn)題，提出了基于集對(duì)分析的多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法。但大多數(shù)研究?jī)?nèi)容偏于理論,或局限于重構(gòu)設(shè)計(jì)的某一部分,沒(méi)有結(jié)合實(shí)例對(duì)可重構(gòu)加工中心特性和設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本論文以齒輪加工加工中心為研究對(duì)象，從齒輪加工可重構(gòu)加工中心設(shè)計(jì)制造的整個(gè)過(guò)程^寸可重構(gòu)加工中心的模塊劃分、模塊設(shè)計(jì)及配置設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法三方面進(jìn)行了研究。通過(guò)模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)使可重構(gòu)加工中心能在多種目標(biāo)功能之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

1模塊劃分

合理的模塊劃分是可重構(gòu)的實(shí)施關(guān)鍵，影響著重構(gòu)產(chǎn)品的性能、重構(gòu)過(guò)程的復(fù)雜性以及模塊的重用度。FPBS ^M是_種基于功能^原理^行為^結(jié)構(gòu)映射的模型分解理論，是加工中心模塊化分的關(guān)鍵理論方法。功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)代表加工中心不同方面的信息，功能是對(duì)產(chǎn)品滿足客戶需求的特定工作能力的描述,是加工中心設(shè)計(jì)的目的;原理描述實(shí)現(xiàn)加工中心產(chǎn)品功能的工作機(jī)理,是功能實(shí)現(xiàn)的機(jī)理;行為描述實(shí)現(xiàn)加工中心產(chǎn)品功能需要執(zhí)行的動(dòng)作，是原理在運(yùn)動(dòng)域的體現(xiàn);結(jié)構(gòu)描述加工中心產(chǎn)品的物理組成要素及其連接關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)功能的最終實(shí)物載體。圖1是滾齒加工中心基于FPBS的模型分解過(guò)程。

圖1滾齒加工中心的FPBS模型分解過(guò)程由功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)的關(guān)系可看出，劃分求解過(guò)程是一個(gè)功能^原理求解；原理^行為分析；原理、行為—結(jié)構(gòu)映射;結(jié)構(gòu)_>功能分解的過(guò)程。通過(guò)模型分解完成了從功能域向原理域的過(guò)渡,原理域向行為域的分解以及行為域向結(jié)構(gòu)域映射，最終實(shí)現(xiàn)功能域向的結(jié)構(gòu)模塊的映射。

齒輪作為主要的機(jī)械傳動(dòng)件在機(jī)械工程中應(yīng)用非常廣泛。使用環(huán)境的不同使得齒輪的形狀、精度和表面質(zhì)量各有差異。在精度要求、加工效率和經(jīng)濟(jì)效益等的驅(qū)使下不同齒輪選擇不同的加工工藝?；?span id="pib7cp3p0ajr" class="22SimSun">FPBS模型分解原理,對(duì)滾齒、銑齒和磨齒加工工藝分解到行為域，結(jié)果如表1所示，表中表示各功能模型行為域的需求;1表示需要相應(yīng)行為自由度;⁰表示不需要。

表中為各加工中心功能域分解到行為域的行為需求,行為需求映射到結(jié)構(gòu)域即為物理模塊。在不同功能的加工中心中，相同行為需求映射到結(jié)構(gòu)域不一定對(duì)應(yīng)相同模塊，行為域映射到結(jié)構(gòu)域的差異即為功能重構(gòu)時(shí)實(shí)現(xiàn)模塊替換的原因所在。圖2為可重構(gòu)加工中心理論設(shè)計(jì)過(guò)程，由功能域向行為域分解，求解出自由度需求；再由行為域向結(jié)構(gòu)域映射，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)模塊;再通過(guò)模塊組合形成物理加工中心。通過(guò)分析各目標(biāo)加工中心的模塊需求，進(jìn)行模塊替換和增減實(shí)現(xiàn)加工中心的重構(gòu)過(guò)程。

2配置設(shè)計(jì)及模塊設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中功能屬于抽象層,是設(shè)計(jì)者主觀意圖的載體;結(jié)構(gòu)屬于物理層，是功能實(shí)現(xiàn)的物理載體?？芍貥?gòu)加工中心的設(shè)計(jì)目的為實(shí)現(xiàn)功能的可轉(zhuǎn)換，途徑是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)模塊的變更。加工中心重構(gòu)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是以模塊為基礎(chǔ)，對(duì)加工中心通過(guò)多個(gè)存在模塊結(jié)構(gòu)的增減和替換,重新配置成滿足相應(yīng)需求功能的加工中心的過(guò)程。模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)成為可重構(gòu)加工中心設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

2.1配置設(shè)計(jì)

配置不是簡(jiǎn)單的模塊重組，它還是一個(gè)結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)各功能模型進(jìn)行合理的配置設(shè)計(jì)將提高機(jī)床的重構(gòu)效率和重用度,在保障功能的基礎(chǔ)上最大限度的提高資源的利用率。如何配置加工中心結(jié)構(gòu)使加工中心實(shí)現(xiàn)高加工效率、高級(jí)精度和高生態(tài)效率又能減少重構(gòu)資源投入、提高模塊重用度，是進(jìn)行功能重構(gòu)快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求變化的關(guān)鍵所在。加工中心結(jié)構(gòu)配置需綜合考慮重構(gòu)成本、可裝配性、可拆卸性、重構(gòu)效率等。

行為需求與結(jié)構(gòu)之間的映射并不是唯一,相同的行為需求通過(guò)不同的設(shè)計(jì)方案可以配置出不同的結(jié)構(gòu)。合理的配置設(shè)計(jì)既要考慮各種工藝特點(diǎn)又要考慮重構(gòu)效率。結(jié)合加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為減少重構(gòu)時(shí)間、提高模塊重用度，將目標(biāo)加工中心統(tǒng)一設(shè)置為某_種結(jié)構(gòu),例如將四自由度設(shè)計(jì)為RLLR配置結(jié)構(gòu)，如圖3;五自由度加工中心設(shè)計(jì)為RLLLR配置結(jié)構(gòu)j卩圖4。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),通過(guò)模塊添加來(lái)實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。

2.2模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)FPBS的產(chǎn)品模型分解和結(jié)構(gòu)配置設(shè)計(jì)得到的模塊結(jié)構(gòu)保證了功能之間的獨(dú)立性,但沒(méi)有解決重構(gòu)過(guò)程中模塊替換、組合、裝配的干涉等問(wèn)題。模塊設(shè)計(jì)是保障加工中心重構(gòu)得以實(shí)施的基礎(chǔ)。模塊設(shè)計(jì)的目的是確保模塊替換和增減的順利實(shí)施以及替換后的加工中心能順利的實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。模塊設(shè)計(jì)包括模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)。模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了滿足實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換的要求，不同加工工藝的受力不同，在進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各種工況，以性能最高的要求為準(zhǔn)則進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，以一定的性能冗余,確保轉(zhuǎn)換后的加工中心能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。接口設(shè)計(jì)包含接口標(biāo)準(zhǔn)化和冗余接口設(shè)計(jì):為了確保模塊替換后各模塊得以重新配合，對(duì)特定接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；出于加工中心結(jié)構(gòu)的限制和設(shè)計(jì)要求，采用原來(lái)的接口不能很好的滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)就需要設(shè)計(jì)冗余接口。

圖5為通過(guò)接口標(biāo)準(zhǔn)化和冗余接口設(shè)置實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的過(guò)程，通過(guò)立柱與y軸托板的導(dǎo)軌型號(hào)、導(dǎo)軌間距和絲杠螺母座的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)模塊增減時(shí)順利配合；出于加工中心結(jié)構(gòu)緊湊要求，通過(guò)冗余接口設(shè)計(jì)使得重構(gòu)前后主軸托板由中心驅(qū)動(dòng)變?yōu)槠尿?qū)動(dòng)加工中心結(jié)構(gòu)更加緊湊。
solidworks實(shí)現(xiàn)了一款滾、銑、磨可重構(gòu)齒輪加工加工中心虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。通過(guò)滾、銑、磨齒加工中心的模型分解、模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)形成可重構(gòu)加工中心模塊庫(kù)，模塊庫(kù)中的模塊可以細(xì)分為公共模塊、專有模塊和可擴(kuò)展模塊。公共模塊是可重構(gòu)加工中心重構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后加工中心都公用的機(jī)床模塊;專有模塊為可重構(gòu)加工中心某一特定功能所特有的模塊;可擴(kuò)展模塊是重構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后功能擴(kuò)展部分的模塊。這幾種模塊在重構(gòu)過(guò)程中分別對(duì)應(yīng)模塊復(fù)用，模塊替換和模塊擴(kuò)展。表2為借助solidworks設(shè)計(jì)的可重構(gòu)加工中心模塊，公共模塊有:轉(zhuǎn)臺(tái)模塊、床身模塊、立柱模塊和主軸托板模塊;專有模塊是各主軸模塊;擴(kuò)展模塊是F軸托板模塊。

3.2可重構(gòu)加工中心配置方案評(píng)價(jià)

可重構(gòu)加工中心的可重構(gòu)效率和模塊復(fù)用率是評(píng)價(jià)可重構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。針對(duì)模塊復(fù)用率的評(píng)價(jià)問(wèn)題引入集對(duì)分析進(jìn)行分析。分析過(guò)程如下:結(jié)構(gòu)配置A對(duì)應(yīng)功能需求1,結(jié)構(gòu)配置B對(duì)應(yīng)功能需求2,對(duì)兩種配置的進(jìn)行分析,得到模塊參數(shù)。其中S為兩配置中復(fù)用模塊的個(gè)數(shù)，五為兩配置中擴(kuò)展模塊的個(gè)數(shù)，/)為專有模塊的個(gè)數(shù)，則兩種配置的聯(lián)系度為：

5 E . D .                                       j.                         /_n\

^ ⁼ ~N ⁺~N^{l +}~N^} " ^{a+b }}        ⑴

式中，_fl+6+c = 1沁為聯(lián)系度；|為同一度,簡(jiǎn)記為

«; i為擴(kuò)展度,簡(jiǎn)記為6; ■!■為對(duì)立度，簡(jiǎn)記為_c。

差異度系數(shù)；描述了某些配置既不屬于同一性、又不屬于對(duì)立性，i e (0,1)。設(shè)整個(gè)重構(gòu)配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)總共需滿足m種功能需求，總共有n種可重構(gòu)配置方案。在一種配置方案中，求每?jī)煞N功能需求對(duì)應(yīng)的配置結(jié)構(gòu)得聯(lián)系度^:

^ = ^at + K^l +fJ        (²)

式中，乂表示第A種配置方案中的第k個(gè)聯(lián)系度系數(shù)值，上標(biāo) A e  ,下標(biāo)/ce (1,2,…〇。

得到整個(gè)配置方案的的聯(lián)系度表達(dá)式：

^ = (i^x                ⑶

K=1

在/I種系統(tǒng)配置中聯(lián)系度越高的配置，在重構(gòu)過(guò)程投入的成本越少，重構(gòu)效率也越高。由此可知，整個(gè)可重構(gòu)系統(tǒng)的重構(gòu)效率，取決于配置系統(tǒng)內(nèi)加工中心與機(jī)床的之間的共有結(jié)構(gòu)、對(duì)立結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)。

針對(duì)以上可重構(gòu)加工中心配置方案，運(yùn)用集對(duì)分析此重構(gòu)加工中心的重構(gòu)效率。由于模塊替換需要用新模塊替換舊模塊，故取對(duì)立度系數(shù)y = 0,差異度系數(shù)^ =

0.   5。四種加工加工中心模型之間的重構(gòu)策略有種。成形銑齒機(jī)和滾齒機(jī)的聯(lián)系度為0_ 8;銑齒機(jī)和磨齒機(jī)以及滾齒機(jī)和磨齒機(jī)聯(lián)系度為0.58;滾齒機(jī)和五軸加工中心的聯(lián)系度為0.917;銑齒機(jī)和五軸加工中心的聯(lián)系度為0.58;磨齒機(jī)和五軸加工中心的聯(lián)系度為

0.   83,得到整個(gè)配置的聯(lián)系度“：

^ci

Z = (!>«)^/c】=〇.⁷¹⁵

«： = i

整個(gè)重構(gòu)加工中心配置設(shè)計(jì)重構(gòu)率可達(dá)0_ 715,模塊復(fù)用度比較高，配置設(shè)計(jì)合理。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)齒輪加工工藝和可重構(gòu)加工中心的研究設(shè)計(jì)出了_種面向齒輪加工的可重構(gòu)加工中心模型。利用FPBS模型分解理論將不同功能需求映射成模塊結(jié)構(gòu)需求，通過(guò)模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)建立可重構(gòu)加工中心模塊庫(kù),在此基礎(chǔ)上通過(guò)模塊組合配置不同功能需求的機(jī)床，不同加工中心模型可以通過(guò)模塊替換、擴(kuò)展和剪切來(lái)相互轉(zhuǎn)換。并提出了運(yùn)用集對(duì)分析來(lái)評(píng)價(jià)可重構(gòu)加工中心重構(gòu)效率的,聯(lián)系度越高的可重構(gòu)配置方案模塊復(fù)用度越高,相應(yīng)的重構(gòu)效率和重構(gòu)過(guò)程中的資源投入越少。

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