硕士论文-基于SolidWorks的数控机床模块化设计技术研究.pdf

中图分类号：THl22学科分类号：080202论文编号：1028705100146硕士学位论文基于SoIidWorks的数控机床模块化设计技术研究研究生姓名学科、专业研究方向指导教师苏铭机械电子工程现代集成制造陈蔚芳教授南京航空航天大学研究生院机电学院二OO九年十二月rqN删ingUniVersityofAeronauticsandAs仃onauticsTheGraduateSchoolC011egeofMechallicala11dE1ectricalEngine耐ngModularDesignofCNCMachineT00lsBasedonSolidWorksAThesisi11MechanicalalldElec仃icalEngineenngbySuMillgAd啊sedbymChenWei胁gSubnlittedinPanialFulfiUmentformeDegreeofMasterOfEngilleeringDec，2009。-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、vI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Solidw0rl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MCH63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14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Soli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solidwbd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Solidwbrl匹的数控机床模块化设计技术研究AbstractPellsonalization觚ddiVe璐ificadonofuser他quillml锄皓isbemiIlgoneofmemostimponantcl埝mc谢sticsofma姗fact岫lgItissigIlific锄ttorapidlyresponset0也em耵姗dof也emarketf10renteq试stal【illgad_删1诅geo吣po鲥oniIlcompetitihl位眦删e，删哪factIl血gco印oralio鸺havecumlllatedrichdesignexperienceinlgc伽培eofprodIuctdcsignandtheis蛆u瞥Intmedof锄e伍cientand危越ibleme廿lodforrepeated璐ingof“sexistingdesi弘exp耐ence，t0i】provemequ2Ll时托de伍ciencyofproductdesi弘Illordcrton妣tlis鹏cdmcmodulardesi鲈n10ughtw勰dmw疏othedesi印of肌m喇calc仃DlImcmmB鹊edthe萨ralme廿10dofmoduI盯desi弘，module，modelillg狐dc册矗91瑚以ofCNCmachiwl粥托searchedcordiIlgt0也echarteristicsofitACNC嫩cllimmodul撕tydesignsystemw觞deVelopedbySoliilworksThemaillr弓seaIlc：hcOnte吣铷呤asf-0nowsFirStlytlleexis恤gmodulardesi印tlleoryandme10dw舔锄alyz吐孤damodulepanitionme廿lod，faciIlglec璐tome塔b舔edonthewholelifecycleofproducts，w弱putf0确倍rdOnlebasisofcustom盯demand，tl圮c惦tom盯dem锄dfimcdoffi屹巧ma缸讧w笛establishedCH63selieso、丁CImchiIlem圯viewof吐leproductl如cycle，髓chph嬲es缸uctu他ma臼奴w私builtCl砸te血g0ptiIllizationcalcul撕Wasc枷edoutforthea：bovenla劬【by眦iIlggen以csilulated锄neal证galgosecondlyiIlb蕊isofmodulepaItition，吐地modelillgtheo巧andtecllIlologyofCNC础诎line啷studiedilldetailTheCNCmachiI圮modelw雒dividcdi11to细oparts，geometricmodelandiIl|F0mlationmodelPa黜圯t豇砌删)delingge伽舱仃y脒浊odw笛raisedb淞cd也e触ihvtmp而1cipleTheencodiIlgtbnology锄diIlterfacemohlletecllIlologywe陀mainly他s龇ht通in圯infol曲撕0nmodeliIlgofmodlde，锄dtlle劬cti叩andcl舔si丘cati帆ofCNCm孔lliIlemoduleinterfk髂w弱analyzedAn盯thatthemodules仇lctII他ofdiag甩mQ屺mhineintej妣sw鹌pVidedontllisb勰iS也e14codingS)rstemofCNCmodlllew够established，wtlichw勰c0叩osedof揽liate他la矗onship，危atIl托i11fomla60ncode锄diIltcf陆ccode11lirmy，伍ememodofNCmachineco而gl】嗯timodulewhichw弱case-b笛ed他舔-iIlgw雒putf0确，ardHowtolI也e枷e、ralalgori也mtomeetc惦tomerdezn觚dofa屺mhinem0(1ul嚣w弱studied彻叩haticallyAndthejudgiIlgnlleofw】hc也erthekctedmodlllecouldbe笛s曲1bledw器givThewayofmo叫e删c麟emblyinmcSoli眦pla响锄w笛鼬c札Finallyn圯sys晒nsn眦tIllofCNCmachiIlemodul撕tydesi髓w勰髂ta【bliSlledAndthemainI：，Jfur“南京航空航天大学硕士学位论文如nctionalmodules锄dopemtionprocedu他swe咒砌y鹚dModul缸desiglloftlleCNCsystembySolidWbr|I【sw嬲iIlitiallycompletedAnd也er眦lIlingiIlstaIlcesoflesystemwe他alsogiVenKeywords：Modul盯Desi驴，NumericalC的lMachh地1抽ls，C嬲eb鹊edRe舔onirlg，ModulePanition，Pa姗m仃icModelillg，ModuleCo蚯guratillI基于S01idwbd(s的数控机床模块化设计技术研究目录摘要IAbs缸act第一章绪论111课题研究背景和意义l111课题背景1112课题研究意义212模块化设计的研究现状以及存在的问题2121模块化设计研究现状2122模块化设计在数控机床行业的应用。4123模块化设计存在的问题。513论文研究内容5第二章模块化设计理论基础721模块化设计的方式和一般过程7211模块化设计的方式7212模块化设计的一般过程1022模块化设计的关键技术1323本章小结14第三章数控机床模块划分方法1531数控机床产品功能和物理结构分析1532客户需求对数控机床功能模块划分的影响15321客户需求获取及分析15322建立面向客户需求的功能相关度矩阵1733生命周期各阶段对数控机床功能模块划分的影响18331数控机床产品生命周期的划分18332面向生命周期各阶段的零部件相关度矩阵1934基于遗传算法的相关度矩阵的优化23341优化函数的构建23342优化算法的选取24343基于模拟遗传退火算法的矩阵优化2635数控机床模块划分结果的分析2936本章小结一3l第四章数控机床模块的建模技术3241数控机床模块的模型结构3242数控机床模块的几何建模技术32421三维CAD软件常用的几何建模方法33422零件模块自动几何建模的关键技术33423数控机床组件模块几何建模关键技术一37I、，l1一南京航空航天大学硕士学位论文43数控机床模块的信息建模技术38431数控机床模块的信息模型结构38432数控机床模块的接口技术38433数控机床模块的编码技术4244本章小结45第五章数控机床模块配置设计技术。4651实例推理技术4652基于实例推理技术的模块配置技术48521模块索引机制48522模块实例的检索算法48523模块实例的修改：5l524数控机床模块实例存储策略5253数控机床模块的装配技术52531数控机床模块的可装配性判断52532基于Solidw6d岱平台的数控机床模块自动装配实现方法5354本章小结55第六章基于S01idwrorI【S的数控机床模块化设计系统开发。5661数控机床模块化设计系统的结构设计56611数控机床模块化设计系统框架图56612数控机床模块化设计系统流程图56613数控机床模块化设计系统功能模块58614数控机床模块化设计系统数据结构5962数控机床模块化设计系统运行界面60621数控机床模块划分模块60622数控机床模块管理模块6l623数控机床模块配置模块6263本章小结65第七章总结与展望6671总结6672展望67参考文献68致射72在学期间的研究成果及发表的学术论文73V基于Solidwbrlcs的数控机床模块化设计技术研究图清单图表清单图11论文的组织结构6图21普通铣床横系列模块化设计实例7图22普通磨床的模块化设计实例图。8图23模块化镗铣床9图24龙门铣床全系列的主要型式。9图25模块化设计过程10图26产品设计的用户需求树10图27功能分解图11图28零部件关系模型12图31加工中心功能分解图16图32加工中心物理结构图f16图33QFD转化图17图34生命周期划分层次结构图22图35模拟退火算法流程图26图36遗传算法流程图26图37基于模拟遗传退火算法的矩阵优化流程图27图38优化后的面向客户需求的功能模糊相似矩阵7728图39优化后的面向机床产品全生命周期的结构模糊相似矩阵三729图310数控机床机床本体模块示意图30图41数控机床模块的模型框架32图42立柱模块驱动原理图34图43立柱模块模板图34图44尺寸参数驱动方程式34图45导轨模块自动几何建模原理图37图46数控机床模块的信息模型图38图47数控机床模块接口的功能39图48数控机床模块接口分类。40图49数控机床模块接口结构示意图4l图410主轴箱模块接口分布图4l图411数控机床模块的编码信息。42图412数控机床产品系列树一43图413模块特征信息码编码说明44图414模块接口码编码说明“图51CBR循环图47图52数控机床模块库的层次结构50南京航空航天大学硕士学位论文图53检索算法流程图51图54数控机床产品的装配层次结构图53图61数控机床模块化设计系统框架图57图62数控机床模块化设计系统流程图58图63数控机床模块化设计系统功能模块59图64数据库中各表之间的关系60图65矩阵建立界面60图66经过优化后的矩阵界面60图6。7添加模块基本信息属性61图68添加模块参数属性61图69添加模块包含零件信息62图610添加模块图形信息。62图611添加模块接口信息62图612客户需求输入界面63图613模块修改界面。63图614MCH63五轴摇篮式加工中心装配图64表清单表31研发阶段零件间相关度定义19表32制造阶段零件间相关度定义20表33装配、维修阶段零件间相关度定义20表34数控机床零件物理和功能寿命(单位：年)2l表35标度的定义值22表36B层判断矩阵22表37C层判断矩阵22表38常用的优化算法及其描述25表39数控机床模块划分情况30表41主轴箱模块接口表4l表42加工中心模块分类码编号43表43加工中心零件分类码编号43表44模块的主码45表61数控机床模块信息表“VlIVI南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论11课题研究背景和意义111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、1o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sProduction)模式向批量定制似舔sC璐t锄ization)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50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【9l。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CAx技术【协11】CAx技术涉及的内容非常广泛，主要包括计算机辅助设计(C唧uterAidedDesi印，CAD)、计算机辅助工艺规划(ComputerAidedPfocessPlanning，CAPP)、计算机辅助制造(Con啄)ut贫AidedManufactul证g，CAM)等等。其基于solidwbrl【S的数控机床模块化设计技术研究中CAD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【12】。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CAD系统软件，比如UG、CAT队、PmE、Soli栅，0Tb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CAD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。112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Ne小型汽车，减少了63的工程技术人员，缩短了28的开发时间；又如DEC公司使得产品的开发时间缩短了60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，75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。12模块化设计的研究现状以及存在的问题121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。o121I模块化设计概念Ulrich【141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，Ulrich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。Slli】匝oH【15】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)。Sllh【1q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。Palll和Beidl71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【20】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【21】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【22】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。1212模块化设计方法台湾学者黄俊哲例、梁文耀【241研究了面向对象的模块化设计方法。K懈iak【251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。Segal【26】将人工智能技术和成组技术应用到模块化夹具的设计中。Palll【17】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。Samieh和Kam伯ni【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。Ji和TseI讨28】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【29】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【30】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1213模块划分方法K吣ialc【25】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。GU【3IJ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Solidwbrl(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；ne【32l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。Tsai【33】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。Salllieh【34】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【35】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【36】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p7】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【39】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。1214模块的编码和配置方法F把dril，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【42】提出一种由GT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GT编码。陈敏贤等f43l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。122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1900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一1920年左右，德国一些厂家首先提出了“模块化构造”(Modlll缸Co鹏tnl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20世纪50年代，模块化设计得到越来越多的重视，瑞士Sclla_ubliIl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1977年开始研究柔性加工单元(FMC)，明确地引进了模块化构造的概念【18】。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nd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Sieme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Linden公司采用61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CArERPIAR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12，生产成本降低了55，显著提高了产品的经济效益和产品的竞争力脚】我国于20世纪70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【43】；南京机床厂的N-038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500r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；天津大学先后与天津锻压厂合作进行液压机模块化设计和天津第一机床总厂合作进行数控机床的模块化设计研究【48】。123模块化设计存在的问题从以上国内外研究现状可以看出，人们对于数控机床的模块化设计进行了大量的研究工作，取得了不少阶段性成果，然而，当前所提出的模块化设计方法中，大多数的方法仅仅局限在某个设计阶段，如设计、制造等等，尚未有系统的理论、方法能够很好的满足数控机床的整个开发过程。同时，在机床的模块划分时，一些建模工作如零部件之间相关度矩阵的建立等对真实的环境做出了大量的简化，降低了其实际应用价值此外，当前关于数控机床的模块化设计并没有开发出相应的辅助设计软件，这就使得模块化设计很难在企业中得到广泛的认可和简便的使用。13论文研究内容本文以南通科技投资集团股份有限公司的MCH63系列卧式加工中心为研究对象，在研究了其功能和结构的基础上，将模块化设计的思想引入到加工中心产品的设计中。在研究了模块化设计的一般方法的基础上针对数控机床的具体情况对其进行了模块的划分、模型的建模等工作，并开发了数控机床模块化设计系统。本文拟在以下方面做出研究：5基于Solidw硎(s的数控机床模块化设计技术研究1在分析现有的模块划分方法的基础上，针对McH63系列数控机床重点研究面向客户需和产品全生命周期的数控机床模块划分方法。2研究包括几何模型和信息模型在内的模块建模方法，重点研究模块信息模型中的编码技术和接口技术，建立数控机床模块的编码体系。3研究基于实例推理的数控机床模块配置方法，重点研究如何使用检索算法获得满足客户需求的数控机床模块，并对所选模块能否进行装配进行判断，研究了在Solidwbrks平台上的实现数控机床模块自动装配的方法。4完成基于SolidWod蹬的数控机床模块化设计系统的开发，以McH63系列数控机床为例，实现数控机床模块的划分、管理、配置等功能。本文各章节之间的内在结构关系如图11所示。6第一章绪论上第二章模块化设计理论基础I数控机瀛分方法第四章第五章数控机床模块的建模技术数控机床模块配置设计技术l第六章基于Solidworks的数控机床模块化设计系统开发上第七章总结和展望图11论文的组织结构南京航空航天大学硕士学位论文第二章模块化设计理论基础现代设计技术及制造技术的发展使得构成现代机械产品的的大多数功能单元成为功能独立的部件，这样为数控机床产品的模块化设计方法的应用提供了有利的条件。模块化设计是以功能分析为基础，通过功能相同但是性能、用途不同的各种模块的互换，可以得到不同型号，尺寸的产品以及变型产品。本章从模块化设计的原理出发，介绍了模块化设计的一般方法、过程以及关键技术。21模块化设计的方式和一般过程211模块化设计的方式根据模块化产品在产品系列中所覆盖的形式和程度，我们把模块化设计分为横系列模块化、纵系列模块化、跨系列模块化与全系列模块化等。不同类的模块化设计在设计时有不同的考虑和特点。1横系列模块化横系列模块化设计是指在基型产品的基础上，通过变更、增加或减少某些特定模块而形成交型产品由于产品的主参数没有发生改变，产品的不同主要反映在结构、布局控制系统等方面，从而不会对基本模块提出很大的不同要求，在设计上容易实现，且通用化程度比较高，所以这种模块化设计是最简单最容易实现的一种。图21为采用横系列模块化设计的普通铣床，设计选择的基型产品为端面铣床，可更换的模块分为端铣头、立铣头、砖塔铣头和卧铣头，通过对模块的不同选择，可以组成四种不同的铣床。州I甫pLLJI立式铣床转塔式铣床卧式铣床端面铣床图21普通铣床横系列模块化设计实例2纵系列模块化纵系列模块化是指在同一类型中对不同规格的基型产品进行模块化设计。所谓规格不同主要体现在主参数的不同，而主参数不同往往导致产品的动力参数、结构形式、尺寸等等的不同。7基于Solidw研lcs的数控机床模块化设计技术研究若把与主参数相关的模块设计成相同的通用模块，势必造成强度或刚度的欠缺或者冗余，欠缺则不能满足需求，而冗余则造成产品结构庞大，浪费材料。因此在此类模块化设计时往往采用分段处理的方式，与主参数相关的模块只在某一个区段内使用，与主参数无关的模块则可在大范围内使用。图22所示为一台磨床的模块划分图。其纵向发展是磨削长度及中心高加工规格的变化。其主要模块有：床身：有放一个砂轮和两个砂轮两种型式；工作台：头架：有万能型、死顶尖型、死项尖纵向位移型等6种型式；尾架：有普通型及可装工件夹紧装置等几种型式；砂轮架：有两种型式，一种砂轮装在左边，一种砂轮装在右边，做端面磨削用；内圆磨具：一种装在砂轮架上，一种装在工作台上，自带进给系统，可在磨外圆的同时磨内圆。通过以上几种模块进行不同组合，可得到满足不同要求的磨床。l-液压装置；27床身；3-头架；4工作台；5尾架；每砂轮架；7前门；8操纵板；9-机床护罩；10电气控制柜图22普通磨床的模块化设计实例图3跨系列模块化跨系列模块化是指对不同类别或组别的产品进行统一设计的模块化设计。这种设计的条件是，跨系列产品应具有相近的主参数，一般只适用于产品总体结构相差不大的情况。它有两种方式，一种是基本相同的基础件上选用不同模块而构成跨系列产品，另一种就是在基础件不同y的跨系列产品上，对具有同一功能的单元选用相同的模块。如图23所示即为一镗铣床模块化设计实例。这五类镗铣床的特点是基础件相同，具有四个主要功能模块：立柱滑块；工作台(移动工作台、固定工作台、落地工作台、辅助工作台)；刀库装置；数控系统。通过选用不同的、模块，则可得到镗铣床和落地镗铣床等不同类别跨系列产品，而通过更换或添加、模块，可以得到数控镗铣床及镗铣床加工中心等横系列产品8南京航空航天大学硕士学位论文毋毋(a)一镗铣床；(b卜数控镗铣床；(c)-镗铣加工中心#(d)-数控落地镗铣床；(c)落地镗铣加工中心图23模块化镗铣床4全系列模块化全系列模块化是指在整个横系列和纵系列即全系列范围内进行统一的模块化设计。由于纵系列模块化设计难度比较大，而且效果又不是很好，所以常常是在横系列模块化的基础上兼顾到纵系列。图24所示为龙门铣床全系列模块化设计的几个主要型式：龙门架上配备不同数目或不同性能的铣头：工作台加长型和缩短型：龙门架加宽型，龙门立柱加高型和降低型等等。(a)(b)(c)(d)(a)一单个滑枕式铣头，龙门加高加宽型；(b)一两个滑枕式铣头，龙门加高加宽型；(c)一三个我套简式铣头，工作台缩短型；(d)两个套筒式铣头，工作台缩短，立柱降低型图24龙门铣床全系列的主要型式9基于Solidwbd(s的数控机床模块化设计技术研究212模块化设计的一般过程模块化设计过程通常包括两方面的内容：一是根据设计要求进行功能结构分析，合理创建模块，即模块的划分；二是根据设计要求从模块库中选择特定模块合理组成产品，即模块配置。典型的模块化设计过程如图25所示。图25模块化设计过程1市场调查与分析市场需求是产品设计与生产的基本依据和导向。所以在产品设计之初需要调查市场对同类产品的需求量、对同类产品不同变型的需求比例，研究客户对产品的要求和意见，分析所采用的模块化设计的可行性和优越性以及可能存在的风险。本文从设计的角度将客户对产品的需求分为功能需求、结构需求、配置需求等，再进一步细分，建立的用户需求树如图26所示。10图26产品设计的用户需求树南京航空航天大学硕士学位论文2确定产品的总功能由于上述的需求有的仍是定性的、模糊的，而反映产品特征的技术需求主要面向设计者，应该是量化的、准确的。为此，可以采用质量功能配置技术将用户需求映射为功能技术需求。将这些技术需求加以综合分析，得到产品的总的功能。3产品功能、结构分解功能分解