（机械电子工程专业论文）幕墙金属构件加工中心的设计研究.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以致谢和指出的参考文献外，论文中不包含其他人已 发表或撰写过的研究成果。同时也向参与同一工作的其他同志对本研 究所做的任何贡献表示感谢。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：呜坐生 摘要 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接 影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世 界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大 的进步。特别是在通用微机数控领域，以p c 平台为基础的国产数控系统，已经 走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题， 特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。如何有 效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世 界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和 生产厂家所面临的重要任务。 为此，为适应如今金属结构件的加工，我们借鉴国外一系列优秀c a m 软件 的设计经验，根据目前国内外设计学者进行机械产品设计时的主要思维特点，将 产品方案的设计方法概括为系统化、结构模块化、基于产品特征知识和智能四种 类型进行设计，设计出了一套具有成组性的、可重构的、模块化的、可扩充的开 放式金属结构件数控专用加工中心机床系统及其配套软件。随着加工对象的变 化，它可以利用模块的更新、发展以及重组进行相应的变换以应付其它的加工生 产要求。 设计出的金属构件加工机床是一种专用数控机床。除基本功能外，针对其使 用及经营的特殊性，需要解决易于操作和运输安装的问题。前者是基于基本图元 编程方法的软件开发，后者则是在轻量化床身结构条件下，机床导轨的简便调整 方法。本文研究了两种快速安装调整床身导轨平直度的方法。 1 、基于平直度自动测量的床身平直度调整方法。 2 、基于床身应力变形恢复的床身平直度调整方法。 随着制造技术的发展，数控专用机床会向各行业渗透，新的经营方式形势也 会不断地向机床设备提出新的功能要求。本论文的研究除可成功应用于金属构件 加工装备行业外，对其他制造装备的设计研究也具有借鉴作用。 关键词： 开放式数控系统金属结构件成组性概念设计 可重构模块化可扩充设计方法学 机床导轨平直度有限元分析 a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ti st h ei m p o r t a n tb a s i so ft h e m o d e r n i z a t i o no fm a n u f a c t u r ea n di n d u s t r y t h eb a s i si st h ek e yp o i n tt ot h e c o u n t r y se c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dg d p a n di ti sc l o s e rt ot h el e v e lo f c o u n t r y ss t r a t e g y t h e r e f o r e ，a l lt h ed e v e l o p e dc o u n t r yc a r r yo u ta l lw a y st o d e v e l o pt h e i ro w nn u m e r i c a ic o n t r o lt e c h n o l o g ya n di n d u s t r y i no u rc o u n t r y t h ed e v e l o p m e n to ft h en u m e r i c a ic o n t r o ia n dt e c h n o l o g y h a sb e e nf o c u s e do nm u c hm o r e ，a n dt o o kav e r yg r e a tp r o g r e s sd u r i n gt h e s e y e a r s e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do ft h ec u r r e n c ym i c r o m a c h i n en u m e r i c a ic o n t r 0 1 t h ei o c a ln u m e r i c a lc o n t r o is y s t e mb a s e do nt h ep cp l a t f o r mh a sr e a c h e dt h e h i g h i e v e ii nt h ew o r l d b u t t h e r ea r es o m ei s s u e si nt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft h en u m e r i c a ic o n t r o i no u rc o u n t r y i ti ss oo u t s t a n d i n go ft h e t e c h n o l o g yi n n o v a t i o na b i l i t y c o m m o di t yc o u r s ea n dm a r k e t i n gs h a r e w i t ht h e n e wc e n t u r y ，h o wt os o l v et h ep r o b l e m se f f e c t i v e l y 。i st h em o s ts i g n i f i c a n t a s s i g n m e n t st h a tn u m e r i c a lc o n t r o ir e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n td e p a r t m e n ti s g o i n gt of a c e ，t h a tp u s ho u rc o u n t r yi n t ot h ef i r s tw o r l dc l a s sg e n e r a l l yo nt h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ta n de s t a b l i s hi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ei n t e r n a t i o n a i c o m p e t i t i o n t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ne x p e r i e n c eo ft h ee x c e l l e n c ec a m s o f t w a r ei nt h ew o r l da n dt h em a i nt h o u g h ti nt h ed e s i g n w eh a v ed e s i g n e da s e to fk n o c k d o w n ，r e b u i l t ，m o d u l a r i z ea n de x p a n s i o n a b i eo p e n i n gm e t a i c o m p o n e n tn u m e r i c a ic o n t r o im a c h i n ea n di n t e g r a t i v es o f t w a r eb yg e n e r a l i z i n g t h ed e s i g nm e a n si n t os y s t e m a t i z a t i o n ，m o d u l a r z a t i o n 。b a s i n go ns p e c i f i c p r o d u c tk n o w l e d g ea n di n t e g e n t i z a t i o n ，t oa d a p tt ot h ep r o c e s so ft h em e t a l c o n f i g u r a t i o n w t ht h ec h a n g i n go ft h ep r o c e s so b j e c t i tc a nd e a lw i t ho t h e r r e q u i r e m e n t o f p r o c e s sb y m o d u i ar z a t i o n u p d a t e d ，d e v e l o p m e n ta n d r e b u i l d i n g m e t a ic o m p o n e n t sm a c h i n i n gm a c h i n ei sas p e c i a lm a c h i n et o o l s i n a d d i t i o nt ob a s i cf u n c t i o n s ，t h es p e c i a lo p e r a t i o na g a i n s ti t su s ea n dt h en e e d t oa d d r e s st h ei s s u eo ft h ei n s t a l l a t i o ni se a s yt oo p e r a t ea n dt r a n s p o r t t h e f o r m e rm a p sm i l l i o ni nt h ec o r et e c h n o l o g yo ft h ei d i o t si nt h ed e v e l o p m e n to f s o f t w a r ep r o g r a m m i n g t h ei a t t e ri si nb e dl i g h t w e i g h ts t r u c t u r a lc o n d i t i o n s t h e m a c h i n et o o ls i m p l ea d j u s t m e n t s 1 nt h i sp a p e r t w ok i n d so fs t r a i g h tr a i lb e d r a p i da d j u s t m e n to ft h ei n s t a l l a t i o nm e t h o d 1 a u t o m a t i cm e a s u r e m e n to ft h es t r a i g h to nt h eg u i d i n gr a i l sf l a t n e s s a d j u s t m e n t s 2 c n cs y s t e m sg u i d i n gr a i ls t r e s sa n dd e f o r m a t i o ng i v et h eg u i d i n gr a i l t or e s t o r ef l a t n e s sa d ju s t m e n t s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，c n cm a c h i n e w i l lb ed e d i c a t e dt ot h ei n d u s t r yi n f i l t r a t i o nan e ww a yo fl i f ea n dt h es i t u a t i o n w i l lc o n t i n u et oo p e r a t em a c h i n et o o l sa n do t h e re q u i p m e n tt h a tt h en e w f u n c t i o n a ir e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rc a nb es u c c e s s f u l l yu s e di na d d i t i o nt o m e t a lc o m p o n e n t so ft h ep r o c e s s i n gi n d u s t r ye q u i p m e n t ，d e s i g no fo t h e r m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ti sa l s ou s e f u l k e y w o r d ： o p e n i n gn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m m e t a l c o m p o n e n t s c o n c e p t u a ld e s i g n r e b u i l t a b l em o d u l a r i z a t i o n e p a n s i o n a b l e d e s i g nm e t h o d o l o g y g u i d i n gr a i l f l a t n e s s l i n e a r i t y f e m 1 2 1 1 课题的来源 第一章概述 随着城市化进程的快速发展，城市面貌正以前所未有的速度发生着变化。风 格各异的高楼大厦、宏伟别致的景观装饰，安全便捷的交通系统，高雅现代的体 育设施展现在城市的每一个角落。随着物质条件的改善与提高，人类对审美情趣 的追求也不断攀升，人类在享受和满足各种建筑与设施的功能需求的同时，也对 其结构、外观、装饰，造型与环境等因素提出了更高的要求。比如，幕墙装饰， 正是应顺这一需求而出现的一个新兴行业。玻璃幕墙优异的通风采光性能，磅礴 高雅的气势风格给人们工作和生活带来舒适与情趣感的同时，也造就了城市的一 道靓丽的风景。 金属构件足指具有一定几何形状的铝铁合金材料或钢结构型材组成的构件。 金属构件与木材、塑料等建筑装饰材料相比较，因其优雅漂亮的外观、良好的力 学性能、安全环保的人文内涵等因素，已成为众多公共设施、幕墙装饰等行业的 主要结构原材料。据资料统计，在城市建筑中大约有6 0 采用了幕墙，而其中9 0 的结构材料是各种金属构件。在各种体育场馆、桥梁建设、电力传输、城市景观 灯塔的建造中，它更是最重要的结构原材料。金属构件的应用见图卜1 所示。 。u j “ 。：。 幽1 一i 金属构什的应削 金属构件的加工主要是指在其表面完成各种所需异性孔类或槽类的加工( 加 工后的金属构件见下页图所示) ，由于形状复杂，尺寸范围较大( 一般长度为2 8 m ) 等因素，如何才能高效率、高质量、低成本的加工金属构件，长期以来成为 一个困扰加工企业的问题。 本课题来源于上海信安幕墙装饰有限公司和上海斯诺博金属构件发展有限 公司足公司与我校的技术合作项目，双方热同研发和制造幕墙金属构件专用数 控加二 = 机床。上海信安幕墙装饰有限公司和上海斯诺博金属构件发展有限公司是 国内幕墙行业的知名企业，公司已有1 0 多年发展伪史，公司土要从事幕墙装饰 t 程项目、各种幕墙结构件的机械加工和幕培行业专用加工设备的研发，本课题 所设计的加工中心所需加t 的金属构件如图卜2 所示， 幽卜2 金属构件 1 2 世界数控技术及其装备发展趋势 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提 出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在阻下几个方 面： 1 2 1 高速、高效、高精度、高可靠性 要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间： 要确保加工质量必须提高机床音i j 件运动轨迹的精度，而可靠性则是卜述目标的 基本保证。为此，必须要有高件能的数控装置作保证。 一、高速、高效 机床向高速化方向发展，叫充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提 高加工效率、降低加= 成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速 加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 新一代数控机床( 含加工中心) 只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能 进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床特别 是高速加工中心的开发应用紧密相关。9 0 年代以来，欧、美、日各国争相开发 应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元( 电主轴， 转速1 5 0 0 0 一1 0 0 0 0 0 r m i n ) 、高速且高加减速度的进给运动部件( 快移速度 6 0 1 2 0 m m i n ，切削进给速度高达6 0 m m i n ) 、高性能数控和伺服系统以及数控 工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬 耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加减速度直线电机驱 动进给部件以及高性能控制系统( 含监控系统) 和防护装置等一系列技术领域中 关键技术的解决，应不失时机地开发应用新一代高速数控机床。 依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、 高响应速度的实时处理，由于采用了新型刀具，车削和铣削的切削速度已达到 5 0 0 0 米8 0 0 0 米分以上；主轴转数在3 0 0 0 0 转分( 有的高达1 0 万转分) 以上； 工作台的移动速度( 进给速度) 在分辨率为1 微米时，在1 0 0 米分( 有的到2 0 0 米分) 以上，在分辨率为0 1 微米时，在2 4 米分以上；自动换刀速度在1 秒 以内；小线段插补进给速度达到1 2 米分。根据高效率、大批量生产需求和电子 驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速 响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加 快，模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。 二、高精度 从精密加工发展到超精密加工( 特高精度加工) ，是世界各工业强国致力发 展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级( l o n m ) ，其应用范围同 趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削( 车、铣) 、超精密磨削、超精密研磨 抛光以及超精密特种加工( 三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复 合加工等) 。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。 新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新 型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。 当前，机械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达到5 微 米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级( o 0 0 1 微米) ， 主轴回转精度要求达到o 0 1 0 0 5 微米，加工圆度为0 1 微米，加工表面粗糙度 r a = o 0 0 3 微米等。 精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性 能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。随着高新 技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要 求也越来越高。为了满足用户的需要，近1 0 多年来，普通级数控机床的加工精 度已由1 0l am 提高到5pm ，精密级加工中心的加工精度则从3 5pm ，提高 到l 1 5um 。 三、高可靠性 是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不 是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于 每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在1 6 小时内连续正常工作，无故障率 p ( t ) = 9 9 以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间m t b f 就必须大于3 0 0 0 小时。m t b f 大于3 0 0 0 小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别 就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为1 0 ： 1 的话( 数控的可靠比主机高一个数量级) 。此时数控系统的m t b f 就要大于 3 3 3 3 3 3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的m t b f 就必须大于1 0 万小时。 当前国外数控装置的i d t b f 值已达6 0 0 0 小时以上，驱动装置达3 0 0 0 0 小时以 e 。 1 2 2 模块化、智能化、柔性化和集成化 一、模块化、专门化与个性化 机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。 为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化， 机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。 二、智能化 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面： 1 、为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自 动生成； 2 、为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数 的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等； 3 、简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人 机界面等； 4 、智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。 三、柔性化和集成化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点( 数控单机、加工中心和数 控复合加工机床) 、线( f m c 、f m s 、f t l 、f m l ) 向面( 工段车间独立制造岛、f a ) 、 体( c i m s 、分布式网络集成制造系统) 的方向发展，另一方面向注重应用性和经 济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主 要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是 以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元 技术的开拓、完善；c n c 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及 其构成柔性制造系统能方便地与c a d 、c a m 、c a p p 、m t s 联结，向信息集成方向发 展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 1 2 3 开放性 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅 速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控 系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。 1 2 4 新一代数控加工工艺与装备 1 、为适应制造自动化的发展，向f m c 、f m s 和c i m s 提供基础设备，要求数 字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下 料、自动换刀、自动更换主轴头( 有时带坐标变换) 、自动误差补偿、自动诊断、 进线和联网等功能，广泛地应用机器人、物流系统； 2 、f m c ，f m sw e b b a s e d 制造及无图纸制造技术； 3 、围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机 床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术 方面先后有所突破。并联杆系结构的新型数控机床实用化。这种虚拟轴数控机床 用软件的复杂性代替传统机床机构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域； 4 、以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支持技术 和智能化决策系统。对机械加工中海量信息进行存储和实时处理。应用数字化网 络技术，使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用。 5 、由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，机械 加工向虚拟制造的方向发展。 1 3 课题的研究意义 机床是机械制造最基本的加工设备，机械制造与加工的发展历史是机床不断 革新演变的历程。数控机床是现代制造业的先进技术装备，它是多学科和多技术 相融合的产物，数控机床的研究与应用水平直接反映了一个国家的机械加工业在 国际上的综合竞争能力。因此，本课题的研究意义主要有： 1 ) 有助于提升我国金属构件加工专用装备技术的核心竞争力。 2 ) 把机电一体化设计方法、概念设计、机械模块化设计方法、开放式数控系 统等应用于金属构件加工机床的研制，为专用机床的研究与设计提供了一个实用 案例。 目前，我国通用数控机床的研究与设计已取得了很大的进步，但针对各行业 特殊需要的专用机床的研究与设计与国际同行相比差距明显，比较落后。由于专 用机床固有的特点和优势，在某些行业有广阔的应用前景，如汽车、模具、齿轮 加工，建筑装饰等行业，专用机床的需求量占整个机床需求量的7 0 左右，而且 专用机床的研制技术已成为该行业的核心技术。所以，数控专用机床的研究将是 未来机床研究的重要方向，本课题在理论和方法上作出了一些探索，同时也为专 用机床的研究与设计积累一些成果和经验。 第二章机床的概念设计 在激烈的市场竞争中，技术与产品创新是企业生存的基础和竞争的砝码。概 念设计是产品设计过程中创新最集中的阶段，研究表明，产品创新的约6 0 来源 于概念设计。因此，本章按照概念设计的理论与方法对本机床进行研究。 2 1 概念设计的基本概念 2 1 1 概念设计的来源 英国m f r e n c h 在1 9 7 4 年编著了一本称之为“工程师用的概念设计 ( c o n c e p t u a ld e s i g nf o re n g i n e e r s ) 的著作，书中对概念设计作了如下的描述： “概念设计就是确定设计任务和用简图形式表达的广义解。概念设计对设计师有 很高的要求，要求对产品各种性能有明显的改善。在这一阶段需要将工程科学、 专业知识、加工方法以及商业知识等各方面知识融合在一起，以作出最重要的决 策”。德国g p a l k 和w b e i t z 在1 9 8 4 年的专著 e n g i n e e r i n gd e s i g n ( 工程设计) 中，对概念设计表述为“在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适 当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计 工作叫作概念设计”。 概念设计是设计的前期工作过程，概念设计的结果是产生设计方案。但是， 概念设计不只局限于方案设计，概念设计应包括设计人员对设计任务的理解，设 计灵感的表达，设计理念的发挥，概念设计还应充分体现设计人员的智慧和经验。 因此，概念设计前期工作应充分发挥设计人员的形象思维，概念设计后期工作较 多的把注意力集中在构思功能结构、选择功能工作原理和确定机械运动方案等方 面，与传统的方案设计没有多大区别。概念设计由于内涵广泛，使其有更大范围 内的创新和发明。 2 1 - 2 概念设计的内涵 概念设计的内涵十分广泛和深刻，不能将它等同于方案设计。概念设计是根 据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功 能的结构设计，进行满足功能和结构要求的工作原理求解以及进行实现功能结构 的工作原理载体方案的构思和系统化设计。概念设计的过程是一个应用发散思维 等进行创新设计的过程，是一个求解实现功能的、满足各种技术和经济指标的、 可熊存在各种方案并最终确定综合最优方案的过程。在概念设计的过程中，要求 设计人员掌握现代设计方法、先进制造技术、专业理论、商业运作等方面的知识。 可以把概念设计理解为是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、 可组织的、有目标的活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具 体、不断进化与展开的推理与决策的过程。概念产品是产品总体特征、性能、结 构、尺寸形状的描述和实现。概念产品是用以评估、验证产品对目标市场的适应 性和符合产品需求说明书的满意度，也是用以制定、实施产品后续开发过程即生 产、销售、服务等的技术基础。 2 1 3 概念设计的特征 概念设计是一个极其复杂的创新思维过程，从概念设计过程来看，它主要具 有如下特性： 1 ) 创新性 概念设计阶段是产品创新最为集中的一个阶段。概念设计中的产品创新归 结为功能修改与增加，原理置换，布局、形状以及结构的修改与更换等多个方面。 其中功能创新是整个设计过程中最初的也是最重要的一步，它需要找出可以实现 该产品功能的各种可能方案并进行优选。创新作为概念设计的灵魂，是通过探索 和修改概念空间来完成的，其手段既包含逻辑推理，更离不开非逻辑过程。 2 ) 复杂性 概念设计的复杂性主要体现在其设计路径和设计结果的多样化上。不同的功 能定义、功能分解和作用原理等会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在 功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。 3 ) 层次性 概念设计的层次性体现在两方面，设计过程的层次性和设计对象表达的层次 性。 4 ) 残缺性 概念设计的残缺性表现为设计信息的不完整、不全面、不确定和不精确，难 以定性定量的统一表达设计知识。 5 ) 递归性 概念设计的递归性表现在不断细化、逐步求精的递归求解过程上。递归性反 映了概念设计的迭代性和反复性。 6 ) 智能性 概念设计的最高境界是实现设计过程的智能性，它是概念设计发展的必然 趋势。智能概念设计的目的是利用计算机全部或部分地替代设计人员从事设计的 分析和综合过程，在计算机上再现设计者的创造性设计过程。 7 ) 人本性 概念设计是人性化的设计，是用户全程参与的概念设计，是设计师超越用 户导向的产品创新设计。“以人为本，为人所用”的理念是本世纪概念设计创新 方法的“人本论”的核心。 总之，创新性是概念设计的最本质特征。产品创新的约6 0 来源于概念设计， 概念设计的结果直接影响后续的设计过程和产品最终的性能特点与功能特征。 2 2 概念设计的过程模型 数控加工机床是典型的机电一体化系统。机电一体化系统是基于机构的主功 能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，并与软件有机结合而成的一 种特殊的机械系统，其最终目的是实现可控的运动行为。为了便于对机床的概念 设计作深入分析与理解，在这一节介绍机电一体化系统概念设计的过程模型，此 过程模型能为机床概念设计提供原则和指导方法。机电一体化系统是现代化的机 械系统，从本质上来说还是属于机械系统，其概念设计过程与一般机械系统的设 计过程没有什么区别，它的概念设计过程模型如图2 - 1 所示。 机电一体化系统概念主要包括功能设计、原理设计、方案设计和初步设计四 个阶段。设计过程为：从市场需求分析出发，确定系统的总功能；通过设计理念 图2 - 1 概念设计的过程模型 2 2 功能设计 原理设计 方案设计 初步设计 的具体构思，进行功能分析和工艺动作过程构思，将工艺动作过程进行分解；选 择合适的广义传动、执行机构系统、传感检测系统和信息处理及控制系统；集成 机电一体化方案，进行若干可行方案的评价，确定最终方案。 2 3 需求分析 需求的发现与满足是产品设计的起点与归宿。产品的研究与设计来源于行 业、个人或社会等的客观需要。产品需求的分析、发现与满足对产品能顺利进入 广阔的市场，给企业带来高额的独占利润具有十分重要的意义。 幕墙行业平时常见的金属构件有：工字钢，角钢等，此外还有各种形状独特 的铝铁合金材料( 图2 - 2 所示) 。 图2 2 铝铁合金构什截面图 通过对幕墙行业金属构件加工的深入考察，概括起来其加工对象和专用设备 主要特点与功能需求如下： ( 1 ) 幕墙金属构件多为细长的铝合金型材，有截面形状较简单的矩形型材， 也有截面形状十分复杂的型材。型材长度范围很大，宽度范围要求一般。故所需 专用设备不需很宽，但一定要较长。 ( 2 ) 铝合金型材壁厚一般较薄，加工时切削量小、切削力小、切屑少，但 需要较快的切削速度。故所需的专用设备床身结构必须具有很好的强度、静动刚 度和抗振性能，并且，主轴部件须轻巧灵活。 ( 3 ) 幕墙行业的一个显著特点是：幕墙金属构件加工量、加工内容和加工 地点并非常年稳定，而是随具体的建筑项目，集中在规定的工期内，幕墙金属构 件加工量庞大。许多己制作好的庞大玻璃幕墙搬运不便，为减少物料的流动，幕 墙金属构件加工地点依具体的建筑项目地点而定，加工内容也是按具体的建筑项 目要求来确定。正因为这样，所需的专用设备虽然庞大但必须轻量化以便于帮运， 便于架构组合以适应新的2 v - r 要求。开放式设计和模块化设计思想在专用设备的 硬件和软件两方面都十分重要。 ( 4 ) 需要加工的只是型材的水平面、侧面、斜面和端面等一系列平面，不 必加工空间三维曲面。加工方式一般为铣削、钻削和锯削。加工工艺要求并非复 杂多变，而是具有一定的行业特色和标准。 机床常加工的各种异形孔及组合见图2 - 3 所示。 口口口 固c o oo o o oo o o o o o o 图2 3 异形孔类图元及组合 2 4 功能分析与原理解 2 4 1 总体功能与实现方案 用户对产品的需求是通过产品的功能来实现的，机械系统的开发与设计以系 统功能分析为出发点，并始终围绕功能的实现和性能的提升而开展一系列设计任 务。因此，在这一节首先分析金属构件加工机床的总体功能与实现方案。 机床总体功能是：操作人员在人机界面上以图元编程的方式输入待加工图元 的数与据信息后，机床自动的在金属构件的表面上高效率、高质量的加工出所需 的异形孔类或槽类图元。 总功能的实现方案是：操作人员通过人机界面从系统的构件库中选择所需加 工的构件图形，从系统图元库中选择需要加工的图元并以图元编程的方式与系统 交互地完成图元几何形状参数、位置参数、工艺数据与信息的输入，选择的构件 和图元实时显示在人机界面上；输入的图元数据与信息经过系统信息单元快速而 牡体构思 迅扩 暖圜协 母一一一8 一一一一一8 加 工 后 的 构 件 圈2 - 4 总体功能及其实现方案 准确的控制和处理后转换为加工指令序列；机床驱动与执行单元接收到该加工指 令后迅速地执行相应的工艺动作，从而在构件表面加工出高质量的孔类或槽类图 元：加工过程主要由机床自动完成，几乎不需要操作人员的干预和控制。 机床总体功能及其实现方案见图2 4 所示。 2 4 2 功能分析与原理解 本系统研究与开发的机床是典型的机电一体化产品。机电一体化产品概念设 计的思想是在以“三子系统”模块分别设计的基础上将各学科的方法、技术、理 论与经验等进行有机地结合。下面把系统分为执行装置、检测装置、信息处理装 置三大模块，分别对各模块进行功能分析与工艺动作的求解。 2 4 21 执行装置( 广义执行机构) 的功能分析与原理解 ( 1 ) 功能方法树 p a h l 及b a i t z 在概念设计阶段讨论了功能并将功能定义如下：“系统的输入 量和输出量之间的一般的、希望有的关系”。系统的总功能是总任务的描述，可 分解为分功能，分功能是分任务的描述。功能的解或实现称为方法。按h u b k a 定 功能 方法 图2 5 功能方法树原理图 律，机械系统中的功能与方法之间存在因果关系，功能被方法所实现，方法与 一系列实体相对应，实体的作用结果正是功能的解。基于这一定律，机械系统可 以用功能方法树所示的功能模型来描述，该树是一种分层结构，功能与方法构成 不同的层，层与层之间用线段连接。图2 - 5 是功能方法树的原理图。此功能方法 树共有6 层，其中1 1 是树根即待设计系统的总功能，最底层( 4 1 ，6 1 ，6 2 ，4 3 ， 6 3 ，4 5 ) 是一系列方法，这些方法与现有的标准零件或能实现某种功能的模块化 部件相对应。 ( 2 ) 模块化设计方法 随着科学技术与人类文明的发展，用传统的机械设计方法与手段设计出的 产品很难满足用户多样化、多层次的需求，同时也难以实现市场对产品开发种周 期短、质量高、成本低、可维护、功能可扩展、可升级，系列化的客观需要。为 了适应这用客观的需要，近年来，工业发达国家竟先研发出了具有模块化特征的 机械产品。模块就是具有独立功能和输入、输出的标准部件，模块化研究成为工 业设计领域的热点，并已发展成模块学理论。模块化设计是一种着重解决产品品 种、规格与设计周期、成本之间的矛盾的设计方法。它强调以功能分析为基础， 以市场预测为导向，把功能不同或者功能相同而性能不通的模块进行组合和互 换，形成多种通用、变形的产品，使产品系列具有很大的适应性。 科学技术促进了专业化生产的快速发展，目前在市面已有各种各样的质量可 靠、性价比较高、接口标准化的模块化机械零部件和电气部件，如滑动导轨、滚 珠丝杠、伺服电机、开关电源等。为达到缩短开发周期，提高设计效率，降低设 计成本的目的，在新产品研制时往往需要充分应用成熟的技术和社会现存的资 源，尽量选用各种功能模块。 ( 3 ) 执行装置的功能分析与功能原理解 产品概念设计中，功能方法树是对功能分析与工艺动作求解的一种常用的 方法。按照功能方法树的原理，本节对系统的执行装置进行功能分析与求解。 执行装置的总功能是：接受信息处理装置的信号和指令后执行相应的工艺 动作，在金属构件表面上加工出各种所需异形孔类或槽类。对总功能作进一步分 解并逐一求解，其功能方法树如图2 - 6 所示。 图2 6 执行装置的功能方法树 ( 4 ) 执行装置功能原理解的初步分析与评价 金属构件的尺寸范围较大，一般为2 8 m 。根据实际设计经验，加工这样的 大型工件，机床在总体结构上一般采用龙门式结构；工件与刀具切削的相互运动 形式一般是工件固定于工作台，刀具头沿直线坐标轴移动和绕旋转坐标轴转动， 采用这种加工方式，机床的整体结构简单，切削运动形式容易实现。所以，图2 6 功能方法树最顶层右边的方案应放弃，采用左边的方案。 机床平动轴( x 、y 、z 轴) 一般采用的驱动与传动方式为：电机一丝杠一滑枕( 或 螺母) 。由于本机床x 轴的位移量较大，约2 8 m 。若采用丝杠传动，则2 8 m 长的 丝杠加工比较困难，成本较高；而且丝杠中间位置的刚性较差，会影响传动精度， 所以丝杠传动不太合适。传动形式不防采用：伺服电机一减速器一驱动齿轮一齿 条一x 轴滑枕。此种传动形式可充分应用机电一体化技术，实现机械与电气在功 能上的融合和互补。具体表现在：1 、齿条a n t 较简单，成本低，x 轴的长齿条可 由几段短的齿条拼接；2 、x 轴电机驱动龙门架及其上的各种部件运动，所需的驱 动力较大，采用减速器可以把电机的输出力矩放大；3 、齿轮与齿条啮合传动时 存在的侧隙影响了传动精度，但可以通过在控制系统中采用软件补偿的方法来解 决。 工件固定于工作台，为了满足操作简单、加工自动化程度高等设计需求，工 件夹紧一般采用气动或液压夹紧的方式，特别是气动较液压具有清洁、结构简单 等优点，在机械加工设备中得到广泛使用。 在机床的总体紧固与支撑方面，整体铸造的床身的结构刚性和抗振性固然比 采用焊接而成的床身好，但此机床的结构尺寸较大，整体铸造的成本显然较高， 很不经济。所以在综合考虑机床的性能与成本后，床身采用钢板焊接而成。 经过以上初步评价，可供选择的方案总数共有：1 2 2 2 1 2 x1 = 1 6 。 ( 5 ) 执行装置的总体结构 机床执行装置经过初步评价后，结构简图如图2 7 所示。主体结构由底座、 龙门柱、工作台、滑枕、导轨、丝杠、电机、减速器、齿轮、齿条等组成。 z 轴电机 图2 - 7 执行装置的结构简图 2 4 2 2 检测装置的功能分析与原理解 轴电机、 巍器、 马匡动齿轮、 齿条 ( 1 ) 检测装置的功能分析 系统在执行加工任务时，检测装置实时的检测系统的运行状态，并把检测结 果转换为电信号反馈给信息处理装置。检测装置的功能描述如图2 8 所示。 ( 2 ) 检测装置的功能原理解 图2 - 8 检测装置的功能描述 表2 - 1 位移检测功能解 增量式应用广泛、输出脉冲信号、阻抗小、信号线少、响应频率高、 光电编码器抗干扰与污染能力好 绝对式应用广泛、输出脉冲信号、阻抗小、信号线较多、响应频率高、 光电编码器每一个位置对应唯一的输出信号 长光栅 输出脉冲信号、响应频率不高、抗污染能力差、分辨率较高 表2 - 2 气压检测功能解 气压传感器特点 检测气压是否高于或低于某一设定值，输出电平信号，常 开关型 用于检测系统的气压是否在正常的t 作范围内 检测气压差动值，输出模拟信号，常用于连续的过程量控 模拟型 制系统 表2 - 3 位置检测功能解 位置检测特点 接近开关非接触式检测、可靠性不高、抗电磁干扰能力差 接触式检测、可靠性高、电平信号输出、灵敏性好，抗电 行程开关 磁干扰能力强 ( 3 ) 检测装置功能原理解的评价 长光栅传感器常用于需要精确定位的闭环控制系统，价格较编码器昂贵，再 加上长光栅抗干扰与污染能力差，结合本数控机床的应用环境和性能要求，位移 传感器选用增量式编码器能取得较高的性能价格比。考虑到本系统的实际要求， 压力传感器选用开关型；为提高系统的安全与可靠性，位置检测选用行程开关。 由上述分析可得，检测装置的功能原理解是： 位移传感器气压传感器位置检测 上上上 增量式光电编码器开关型压力传感器行程开关 2 4 2 3 信息处理装置的功能分析与原理解 ( 1 ) 信息处理装置的功能分析 信息处理装置即控制装置，是整个系统的核心部分。信息处理装置一方面接 受检测装置反馈的检测信号并做出处理；另一方面提供人机操作界面，实现图元 的编程输入，系统信息显示、管理，监控，并把输入的图元数据信息作运算与处 理，最后转换为控制指令并传送给执行装置，执行装置在接受指令后执行相应的 图2 9 信息处理装置的功能分析 工艺动作，从而执行加工任务。信息处理装置的功能分析如图2 9 所示。 ( 2 ) 信息处理装置的功能原理解 本课题研究的系统是典型的机械加工与数字控制系统。目前，在机械加工领 域广泛使用的数字控制系统有两大类：传统c n c 系统和开放式数控系统。 1 ) 传统c n c 传统c n c 系统一般采用专用计算机数控装置，所用计算机是数控系统