（机械制造及其自动化专业论文）活塞加工专用设备模块化设计的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 模块化设计作为一种现代设计方法，不仅使产品的设计与制造过程趋于合理 化，而且可以增加其柔性和适应性，以多品种、小批量、个性化的生产模式满足 快速多变的市场需求，为企业带来极大的经济效益和社会效益。 本文的主要目的是将模块化设计的思想应用于活塞加工设备的设计中来，结 合企业生产实际，对机床产品计算机辅助模块化方案设计理论和方法进行了深入 的研究与探索，构建了活塞加工专用设备模块化方案设计系统框架，总结出活塞 加工专用设备的模块化设计方法。 首先论述了模块化设计的技术经济意义及其在先进制造技术发展中所起的作 用，介绍了模块化设计的现状和发展趋势。 通过对活塞加工专用设备进行功能分析，运用功能分解的方法，创建了功能 模型；应用成组技术研究了活塞加工专用设备的模块编码，对活塞加工专用设备 模块进行了功能分类，划分出不同的模块，从而为计算机辅助模块化设计( g 址d ) 打下了基础。 根据活塞加工专用设备模块化方案设计的需要，确定用基于约束的参数化设 计方法来进行模块创建，建立了基于约束的参数化模块模型创建的一般过程和方 法并应用于实践。 通过研究机床模块化总体方案的设计与评价，建立了一种基于模块的参数化 装配模型，利用u g 机械设计平台实现了装配建模，运用模糊综合评价方法对方 案进行了综合评价。 通过本课题的研究，探索了针对活塞加工专用设备的科学，实用、快速增效 的设计方法，并为今后的深入研究提出了进一步设想。 关键词：活塞加工设备模块化装配模型 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sam o d e r nd e s i g nm e m o & m o l d - b l o c kd e s i g nn o to n l ym a k e st h ep m c e s so f d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gr a t i o n a l i z e d ，b u ta l s om a ye n h a n c ei t sf l e x i b i l i t ya n d a d a p t a b i l i t y i ts a t i s f i e st h em u l t i v a r i a t em a r k e td e m a n d sa n db r i n g sg r e a te c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t si nt h ep r o d u c t i o nm o d e lo f g r e a tv a r i e t y , l o w - v o l u m ea n di n d i v i d u a t i o n t h et h o u g h to f m o l d - b l o c kd e s i g ni sa p p l i e di nt h ep i s t o nm a c h i n et o o l sd e s i g ni n t h i sp a p e r b a s e do nt h ep r a c t i c eo f m a n u f a c t u r i n g , t h ed e s i g nt h e o r i e sa n dm e t h o d so f c o m p u t e ra i d e dm o l d - b l o c kd e s i g n ( c a m d ) o f m a c h i n e t o o l sa r es t u d i e da n d e x p l o r e d t h ed e s i g ns y s t e mf l a m eo f t h em o l d - b l o c ks c h e m eo f p i s t o nm a c h i n et o o l si sb u i l d t h em o l d - b l o c kd e s i g nm e t h o do f p i s t o nm a c h i n et o o l si sa l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h et e c h n i c a la n de c o n o m i c a ls i g n i f i c a n c eo f c o m p u t e ra i d e dm o l d - b l o c kd e s i g ni s d i s c u s s e d ，a n dt h ea c t u a l 埘a n dt r e n do f t h ec a m di sa l s op r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h r o u g ht h ef u n c t i o n a la n a l y s i so f p i s t o nm a c h i n et o o l s ，t h ef u n c t i o n a lm o d e li s b u i l t b a s e do nt h eg r o u pt e c h n o l o g y , t h em o l d b l o c kc o d i n go f p i s t o nm a c h i n et o o l si s s t u d i e d , a n dt h em o d e - b l o c k so f p i s t o nm a c h i n et o o l sa r ea l s oc a t e g o r i z e db yt h e i r f u n c t i o n s t h ec l a s s i f i c a t i o no f d i f f e r e n tm o d e l sl a y st h ef o u n d a t i o nf o r t h ec o m p 咖 a i d e dm o l d - b l o c kd e s i g n a c c o r d i n gt h en e w e l so f t h ep i s t o nm a c h i n et o o l sm o l d - b l o c kd e s i g n , p a r a m c l r i c d e s i g nm e t h o d sb a s e do nc o n s t r a i n t sa r cu s e dt op r o d u c em o l d - b l o c k t h en o r m a l p r o c e s sa n dm e t h o do f p r o d u c i n gp a r a m c t r i cm o l d - b l o c km o d e lb a s e do nc o n s t r a i n t sa r e p r e s e n t e dt ou s ei np r a c t i c e b ys t u d y i n gt h ed e s i g na n de v a l u a t i o no f p i s t o nm a c h i n e t o o l sm o l d - b l o c kd e s i g n , ap a r a m e 研ca s s e m b l ym o d e lb a s e do nm o l d - b l o c ki s 芦e s e n t e d t h ea s s e m b l ym o d e li s b u i l tb yu s i n gu gt h ep a r a m e t r i ca s s e m b l ym o d e li se s t i m a t e db yt h ef i l z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o & i nt h i sp a p e r , as c i e n t i f i c ，p r a c t i c a l ，r a p i da n de f f i c i e n td e s i g nm e t h o do f p i s t o n m a c h i n et o o l si ss t u d i e d ，a n dt h ef u r t h e rc o n c e i to f i t sd c e pr e s e a r c hi sp r e s e n t e da s w e l l k e yw o r d s ：p i s t o n , m a c h i n et o o l s ，m o l d - b l o c k i n g , a s s e m b l ym o d e l 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。除文中己经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己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。 做作者签名盔型 日 p 们r 1 l 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：丝导师签名 日 、 啦互乡矿 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 随着世界经济一体化进程的加快，市场竞争也由过去的局部演变为全球范围 内的竞争，传统的相对稳定的市场随竞争的日趋激烈而逐步带有动态多变的特征； 同行业之间、跨行业之间的相互渗透和市场需求的迅速变化，迫使制造企业向多 品种、小批量、个性化的模式转化。企业的组织模式必须具有足够的柔性和敏捷 性，并能尽快地改变品种、更新设计、缩短生产周期、降低生产成本、提高产品 质量和服务质量，只有这样，才能占有相当的市场份额并获得较高的利润。研究 和开发活塞加工专用设备的模块化设计技术，可以使企业能够根据用户的需求变 化快速设计、制造出能满足市场需要的加工设备。 现代生产中存在着一对基本矛盾，即用户要求产品的多样化、小批量与生产 本身追求的单一化、大批量的矛盾。柔性技术以生产的多样化、快节奏为目标， 强调系统对生产反应的灵敏性和本身的多用性、可变性。近十多年来，美国、德 国、日本等工业发达国家对汽车、机床等行业投入巨资，在关键零部件先进制造 技术方面开展研究且取得了较大突破，其实质便是以可重构制造系统( r m s ) 、可 重构加工技术为主要特征的新兴制造技术及装备的开发和应用，这新兴技术充 分发挥了计算机技术、自动化技术、网络技术的优势，全面利用现代设计技术， 实现先进制造技术、计算机控制技术、自动化传输技术、自动化检测技术和网络 技术的一体化，从而实现零部件产业技术装备的升级。随着零部件生产技术装备 的升级，不仅提高了生产效率，降低了成本，还将在加工精度上取得重大突破。 开发主要部件为模块化的可重构技术装备，并能根据不同零件的加工工艺进 行快速重构组合，适时快速地为机械制造业提供先进优质的技术装备是摆在广大 设计者面前的艰巨任务。c a d 技术的广泛应用使产品的开发周期大大缩短。然而， 制造系统本身的设计却不是这样，机床厂仍缺乏快速提供成套专用自动化加工设 备的能力，特别是设计周期太长，无法适应用户需要。而模块化技术是实现柔性 技术的重要途径之一当机床作为产品时，模块化技术在利用通用模块解决机床 共性之后，集中精力解决个性问题，并用“以最少的模块组合成最多的机床”为指导 思想实现市场对产品多样化的要求；当机床作为生产工具时，则利用其模块的特 性，一机多用，模多用，通过机床模块的重新组合达到系统的硬件柔性。 山东大学硕士学位论文 活塞作为发动机的1 d 脏”零件，属于精密、复杂的旋转类零件，技术含量高、 加工难度大，其加工工艺的特殊性、加工能力的高效性决定了其加工设备的专用 性。活塞品种规格的多样性，使活塞加工专用设备的设计呈现多样化，但是由于 活塞加工工艺的相似性，其专用加工设备部件的功能、结构也具有相似性，在设 计时往往只需要对某些参数做些调整，以适应加工的需要。以往的设计往往由经 验模拟法进行重新设计，造成设计任务量大，同一类机床由于设计人员经验、能 力等不同而造成局部设计版本多，虽然大同小异，但不通用。这样就形成了设计 时间长，生产准备周期长，维修更换件不能通用的局面。因此，在可重构的约束 条件下，构建模块化设计系统框架，并逐步完善其内部基本功能模块具有极其深 远的意义和价值。 1 2 模块化技术经济意义 现代机械制造技术是集工艺方法、装备、材料及检测控制等于一体的成套技 术，它的核心和基础就是优质、高效、低耗、环保，它具有先进性、系统性、集 成性、技术与管理紧密结合等特点。为了适应市场的多变，近十年来，柔性制造 ( f m s ) 、快速原型制造f p p m ) 、智能制造( d 田、精良生产) 、并行工程( c e ) ， 敏捷制造( j 地d 、绿色制造( g 岣和虚拟制造( v m ) 等新的制造技术，方法、概念不断 涌现，极大地推动了先进制造技术的发展。 ( 1 ) 模块化与柔性制造单元 柔性制造单元( f m c ) 是针对生产率和柔性这两个互相矛盾的目标，把搬运、装 卸、加工、控制功能有机结合而组成的自动化水平较高的制造单元，可适应多品 种，小批量生产的要求。柔性制造单元以生产的多样化、快节奏为目标，强调系 统对生产反应的灵敏性和本身的多用性、可变性。f m c 实施模块化设计可用不同 模块组合以实现加工过程多样化和可变性的要求，从而可从硬件上实现柔性。因 此模块化设计是实现f m c 的重要途径之一。 ( 2 ) 模块化与敏捷制造 敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 是1 9 9 1 年首先出美国提出的一种面向2 l 世纪 市场竞争的新的企业发展战略。它一经出现，立刻成为制造业的研究热点。敏捷 制造强调企业对市场响应的敏捷性。生产装备的可重构( g e c o n f i g u r a b l e ) 、可重用 ( r e u s e a b l e ) 和可扩充( s c a l a b l e ) 是生产过程可重组的基础，而生产装备的模块化设计 体现了可重构、可重用和可扩充的要求，因此，是企业实施敏捷制造的一个条件。 2 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 模块化与产品生命周期 产品生命周期是指一种产品在设计开发、实验鉴定、制造后投入市场到失去 市场竞争力( 没有重复定货要求) 为止的整个周期，也就是产品在市场上的生存周 期。产品生命周期包括产品的设计、制造、销售、维修、升级、回收和再利用等 环节。过去，产品生命周期一般较长，可以让设计、实验鉴定和制造过程占用较 多时间。但随着技术的进步和市场竞争的加剧，产品生存周期日益缩短，不允许 十年、数十年不变。更多的机械产品，如现代企业多品种生产的产品，在市场上 的生存期很短，定货方要求交货期短，故必须寻求快速开发、制造新品种和保证 质量的有效途径，产品模块化的突出特点就是能够缩短产品设计和制造周期。另 外，产品生命周期工程要考虑减少产品对自然环境的污染和破坏，为此除了在生 产过程中要做到清洁生产外，产品在设计时就要考虑到加工、维修、升级、回收 等问题，由于模块化产品中模块是具有独立功能的单元，不仅便于组织生产，而 且如果产品出了问题，可及时修理或更换模块，不致于造成整个产品的报废。同 时，产品的升级可以通过某个模块的升级来实现，减少了报废产品的数量，因而 减小了对环境的影响。即使某产品在市场上被淘汰，优良的模块仍可用于另一种 受欢迎的产品中此外，产品的回收和再利用要考虑拆卸与组装的可能性和经济 性，而模块化产品恰恰具有这种优点。 综上所述，模块化设计不仅具有巨大的技术经济意义，而且随着制造技术的 发展，机床及其控制系统的模块化将成为发展趋势。日本机床工业会早在上个世 纪七十年代就把“构成单元和控制装置的模块化”作为技术开发课题，明确指出馍 块化是机电一体化的基本原理与方法”。国内一些有识之士提出：“应按照模块化原 则进行设计，以最大限度地提高制造设备的柔性和可靠性”；认为“模块化是实现机 械工程新理论体系的基础与关键”2 1 ；“现代科技的迅猛发展，尤其是微电子、新 材料和集成技术的发展，使产品结构发生了革命性的变化，机电一体化、模块化 已成为工程产品的发展趋势。”3 可见，模块化设计的理论及方法的研究和完善， 会使机械产品设计发生深刻的变化，并将取得巨大的经济效益和社会效益。 1 3 国内外桉蛱化设计硼究现状 1 3 1 模块化设计的实现方法 模块化产品设计被称为简化产品实现、减少开发成本和缩短制造周期的最有 效方法和工程设计实践。现代模块化设计方法的研究已经广泛融合其它现代设计 3 山东大学硕士学位论文 方法、制造和管理技术，如计算机辅助设计、价值工程、可靠性和优化设计、成 组技术等。模块化设计方法的研究，包括不同的设计方法和组合理论。 ( 1 ) 模块化的概念 模块化一般指使用模块的概念对产品或系统进行规划和组织。模块概念的内 涵一般指的是产品组成单元( 零部件) 的抽象，是一种实体的概念，如，把模块定义 为一组同时具有相同功能和相同结合要素，具有不同性能或用途甚至不同结构特 征，但能互换的单元。 t s u k u n e 4 等研究了模块的广义内涵，模块的概念不仅指硬件模块，还可以是 软件模块，甚至是抽象的活动，把部件、产品、制造设备，连同设计、操作活动 都作为模块来进行统一描述，以这些模块的组合来构造和运行制造系统，以模块 模型为基础来建立制造系统的模型。 ( 2 ) 模块化原理和实旋方法 童时中5 。m 从系统论和设计方法学的角度对模块化概念的由来、模块化的基 本原理、模块化的目的和对象、系统分解技法和模块化的实施途径进行了系统研 究，分析了模块化作为一种现代设计方法及新的标准化形式而形成独特的标准化 属性，论述了模块化的技术经济价值以及其在现代大工业生产中的基础地位。把 机电产品的整个模块化过程分为三大阶段：规划( 宏模型建立) 阶段：模块体系 ( 微模型) 建立阶段( 包括设计、制造) ；模块运用( 模块化产品开发和商品化) 阶段( 包 括设计、制造、营销) 。详细分析模块化体系实施管理工作的主要内容有：模块 化的过程管理；模块化的技术管理：模块化的产销管理。从而为取得预期的 效益，正确实施模块化设计、制造和营销管理，提供了方法学上的指导。 ( 3 ) 模块化产品和系统设计方法 与模块化设计有关的问题包括：模块创建与识别，即模块综合；接口分析与 评价；模块选择与配置。 g u 川等提出了一种面向产品生命周期、工程多目标( 易于回收性，可升级、 可重复利用、重构等) 的集成模块化设计方法。该方法首先识别与上述目标有关的 因素，通过相关分析把这些因素关联到设计部件上，利用遗传算法把部件聚集成 模块。该方法包括三个阶段：u 】题定义、相关分析、模块形成。最后，指出了在 产品模块化时为了达到总体最优，也应当考虑模块化设计存在的缺点，如可能会 使产品尺寸变大，需要为模块化付出额外的开销等。 4 山东大学硕士学位论文 t s e n g 和j i a o ”提出了通过分析设计矩阵的模块识别算法，目的是在系统 设计层次上实现电子产品的模块化电路设计。他们通过设计矩阵表达了设计对象 ( 功能需求) 和物理解决方案( 设计参数) 之间的影射关系，并成功地把成组技术和单 元制造中相似问题的算法应用于设计矩阵的聚类分析。 k u s i a k1 1 3 ) 注意到制造工业迎接敏捷制造的迫切需求，研究了一种综合考虑成 本和性能的产品模块化方法，依据s u h 的公理化设计理论，系统分析了功能需求空 间、模块化功能空间和模块部件空间之间的映射关系及其分类。 ( 4 ) 分级模块化设计与c a d 为了克服传统基于变型的模块化设计方法的严重缺陷( 即缺乏能满足所要求设 计规范的多种解决方案的能力) ，充分采用c a d 和g t ( 成组技术) 以及其它先进的设 计管理系统，实现实用模块化结构的设计。y i t o 和y y b s b i d a “引从分析机床结构入 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 和解决的四个原则和问题( 分析原则，标准化原则，结合原则和适应原则) 。提出了 机床的分级模块化结构系统的概念，从而有利于充分利用c a d 和g t ( 成组技术) 以 及其它先进的设计管理系统在这种设想中，把机床的部件分解到零件以下，引 入了负模块的概念，使得作为结构基础的基本组件易于实现规范化。 ( 5 ) 模块划分 模块划分也称模块识别。模块划分可以有不同的方法和层次，但一般主要从 功能的角度进行分析和讨论模块的划分问题。在功能分析的基础上，进行合理的 功能分解，实现合理的模块划分，创建出满足特定功能的模块，制定出满足用户 要求的产品总体方案。g e r x o n “匀等提出了子功能为独立模块的1 1 个条件，并作 为模块划分的通用原则，研究了相应的模块识别方法。g u “等提出了基于部件相 关度和遗传算法的模块划分方法。姜慧“们等研究了基于功能分解和子功能之间的 相关度计算相结合的模块划分方法，使得模块划分方法从按经验和指导性原则进 行，发展到可以系统地、有步骤地、程序化地进行。h e v a n s ”7 先后建立了单个 模块设计和多个模块设计问题的数学模型，为计算机辅助模块划分打下了基础。 关于此模型的求解方法也引起了许多运筹学研究者的兴趣，但所利用的求解算法 都是较专用的，而且难以对大规模的问题求解，因而没有在实际中得到广泛应用。 1 3 2 模块编码的研究 模块编码的研究主要是为了利用编码对模块的功能、结构形式、力流等进彳亍 山东大学硕士学位论文 描述，以便用于模块的组合、机床的布置等方面。关于模块编码的研究，d v r a g o v c 按机床部件的形状、功能和部件之间的连接方式进行编码，这种编码的特点是 能表示出模块化机床的五个方面：( 1 ) 机床的布局；( 2 ) 主运动和辅运动的形式和 数且；( 3 ) 模块的连接顺序和运动方向；( 4 ) 刀具与工件的相对运动布局；( 5 ) 确 定机床的布局以及由此派生出来的其它布置形式。y i t o 和y s a i tn 2 的编码考 虑机床的基型设计，结构内部的力流和成组技术。它分为三个步骤：( 1 ) 力在机床 结构内流动的描述，( 2 ) 为力流区域内的模块编码；( 3 ) 将上述编码沿着力流方向排 列成有向图，构成机床的结构模式。到上世纪7 0 年代中后期，y s a i tn 2 对模块的 编码又作了进一步的发展，其中在下面三个方面作出了创新：( 1 ) 编码与机床的结 构联系起来；( 2 ) 以模块功能的相似性与结构的相似性计算研究多品种机床模块化 设计；( 3 ) 用编码组成的模式图描述机床的布局和模块之间的关系。他的编码由五 位数字组成，第1 位和第5 位分别表示力的流入面和流出面，第2 、3 、4 位数字分 别代表模块部件的主要外形，立断面形状和主要功能。由于力的流入面和流出面 又是和其它模块之间的连接表面，故可以表示模块之间的安装关系。这种编码方 法不但描述了模块的结构，也描述了由哪些模块组合成机床，而且还能说明机床 内各模块之间相互位置关系。赵阳“等研究了模块的柔性编码系统，利用成组 技术进行分类编码，通过模块的设计编码进行模块的信息描述，实现计算机辅助 模块化设计中各环节的信息传递。模块的设计编码分为两段：第一段为模块的识 别码：第二段为模块的功能体( 面) 的特征码段，用以描述模块主要零件的功能形状、 定位方式等。特征段由方位码、功能体( 面) 码、定位方式码三部分组成。一个特征 码段描述一个功能体( 面) 。模块的设计编码的长度随其功能体( 面) 的数目而变化。 1 4 课题嘶研究内容 课题主要研究以活塞( 盘类、短轴类) 作为最终产品的加工专用设备的模块化设 计，以功能要求为基础，对活塞专用加工设备部件进行模块化划分，研究模块模 型创建方法，将工程设计参数作为模块组合的主要依据之一，根据所提出的设计 参数，选择或设计出最优的模块结构，并由此组成最优的产品结构。本课题的具 体目标和内容是： ( 1 ) 研究功能模块部件的划分方法、规则； ( 2 ) 按照功能模块化设计的思想，对活塞加工专用设备进行功能结构分析和 划分： 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 对模块及模块接口编码进行研究，建立模块管理系统框架； ( 4 ) 对有功能要求的模块，对其模块结构进行参数化、变量化分析，建立模 板模块模型。 ( 5 ) 建立活塞加工专用设备的模块化方案设计系统框架； ( 6 ) 整机方案设计与评价。 山东大学硕士学位论文 第2 章活塞加工专用设备功能部件模块的创建 2 i 设备模块划分方法的研究 2 1 1 模块应具备的特征 模块是模块化设计和制造的功能单元，必须能够满足需求的多样化以及便于 制造和管理。因此，模块应具备以下特征： ( 1 ) 相对独立性 相对独立的功能模块的功能是产品总功能的一个组成部分，功能独立的模 块组合产品时，不会出现功能冗余而且灵活性大，适应性强；在产品品种发展中 变动的可能性小，可在不同系列产品中使用；可以单独进行试验、验证，调试、 制造、储备，并可作为独立的商品流通于市场。如精镗活塞销孔的镗头部件、加 工活塞异形外圆的直线电机等。 相对独立的结构一个模块虽然要同别的模块相联接，但它在结构上并非必 须为某个模块的附属装置才能完成自己的特定功能。只要模块的接口标准化，很 容易更换模块而组合成多种变型产品。 ( 2 ) 对市场需求变化的快速应变能力 通用性在条件允许的范围内尽可能选用性能参数的上限值，以适应多种产 品的需要，扩大通用化范围。 互换性模块配合部位的结构形状和尺寸必须标准化。 系列化模块应具有相应的系列标准，其规格、尺寸必须按系列标准确定。 建立机床模块应以功能分析、分解为基础，同产品品种规划( 包括产品系列参数、 型谱) 和优化要求相结合，使其适应产品品种规格和参数变化要求，具有经济合理 的系列性，既便于用户挑选，最大限度地满足市场需求，也便于组织生产，降低 成本和提高产品质量。 2 1 2 模块划分原则 模块划分最重要的问题是功能分解的层次与规模。从图2 1 可见，应该避免模 块数量的不足或超量。但是，怎样划分模块才能使系统的模块数更加合理呢? 模块 划分越细，模块的层次和级别愈低，模块数越多，模块愈简单，通用化程度愈容 易提高，有可能组成更多的产品品种。但随着模块数目的增加，产品的制造、装 8 山东大学硕士学位论文 配和管理也愈复杂。模块划分越粗，模块数越少，模块愈复杂，模块本身的设计 工作量大，而且降低了模块系统组合产品的柔性。长期以来，模块划分的层次和 规模应遵循下列原则：1 9 2 ” 成 本 或 工 作 量 图2 - 1 模块数与成本或工作量 ( 1 ) 功能独立原则 传统上部件和组件的划分注重结构的完整性，而模块则更强调功能独立性。 功能独立的模块有利于产品的组合，减少功能冗余。如数控机床主轴单元，若按 部件划分，整个主轴单元应划归为主轴部件，而按模块划分，则可分为主轴分模 块和变速机构分模块两部分。在主电机功率相同的情况下，将交速机构单独作为 个分模块，将能得到不同转速和扭矩输出的主轴，满足不同性能的需要。 ( 2 ) 结构独立原则 在功能独立的前提下，模块在结构上尽可能独立，这样为模块的设计、制造、 产品的组装等都提供了方便。 ( 3 ) 粒度适中原则 模块分解的粒度太大，模块与模块之间的耦合度必然增加，模块化设计及制造 并行开展的余地就减小：模块分解的粒度太小，则会导致产品开发及生产制造的 进度过于零碎，可操作性差。 ( 4 ) 基础件原则 基础件，例如床身、工作台等，其材质大都为铸铁件，需要做模型，而且生产 加工周期长，会影响产品开发周期。因此整个系列模块设计只有采用同一类型的 9 山东大学硕士学位论文 联接为基础，建立基础件模块，才有可能实现最经济地派生出各式各样的产品。 基础件模块化的目的是使产品扩大工作空间，使产品的规格、性能在保证刚度的 前提下，具有可变的可能性。 ( 5 ) 与传递动力无关的系统或装置定为模块，以实现较大范围的通用化。这些 模块一般起辅助性作用。例如数控系统、冷却润滑、检测装置等都适合设计成单 独的模块，且有不同方案。只要保证联接方式和联接尺寸一致，就可以相互取代。 这些原则体现了模块划分应考虑的因素，但仅在这些原则的指导下，靠设计 人员的经验主观地进行划分，难以保证模块划分结果的客观性，容易出现偏重一 些因素而忽略另一些因素的现象，不能对所有因素进行全面的综合考虑。当发现 某些重要因素被忽略后，往往需要重新进行，造成前面工作的极大浪费。因此模 块化分应从系统角度出发，应用系统分析方法，以功能分析、分解为基础，针对不同 设计领域，灵活应用上述原则。 2 1 3 基于功能的设备模块划分 工程设计的目的是保证功能，功能分析是工程设计中的一种重要手段，它包 括功能的认识以及功能的分析、分解和组合。在对老产品的改造设计中，只有用 功能的观点来观察和认识机器才能抓住其本质，使思维从现有的结构形式中超脱 出来，探寻更多更新的原理方案，不断推进技术的发展。而进行一种新产品的设 计，实际上就是根据用户要求将所确定的总功能落实到具体结构上。在设计开始 时，对产品总功能的认识往往是概括性的，比较抽象的，并带有一定的复杂性。 直接从功能获得实现功能的具体结构，一般是不可能的，因此，需要通过功能分 析和分解，从简单的子功能中找出所对应的实体方案。 ( 1 ) 功能分类 功能是技术系统或产品所能完成任务的抽象描述，它是各种产品所具有的特 定用途与各种特性。功能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。就机械产品而言，功能就是产品必须解决的问题。以及为解决此闯题产品 应完成的动作和发挥的作用。在机械设计领域内，功能是确定所研究的产品应该 做什么，或者要达到什么目的，并指出特定的解决途径。在模块化设计中，功能 就是产品( 或模块) 所具有的能满足用户需要的特性，或者说是产品( 或模块) 所具有 的效能、用途和使用价值。现在有一种说法：顾客购买的实质上是一种或多种功 能，产品充其量是功能的载体。因此，功能分析是工程设计的一种重要手段。 1 0 山东大学硕士学位论文 为了更好地分析设计对象的功能，排出功能重要性序列，下面首先对机械产 品的功能进行分类： 按功能的重要程度分类：可分为基本功能和辅助功能。 按功能的用途分类：一般可分为驱动功能、传动功能、控制功能、工作功能。 其中，机器以工作部件完成工作功能；动力传递，包括运动方向、大小、性质的 变化，它的功能载体可以是电力、液压或机械式的。 按功能的性质分类：可分为使用功能和美学功能。其中使用功能指产品的运 用性、可靠性、安全性和可维护性等，而美学功能则主要指产品的造型、色彩装 饰等。 按使用要求分类：可分为必要功能和不必要功能。其中完成总功能不可缺少 的功能是必要功能，而不必要功能包括冗余功能和过剩功能。原则上是保证必要 功能，调整过剩功能，去除冗余功能。但是有的产品设计中冗余功能有其另外的 作用。如机床模块化设计中一些模块的结构冗余，在某种模块拼装中是冗余，而 在另一种类型的模块拼装中则提供必要功能。所以必要的冗余亦是允许的。 ( 2 ) 功能的描述 对功能的描述可有多种方式，主要要求描述简单、明确，不会引起误解。通 常应首先表明该功能所应完成的动作或发挥的作用，有时涉及此动作或作用有关 的客体。例如，“工件定位”表示了“确定工件的位置”的功能。但如仅写“定位”时， 其客体便须结合具体应用来理解了 有的学者着重考虑功能的通用性，将各功能统一归纳为几种通用功能。 针对逻辑研究，r o d e n a c k c r 归纳为： 针对一般研究，r o t h 归纳为： k n u n h a u e r 归纳为： 冈 1 一 l结合 i总合性分布性 i交付 处理传导 冈 i ，。，j 山东大学硕士学位论文 针对物理研究，k o l l e r 归纳为： 序号 1234567891 0 1 l 1 2 功 转换变向放大联接结合联合传导聚合定向引导 放出存储 能 回复变向 缩小隔断分离分开绝缘扩散振荡不引导吸收取出 但是，上述对功能的归纳或者太一般化，或者适合的研究对象不同，难以满 足活塞专用加工设备模块化设计的需要。本文针对活塞的n - r 特点，将机床有关 功能归纳为： 序号 l23456 7 89 功能装夹回转 驱动 支承 导向传动润滑控制冷却 为了适应计算机辅助设计的需要，便于计算机的识别与处理，上述各类功能 必须被进一步定义，以限定每一功能的内容，明确每一功能的本质在概念上与其 它功能相区别。功能描述的原则是力求准确、简洁。 ( 3 ) 产品功能模型的建立 产品总功能由设计对象已知的输入输出条件抽象得出，一般的机械产品都比 较复杂，特别象机床这样的机械产品更加复杂，难以直接求得满足总功能的原理 解。根据系统的可分解性，可将总功能分解为相对独立的功能组成部分一级子 功能、二级子功能直至功能元。功能元是可以方便地找出对应原理解的子功能。 通过功能元求解再组合即得总系统产品的原理解。 由于功能是系统必须完成的任务，它的实现必然要通过一系列必要的操作或 经过一定的作用过程，同时还可能涉及实现此功能所必需的其它若干方面，它们 都是实现系统总功能所必需的子功能。例如，汽车要实现其运输功能，就必须 能够载货( 或人) 、行走、启动、停止、变速、变向。此外，还要有一套供应燃料 油所需的子功能，如储油、供油等。据此，可将功能分解的工作步骤归纳如下： 根据经验、惯例或参考现有系统，初步定出所需完成的操作或须经过的作 用过程。 明确在此过程中系统应完成的动作和发挥的作用及有关客体。 根据各动作或作用初步划分子功能。通常首先考虑主要工作过程。 补充其它方面的考虑，完成整个系统的功能分解，建立其功能模型。 此流程参见图2 - 2 。 1 2 山东大学硕+ 学位论文 系统的总功能 i 初步所需完成的操作，或必须经过的作用过程 l 确定系统应完成的动作作用及其所发挥的客体 l 初步划分主要过程的子功能 j 完成全系统的功能分解 i 系统的功能模型 图2 - 2 功能分解的流程 经过上述功能分解得出表达总功能与子功能关系的功能模型，如图2 3 所示 图2 3 产品的功能模型 ( 4 ) 模块形成机理 从前面几节的分析可以看出，模块化设计的基本原理如图2 - 4 所示。 由图2 4 可见，模块化设计的中心问题是功能与模块之闻的关系问题。模块化 产品是由模块组合而成的，模块是构成产品的基本要素。下面针对模块与功能间 的关系以及模块的形成进行讨论。 l 卜 图2 - 4 模块化踺计原理示意 山东大学硬士学位论文 经过功能分解可以得到产品的子功能集合，它属于功能域，而模块则是实实 在在的结构，属于结构域。它们之间的关系可以通过映射的概念加以说明。 映射的数学定义一2 4 ，：设a 和b 是两个非空集，若存在一个对应规律厂，使得 对于每一个工，有唯一与y 之对应，则称_ ，为从a 到b 的映射( 或算子) ，记作： f ：彳_ b 或者： f ：石 yo 彳) y 称为x 在映射，下的象，记作y 2 厂( 曲或y 2 止。集彳称为映射厂的定义域， 记作s ( ，) 。集厂( 彳) = 抓功i 工彳 称为映射，的值域，记作贸( ，) 。 若4c a 则称厂( 4 ) = t 厂o ) i x a 4 为4 在映射，下的象； b ic 四则称，一1 ( 马) = 盆a l l ( x ) 蜀 为马在映射，下的逆象或原象。对于y b ，单点集沙 在映射厂下的逆象记 作，。【y ) 即 ，。( y ) = & 4 j 厂g ) = w 。 ，。( y ) 也称j ，为在映射厂下的逆象。 我们将结构域上的模块子集锄”，肼r ，m 。 当作集合a ，功能域上的功 能子集佤，最，只 当作集合b ，则模块子集a 中任一模块珊，为映射 厂：爿- - - b 下的逆象。由此得出结论： 模块是功能域上特定功能在结构域上映射的结果，而模块化设计的实质是用 功能相对简单的模块组成实现复杂功能的产品。功能与模块之间的关系是两个集 合之间的映射关系。 应用i - 述理论。活塞机床功能分解如图2 5 、2 - 6 、2 7 所示。 1 4 山东大学硕士学位论文 图2 - 5 活塞环槽车削机床功能分解图 图2 - 6 活塞外圆车削机床功能分解图 | j f i2 - 7 活塞销孔镗削机床功能分解图 山东大学硕士学位论文 2 2 应用成组技术的饥床漠b l 没计 按照机床功能分级模块化设计理论将机床划分出不同的模块、分模块，仅完 成了计算机辅助机床模块化设计的第一步，紧接着就应在计算机上对各模块、分 模块进行表达与设计。 由于零件是组成机床的最小单元，所以对零件的模块化构形是机床模块化设 计的基础。本节首先验证了零件划分为功能面和自由表面的可行性，然后利用成 组技术中关于分类编码的说明，用分类编码的原则将主要零件的各功能体( 面) 整 理、归类，最后对模块的编码描述进行了探讨。 2 2 1 应用成组技术的意义 成组技术的基本原理按相似性归类原理，可以应用在生产、生活等各个领 域，按照h h a n 教授“成组技术是识别二次开发和利用生产系统中的相似性，以 优化生产过程，取得最大经济效益的技术”2 5 的定义，可以看出，成组技术在机 械制造行业所涉及的范围不仅包括零件的工艺路线规划，而且还应包括设计、制 造、管理等多方面内容。由于少批量、多品种的现代生产模式对生产设备的柔性 及制造设备快速响应的能力提出了相当高的要求，所以如何在设计初期给设计者 提供足够有效的设计信息，减轻他们繁重的工作量，并为以后的生产、管理提供 相应的信息，已成为各生产设备厂家利用成组技术的一个重要环节。 本节利用成组技术相似理论进行机床模块化设计方法的研究，以及按照功能 分级理论，指导模块功能、结构的划分。从设计、管理的角度以机床功能分级分 析理论为基础，对模块、分模块功能体( 面) 相似性的处理及其描述方法进行研 究。 2 2 2 零件的功能分析 机床模块化设计涉及到从模块、分模块到机床这一设计过程，其功能分级分 析理论同样适用于零件层。机械零件是由若干个表面和这些表面所包容的材料共 同形成的实体。同时，机械零件又是构成一个机械系统的要素，仅仅由于机械系 统所执行的功能、或是出于加工和装配方面的考虑，才划分出各种零件，它们最 终是要装配在一起形成一个系统并执行一定的功能。与此相应，机械零件上应该 有一些表面与要求零件所执行的功能相一致，这些表面就称为功能表面，而零件 上的其它表面仅仅是为了连接功能表面使零件成为一个实体，它们称为自由表面。 1 6 由东大学硕士学位论文 所以零件从结构划分上可分为功能表面和自由表面。图2 8 表明了零件功能体( 面) 的划分。 功能面功能面功能面 图2 8 零件功能体( 面) 的划分实例 2 3 机麻稿髟 ! i ；5 持怕髟拷鬯编码 在实际工作中，我们常常会遇到象轴承盖、法兰盘、垫圈等一类零件，它们虽 然在外形上各不一样，但在完成的功能以及菜单面构形上仍存在着定的相似性； 并且，传统设计将滚珠丝杠与其上的轴承、法兰盘、螺钉、螺母等这种具有一定固 定关系的零件或组件划分出来。是不符合模块化“将完成某一功能的零件组从结构 上与其它零件独立出来”的设计思想。 ( 1 ) 编码的目的 现用编码来描述上面所涉及的零件模块化构形及模块关系。编码的目的在于用 规定的字符来代表复杂的概念。这种复杂的概念若用文字来叙述，则必将冗长和累 赘，而且会带来表达一种概念的多样性、多义性、非标准化。所以将编码技术引入 到模块设计中，用规定的字符来代表每一环节分类标志所描述的模块功能面基本特 征，表达两两模块所发生的关系和属性，就可使复杂的分类标志字符化或代码化， 从而便于记忆和应用；另一方面，充分利用计算机善于处理数字信息的能力，可以 直接利用零件的功能模块化构形所得到的分类码进行零件、模块、分模块的功能谱 分析，以及由此而带来的二次相似性迸行工艺、管理上的模块化篇造、管理；另外， 编码的规范性也符合模块化设计的思想。 ( 2 ) 机床模块设计分类编码的主要内容 1 7 山东大学硕士学位论文 运用成组技术关于相似性的原理，将各功能体( 面) 用分类编码的形式加以描述。 通过选择功能要求完成零件的构形设计，为模块、分模块的设计提供基层数据和图 形支持并为进一步开发生产、管理上的相似性提供保障；通过对代表机床各模块之 间所发生几何、物理关系的几何实体的相似性分析，在对机床总体考虑的基础上， 规范出模块之间发生关系的形式及其映射的几何实体形式，并以码的形式为模块的 设计及组合、机床整体方案的制定提供先期判断。这样一来，通过对模块划分的表 达和将模块分解到几何功能体( 面) 的过程，将利用成组技术的主要对象j 零件的思 想一方面扩充到滑台、主轴单元这种层次较高的模块和分模块上：另一方面又将模 块细化为由各种不同几何功能体( 面) 附以自由表面组成的实体，大大扩展了应用成 组技术的范围，为复杂部件的设计及其后序的制造、管理奠定了良好的基础。 采用计算机辅助机床模块设计的编码方式共有下面三种： 模块的图样编码 机床模块的匿样编码是对机床所选用模块的图纸进行管理的一种分类编码。它 是由模块( 分模块) 标识码，零件标识码组成。由于模块不是附属于某一机床( 或分模 块不是附属于某一模块) ，所以模块、分模块所属的产品分类和规格代号只是在编制 产品