（机械制造及其自动化专业论文）数控机床模块化结构创建概念设计的理论和方法研究.pdf

摘要 模块化设计技术以其能缩短产品开发周期，快速响应市场变化，相对延长 产品生命周期等优点，在制造业中得到越来越广泛的应用。而设计过程的早期 即概念设计阶段是模块方案创建和创新的关键0 针对数控机床产品的模块化结 构创建的概念设计，本文通过分析其设计过程，提出了进行计算机辅助模块化 概念设计的系统模型：首先，在对模块的功能进行定义和分类的基础上，建立 了数控机床的功能结构框架；其次，用面向对象的方法建立了包含功能信息、 结构信息、装配信息和管理信息的机床模块数据模型；对于模块设计方案的评 价，本文提出了包含技术和经济评价指标的方案评价指标体系并探讨了用有效 价值分析法进行方案评价的方法。对于模块创建中最关键的( 功能、结构 映射 求解问题，本文提出了广义映射的概念和方法，实现概念设计从抽象到具体、 从模糊到清晰的设计过程。( 对模块化结构方案从运动功能模型到结构特征布局 再到模块化结构方案的映射过程中所需的各种映射方法和算法进行了描述卉本 文还探讨了利用现有c a d 平台进行从模块结构概念模型到实体模型转化的途径 和方法，丌发了基于广义映射的数控机床模块化结构方案概念设计平台，做为 应用实例，设计了一种新的应用于模具加工的卧式加工中心的模块化方案。 关键词：数控机床，模块化设计，计算机辅助概念设计，功能一结构映射 a b s t r a c t m o d u l a rd e s i g nh a sb e e na p p l i e di nm a n u f a c t u r i n gw i d e l yb e c a u s ei tc o u l d s h o r t e nt h et i m eo ft h ep r o d u c td e v e l o p i n gc y c l e ，r e s p o n dq u i c k l yt ot h ec h a n g i n go f t h em a n e ta n dl e n g t h e nt h el i f ec y c l eo f p r o d u c t s t h es t a g eo fc o n c e p t u a ld e s i g ni s t h ek e yt ot h ec r e a t i o na n di n n o v a t i o no fm o d u l a rd e s i g n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e p r o c e s s o fc o n c e p t u a ld e s i g n ，as y s t e mm o d e lw a sp r o p o s e df o rt h e c r e a t i o no f m o d u l a rs t r u c t u r eo fm a c h i n i n gc e n t e r n 佗f u n c t i o no fm a c h i n em o d u l ei sd e f i n e d a n dc l a s s i f i e df o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ef u n c t i o ns t r u c t u r e t h e nt h em o d e io f m a c h i n em o d u l ei s p r e s e n t e di n a no b j e c t - o r i e n t e da p p r o a c h ，w h i c hc o n t a i n st h e i n f o r m a t i o na b o u tt h ef u n c t i o n ，s t r u c t u r e ，a s s e m b l ya n dm a n a g e m e n to ft h em o d u l e f o rt h ee v a l u a t i o no ft h ed e s i g nr e s u l t ，t h em e t h o do fe r i e c t i v ev a l u ea n a l y s i si s a d o p t e da n dt h ec r i t e r i o no ft h ee v a l u a t i o ni n c l u d e sb o t ht e c h n i q u ea n de c o n o m i c p r i n c i p l e s t h ec o n c e p to fg e n e r a l i z e dm a p p i n gi sp r o p o s e dt o r e a l i z et h em a p p i n g b e t w e e nt h ef u n c t i o na n dt h es t r u c t u r e t h ea l g o r i t h m su s e di nt h em a p p i n ga r e d e s c r i b e di nd e t a l lt of o r m u l a t et h ep r o c e s so fe v o l v e m e n t f o rt h et r a n s f o r m a t i o no f c o n c e p t u a l m o d e lt os o l i dm o d e l ，t h ea p p r o a c ht o d e v e l o pt h e c a ds y s t e mi s r e s e a r c h e d u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h et h e o r yo fg e n e r a l i z e dm a p p i n g ，ac o m p u t e r a i d e dm o d u l a rc o n c e p t u a ld e s i g ns y s t e mi sd e v e l o p e da s a na s s i s t a n tt o o lf o rt h e d e s i g n i n go fm a c h i n i n g c e n t e r k e y w 。r d s ：n c m a c h i n et o o l ，m o d u l d e s i g n ，c o m p u t e r - a i d e d c o n e 。p t u a l d e s i g n ( c a c d ) ， f u n c t i o ns t r u c t u r em a p p i n g 兰二皇堕笙 第一章绪论 现代制造业面临着新的市场环境和消费需求的变化。产品需求向着多样化 和求新的方向发展，更短的生命周期、更低的单位成本和更高的质量成为产品 需求变化的趋势。这就需要重建产品开发过程，寻找适应市场挑战的新的开发 思维和方法。相应于柔性生产( f m s ) 、精益生产( l p ) 、计算机集同e $ q n ( c i m s ) 、 敏捷制造( a m ) 、高效快速重组生产系统( l a f ) 等先进生产模式的发展1 ，机械 产品设计在思维、方法、手段等方面也发生了很大的变化，形成了不同于以往 的设计模式，各种现代设计方法也得到很大的发展。其中，模块化设计方法着 重解决产品品种、规格多样化与设计周期及成本之间的矛盾，成为适应现代生 产模式和产品开发模式的种新的设计概念和方法。 1 1 模块化设计技术简介 1 1 1 模块化设计的基本概念 模块化设计的基本原理是将一种产品或系统分解成一些功能和结构独立的 基本单元( 即模块) ，然后按用户需求组合，以满足不同的市场需求。产品模块 化设计始于本世纪初，1 9 0 0 年德国一个家具公司用模块化原理设计书架，利用 几种基本模块，可以方便组成顾客需要的书架。1 9 2 0 年左右，模块化设计原理 丌始用于机床设计中。到本世纪5 0 年代，欧美一些国家正式提出“模块化设计” 的概念，才真正把模块化设计提到理论的高度来研究。 模块化设计是在对一定范围内的不同功能或不同性能、不同规格的产品进 行功能分析懂得基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组 合可以构成不同的产品，以满足市场不同的需求【2 】。针对机床产品，可以将模 块化设计归纳为，根据用户的要求，在功能分析的基础上，设计出具有性能( 或 用途) 、结构各异，而功能相同的一系列可互换的功能单元，和一些专用、独立 部件，然后将其组配成单台机床或柔性加工单元( 或系统) 等。 模块是一组同时具有相同功能和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 3 1 0 模块化设计基于模块的思想将一般产品设计任 务转化为模块化产品方案。它包括两方面的内容：一是根据新的设计要求进行 功能分析，合理创建出一组模块一即模块创建；二是根据设计要求将一组已存 在的特定模块组合成模块化产品方案即模块综合。 1 1 2 模块化设计的过程和特点 模块化设计分为两个不同层次，第一个层次为系列模块化产品研制过程， 需要根据市场调研结果对整个系列进行模块化设计，本质上是系列产品研制过 程，第二个层次为单个产品的模块化设计，需要根据用户的具体要求对模块进 行选择和组合，并加以必要的设计计算和校核计算，本质上是选择及组合过程， 总的说来，模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤，但比后者更复杂，花费 更高，要求每个零部件都能实现更多的部分功能。模块化产品设计的一般过程 如下： 1 市场调查与分析； 2 进行产品功能分析，拟定产品系列型谱； 3 确定参数范围和主参数： 4 确定模块化设计类型，划分模块； 5 模块结构设计，形成模块库； 6 模块化产品组合 7 编写技术文件。 将模块化思想用于机床设计，与传统设计方法相比，具有如下特点： 1 同一种功能的单元是若干可互换的模块，而不是单一的部件，从而使得 所组成的机床在结构、性能上更为协调合理： 2 同一种功能的模块在较大范围内具有通用化特性，可在基型、变型甚至 跨系列、跨类机床中使用； 3 将功能单元尽量设计成较小型的标准模块，使其和与之直接相关的模块 之问的连接形式及结构要素一致或标准化，便于装配和互换； 从以上特点可以看出，采用模块化设计方法的机床设计有着重要的技术经 济意义”： 1 缩短产品的设计和制造周期，从而显著缩短供货周期，有利于争取客户； 2 有利于产品更新换代及新产品的开发，增加企业对市场的快速应变能力； 3 有利于提高产品质量和可靠性； 4 具有良好的可维修性。 1 1 3 机床模块化设计的研究概况 国内对于外机床的模块化设计研究包括：对模块化设计方法的研究，如不 同的设计方法和组合理论；对模块编码的研究，它关系到模块的管理和模块组 合以及机床布局的有关研究；模块化思想在f m c 、f m s ，车间布置、工厂重组 等方面应用的研究。 同本的y i t o 例等是较早从事模块化设计的研究者之一，在对系列产品结 构分析的基础上，他们( 1 9 7 9 ) 提出了分层模块化结构的概念，根据他们的研 究，最重要的是机床的结构描述，他们提出用g t 码和力流来描述机床并形成 机床的结构模式。i t o 和s h i n u o “1 ( 1 9 8 2 ) 应用上述机床结构模式来评估机床结 构形状的相似性，并引入了共同度、相同率和相似率的概念。 章时中t7 - 1 3 1 从系统论的角度指出模块化设计是面向产品系统的设计，是标 准化设计、组合化设计。他总结出模块化设计的三个不同层次：( 1 ) 模块化产 品系统设计：( 2 ) 模块系统设计；( 3 ) 模块化产品设计。并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；探讨了模块化设 第一章绪论 汁中的系统分解技法及模块化的实施途径。 胡维刚n “4 “ 等研究了机床模块化设计及其智能支持系统中的知识表达 方法和知识库组织策略，探讨了系统的推理策略与知识库存贮管理；提出了面 向对象的模块化设计知识表示方法和基于约束的模块布置和基于拓扑描述的模 块和置概念，研究了系统再设计策略等。 e r i x o n 1 6 1 等将模块化设计用于车间布置，工厂重组，把模块看作是“产品 中的产品”，将模块装配车闻看作是“工厂中的工厂”，并利用模块进行产品和 工厂的重组工程( r e e n g i n e e r i n g ) 。g u 1 7 1 等将模块化设计用于产品生命周期有关 问题的研究，从有利于回收、升级、再利用等角度出发建立模块，解决产品生 命周期中存在的有关闯题。n i e t h a m m e r m l 等将模块化作为有利于产品回用的 机床制造的基础。 1 2 机械产品计算机辅助概念设计 1 2 1 概念设计的内涵 概念设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得产品的基本形式或形状。 广义上的概念设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程。 它包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步的结构设计。概念设 计的各个环节紧密相连，在设计过程中相互依赖，互为驱动。 一般意义上的概念设计是指在产品的功能原理基本确定的情况下，产品外 观造型的设计过程。 计算机辅助概念设计( c a c d ) 是c a d 的个重要分支。概念设计是一个 相当复杂的过程，因为一个好的设计方案既要有合理的功能结构、美观的造型、 简便的操作，同时还要富有创新性。因此，c a c d 涉及设计方法学、人工智能 技术、c a d 技术以及认知与思维科学。 传统的c a d 系统可以产生复杂、精确和完整的三维造型，但由于其本身并 不是为概念设计而开发的，同时缺乏设计方法学的支持，没有体现概念设计的 创造性过程，从而基本上是在设计方案基本定型之后的概念化绘图工具。因此， 计算机辅助概念设计的研究的目的就在于在设计早期提高设计的质量，更简捷 的生成设计对象，提供一个进行信息交流和对象评价的平台，避免因设计失败 而造成的浪费。 1 。2 2 工程设计领域搬念设计的研究状况 1 概念设计中系统化设计方法的研究 现代产品方案设计的系统化设计方法将设计看成由若干设计要素组成的一 个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层 次性，所有的设计要素集合后，即可实现设计系统所需完成的任务。系统化设 计思想于7 0 年代由德国学者p a h l 和e i t z 提出，他们以系统理论为基础，制定 墨二里堕堡 了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国机械工程师协会在这一 设计思想的基础上制定出标准v d l 2 2 2 1 “技术系统和产品的开发设计方法”，其 流程i i g 如图( 1 1 ) 。从中可见，模块化的思想渗透在整个技术系统的开发过 程。 2 方案推理求解方面的研究 概念设计是一个发散思维 和创新设计的过程，是一个 求解实现功能、满足各种技 术和经济指标的可能存在各 种方案，并最终确定综合最 优方案的过程。关于采用何 种合适的方法将用户需求映 射到相应的物理空间，在实 际推理过程中存在知识驱动 和数据驱动两种方式，知识 驱动应用在存在大量领域知 识的情况下，典型技术如知 识推理和优化：而数据驱动 指摈弃规则，依赖大量领域 实际数据参与推理，如基于 实例推理、神经网络和机器 学习等。 图1 一l 技术系统和产品的开发设计方法 1 ) 基于知识的推理技术的研究 基于知识的推理以知识库来存放设计的过程知识和产品或领域知识。推理 方法主要包括归纳、演绎、约束推理和非单调推理等。这种推理技术在概念设 计中应用较早，也比较普遍。t o n g 和g r o m o r y 【2 们将演绎推理应用在小电机装 置的设计中，r a o 2 1 1 则将归纳推理应用在给定一些参数( 如负载类型、转速 和应用场合等) 的情况下如何选择合适的球轴承。o h 【2 2 1 等人利用约束推理进 行录象带设计的改进，而s m i t h 和b o u l a n g e rn ”将非单调推理技术应用到桥梁 的设计中。 2 1 神经网络 人工神经网络从模拟人脑功能出发，以大量的、简单的处理单元广泛连接 而形成复杂的网络系统。在处理方法上，由于其广泛互连的非线性动力学特性， 神经网络更长于处理联想记忆、形象思维等问题，也更适合于作表象的、浅层 的经验推理及模糊推理，由于具有分布记忆和并行计算的特点，有利于知识存 储的简化和运行效率的提高。同时神经网络具有自组织和自学习的能力以及良 好的容错性。机械设计是一个多阶段、多子任务的链式序列，现行专家系统采 用符号匹配方式，为了不至使系统出现“死角”，必须将所有可能的组合考虑完 第一章绪论 全，极容易产生组合爆炸。而设计人员在进行方案构思时，往往只考虑几种可 行方案，因此面对复杂的情况，能快速作出较好决策，同时在方案匹配时，不 会因为部分信息的缺乏而出现匹配不上，没有方案可选的情况。因此这种选择 的模糊以及高度综合的过程利用神经网络来模拟是比较合适的，如g r i e s o n f 2 4 】 提出了结合神经网络和遗传算法的方法通过演变和人工学习解决了桥梁结构方 案最优选择的问题，王小同【2 5 1 等人将人工神经网络与传统人工智能相结合， 丌发了机翼结构方案智能设计系统。但神经网络也具有一些缺点，如需要大量 数据进行训练、训练时间较长、解释不足等缺点，其中针对神经网络的解释机 制虽然人们已经提出了如采用基于规则的专家系统进行解释、从神经网络中提 取用于解释的规则以及基于事例的解释等方法，但解释不足的缺点依然存在， 严重影响神经网络在实际中的应用。 3 ) 基于实例推理 基于实例推理( c b r ) 技术起源于7 0 年代，是人工智能发展过程中涌现出 来的区别于基于规则推理( r b r ) 和基于模型推理( m b r ) 的一种推理模式，它指 的是利用旧的实例或经验来解决问题。评价解方案，解释异常情况或理解新情 况。 c b r 具有以下几个优点： ( 1 ) 在设计规则难于总结时，以设计实例为主要设计依据的实例推理显得 更为有效： ( 2 ) 更符合领域专家的思维习惯； ( 3 ) 具有自学习能力。 j 下是由于c b r 技术克服了传统推理技术的不足，在机械产品概念设计中也 得到了很好的应用。k r i t i k l 娴系统结合c b r 和m b r 技术，建立了物理元件 的定性模型，将之应用到相应的检索、修改以及设计的仿真中。l i l 2 7 1 等人利用 建立的机构元件库进行设计的综合。此外周济n 等人的研究集中在工程中的 再设计问题及实例检索与重用上，并在相控雷达的方案设计支持系统中进行了 应用，而宋玉银协1 等人将实例推理和优化相结合，并应用在定梁龙门铣床的 六类进给箱的概念设计中。目前c b r 技术的难点集中在事例的表示、索引、检 索、修改以及学习过程，模糊神经网络、遗传算法等技术的引进与c b r 和其 它技术如r b r 、m b r 、优化算法的集成使c b r 技术得到了进一步的发展。 4 ) 优化技术 概念设计过程可以看作是满足一定功能要求与设计约束的优化过程。在机 械产品概念设计过程中的优化问题比较多的是组合优化问题，这类问题计算复 杂度高，在问题的规模较小时，可以运用运筹学的经典算法( 如整数规划、动 态规划、分支定界或切多面体) 求解。当问题的规模增大时，由于解的数目呈 指数增长，要求准确的最优解实际上非常困难。因此，从实际应用的角度出发， 能够得到较好解的近似算法或以一定的概率保证解的质量随的机算法越来越受 到重视。除了经典的方法以外，人们利用人工智能、神经网络、模糊系统等领 第一章绪论 域的一些工具或从生物进化、物理过程等中吸取一些启发，研究组合优化的新 算法。近来出现的模拟退火、t a b u 搜索和遗传算法等在组合优化问题上取得了 显著的成果，一些学者将这些新的解法称为超启发或近代启发。所谓“启发式” 解法是以求解问题的知识和经验指导求解的过程，“超启发”是指这些解法从原 来的启发式解法中变化而来，但其能力更强。目前组合优化技术集中在如何削 减解的搜索范围，同时又能得到较好的近似最优解。 5 ) 定性推理技术 定性推理是使用定性信息，对系统结构、行为和功能进行描述，并研究它 们之f 、日的关系和因果性推出定性解释，以模仿人类定性常识推理的一种跨领域 推理方法。其主要思路是：忽略所描述问题的次要因素或忽略问题中可能出现 的非精确性和不确定性，而借助于各种规范、准则和掌握其主要因素来简化对 问题的描述，在此基础上，将描述问题的传统定量方法转化为相应的定性模型， 进行推理和给出定性解释。定性推理的研究不过十多年历史，发展了很多不同 的方法，如f o u r b u s 的定性推理进程理论( q p t 方法) 、k u i q e r s 的定性仿真 算法( q s i m 方法) 和动力学分析法等。在概念设计早期，精确数字信息没有 或不足的情况下，定性推理的使用更有必要性。e d i s o n 工程1 3 0 1 从功能知识 和定性推理入手，构筑用于机构设计的发明系统，同样l i1 2 7 1 等人将定性推理 和启发规则结合用于机构的概念设计。此外，致力于此领域发展的有g e l s e y 、 f a l t i n g s 和f o r b u s 等人。 6 ) 并行工程 概念设计对后续详细设计以及加工生产有着举足轻重的作用，不当的概念 设计方案会导致交货期延长等一系列问题，因此为了获得高质量的设计，减少 反复，需要把设计过程放在产品的整个生产活动中统一加以考虑，并行工程就 是这样一种崭新的工作模式。它通过集成企业的一切资源，使设计人员尽早考 虑到产品生命周期中的所有因素，一体化、并行地进行产品及其相关过程的设 计，尤其注重在概念设计阶段的并行协调，以达到提高产品质量、降低成本和 缩短丌发周期的目的。目前比较实用的相关技术集中在d f x 方面，包括面向装 配的设计( d f a ) 、面向加工的设计( d f m ) 、面向注塑成型的设计( d f lm ) 、面向 维修的设计( d f s ) 等，这些正在发展中的方法构成了所谓的设计兼容性分析 f d c a ) ，即一种为担负不同职责的专家从不同观点来评定侯选设计的设计概念 模型。 3 概念设计建模技术的研究 建模技术是计算机辅助概念设计的核心技术。许多学者从工程设计方法学 中概念设计的定位出发，提出层次概念模型、基于广义特征的概念模型”、工 程设计概念模型3 ”、基于功率键图的概念设计d 钉等概念设计建模方法与技术。 另外，从产品设计学的角度看，产品设计过程可视为一个特征的演化过程， 概念设计过程亦然。许多学者将他们在产品结构设计、装配设计等方面的研究 成果加以拓展，应用在概念设计过程，提出以支持变量特征和概念设计为标志 6 第一章绪论 的各类产品模型，如基于特征关联语义的模型、基于变动特征的模型、信息基 因模型、生成型特征设计模型等建模方法。这些模型中的特征概念在继承原有 特征的性质和属性操作的基础上增加了语义型、变动性、置换性和遗传性等新 特点，以适应概念设计过程中对象的抽象性、模糊性和继承性。他们支持的设 计模式更加符合产品的实际设计过程，在定程度上体现了概念设计中的特征 演化过程。 1 3 课题的提出和本文的研究内容 1 3 1 课题的提出 机床是制造工业的基础装备，它的水平直接影响到制造业的发展。以加工中 心为代表的数控机床，综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检 测与新型机构等多方面技术成果，是种新型的机床。当前，工业发达国家普 遍采用数控机床作为现代化制造车间的加工单元，由加工中心和其它数控机床 组成的柔性制造系统( f m s ) ，实现了多品种、小批量的柔性自动化加工，极大 地提高了生产率。 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特点是： 1 数控机床中有不少独立的功能单元，如导轨件、丝杠副、防护装置、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： 2 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。因此，机床各部件的结构动、静态特性成为设计的主要矛盾； 3 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 了普通机床依靠内联系传动链和靠模来保证各轴之间的严格运动关系，使得机 床的功能设计原理大大简化； 4 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。 机床的功能及性能和制造成本往往是矛盾的，而产品的总成本的7 5 以上 及，一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，而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，快速相应市场需求。 1 3 2 本文的研究内容 1 本文在分析数控机床结构方案设计过程的基础上，提出进行数控机床 模块化结构概念设计的系统模型。该模型分为三个子模型，分别为功能域模型、 结构域模型和评价域模型。 1 ) 功能域模型 第一章绪论 模块创建的本质就是要求解 满足功能要求的模块属性集合。 功能是模块最本质的属性。功能 分析是方案设计的重要手段和步 骤。本文在分析了数控机床各结 构部件功能的基础上，提出了功 能分类方法，在分类的基础上， 建立了机床功能结构的层次框 架，如图( 1 2 ) 所示。 2 ) 结构域模型 图1 2 机床功能层次结构示意图 机床整机由各结构模块组成，各模块又可能包含子模块，而机床整体上可 以看作一个大的模块。因此，模块模型包含复杂的组成信息、装配信息、功能 信息等等。本文采用面向对象的方法，建立了模块的数据模型，如图( 1 3 ) 。 图1 - 3 模块数据模型的结 3 ) 评价域模型 在建立模块化结构方案的评价指标体系的基础上，本文采用有效价值分析 法进行方案评价。 2 基于广义映射的 映射求解 图1 - - 4 广义映射示意 概念设计的过程是设计对象的功能表示逐步求精的过程，即功能演变的过 蠹 第一章绪论 程。功能和结构之间存在着映射的关系，当然，这种映射不是简单的对一的 对应，而是功能模型的信息通过数学、物理及概念层面的运算和转化，体现概 念设计过程中设计思维的发散、转换、综合及层次性等特性。为此，本文提出 广义映射的概念，并以之实现从功能到模块结构的映射求解，图( 1 4 ) 所示 为其映射过程示意。 3 计算机辅助概念设计系统与c a d 平台的通讯机制 计算机辅助概念设计系统提供了对概念设计过程的支持，在建立定的数 据模型的基础上，求解出模块结构属性信息。这种信息尚不能直接为c a d 造型 软件识别，需要在c a d 平台上进行二次开发，实现模型的转换，获得模块和结 构特性的实体模型，以进行结构详细设计c a e 分析。 小结：本章概述了模块化设计的国内外研究状况和计算机辅助概念设计中 的相关概念和关键技术，如方案推理技术和建模方法的研究和应用情况。针对 数控机床的结构特点和设计需求，本文提出了数控机床模块化结构概念设计系 统模型，并提出以广义映射的方法来实现概念设计过程中从功能到结构的映射 求解。 9 第二章概念设计系统及机床产品建模 第二章概念设计系统及机床产品建模 机械产品设计的过程一般可如图( 2 - - 1 ) 表示，主要分三个阶段：概念设 计、技术设计、详细设计1 3 5 o 概念设计阶段的主要目标是提出满足客户要求和 设计指标的方案。技术设计阶段是将方案变成具体的产品结构和部件。对一些 重要的设计性能，关键的设计参数也要在这个阶段确定下来。而详细设计则确 定所有的详细参数。如尺寸、公差以及所有的部件的其它设计参数。各阶段分 别完成一定的设计任务，同时各阶段又是相互联系、互相依赖的。 图2 1 一般机械产品设计过程图2 2 数控机床结构设计过程 2 1 机床产品设计过程分析 针对模块化数控机床的设计，通过分析设计各阶段的任务及设计方案的形 成过程，机床结构设计的步骤为： 1 需求分析：作为系统化的设计过程，数控机床的结构方案设计需以规范 的功能要求和产品定义作为设计的起点，以便在系统框架内进行有效的设计。 为此，设计首先要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：数控机床完成切削加工是由刀具和工件之间的相对运 动来实现的。通过分析机床的运动，可将机床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。此时得到机床的结构方案解，机床的主要结构特征确定，力流 及结构布局模式确立 4 结构动、静刚度分析：利用c a e ( 计算机辅助工程) 分析工具，对主要 结构进行动、静刚度分析和优化，对结构不合理处，给出反馈信息，修改结构 方案。 5 详细结构设计：利用三维造型、装配工具，将结构概念模型细化，确定 机床各个零部件的详细结构。 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。 2 2 概念设计系统模型 自从p a h l 和b e i t z 在e n g i n e e r i n gd e s i g n 一书中提出概念设计这名 词以来，人们已经对概念设计进行了十几年的研究。文献6 1 中将概念设计描 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做概念设 计。” 图2 3 概念设计系统过程模型 第二奄概念设计系统及机床产品建模 概念设计实质上就是要根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品的功 能创造、功能分解，进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能 结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。事实上，在上一节中所述的机 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。因此，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。 通过分析概念设计的任务和经历的过程，本文建立如图( 2 - 3 ) 所示的模块化 数控机床概念设计系统框架。 概念设计系统模型分为功能域、结构域和评价域三个子模型。在功能域， 通过功能定义、功能分析，建立机床的功能结构；在结构域进行模块结构的创 建；在评价域评价设计方案的优劣，选择最佳的设计方案。整个设计过程经历 分析、分解，功能结构映射，模块划分，方案评价各步骤。在求解的过程中需 要相应的设计知识，设计规则的支持，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 3 机床产品功能分析和功能模型的建立 功能分析是工程设计的重要手段，它包括对功能的认识和对功能的分析、 分解和组合。进行新产品设计实际上就是根据顾客要求将功能落实到具体结构 二。 功能是技术系统和产品所能完成任务的抽象描述，它是产品所具有的重要 属性。慕尼黑大学r o d e n a c k e r 教授【3 7 ，把功能定义为能量、物质和信息的输入 和输出的关系。这一定义在设计研究领域中得到广泛接受。对于功能的表示， 在价值工程d 蝴中将功能用“t od os o m e t h i n g ”这样一种范式来表示，成为比 较通用的方法。就机械产品而言，功能就是机械产品必须解决的问题，以及为 解决此问题产品应完成的动作和发挥的作用。 2 3 1 功能分类 机械产品的功能可以按不同的方法分类n “”】： 1 按功能的重要程度分类。可分为基本功能和辅助功能。 2 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；动力源实现驱动功能，常反映能 量传递及转换；传动功能反映运动和动力的传递，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。 3 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。 4 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。 第二章概念没计系统及机床产品建模 针对加工数控机床模块化设计的需求，在分析机床各部件的功能的基础上 本文将机床结构的基本功能进行分类，如表1 所示。 表l ：机床部件功能分类 运动类型：旋转、直线、摆动、其它 过程：转换、调整、传递 适应性：柔性、刚性 控制连续性：连续、离散 对象：动力、运动、信息 调控：前馈、反馈 动力能量：电能、机械能、其它 过程：存储、释放、转化、调整 装配作用：连接、支撑、导向、限位、其它 及其它方式：固定、可拆卸 对于数控机床结构概念设计，结构的运动功能和装配连接功能是结构设计 最重要的因素。因为机床的运动是系统需完成的基本功能，而在模块化设计中， 装配特性反映了模块的接口功能，即与其他模块组合的特性，模块结构的功能 和接口特性构成模块的主要信息。机床的运动模型和各结构模块的装配关系确 定了机床的总体布局，是机床方案概念设计所要求解的主要目标。 为便于进行计算机辅助设计，本文用( 作用+ 修饰 对象+ 修饰 ) 的 格式描述功能。在该搭配中各元素取不同值，可含盖数控机床功能分析所需的 大部分功能描述。搭配情况示例如下： 表2功能表述搭配示例 类别作用 修饰对象修饰 运 瑟蕊i l i 卜为) 劫 动 装 篓蕊m 导引方式 配 或 其 它 兰三童塑垒堡生墨篓墨垫堕主曼堡堡 2 3 2 功能分解 分解一直被认为是分析大而复杂的设计问题的有力工具，其好处是降低系 统的复杂程度，以利于设计决策。通过功能分解的方法可以建立机床的功能结 构，通常为层次状的结构或无 层次的结构，如图( 2 - 4 ) 所示。 图( 2 4 b ) 表示系统功能结构 的方法，侧重于功能部件之间 的关联。根据数控机床在功能 和结构上所具有的分级特性， 本文在数控机床概念设计中用 层次分解的方法建立机床功能 结构。不同抽象程度的功能表 示处于不同的层次，下一层的 功能与上一层的功能之间具有 从属关系。 当然，功能分解不可能无 限进行下去，一般来讲，分解 的层次越多、越细，对结构载 体属性的约束越明确，求解范 围的限制也越大，系统方案的 创新的余地相对减小。另方 ( a ) 层次功能结构 ( b ) 无层次功能结构 图2 4 系统功能分解 面，在模块化设计方法中，功能分解的层次多，子功能的模块载体较多、较细， 相应的模块或分模块的数量增加，在进行模块组合时将可能产生更多的组合方 案。因此，出于数控机床的概念设计阶段的结构创建的需要，功能分解的过程 应在适当的层次结束。对于有较明确的结构载体或其结构载体的特征属性已较 为明确的功能，一般可称之为“功能元”或基本功能单位，可以作为分解的最低 层的单位。 2 3 3 加工中心类数控机床功能结构的建立 机床的运动是它实现加工功能的基本途径，机床整体上是一个大的运动系 统，在进行机床结构创新设计过程中也必须从机床的运动模型分析开始。加工 中心完成对工件的多工序集中加工的动作过程包含各种运动，包括主运动( 刀 具或工件的旋转) 、进给运动( 直线或旋转) 及其它辅助运动( 换刀运动或空行 程快移等) 。本文建立加工中心的功能结构框架如图( 2 5 ) 所示，对不同的设计 要求所需的运动类型和运动数目不同，利用此框架可以通过功能分析建立相应 的功能结构，以便进一步求解结构方案。 要 第二章概念设计系统及机床产品建模 图2 5 加工中心功能结构框架 2 4 结构域模型 2 4 1 概念设计系统中的产品模型分析。 根据设计对象的表达从其与设计者( 人) 和计算机辅助设计系统( 计算机) 两方面的关系，即更容易被人或计算机所理解和接受的角度，可将其分为语言、 几何模型、图( 树) 、对象、知识以及图象等多个层次、多种模型。如图( 2 - 6 ) 所示。各种模型对于表达产品在设计的各个层次上的信息都有其特点优越性。 1 语言模型 语言最初是为解决数值运算而设计的，语言属于非数值符号，具有离散 性、序列性和邻接性的特征，其数据表达、语义表达、运算规则适于计算机进 行处理。 2 几何模型 几何模型着重描述产品的外观结构。常用的模型包括b - r e p ，c s g ( c o n s t r u c t i v es 0 1 i dg e o m e t r y ) d s g ( d e s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) ，变量 几何和特征表示等方法。特征模型沟通了设计者的构思和计算机中产品的几何 数据的表达。 第二章概念设计系统及机床产品建模 ( 3 ) 图( 树) 图和树是概念设计阶段常用的两种 煮示言昙o 曼巴翌霪麦；黧爨鬈戛属计算机 性，包括功能、行为和结构进行描述。 ”1 “ 图中的定点可表示产品的部件、结构或 结构属性。图中的边则表示各定点间的 关系。 ( 4 ) 对象模型 对象表示是近来比较流行的一种表 示方法，由于具有抽象性、封装性、多 态性和继承性等一些特点，对象表示在 建模方面有很大的灵活。本文将采用面 向对象的方法在模块化机床概念设计阶 段，建立集成化的模块数据模型，支持 机床概念设计的功能结构映射过程。 图2 6 产品模型表达 ( 5 ) 图象模型 图象是最接近人类思维和推理方式的表示方法。利用图象，如徒手草图是 设计活动中常用的加速设计活动和比较设计结果的方法。 就当前研究和应用需求来看，产品建模向着集成化的方向发展。集成的产 品数据模型中集中了产品的所有信息，包容了上述各种模型的功能，适应于产 品生命周期中的不同阶段的需要。 2 4 2 面向对象的方法n 4 5 1 面向对象的基本要素主要有对象、对象类、类层次、消息与方法等。 1 对象 对象是面向对象方法的最基本、最重要的要素。一般对象的定义为问题的 概念、抽象或具有明确边界和意义的事物。对象的作用有两个：一是促进对现 实世界的理解；二是为计算机实现提供实际基础。 2 对象类 对象类是具有相同结构、操作并遵守相同约束规则的对象聚集的抽象。 3 类层次 类与类之间的关系可构成类层次结构。处于上层的类称为基类( 或超类) ， 下层类称为子类。 4 、方法和消息 对象类的操作特性在面向对象中称为方法，而消息是用来请求对象执行某 一处理或回答某些信息的要求。其消息的传递通过接口实现。 面向对象技术的基本特性主要有抽象性，封装性，继承性。 1 抽象性： ! 生童堡查堡生墨竺墨塑盎兰曼垄堡 对象类是实现抽象的数据类型，对象类不仅可以表达对结构化数据的抽象， 而且可表达非结构化数据( 如复杂的工程实体、图形、图像、抽象规则等) 的 抽象，从而使面向对象技术具有很强的建模能力。 2 封装性： 封装是一种信息隐蔽技术，封装的目的在于将对象的使用者和对象的设计 者分丌，使用者不必知道对象行为的实现细节，只须用设计者提供的消息来访 问该对象。 ：j 继承性： 继承性是自动地共享类、子类和对象中方法和数据的机制。具体表现如下： 1 ) 新对象自动继承己存在类的全部语义。 2 ) 类层次结构中的继承及继承的传递性。类层次结构中的子类( 亦称下层 类或导出类) 能自动地继承其超类( 亦称上层类或基类) 的语义特性；如果类 层次具有两层以上时，这种继承还具有传递性，即最低层的子类可继承其超类、 超类的超类，乃至最项层的超类的全部语义特性。 本文选择用面向对象的建模方法建立机床模块数据模型，利用面向对象的 技术建立机床模块数据模型有以下优点：支持自上而下的分析，符合设计过程 中概念的逐步扩展；提供了把有关对象进行分类并组织成层次的归纳机制和能 把有关对象归并在一起的聚集机制，模型柔性好、表达能力强，可以描述很复 杂的数据并能在统一的概念化的基础上处理有关数据；数据结构和行为的继承 性允许各相似的子类共享共同部分，减少了产品数据的冗余。 2 4 3 面向对象的模块模型 1 模块模型的信息分析 机床整机由多个模块组成，模块又包含各结构部件，按分级模块化的思想 组成模块的结构部件按照模块的定义可视为组成模块的模块，即分模块。因此 ，功能 l l结构形状 厂模块内部信息 jj 技术性能信息 模块信息_ l 管理数据 l厂结合面特征 l 模块外部信息 l 联结方位尺寸 图2 7 模块信息分析 模块信息应包含其组成信息，同时还要有其功能信息，结构等各方面进行模块 创建和管理所需的信息。模块信息的结构如图( 2 7 ) 所示。 2 模块数据模型的结构 用面向对象的方法建立模块数据模型，由功能信息模型、结构信息模型、 第一二章概念设计系统及机床产品建模 装配信息模型和管理信息模型综合而成。 图2 8 模块数据模型的结构 1 ) 功能信息模型 功能信息模型反映模块的主要功能信息。功能信息是模块创建和模块选用 的主要依据。按上一节功能的分类和表达方法建立的模块功能的描述以 的形式表达，可以之做为模块功能对象的属性。功 能类的属性和方法的定义为： 属性方法 描述功能数据查询 i 功能对象标识i d功能约束求解 i 约束参数子功能操作( 添加、删 l 子功能链表 除、 2 ) 结构信息模型 模块的结构信息是组成模块的分模块信息的集成。模块的结构由分模块结 构相互间的关联和一定的空间位置描述聚集而成。反映模块的主要结构和特征 的尺寸，如模块的整体尺寸( 长x 宽x 高) 等也由分模块的尺寸和空间位置描 述计算得来。分模块结构的结合方式可以用如下关联矩阵来表达： 分模块 l 2 n 12 o1 lo 1 、 3 r l 10 oo 矩阵主对角线元素取值为0 ，其它位置上的元素若相应的行和列所