（机械制造及其自动化专业论文）基于solidworks的数控卧式车床模块化设计系统的研究与开发.pdf

硕十位论文 摘要 当今，产品更新换代速度加快和用户需求多样化是产品发展的趋势。模块化、 参数化设计和计算机辅助设计j 下是满足产品需求多样化、个性化、小批量、生产 丌发和维修时问短等采取的必然措施。 本文以数控卧式车床为研究对象，在国内外模块化设计的研究基础上，采用 v i s u a lb a s i c 为编程语言，以s 0 1 i d w o r k s 为平台，针对数控卧式车床的特点，丌发 了一套数控卧车模块的c a c ( c o m p u t e ra i d e dc o m b i n a t i o n ) 系统。 在开发过程中，运用s o l i d w o r k s 为开发人员提供的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e ) 技术和v b 6 o 编程工具编译出d l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r v ) 文件。通 过建立标准化的数控卧车模型，以实现机床模块的自动选择和整机的自动组装， 大幅度的提高了设计效率，缩短了设计周期。 整个研究中，研究了模块化产品的设计理论，在此理论的基础上分析设计了 数控卧式车床的功能模型和体系结构，按照各模块的功能对数控卧车进行了模块 划分；提出了基于成组技术的模块编码方法，并完成了机床主要模块的编码系统； 探索了s o l i d w o r k s 的二次开发方法，在满足用户和设计人员需求的前提下，建立 了数控卧车各模块的计算机辅助组合的详细流程；分析设计了一个包括生产管理、 销售管理、仓库管理的机床模块数据管理系统，按照需求规定并应用u m l 理论， 采用r a t i o n a lr o s e 对系统进行了建模。 最后，对该数控卧车模块化设计系统进行了程序设计和交互式人机界面的实 现，并通过实例进行了展示。 关键词：模块化：s o l i d w o r k s ：二次开发：数控卧车：a p l ：v i s u a lb a s i c ：工程数据库： 三维建模 雄丁s o l i d w o r k s 的数托j 卧式下j 未卡5 1 块化设汁系统的研究j 丌发 a b s t r a c t n o w a d a y s ，p r o d u c t sr e n e w a ls p e e da n du s e rd e m a n dd i v e r s i t yi st h et r e n do ft h e d e v e l o p m e n t t h e q u e s t i o n i st h e p r o d u c t sd i v e r s i t y 、p e r s o n a “t y 、 s m a l l l o t m a n u f a c t u r i n ga n ds h o r tt i m e o fm a i n t e n a n c e s o ，t h em e a s u r e so fm o d u l a r 、p a r a m e t e r 飞d e s i g na n d c o m p u t e ra i d e dd e s i g nm u s tb et a k e n ， t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sp a p e ri sn ch o r i z o n t a ll a t h e i th a sd e v e l o p e das e to f c o m p u t e ra i d e dc o m b i n a t i o ns y s t e mb a s e do nt h er e s e a r c ho fh o m ea n da b r o a d t h e s y s t e mu s e sv i s u a lb a s i ca sp r o g r a m m i n g1 a n g u a g ea n ds o l i d 、b r k sa sap l a t f o m i nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o c e s s ，i th a sc o m p i l e dad l ln l e sw i t hv b 6 o b yt h es u p p o r t e do fs o l i d w o r k sa p i t h em o d u l e sc a nb ea u t o m a t i cs e l e c t i o na n d c o m b i n a t i o nb ys t a n d a r d i z e dn ch o r i z o n t a ll a t h et e m p l a t e i tg r e a t l yi m p r o v e st h e d e s i g ne f h c i e n c ya n ds h o 九e n e dt h ed e s i g nc y c l e i nw h 0 1 es t u dy ，t h en ch o r i z o n t a l1 a t h e sf u n c t i o nm o d e la n ds y s t e ms t r u c t u r e w e r ed e s i g n e db a s e do nm o d u l a rp r o d u c td e s i g nt h e o r y i t p u tf o r w a r dt h em o d u l e c o d i n gm e t h o db a s e do ng r o u pt e c h n o l o g ya n dc o m p l e t i o no ft h em a i nm o d u l e sc o d i n g s y s t e mo fm a c h i n et 0 0 1 t h es e c o n dd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k sh a sb e e ne x p l o r e da n d i te s t a b l i s h e dad e t a i lp r o g r e s sa b o u tc o m p u t e ra i d e dc o m b i n a t i o n 1 ta n a l y s i s e da d a t am a n a g e m e n to fm a c h i n et 0 0 1 sm o d u l ea b o u tp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t 、s a l e s m a n a g e m e n ta n dw a r e h o u s em a n a g e m e n t t h es y s t e mm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e dw i t h r a t i o n a lr o s eb a s e do nu m l a t1 a s t ，i tw r o t es y s t e mp r o g r a ma n dd e s i g n e dm a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e k e yw o r d s ：m o d u l a r i z a t i o n ；s 0 1 i d w o r k s ；s e c o n dd e v e l o p m e n t ；n ch o r i z o n t a l l a t h e ； a p i ；v i s u a lb a s i c ； e n g i n e e r i n gd a t a b a s e ； t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n g l v 硕f ? 学何论文 插图索引 图1 1c a d c a m c a e 1 图1 2 模块系统与产品族的关系2 图1 3c a d 技术演变3 图2 1a ) 模块的划分与设计b ) 模块的组合与评价8 图2 2 三个设计领域的映射图9 图2 3 模块矩阵的规划方法1 3 图2 4 大型数控卧式车床功能分解1 4 图2 5 数控卧车功能模块1 4 图2 6 标准连接模式15 图2 7 数控卧车主要模块饰局图15 图2 8 连接矩阵的形式1 6 图2 9a ) 减速机简图b ) 减速机零件相关图1 6 图2 1o 卧车简图17 图2 1 1 成组技术原理图18 图2 1 2o p i t z 零件分类编码系统结构图2 0 图3 1s o l i d w o r k s 对象模型3 0 图3 2 参数化设计原理图3 1 图3 3 新建工程对话框3 3 图3 4 【引用】对话框3 3 图3 5v b 调用s w a d d i n 接口函数3 3 图3 6 加载菜单项3 4 图3 7 程序系统结构图3 5 图3 8 机床模块的c a c 设计过程3 7 图3 9 机床c a c 概念设计专家系统3 8 图3 1 0c b r & m b r 求解方法模型3 8 图3 1 1 框架规则的一般理论结构3 9 图4 1a d o 工作原理图一4 l 图4 2a d o 对象模型4 1 图4 3 系统总体功能需求框图4 4 图4 4u m l 结构4 5 图4 5 在u s ec a s ev i e w 中创建角色4 7 v 荩丁s o l i d w o r k s 的数控卧式下床模块化设计系统的研究o j 开发 图4 6 在u s ec a s ev i e w 中创建用例4 8 图4 7c a c 设计人员的用例关系图4 9 图4 8 库存管理人员的用例关系图4 9 图4 9 采购人员的用例关系图4 9 图4 1 0 市场规划人员的用例关系图4 9 图4 1 1 客户的用例关系图5 0 图4 12 系统维护人员的用户关系图5 0 图5 1 广义的人机界面5 1 图5 2 狭义的人机界面一5 1 图5 3 人机界面设计过程5 2 图5 4 菜单加载项5 2 图5 5 设计人员登录窗5 4 图5 6 系统主界面5 5 图5 7 设计窗口一5 5 图5 8 设计窗口( 输入参数) 5 7 图5 9 模块型号5 7 图5 1 0 床身5 8 图5 1 1a ) 床头箱b ) 尾座5 8 图5 1 2a ) 刀架b ) 进给装置5 9 图5 1 3 数控卧车等轴测图5 9 图5 1 4a n s y s 分析入口6 0 图5 1 5 机床整机模型在a n s y s 中打丌6 0 图5 1 6 机床整机网格划分6 0 v l 硕f 学位论文 附表索引 2 1 国内外部分己发表的零件分类编码系统简况1 9 2 2 数控卧车模块系统主码2 3 2 3 模块特征信息码一一床身2 3 2 4 模块特征信息码一一床头箱2 3 2 5 模块特征信息码一尾座2 4 2 6 模块特征信息码一一刀架2 4 2 7 模块特征信息码一一进给装置2 5 2 8 模块中部分参数定义图2 5 2 9 数控卧车各模块参数和编码2 6 3 1 创建数学变换矩阵3 2 3 2 添加零部件3 2 4 1a d o 对象模型功能表4 0 4 2u m l 提供的基本模型图4 5 4 3u m l 图到v b 的映射4 6 5 1 创建控制窗口控件设置5 6 v l i 表表表表表表表表表表表表表表表 硕 j 。伊论文 第一章绪论 1 1 概述 1 1 1c a d c a m 技术 随着计算机的迅速发展，设计和生产的方法都在发生着冠著的变化。以6 仃一 直只能靠手工完成的许多简单作业，逐渐通过计算机实现了高效化和高精度化。 这种利用计算机来达到高效化、高精度化的目的，实现自动化设计、生产的方法 称为c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) 和c a m ( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ，计算机辅助制造) 。c a d c a m 集成系统以p c 的软硬件为其支持 环境，运用自身的功能模块( 分系统) 对需要制造的产品进行描述、计算、分析、 优化、绘图、工艺规程设计、仿真以及数控加工。广义的c a d c a m 系统还应该 含有工程设计系统、制作自动化系统、生产管理系统、质量管理系统和支撑系统。 将c a d 、c a m 合起来写成c a d c a m ，这并不是将二者简单组合在一起，而是表 示它们的有机结合，意味着进一步提高设计和生产效率的综合技术。 c a d c a m 集成系统具有图形显示、输入输出、存储和交互功能( 即人机接 口) ，它包含产品建模技术、集成的数掘管理技术和产品数据交换接口技术等关 键技术。 在设计与制造现场，c a d 、c a m 、c a e 的发展程度各不相同。当各项技术 充分发展并且全部集成起来的时候，真j 下的c a d c a m c a e 就诞生了( 图1 1 ) 1 。 图1 1c a d c a m c a e 摩j s 0 1 i d w o r k s 的数控卧弋下床f 5 ：! 块化设汁系统的刎究j ) r 发 到那时，人类将从重复、烦琐的作业中解放出来，专心地从事只有人类才能 完成的创造性工作。坐在显示器前与计算机对话，将自己的创意具体表达出来， 在工厂卑制造出最满意产品的梦想就会实现了。 1 1 2 模块化产品概念 模块化设计的原理在很多国家已被广泛采用，我国不少工厂也进行了有效的 尝试并设计和生产出许多模块化产品。国内外专家对此做了很多研究工作，取得 不小进展。但是，这些研究在理论上还不是非常系统和伞面，对于模块化产品设 计，目前还没有公认的比较权威的定义。文献 2 在分析诸多设计实例和综合各家 的看法之后，认为模块化产品设计就是：在对一定范f ；l 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，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求。 互换性是模块化产品设计最重要的原则，该原理的引入是机械制造业的一个 重要早程碑。在此之前，机器基本上是单件生产的，机器上的大部分零件也是对 应于该机器进行最后加工的，不能进行互换，从而使机器从最初的制造到后期的 维修都带来了诸多不便。“互换性”概念首次在美国福特汽车公司得到应用，它 将此概念用到汽车的设计制造过程中，使当时的许多供求矛盾得到解决，并获得 了相当好的效果。因此，受福特公司的启发，这种方法很快得到大家的认可并迅 速推广丌来，成为批量生产的模式。文献 3 认为模块化产品的基础就是拥有一系 列各自具有标准接口的可互换模块，这些模块也就成为模块化产品的基础单元。 产品按结构、功能等要求划分为不同的模块以后，将这些模块通用化，经过一系 列的组合，就可以重新组合成各种各样的新产品。产品族和模块系统之间的关系 可以用图1 2 进行简要的表示，而产品族就是通过使用模块系统中的专用和通用模 块，共同组合成的一系列产品。按照模块性能、结构的不同及其通用范围，产品 族可进一步细化为横系列产品、纵系列产品、跨系列产品和全系列产品等几类。 图1 2 模块系统与产品族的关系 2 用模块 硕十学何论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1c a d 技术的发展和s o l i d 、o r k s 二次开发现状 计算机辅助设计( c a d ) 在其近5 0 年的演变历史巾，经历了巨人发展，其技 术发展进程如图1 3 所示1 。 m 步北模技术 2 0 世纪6 0 年代7 0 年代8 0 年代9 0 年代 21 世纪 图1 3c a d 技术演变 新一代c a d 技术的发展主要体现在以下几方面旧1 1 ) 规范化( 标准化) 2 ) 智能化 3 ) 集成化 4 ) 可视化 5 ) 并行化 6 ) 网络化 s o l i d w o r k s 作为c a d 软件的一种，它具有应用编程接口( a p l ，a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，这是s o l i d w o r k s 软件的o l ea u t o m a t i o n 编程接口，包含 有数千个从v b 、v b a 、c + + 、c 捍、v i s u a ls t u d i o n e t 或s o l i d w o r k s 宏文件中的调 用函数，这些函数为用户直接使用s o l i d w o r k s 的功能提供了编程方法，如向装配体 中插入零件、零件参数化建模、建立自己的p r o p e r m a n a g e r 等。用户也可以通过编 程接口设置系统选项，以更好的建立个性化环境。 基于s o l i d w o r k s 的二次开发，国内外已有不少人做了相关工作。 国外，2 0 0 5 年美国加州大学的p r i n c e ，s t e w a r tp 等人研究讨论了基于a p l 函 数和v i s u a lb a s i c 语言的工程设计软件和分析软件之问的接口问题3 。 2 0 0 8 年伊朗的s h o k r i ，m 等采用v c + + 在s o l i d w o r k s 平台上进行二次开发， 找出一种组装算法，设计一个合适的夹具配置和组装过程盯3 。 荩丁s o l i d w o r k s 的数控睁r 式下床板块化设汁系统n 勺 j 刀究j7 1 发 2 0 0 9 年土耳其的k a r a 曲1 1 e ，h i r a 等人研究了医用机器人在s o l i d w o r k s 中的建 模及运动仿真，并采用v b 对其进行了二次开发m 1 。 同年罗马尼亚的御加勒斯特理工大学的1 1 i e s c u ，m i h a i e l a 等人研究了a n s y s 和s o l i d w o r k ss i m u l a t i o n 共同协作的三维快速成型设计旧1 。罗马尼亚的u r d e a m i h a e l a 等运用c a d 软件设计和测试卡具，并采用c + + 语占建立卡具的数据库以 方便快速查洵和调用0 | 。 国内，武汉理工大学的刘雄波1 研究了通用减速器模块化设计，山东大学的 张鹏爿研究了机床央具零部件库的建立，东北大学的赵凯 3 研究了齿轮3 d 敏捷设 计系统，合肥：f i ：业大学的汪洋3 】研究丌发了汽车主减装配线翻转央具参数化设计 系统。 综上所述，虽然有许多对s o l i d w o r k s 进行二次丌发的研究，但是对数控卧式 车床进行模块化设计系统的研究却相对较少。 1 2 2 机床模块化的研究现状 l - 机床模块化综述 德国于l9 3 0 年首先提出了模块化架构的设计方法，并将系列化、标准化的通 用部件经过适当的组合，制造出各种机床。 2 0 世纪5 0 年代未，在用通用部件组合成通用机床的基础上，出现了按用户要 求的类似于搭积木的模块化组合。 2 0 世纪6 0 年代，开始出现了由相同的模块群组合的跨类模块化，以及采用同 样方式的跨类排列机床群的跨类模块化构造方式。 2 0 世纪9 0 年代以来，除磨床、铣床、车床等传统的机床外，数控加工中心和 数控加工机床等新型机床也开始大量应用模块化的方式进行构造，如p a r l e e 公司模 块化的镗削装置和美国c i n c i n n a t i 加工中心三坐标运动模块。 国内，天津的第一机床厂于1 9 9 3 年应用模块化技术丌发的加工中心，充分体 现出加工中心高精度、高柔性的特点，与此同时又兼具组合机床的高效率和模块 化组合的优点，既可以单机工作，又可以组合成f m c ( 柔性加工单元) 或是f t l ( 柔性生产线) 。北京的第一机床厂应用模块化的原理设计龙门铣床，北京的第 二机床厂，上海的仪表机床厂，以及济南的第一、第二机床厂等都采用模块化的 原理进行产品设计和生产。 2 计算机辅助模块化设计 2 0 世纪6 0 年代，曼彻斯特工业大学k o e n i g s b e r g e r 教授基于“将具有固定用途 的部件进行标准化设计，使部件之间易于装配和拆卸，并选择产品必须的部件进 行装配，以此构成能充分发挥所需的综合性能的机械甚至系统”的思想，提出了 4 硕十学伊沦文 “模块化构造”这一术语。 f 1 本的y y o s h i d a 、y i t o 【1 副研究探讨了大型机床的结构部件、结构布局的 构成。经过分析，提出一种基于机床模块化的专用型号设计方法和分级模块的概 念，并将计算机的辅助设计应用与描述机床的机构布局，提出一种新结构表述方 法用来描述由成组技术编码的结构模式。 德幽p d i e t z 引研究了将不同尺寸规格的模块进行组合的问题，自订苏联将计算 机技术和图论应用于设计模块化机床的布局，找出连接各个模块最短路径的顶点 集，然后将各个模块的天系按权的形式水分析，以此确定机床的整体布局。 国内，2 0 世纪8 0 年代初，郑硕、潘志康、杜式番、陈耀昌等丌始对模块化这 一思想进行探讨和生产实践。 2 0 i 址纪8 0 年代后期，陈敏贤川等研究了将计算机技术运用到机床模块化设计 中的理论，分析了计算机辅助管理系统中的模块划分、模块之间的结合式、模块 的制造、管理和c a c ( 计算机辅助组合，c o m p u t e ra i d e dc o m b i n a t i o n ) 中模块编码 的方式，给出了模块的计算机辅助设计算法，实现了一种交互式车床模块化管理 系统。 2 0 世纪9 0 年代初，蕈时中从系统论角度入手，指出了模块化设计是组合化、 标准化设计，是面向产品系统的设计，并指出了模块化与通用化、组合化等标准 之间的区别和联系。 2 0 世纪9 0 年代，国内研究和实践了计算机技术与机床模块化设计、管理以及 制造相结合的理论。华中理工大学”对计算机系统智能支持机床的模块化设计的 方法、理论和关键技术进行了研究，天津大学刚研究了数控机床计算机辅助设计 系统的框架，机床的模块选择，模型的建立和机床的组合等方面。 若一种数控车床模块化设计方案引，有四种功能相同性能不同的主轴箱模块， 三种卡盘模块、四种刀架模块，尾座和操作台模块各两种，可以根据需要选用。 由此可见，模块化设计将机床上同一功能的单元，设计成若干个具有不同性能的、 可以互换选用的模块，根据用户的需要，选择和组合成不同功能或功能相同但性 能、规格不同的产品。 综上，国内外对机床模块化和计算机辅助模块化已有不少研究。星火机床厂 的主要产品为大型数控卧式车床，并且基本都是根据用户订单来设计生产。由于 该厂机床只是部分模块化，而且计算机辅助设计较少，工作量大而且效率低。因 此，本课题在参照前人模块化研究的基础上，研究出满足星火现有的数控卧式车 床模块划分标准和适于软件设计的模块划分规则和编码方法。 基丁s 0 1 j d w o r k s 的数控卧式17 床f ；j f 块化设计系统的硼冗j 开发 1 3 课题来源和意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于天水星火机床有限责任公司远景规划项目。 1 3 2 课题意义 机床产品模块化设计可以提高产品的适应性，缩短设计周期，利于企业根据 市场需求和技术发展，及时对产品重组改造，既可以建立新功能模型，也可对部 分模块进行变型创新设计。可以加速机床新产品的开发，还能够降低成本，使多 数零部件由单个、小批生产变为成批生产，机床结构呵用最少的变动来适应不同 需求，以满足用户和生产厂家双方的收益。模块还可以预先实验，以确保模块的 良好性能，必要时可更换模块而不致影响生产。但是，随着模块化机床的发展， 模块的数量、品种都将不断增加，由此组成许多不同品种的机床。这使得模块化 机床的设计过程也显得更加复杂，尤其是在最初的设计中。例如，某机床厂生产 的模块化车床，主机模块5 4 个，附件模块4 5 个，由5 4 个主机模块按各个客户的 要求可组合成上百种不同规格车床心0 。 如果将机床的整体布局和模块的参数化与c a d 软件的二次丌发技术相结合， 根据具体产品的需求对通用c a d 系统进行专用化的研究与开发，能够极大地提高 设计效率，实现快速化设计。 本课题来自天水星火机床有限责任公司。该公司产品有大型数控车床、数控 端面车床、大型卧式车床、端面车床、轧辊车床、专用机床等1 2 个系列，主要产 品为大型数控卧式车床。公司的发展方向是机床的个性化，也就是根据不同的用 户要求设计制造机床，采用订单式生产机床的方法。星火机床厂的现有机床只是 部分模块化，而且计算机辅助设计较少，机床设计和试制周期长。根据星火机床 厂的现状和个性化机床的发展思路，因此本课题以数控卧式车床为研究对象，对 s o l i d 、o r k s 2 0 0 9 进行二次开发，具有如下意义： 1 ) 本系统是针对数控卧式车床而丌发的计算机辅助模块化设计软件，方便数 控卧式车床的各模块的检索和机床整机的快速组装，使工作效率有较大的提高， 并且具有一定的通用性。 2 ) 使用本系统中的数据库可以方便的查询各个模块的主要参数，也可以根据 参数方便的调用模块，使得工作量大为减少。 3 ) 本系统是基于机床的模块化来设计的，在建立基本的数据库和模块库的同 时，用户还可以根据自己的实际情况来增删各个模块的具体参数和加入新的模块， 使得本系统具有很大的可扩展空间和适用范围。 4 ) 在计算机上建立数控卧车的三维实体模型，能够更直观、更全面的反应设 6 计意图，并且为有限元分析，运动仿真等高级计算机辅助设计奠定了基础。 5 ) 本文将对s 0 1 i d w o r k s 二次丌发进行详细而全面的探讨，对s o l i d w o r k s 专 用系统的丌发具有一定的指导意义。 1 4 研究内容 鉴于上述与课题相关的围内外研究现状，本论文的主要研究内容为： 1 ) 进行系统规划，确定系统的总体目标和功能，对系统的必要性和可行性进 行分析和讨论，选择系统的丌发方法。 2 ) 参照成组技术的方法对数控卧车进行型谱分析和模块类型划分，建立各模 块的编码规则。 3 ) 基于m i c r o s o f t 提供的a c c e s s 数据库，进行数据库的构思和设计，确定数 据库的丌发模式，根据设计思路建立合理的数据库结构，实现对各部件主要参数 数据的存储、提取和更新等处理。 4 ) 在s o l i d w o r k s 中建立数控卧式车床各部件和车床整机的部分简化模型。 5 ) 对该数控卧车模块化设计系统进行程序设计和实现，采用v i s u a lb a s i c6 o 对s o l i d w o r k s 2 0 0 9 进行二次丌发，最终设计出友好、便捷的用户操作界面。 7 荩j 二s 0 1 i d w o r k s 的数控卧弋乍眯模块化设汁系统的研究。j 开发 第二章机床模块化和编码系统研究 面向用户需求的机床模块化产品设计，需要先后经历如图2 1 中a 图的模块的 划分与设计和b 图的模块的组合与评价两个阶段。从中可以看出，若要对机床进 行模块化组合设计，首先要对机床进行模块规划相关工作。本章主要介绍机床模 块划分基本原理、相关步骤和模块编码系统设计，为第三章的机床模块计算机辅 助组合( c a c ：c o m p u t e 卜a i d e dc o m b i n a t i o n ) 做准备。 市场调查与总功 能、参数的确定 模块的划分 与设计 模块的综台 t 满意? 上 完成设计 功能分析 t = 二 选择不同分功能 的模块改进或设 计个别模块 模块的综合 满意? 、 址 组合产品 图2 1a ) 模块的划分与设计b ) 模块的组合与评价 2 1 模块化综述 2 1 1 模块化思想自古有之 模块化或模块化设计的出现并非偶然，而是在分析产品设计和制造的规律， 研究客户要求，不断的总结前人的经验的前提下最终提出来的。早在模块化概念 被正式提出之前，模块化的思想就已经萌发 由模块所构成的系统称为模块系统，有时也称为组合系统，模块系统的概念 是受到儿章积木的启发而得出的心1 。我们小时玩的积木，是由不同的颜色、大小、 形状和一定数量的积木构成的。通过将这些积木块进行不同的组合就可以构成千 变万化的玩具造型，如不同颜色、大小的家具、房屋、飞机等。可以按照说明书 的要求进行组合，又可以充分发挥自己想象的空间组合成自己喜欢的玩具。因此， 这些组合成各种玩具的积木块就成为了儿童玩具这一模块化系统的基本模块，将 这些模块进行不同的组合的原理就成为了最基本的模块化概念。 2 1 2 模块化本质 当今，主流产品的丌发模式就是在一定技术下丌发某一范围内的产品。当产 品设计由个体拓展为一系列时，在一定框架基础上进行产品之问的相似性分析成 为必要。产品结构一般可表述为功能需求( 或功能) 域、模块功能( 或技术) 域和 模块( 或物理) 域及其之问的映射关系。 产品设计可认为是选择合适的d p s ( 设计参数) 完成从功能需求域到模块域的 映射，即f r = a 半d p ，其中a 为设计矩阵川。在概念设计阶段，模块化设计的首要 任务是确定设计矩阵a ，完成功能域到技术域的映射，然后在考虑模块接口、尺 寸等性能要求下完成从技术域剑物理域的映射。 产品结构设计的三种域的映射关系如图2 2 ”所示，其中模块功能域可分为五 类功能，分别是b f ( 基本功能) 、a f ( 附加功能) 、a d f ( 适应性功能) 、c f ( 专用功能) 和s f ( 用户定制功能) 。相应地可以将模块结构定义为b m ( 基本 模块) 、a m ( 附加模块) 、a d m ( 适应性模块) 、c m ( 专用模块) 和s m ( 用 户定制) 模块。 。 r、r、 l b f i g 。 l 酬l 厂八。心 l a f ll a m l 胁墨 f a d fa d m l c f lic l l i s f ii s m i 2 2 机床模块化设计 图2 2 三个设计领域的映射图 机床的模块化设计就是根据广大用户提出的各种要求，在分析产品功能的基 础上，设计出具有不同用途、不同结构，而功能相同的一组具互换性的功能单元 ( 包括各种部件、组件、装置等) 和专用部件，然后将其组合成普通机床、数控 机床、柔性加工机床和专用机床等。 2 2 1 机床模块化设计的准备与规划 模块化设计的准备与规划的主要目的之一就是以尽可能少种类和数量的模块 组成尽可能多种类、规格的产品，即以最小的成本满足市场的各种不同需求。因 此，在进行产品的模块化设计之前，必须在市场调查的基础上进行充分的准备和 9 荩丁s o l j d w o r k s 的数控卧式乍床模块化殴计系统的 f 冗j 丌发 周密的规划，合理确定产品系列型谱和产品的主要参数。 市场调查和分析的内容包括1 ： 1 ) 目f j i ，同类产品的市场需求量； 2 ) 对于不同功能、参数、造型或价格的i 司类产品的市场需求比例，以及其发 展趋势。 3 ) 用户对产品的使用寿命、价格以及返修率等的要求和意见，对产品跟踪所 得到的信息，应改善产品的性能和结构等。 4 ) 采用模块化产品设计的可行性，以及由新设计带来的成本变化和对保持或 占领市场的预测。 5 ) 产品的国内外发展趋势，新技术应用的可行性，新产品丌发的关键技术以 及其解决的办法和把握性等。 在对星火机床厂进行实地调研，并分析近五年的客户需求的情况下，我们了 解到该厂产品有大型数控车床、数控端面车床、大型卧式车床、端面车床、轧辊 车床、专用机床等12 个系列，主要产品为大型数控卧式车床。公司的发展方向是 机床的个性化，也就是根据不同的用户要求设计制造机床，采用订单式生产机床 的方法。该厂的现有机床只是部分模块化，而且计算机辅助设计较少，机床设计 和试制周期长。 根据其现状和个性化机床的发展思路，本课题将主要以该厂的大型数控卧式 车床( c n cl a r g e s i z e de n g i n el a t h e s ) 系列产品为研究对象，进行模块划分、编 码和计算机辅助模块组合等相关研究。整个实例紧跟理论基础，分布于各个章节， 贯穿全文。 该大型数控卧式车床系列： 1 ) 主参数，即床身上最大工件回转直径都在矽8 5 0 矽2 4 0 0 之间，有8 5 0 、 1 0 0 0 、矽1 2 5 0 、矽1 4 0 0 、1 6 0 0 等。最大工件车削长度都在1 0 0 0 8 0 0 0m m 之间。 2 ) 主传动电机功率均在a c1 8 5 5 5k w 之间，主轴转速采用两档或四档无 级变速。 3 ) 机床承重一般在4 0 0 0 18 0 0 0k g 之间( 不包括中心架承重) 。 4 ) 主传动系统、横向进给系统和纵向进给系统各自独立。 5 ) 机床系列变型品种多，但主要部件各阶段范围内结构变化不大，主要是尺 寸的变化，如床身的长度和宽度，还有不同刀架、尾座以及中心架的匹配增加了 机床的变化。 2 2 2 模块化设计的分类 按模块化设计的产品在产品系列中所覆盖的形式和程度，人们常把模块化设 计分为横系列模块化、纵系列模块化、跨系列与全系列模块化以及跨类模块化等 l o 硕1 学忙论文 类别，不同类的模块化在设计时有不同的考虑和特点心1 ： 1 横系列模块化 横系列模块化是指在同一规格的基础i ：在变型产品范围内进行模块化设计， 即在基型产品的基础七，通过变更，增加或减少某些特定模块而形成变型产品。 由于横系列模块化是系列内同一规格产品的模块化，而同一规格产品的主要参数， 特别是动力参数是桐i 司的。产品的不同主要反映在某些结构、功能、布局，工作 方式或控制系统等方面，不会对基本模块提出很大的不同要求。因此，这种设计 是最易于实现的一种，在所覆盖的产品中模块的通用程度比较高，整套产品所需 要的模块种类也必然较少。 上海第四机床厂用模块化方法进行了5 0 0 m m 工作台不升降铣床的设计。选择 的肇型产品为端丽铣床，可更换的模块分为两组：一组为铣头，包括端铣头、立 铣头，转塔铣头、转塔刀库铣头和卧铣头：另一组为控制系统，包括程序控制、 点位直线数字控制、连续数字控制，自动换刀数字控制和仿形控制。通过对这两 组模块的不同选择可以有2 5 种不同的组合，其中可行方案为l9 种，即通过更换 两组模块可以构成l9 种不同的5 0 0 m m 工作台不升降铣床。 2 纵系列模块化 纵系列模块化是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 不同规格，体现在主参数不同上，而主参数不同的产品的动力参数往往是不同的， 比如所需的功率不同，从而导致尺寸或结构型式的不同。若把与动力参数相关的 零部件设计成相同的通用模块，势必造成强度或刚度的冗余或欠缺。为满足要求 只能设计成冗余，从而使产品结构过大，而且浪费材料。因此，与动力参数有关 的模块往往采用分段通用的方法进行设计，而对于与尺寸或动力无关的模块，则 可在更大的范围内通用。由此可见，纵系列模块化设计的难度大于横系列模块化。 德国s h w 厂生产的工具铣床是按纵系列进行模块化设计的，只需改变床身和 横粱两个基础件的高度和长度，就可得到三种纵系列规格，其最大行程规格( x y z ) 分别为7 5 0 5 0 0 5 0 0 m m ，8 5 0 6 0 0 6 2 5 m m 和lo o o 7 0 0 7 5 0 m m 。由 于尺寸变化范围不大，而且铣头采用相同功率，即动力参数相同，因此，主要模 块的结构和断面尺寸就可以相同，从而实现整个纵系列通用。其模块主要有4 组： 第l 组为滑枕式铣头，有机械和电气两种变速，铣头型式有卧铣头、加高卧铣头、 转塔铣头和机动进给主铣头等4 种：第2 组为床身和升降台，其中床身有3 种规 格，升降台有回转滑座式、滑座式和固定式3 种；第3 组为滑座和工作台，分为 单向和双向移动两类且有不同结构尺寸，共有5 种；第4 组为数控系统，有点位 控制、直线控制和连续控制3 种。 3 跨系列及全系列模块化 横系列模块化比较易于实现，而纵系列模块化难度较大，且效果又不及横系 基丁s 0 1 i d w o r k s 的数控垮r 弋_ 下? 眯模块化殴汁系统的i i ，i ! j 芒j 丌芨 列模块化。因此，很少单纯的进行纵系列模块化，而常常是在横系列模块化的基 础上兼顾纵系列，形成了既有横系列又有纵系列的跨系列模块化。若在整个横系 列和纵系列，即全部系列范围内进行统一的模块化设计，则称为全系列模块化。 跨系列模块化的条件是产品具有桐近的动力参数，如最大扭矩、电机功率、使用 电压以及允许的最大电流等。设计时有两种模块化方式可供选择：一种是在基础 件基本相同的结构上选用不同模块而构成跨系列产品；另一种是在基础件不同的 跨系列产品上，对具有同一功能的单元选用相同的模块组。 德国沙尔曼( s c h a r m a n n ) 厂生产的镗铣床就具有跨系列模块化的特点。该 套镗铣床所用模块主要有4 组：第l 组为数控系统；第2 组为刀库和换刀装置；第 3 组为工作台，包括移动式工作台、固定式工作台、落地平台和辅助工作台等；第 4 组为立柱滑座。通过更换或添加数控系统、工作台及刀库和换刀装置等模块，可 构成数控镗铣床和各种型式的镗铣加工中心等横系列变型产品。通过选用不同的 立柱滑座和相应的工作台模块则可以构成镗铣床和落地镗铣床这两类不同规格的 产品，从而实现了跨系列模块化，这种跨系列产品的特点是主要基础件( 如立柱) 的结构是相同的。 全系列模块化就是整个该类产品被跨系列模块化覆盖。它实际上是在一类产 品的全部横系列和纵系列范围内进行模块化设计，而跨系列模块化则是横系列兼 顾部分纵系列或某纵系列兼顾横系列的模块化设计。所以全系列模块化设计的复 杂程度和难度都较大，所需的模块种类也将更多。 文献 3 中绘制出模块矩阵