数控机床模块化工业设计方案草稿.doc

数控机床模块化工业设计方案草稿 当前,数控机床已成为工业发达国家普遍采用的现代化制造车间的加工单元,数控机床在我国也得到了较快的发展。 从普通机床发展到数控机床,不仅是在控制技术方面,而且也在传动和结构方面实现了一次飞跃。 随着时代的发展,市场对数控机床产品结构和技术性能的要求越来越多样化,数控机床产品的快速开发及快速推向市场越来越显得重要。 由于技术进步和市场竞争,必然要求数控机床在结构设计方面要有新的先进的设计理念和方法来指导。 模块化设计正是适应这一发展要求的数控机床现代设计主要方法之一。 一、数控机床结构的特点和模块化设计方法的适用性1)同一类型的数控机床均可划分为基本相同的若干部分;2)同一类型的数控机床通过一个或若干个基本参数的变化形成不同规格的产品;3)同一类的数控机床尽管有着各种不同的结构布局和用途范围,但其基本控制、运动功能和工作原理是相同的;4)数控机床中有不少独立的功能单元,如导轨副、丝杠副、冷却系统、润滑系统、液压系统、气动系统、电气控制系统等,这一特点使其适应于模块化设计方法;5)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,机床基础大件(床身、工作台、主轴箱、滑鞍、立柱等)的结构动、静态特性和传动系统的高刚性成为设计的主要矛盾;6)数控机床采用计算机控制技术,使机床的机械传动机构大为简化;7)市场竞争和市场需求的多变,要求数控机床产品规格和功能多样化、性能好、成本低、制造周期短;8)随着技术的进步和市场的发展,许多数控机床功能部件已实现专业化生产和商品化。 我们知道,机床的功能、性能往往和成本相矛盾,而一般情况下,产品总成本的75%以上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,它解决了机床功能、制造成本、研发周期之间的相互矛盾。 二模块化技术在数控机床设计中的应用探讨 (1)基于模块化技术的产品开发一般程序为了充分应用模块化技术,整个产品开发设计过程必须从市场调研和概念设计开始。 在数控机床的概念设计阶段,需要根据市场调研结果,用模块化方法构造出模块化的数控机床产品系列规格。 系列产品模块化设计过程,本质上就是系列产品方案设计过程的关键环节。 基于模块化技术的产品开发一般程序如图1所示。 模块化设计除了遵循一般技术系统的设计原则外,其目的就是要使每个部件和零件特别是对于重要部件和重要零件,能在整个产品系列中具有尽可能大的通用性。 (2)模块化技术的应用探索和实践1)市场调查与分析。 这是模块化设计成功的前提。 必须注意和预测市场对同类产品的需求量、市场对同类产品基型和各种变型的需求比例,分析用户的要求,分析模块化设计的可行性。 如何在短期内开发和生产出质量好、成本低、适应范围广的产品系列,快速应对市场,提高市场竞争能力,这正是应用模块化设计,力求缩短设计和生产周期,并降低制造成本的出发点。 2)产品功能分析与产品系列型谱确定。 通过对产品功能、性能和技术水平档次的分析,合理进行功能组合,划分和确定产品系列。 本过程重在符合市场需求和客观技术规律,兼顾考虑模块化设计原则。 3)确定参数范围和主参数。 必须根据产品结构特点和一般使用范围规律,合理确定模块化设计所覆盖的产品规格范围。 规格范围过大,规格过多,对市场的应变能力强,有利于占领市场,但设计难度大,工作量大,甚至在一定程度上导致应用模块化技术的难度大;反之,则对市场应变能力减弱,但设计容易,工作量小,易于提高产品性能和针对性。 例如铣床,其产品规格主要取决于产品参数,其中包括尺寸参数(工作台尺寸)、运动参数(三向行程)和动力参数(功率、转矩),应合理确定,若过高过宽造成浪费,过低过窄不能满足要求。 另外,参数数值大小和数值在参数范围内的分布也很重要,按使用要求而定。 4)模块结构分析和模块类型确定模块化设计的原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品,并在满足要求的基础上使产品性能稳定、结构简单、成本低,模块结构应尽量简单、规范。 因此,如何科学地划分模块,是模块化设计中很具有艺术性和关键性的一项工作,既要满足市场需求和使用要求,又要考虑生产管理方便;既要达到设计简便、模块数量尽可能少、降低制造成本,还要考虑到该模块系列将来的进一步扩展和转向及向相近类型产品的辐射,所以划分的好坏直接影响到模块系列设计的成功与否。 总的说来,划分前必须对系统进行仔细的功能分析和结构分析,因此划分模块要遵循以下原则:模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性;模块应达到尽可能大的通用性;保持模块在功能及结构方面具有一定的独立性和完整性;模块间的接合要素要便于联接与分离;模块的划分不能影响系统的主要功能。 5)模块设计与建立模块库由于模块要具有多种可能的组合方式,因此设计时要考虑到一个模块的较多结合部位,合适的参数范围应做到制造与装配工艺性好,应尽量采用标准化的结构。 6)编写技术文件模块化设计建立的模块最终必须以技术文件的形式确定其组合关系,使之与具体产品产生联系。 因此必须保证技术文件编制的正确性、完整性,才能将不同功能的模块有机联系起来,指导制造和检验过程。 7）结束1)模块化设计是现代设计方法中的一种,可以加快产品开发进度和缩短制造周期,降低制造成本,提高综合效率。 2)模块化设计要从市场调研和产品概念设计开始,遵循一定的设计程序。 3)模块化设计过程包括产品功能分析、结构分析、规格系列分析、模块划分与组合等环节。 4)根据产品结构进行一级模块、二级模块、三级模块等的划分,可以有效地扩展模块化设计的应用、扩大模块化设计的效果。 5)根据影响产品结构、生产管理与成本的重要程度进行重要模块、次重要模块和次要模块的划分,可以分清主次,突出重点,提高综合效果。 三、数控机床模块化工业设计方法对于数控机床而言，模块化设计可以使其具有很大的灵活性和适应性。 数控机床的模块化工业设计是在对数控机床实施模块化设计的基础上，进行整机和模块的工业造型设计，是两种现代设计方法的有机结合。 3.1数控机床模块化工业设计基础数控机床模块化工业设计的基础是进行数控机床的模块化计。 机床的模块化设计方法主要有横系列模块化设计、纵系列模块化设计、跨系列模块化设计和全系列模块化设计。 横系列模块化是针对主参数相同的一组产品，通过选用不同的特定模块形成不同产品的模块化，例如数控机床主参数不变的前提下，通过配置不同的排屑装置形成不同的机床产品；纵系列模块化是指对主参数发生变化的产品系列进行模块化设计，数控机床的主参数为工作台工作面宽度，所以针对数控机床的纵系列模块化是指把工作台工作面宽度参数不同的各型号数控机床作为对象，进行模块化设计；跨系列模块化指既有横系列又有纵系列的模块化设计；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设计。 在进行数控机床的模块化设计之前，必须对现有数控机床产品型谱，主要参数等进行周密的规划，建立主参数相同或相似的，具有实施模块化设计可行性的对象的集合，即数控机床模块化设计产品族，并在此基础上进行数控机床的模块划分。 任何一个机电产品，都是由若干部件组成，部件又可以分解为分部件(即组件或构件)，最后分解为零件。 模块划分工作就是通过对零部件进行功能结构分析，将产品分解为若干模块。 模块划分的合理性对产品模块化的性能、外观以及模块的通用化程度和成本都有很大的影响。 为了实现计算机辅助模块化设计，以及模块化生产制造，还必须对划分好的模块进行编码。 最后通过选择不同分功能的模块，评价它们组合的可能性和合理性，进行模块的综合，得到具有特定总功能及某些特殊功能或特性的产品。 对于数控机床，其功能已经确定，即基础功能结构模块已经确定，所以可供选择的模块将只包括一些辅助功能模块。 数控机床的模块化工业设计，以机床模块为基础，在模块划分结束之后，进入数控机床模块化设计流程，即作为模块的详细设计内容之一展开。 本文在数控机床的模块化工业设计这一前提下，根据模块与机床造型的相关程度，进行功能结构模块的划分。 在进行模块的工业设计时，模块与模块间并不是孤立的。 从工业设计的角度来看，简单地追求单个模块最优造型并不一定能达到整体造型的最优，所以数控机床产品的造型设计也要从整体出发，宏观地对数控机床造型进行控制，即先确定整体的造型风格，从而推得单个模块的具体造型“形式服从功能”是工业设计基本原则，在模块造型的过程中也要遵循这一原则。 造型的确定必须服从相关的数控机床结构尺寸和机械性能的要求。 不仅综合模块如此，外观造型模块也是如此并且，由于模块不是孤立存在的，它们之间通过接口实现相互关联，所以在设计时不仅需要符合模块自身的功能结构，还必须满足模块间的接口功能要求。 数控机床的模块化工业设计的基本流程图模块化造型必须要对如何建立一个交互式的造型系统，设计方案的表现形式等进行研究，以期通过交流评价，方案修改，最终得到各方都满意的设计方案。 数控机床模块化设计流程图3.2数控机床计算机模块化工业设计系统的技术平台数控机床模块化工业设计过程是一个人一人、人机，相互交流互动的一个过程，所以其智能设计系统必须具备以下四点基本功能1)作为一个智能的数控机床模块化工业设计系统，系统除了必须具备一般智能系统所具备的知识库外，还必须建立数控机床模块的三维模型库。 除此之外，为了实现人机交互，系统还必须具备用于设计参数交换的数据库；2)设计过程是一个人与人相互交流的过程，作为设计系统必须为这种交流建立基础，所以设计方案输出必须是三维立体的、可视化的，能够允许用户从各个角度对方案进行观察；3)设计的过程是一个反复修改的过程，所以系统必须建立在通用CAD软件平台之上，允许用户对设计方案进行相关的修改操作；4）系统必须具备可操作性，具有人性化的人机交互界面。 3面向产品族的数控机床功能分析33数控机床产品族的建立产品族是主参数相同或相似，具有实施模块化设计可行性的对象的集合，是模块化设计的基础。 产品族模型由功能模型、原理模型和结构模型组成，所以在数控机床模块化设计过程中，产品族的建立必须综合考虑功能域、原理域和结构域这三方面因素。 从功能域角度来看，数控机床主要功能为车，铣削加工，兼有钻、镗削加工等，根据配置的数控系统功能不同，数控机床的加工能力也有所不同，两轴坐标联动可以实现平面类零件的加工，两轴半坐标联动可以实现较简单的空间曲面加工，用三坐标或多坐标联动可以加工如螺旋桨等复杂空间曲面。 从原理域角度来看，各类型数控机床工作原理大致相同。 数控机床工作前，都要预先根据被加工零件的要求，确定零件加工工艺过程、工艺参数，并按一定的规则形成数控系统能理解的数控加工程序。 然后用适当的方式将加工程序输入数控机床的数控装置中，由数控机床来运行数控加工程序，数控装置会根据数控加工程序中的内容，发出各种控制指令，同时向特殊的执行单元发出数字位移脉冲信号并进行进给速度控制，完成对零件的加工。 从数控机床基本结构来看，数控机床可分为工作台升降与工作台不升降两大系列。 中华人民共和国第一机械工业部发布的工作台不升降机床系列型谱中，将工作台不升降机床的基本形式分为十字工作台型、立柱移动型和滑枕移动型三种。 每种型式又分立式和卧式两种。 34面向产品族的数控机床功能分析 1、功能的概念与描述方法功能是系统的用途或能完成的任务。 就数控机床这样的机械产品而言，功能就是产品必须解决的问题，以及为解决此问题产品应完成的动作和发挥的作用。 对功能的描述可有多种方式，主要要求描述简单、明确，常用的功能描述的范式为(动词+名词)，其中的动词说明功能发挥的作用，名词说明作用的客体。 2、功能分析概述一般工程系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的系统解。 进行功能分析就是按系统分解的方法进行功能分解，从总功能开始，寻找某一个功能的实现方法作为它的次一级功能，以此类推，得到一个功能层级结构。 这样既可显示各功能元，分功能与总功能之间的关系，又可以通过各功能元之间的有机组合求得系统解。 常用的功能结构图为功能结构树图(如图)。 然而功能分解并不能无限制地进行下去，分解至哪一层合适，要视模块化设计对象的具体情况而定。 如果功能分解过细，会导致功能一结构映射求解过于复杂，不易进行模块划分；如果功能分解过粗，则隐藏了较多的基础功能单元，减少了功能交换和组合的可能性，不利于产品的功能创新。 同样的，数控机床的功能分解也要有利于其功能一结构映射的求解，有利于其模块划分的实施。 功能结构的关系有三种基本的形式(如图)。 链式结构(串联)各分功能按顺序相继作用；并列结构(并联)各分功能并列作用；循环结构(回路)分功能成环状循环回路，体现反馈作用。 （a）串联（b）并联（c）回路 3、面向产品族的数控机床功能分析数控机床的机械结构主要包括主传动系统、进给传动系统、基础支承件、辅助装置。 在引入各表现外观造型的部件后，数控机床结构组成如图，其中防护装置与外观造型直接相关，根据其功能的特点将其纳入辅助装置。 数控机床的结构组成 4、功能模块化设计的特点1)产品更新换代快。 新产品的发展常是局部改进,若将先进技术引进相应模块,比较容易实现局部改进,这就加快了产品的更新换代。 如计算机制造就是改变其中某些插件(模块),提高了计算机的性能。 2)缩短了设计和制造周期。 当用户提出要求后,只需更换部分模块,或设计、制造个别模块即可获得所需产品,这样就