公理设计案例课件

第4组2018年11月7日,现代机械设计,主讲人：小组：,设计过程的四个域,在AD中,设计空间被划分为用户域、功能域、结构域和工艺域等四个域，每个域都是一组数据的集合，分别为客户属性(CustomerAttributes,CAs),功能需求(FunctionalRequirements,FRs),设计参数(DesignParameters,DPs)和工艺变量(ProcessVariables，PVs)。公理设计过程就是四个域间的逐层分解、迭代和映射的过程。,公理设计理论概述,公理设计理论概述,一、巴氏合金轴瓦成形新工艺二、自动装弹机设计三、汽车停车挡的设计四、数控微型磨床设计五、机加夹具概念设计,公理设计案例目录,一、巴氏合金轴瓦成形新工艺,4,学习交流,锡基巴氏合金和铅基巴氏合金为油润滑轴承的首选润滑界面材料，具有非常好的减摩性、嵌藏性、顺应性等，主要使用于大型机械主轴的轴瓦、轴承、轴衬、轴套,巴氏合金轴瓦成形新工艺,锡基合金自身强度较低,表面硬度随温度升高下降明显,致使巴氏合金对外界温度的变化十分敏感针对高速工况下轴承巴氏合金耐温性能及机械性能偏低等问题,利用公理设计方法通过对传统的巴氏合金轴承材料的改性及成形工艺流程的设计,而不是简单的试错来进行巴氏合金的性能改进,应用背景,公理设计理论研究,巴氏合金轴瓦成形新工艺,上图是公理设计理论,得到针对某种材料成形工艺设计的4个域,巴氏合金轴瓦成形新工艺,上图是巴氏合金材料新工艺过程含用户域、功能域、物理域和过程域这4个域。,约束,性能（目标）,影响因素,可控因素,巴氏合金轴瓦成形新工艺,DP1相密度:决定巴氏合金的软化温度，决定巴氏合金在高温下的硬度(FR1)DP2相的晶粒尺寸s:s的减小是提高巴氏合金压缩屈服强度(FR2)的重要手段DP3冷却速度v:巴氏合金材料与轴瓦背衬的结合强度(FR3)主要取决于浇注时的冷却性能，即与冷却速度v有关,图示为巴氏合金的典型金相组织,白色三角或方块为相。,巴氏合金性能的主要影响因素DPs,巴氏合金轴瓦成形新工艺,PV1,即添加微量铜(质量分数2%):巴氏合金中含有Cu,其质量一般占合金质量的3%5%微量的Cu能溶入固溶体并使之强化,提高材料硬度,Cu还可控制相的偏析,PV2,即浇注轴瓦后,在液态合金开始凝固时再水冷,以保持液态合金的流动性：高的冷却速度可以减小晶粒,也可以防止偏析,但过快的冷却会导致合金层的温差增大,容易产生缩孔,最后导致合金组织不致密,强度降低,因此要合理选择冷却速度。,巴氏合金工艺中的可控因素,巴氏合金轴瓦成形新工艺,图示为巴氏合金的典型金相组织,白色三角或方块为相。,过程域PV中所列的是可控制物理域DP中各项的工艺保证,设计检验,在设计付诸实践之前,需采用数学方法对设计进行检验。较佳的设计应满足公理设计理论中独立公理和信息公理的要求。信息公理规定,设计中需获取的新信息的含量应尽可能少。由功能域映射到物理域的设计方程可写成：由功能域映射到物理域的设计方程可写成可以看出,设计矩阵是一个典型的下三角矩阵,因此这个设计是一个解耦设计,满足独立公理的要求,设计是成立的。,设计检验,设计前后对比,对新工艺轴承材料考核的性能有四项:机械性能、微观组织、摩擦学性能、服役性能,。分别将新老工艺下制造的轴承材料进行试验对比。,改进前后对比,二、自动装弹机设计,14,学习交流,自动装弹机应用背景,双转鼓式自动装弹机,自动装弹机是军事装备中较为典型的机电一体化综合机械系统装置,由多个机械执行系统协同将弹仓中的炮弹运送推入炮膛，完成供弹、抛壳等动作，实现火炮装弹的自动化。,自动装弹机公理设计,自动装弹机公理设计,具体改进方案示意图,设计了双转鼓式弹仓，即将弹仓放在火炮的尾侧，炮弹水平向前存储在筒形弹仓内，其中轴线和火炮平行。这样可以实现任意角装填弹药，而且这样，炮弹的运动规律是，先沿垂直于炮弹轴线方向做直线运动，滚落至火炮轴线位置，再向前直线运动被推入炮膛，这种方式的运动规律只需要做一次推弹动作，炮弹的运动路线也较短，装弹时间可以缩短。,独立性判断与解耦,双转鼓式自动装弹机设计参数：储弹装置DP1、双轮鼓输弹装置DP2、推弹装置DP3。设计矩阵：FRs的数目等于DPs的数目为非耦合设计。耦合解决：采用带托弹板弹仓支架（输弹装置组成部分）结构，以炮弹自动滚落代替提弹过程，固定设计参数DP3。,三、汽车停车挡的设计,19,学习交流,自动变速器汽车都具有一个变速器输出锁止机构，即停车挡，用来防止汽车停车时自动滑移。为解决汽车停车换挡时有过大的冲击和噪声，基于公理设计理论，解决了原有停车挡的换挡不平顺现象。,汽车停车挡的设计,图1停车挡示意图,汽车停车挡原有设计,图2停车挡原有设计示意图,原有设计停车挡的组件FRs和DPs:,设计方程：,存在问题：汽车停在坡上，凸轮受到压力与摩擦力大；很难从停车模式转变为其他模式；过程产生较大振动。,汽车停车挡的设计改进,针对以上缺点，进行再设计：,汽车停车挡的设计改进,改进功能要求详细描述：,第一级分解结构,所以，第一级设计公式：,汽车停车挡的设计改进,第二级分解结构,改进功能要求详细描述：,汽车停车挡的设计改进,改进功能要求详细描述：,第三级分解结构,所以，设计公式：,汽车停车挡的设计改进,图3停车挡再设计示意图,图2停车挡原有设计示意图,汽车停车挡的设计改进,设计结果比较和验证：,X表示FR和DP之间是强影响；0表示FR和DP之间是弱影响,最终得出：停车挡的设计结果是解耦的设计；与原有设计相比，改变了棘轮和棘爪的齿形，减少凸轮和棘爪之间的力；变速箱传来的载荷完全由销子承担，解除原有设计的耦合；解决了原有设计换挡不平稳的现象。但选择设计参数必须按适当顺序才能满足各个子功能之间的独立性。,四、数控微型磨床设计,28,学习交流,为解决在常规超精密机床上加工出来微型零件缺乏韧性、成本高、消耗能源和空间与微型零件不对称的问题，微小型化磨床的设计刻不容缓。公理设计微磨床结构在设计时要保证数控微磨床的功能结构相互独立无耦合更大限度满足客户需求，减小设计误差,独立性判断与解耦,数控微型磨床结构设计,数控微型磨床功能结构分解应用公理设计提供的设计框架，采用“之字形”映射方法，得到微型磨床的功能要求和设计参数的分解图。如图1,图1微型磨床的功能要求,数控微型磨床结构设计,图2微磨床设计参数分解,数控微型磨床结构设计,数控微型磨床结构设计,公理设计采用从产品抽象概括到具体组成结构或结构特征、自顶向下的分解方法以下四级设计矩阵第一级设计矩阵第二级设计矩阵,数控微型磨床结构设计,第三级设计矩阵第四级设计矩阵各级设计矩阵是下三角矩阵和或对角矩阵因此该微磨床结构设计是一个符合公理设计的解耦合关系的设计是可行性的设计,五、机加夹具概念设计,35,学习交流,夹具概念设计的主要任务是设计出满足工件装夹要求的夹具结构，是后续机加夹具详细设计的基础，这一阶段的决策将对夹具的最终性能产生直接影响,机加夹具概念设计,目前在大部分航空制造企业中，机加夹具概念设计主要依赖于设计者自身的设计经验和知识水平，设计规范性较差，设计效率低,以AD理论为指导构建了机加夹具功能结构分解与映射算法，将机加夹具概念设计过程转换为面向机加夹具多级功能需求的机加夹具实例检索过程，提高了机加夹具的设计效率和质量,应用背景,公理设计理论研究,机加夹具概念设计,机加夹具概念设计,机加夹具多级实例库构建,基于AD的机加夹具概念模型生成,机加夹具概念设计,夹具概念设计的主要内容是将用户需求分解为不同层次的夹具功能需求，并将其通过功能和结构之间的映射转变成合理的夹具结构。首先检索相应的夹具结构实例作为夹具功能需求FRs对应的结构DPs当没有现成的实例可实现该功能时，在AD框架下将该功能逐级分解为一系列子功能分解至分解级数达到预设值或所有子功能均有相应的实例满足为止，最终得到夹具概念模型。,航空发动机压气机机匣夹具设计,某航空发动机对开环形机匣材料为TC4，其外型面分布有大量的岛屿、凸台、安装边、凹槽等特征，属于典型的大尺寸多特征薄壁结构，在加工中易变形，因此，在设计夹具时，除基本的夹紧功能和定位功能外，应提供支