CN103020399A - 基于模块化的机床设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于模块化的机床设计方法，其首先按照功能、结构特点和加工装配条件，采用边介数搜索算法对给定机床进行模块划分，并据此建立功能模块库；其次采用配套选择接口算法对功能模块间的接口进行标准化，并据此建立接口数据库；再者建立各个功能模块内部的所有零部件的变型设计库；最后将上述功能模块库、接口数据库和变型设计库在软件环境下进行组合建模获得机床的三维模型。本发明能够根据客户需求来快速实现响应其需求的性能和规格产品，实现对机床的模块化设计。

Description

基于模块化的机床设计方法

技术领域

本发明涉及机床设计领域，具体涉及一种基于模块化的机床设计方法。

背景技术

面向大批量定制和大批量定制的设计技术是建立在模块化基础上的。产品的模块化设计是在对一定范围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，通过对不同模块的组合实现了以有限资源生产出尽可能多的产品品种。产品模块化是企业产品资源重用的基础，也是实现产品配置设计和变型设计的关键。产品模块化综合考虑了产品对象，把产品按照功能分解成不同用途和性能的模块，并使模块的接口(结合要素、形状和尺寸等)标准化，选择不同的模块可以迅速组成满足各种要求的产品。模块化在电子设备，计算机、软件业、汽车制造、飞机制造等众多行业得到成功的应用并产生了巨大的经济价值。然而机床产品作为任何机械产品的生产母机，目前机床产品的设计仍然采用传统的设计方式，其设计时长往往需要3个月以上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于模块化的机床设计方法，其能够根据客户需求来快速实现响应其需求的性能和规格产品，实现对机床的模块化设计。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

基于模块化的机床设计方法，包括如下步骤：

(1)按照功能、结构特点和加工装配条件，采用边介数搜索算法对给定机床进行模块划分，并据此建立功能模块库；

(1.1)给出给定机床内部所有零部件相互之间的装配约束关系式；

(1.2)根据给定机床的零部件数及上述零部件间的装配约束关系建立装配关系网络；

(1.3)计算给定机床零部件的装配关系网络中各条边的边介数；

(1.4)去掉网络中边介数最大的边，将网络分成若干子网络；

(1.5)对各个子网络重复计算边介数和去掉网络中边介数最大的边的过程，直到分解的所有子网络符合设定的模块划分粒度为止，此时所得子网络即为划分出的功能模块；

(1.6)根据划分出的功能模块建立功能模块库，该功能模块库记录有各个功能模块所包含的零部件；

(2)采用配套选择接口算法对功能模块间的接口进行标准化，并据此建立接口数据库；该接口数据库记录功能模块与其相关联功能模块之间相互配合关系及所有接口类型变化的可能性；

(3)建立各个功能模块内部的所有零部件的变型设计库；

(3.1)将所有零部件的各项参数进行分类，一类是固定不变的不变参数，一类是根据用户要求变化的基本参数，一类是随基本参数和/或接口类型改变而发生相应变化的导出参数；

(3.2)将各不变参数零部件的参数值进行存储；

(3.3)将各基本参数零部件的参数值预留，后续按用户要求人工输入；

(3.4)将各导出参数零部件随基本参数零部件变化的函数关系式进行存储；

(4)将上述功能模块库、接口数据库和变型设计库在软件环境下进行组合建模获得机床的三维模型。

所述步骤(4)之后还进一步包括对建模后的三维模型进行模拟仿真分析，以获得模拟仿真的结构应力、热应力、变形和模态值，并将上述各值与具体应用环境下获得的结构应力、热应力、变形和模态值进行比较；当模拟仿真的各参数值与具体应用环境下的各参数值相符时，将建立的三维模型输出；当模拟仿真的各参数值与具体应用环境下的各参数值不相符时，将不合格参数值导出作为后续变型设计库调整的依据。

当步骤(1.3)对无权无向无环网络进行边介数搜索时，其过程是采用循环与邻接表的数据结构将网络的所有结点及其对应的邻接点按顺序依次存入邻接表，然后从网络中任选一条边依次搜索所有包含该边的任意两点间的最短路径，并记录该边的边介数，如此循环，直到网络中所有边的边介数都求出来为止。

与现有技术相比，本发明在对企业某型成熟系列化机床销售数据和订单进行数据分析后，对未来产品的发展和客户的个性化需求进行了定位和预测。在此基础上，成功地实现了：1、按照功能、结构特点及加工装配等条件，进行了模块划分；2、通过自定义算法，合理地对模块间的接口进行了标准化；3、实现了模块的搜索以及变型设计技术下定制模块的快速生成；4、实现了模块在软件环境下的自动组合。通过模块化设计使得机床设计周期从3个月缩短到几个小时即可完成。

附图说明

图1为一种无权无向无环网络；

图2为边介数搜索流程图；

图3为基于复杂网络边介数集聚特性的模块划分框图；

图4为龙门铣床装配约束关系网络图；

图5为变型设计流程图；

图6为机床的组合流程图。

具体实施方式

下面以龙门铣床为例，对本发明一种基于模块化的机床设计方法进行详细说明：

在对产品进行模块化设计之前，首先需要对企业某型成熟系列化机床销售数据和订单进行数据分析后，对未来产品的发展和客户的个性化需求进行了定位和预测。在此基础上，再对机床进行模块化处理。

1、按照功能、结构特点和加工装配条件，采用边介数搜索算法对给定机床进行模块划分，并据此建立功能模块库；

1.1、给出给定机床内部所有零部件相互之间的装配约束关系式；

1.2、根据给定机床的零部件数及上述零部件间的装配约束关系建立装配关系网络；

1.3、计算给定机床零部件的装配关系网络中各条边的边介数；

1.4、去掉网络中边介数最大的边，将网络分成若干子网络；

1.5、对各个子网络重复计算边介数和去掉网络中边介数最大的边的过程，直到分解的所有子网络符合设定的模块划分粒度为止，此时所得子网络即为划分出的功能模块；

1.6、根据划分出的功能模块建立功能模块库，该功能模块库记录有各个功能模块所包含的零部件；

在本发明具体实施例中，按照模块化原理对龙门铣床进行设计，首先需要引进合理的方法对龙门铣床进行正确而高效的模块划分，本发明中采用了基于复杂网络的边界数搜索算法的模块划分方法，对龙门铣床整体功能和接口进行评价，最终成功地将龙门铣床划分为11个模块，为后续模块化龙门铣床的模块组合方法研究奠定了基础。下面对模块划分方法即边介数搜索算法进行介绍：

在网络中，一条边的边介数定义为通过该条边的最短路径的条数。根据边介数的定义，可以归纳出某条边的边介数计算公式如下：

$B_{\mathrm{ij}}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ijk}}---\left(1\right)$

式中：B_ij——过由顶点i和j组成的边的边介数；n——网络的顶点数；P_ijk——从顶点k出发且经过边ij(或边ji)，到网络中其他顶点的最短路径数。

边介数反映了相应的结点之间的边在整个网络中的作用和影响力，是一个重要的全局几何量，具有很强的现实意义。边介数越大说明这条边联接的两个网络部分越密集，集聚特性越强，如果将边介数最大的边移除掉就可以得到两个密集型的小网络。如此类推，可以将一个大型网络分割成若干密集型的小网络。若为机械网络，便可以将整个机械***分为一个个的小模块，即达到模块划分的目的。

最短路径：在网络中，任意两个结点之间所有路径中距离最短的路径称为最短路径。最短路径的距离分两种情况：若网络为加权网络，则指路径上各边的权值总和；若网络为无权网络，则指路径上边数的总和。当加权网络中边的权值为1时，加权网络等价于无权网络，因此无权网络也可以说是加权网络的一种特殊情况。

对于有关如何搜索如图1所示的无权无向无环网络中任意边的边介数，本发明研究了一种比较高效的无权无向无环网络边介数搜索算法。算法的基本思想如下：采用循环与邻接表的数据结构将网络的所有结点及其对应的邻接点按顺序依次存入邻接表，然后从网络中任选一条边依次搜索所有包含该边的任意两点间的最短路径，并记录该边的边介数，如此循环，直到网络中所有边的边介数都求出来为止。

无权无向无环网络图的算法主要包括以下步骤：

(1)根据给定对象(机械产品)的结点(零部件)数及结点间的关系(装配约束关系)建立网络图。设计并实现有相关网络的一些基本算法，如结点及其邻接点的存储，联接关系表达等。

(2)根据无权无向无环网络的特点，为了减少搜索工作量，采用递归和堆栈从指定结点a出发，并将指定结点标记为已访问过，然后依次搜索出发点a的每一个邻接点b，若b未曾被访问过，则沿此边从a到达b，访问b并将其标记为已访问过，然后从b开始搜索，直到搜索完从b出发的所有路径，才回溯到结点a，再选择一条从a出发未探寻过的边。上述过程一直循环到从a出发的所有边都探寻过为止。在这个过程中，从a开始，每探寻到一个未被访问的结点，则边介数加1，最终，即可以得到该边的边介数。

(3)当以a为起点的边的边介数搜索完毕后，则搜索以a的下一点c为起点，以c的邻接点为终点构成的边的边介数。

(4)重复步骤(2)和(3)，直到求出网络中所有边的边介数为止。

算法的具体流程如图2所示。流程图中各字母的含义如下：a为当前路径中包含的边数，b为初始结点，d为当前结点的上一结点，ei为目标结点，min为两结点之间所有路径中最短路径所包含的边数。

基于复杂网络边介数集聚特性的模块划分方法与步骤如下：

(1)提取产品的零部件装配约束关系；

(2)构建产品的零部件装配约束关系网络；

(3)计算产品零部件装配关系网络中各条边的边介数；

(4)去掉网络中边介数最大的边，将网络分成若干子网络；

(5)对各个子网络重复上述过程，直到分解的所有子网络符合模块划分粒度(即E<2)为止。

综上所述，基于复杂网络边介数集聚特性的模块划分方法与步骤的具体框图如图3所示。

本发明仅对龙门铣床做一级模块划分，因此将具有显然集聚特性的零件集团(部件)作为一个结点，如：丝杠螺母副、主轴箱、进给箱等。为了方便描述以及后续边介数的计算，本节用数字标号来代替相应的零件和部件如表1所示。龙门铣床装配约束关系网络图如图4所示。

表1数字标号对应的零件和部件

2、采用配套选择接口算法对功能模块间的接口进行标准化，并据此建立接口数据库；该接口数据库记录功能模块与其相关联功能模块之间相互配合关系及所有接口类型变化的可能性。

在本发明优选实施例中，接口有：工作台和床身；床身和立柱；立柱和横梁；立柱和顶梁。

(1)工作台和床身：滑轨、线轨和静压导轨，随着导轨形式的不同以及基本主参数(工作台的基本长宽尺寸和基本输入中机床功率参数)从而选择配套的接口，对接口类型进行选择后按照参数化模型驱动工作台和床身的内部结构进行变型。

当工作台的宽度为1.4以下时全部为滑轨，当工作台的宽度大于1.4，长度小于6的为滑轨，长度大于6米的为线轨。线轨的根数如果是长度小于8米则线轨用两根，大于八米则用三根

另外，需要考虑的是床身上的电机接口部分：随着选择的工作台和床身接口导轨不同会有着不同的结构和安装位置。

(2)床身和立柱：床身立柱模块接口随着尺寸的不同在床身上的位置和接口的基本尺寸也会发生变化，因此它大体是以床身尺寸进行系列分配。

(3)立柱与横梁接口：均为滑轨运动，主轴箱滑座跟主轴箱一样是企业内部标准化的，所以导轨的宽度和导轨之间的跨距都是标准化的。可以定义为不变尺寸。

(4)立柱与顶梁接口：立柱与顶梁的接口主要按照立柱的基本尺寸和基本形式来确定。

3、建立各个功能模块内部的所有零部件的变型设计库；

3.1、将所有零部件的各项参数进行分类，一类是固定不变的不变参数，一类是根据用户要求变化的基本参数，一类是随基本参数和/或接口类型改变而发生相应变化的导出参数；

3.2、将各不变参数零部件的参数值进行存储；

3.3、将各基本参数零部件的参数值预留，后续按用户要求人工输入；

3.4、将各导出参数零部件随基本参数零部件变化的函数关系式进行存储。

在本发明优选实施例的所有零部件中，

(1)基本参数：

①机床功率m_gonglv(设定一个范围，分段选取电机)

输入参数m_gonglv(本系列机床有三个功率的加工范围0-al选择a1，a1-a2选择a2，a2-a3选择a3)：if(m_gonglv＜a1)m_gonglv=al；if(a1＜m_gonglv＜a2)m_gonglv=a2；if(a2<m_gonglv<a3)m_gonglv=a3；)

②零件尺寸：零件长度v_LJChangDu零件宽度v_LJKuanDu零件高度v_LJGaoDu

输入参数：零件长度v_LJChangDu零件宽度v_LJKuanDu零件高度v_LJGaoDu

③一次加工面的数目：主轴头个数m_ZhuZhouTouShu(顶面1个或者2个，顶面加侧面2/3/4)

一次加工面的个数直接对应了主轴头的选择个数，因此其可设置为选择尺寸m_ZhuZhouTouShu=1/2/3/4

(2)导出参数：

①根据零件尺寸零件长度v_LJChangDu和零件宽度v_LJKuanDu确定工作台长度参数v_GZTChangDu和工作台宽度v_GZTKuanDu的值；

v_GZTChangDu=A1*v_LJChangDu+B1

v_GZTKuanDu=A2*v_LJKuanDu+B2

②根据零件尺寸零件高度v_LJGaoDu确定立柱的基本高度尺寸立柱高度v_LZGaoDu的参数值；

v_LZGaoDu=A3*v_LJGaoDu+B3

③根据工作台模块的基本尺寸确定床身基本尺寸参数床身长度v_CSChangDu床身宽度v_CSKuanDu床身高度v_CSGaoDu

v_CSChangDu=A4*v_GZTChangDu+B4=A4*(A1*v_LJChangDu+B1)+B4

v_CSKuanDu=A5*v_GZTChangDu+B5=A5*(A2*v_LJKuanDu+B2)+B5

v_CSGaoDu=C1*v_CSChangDu+C2*v_CSKuanDu=C1*A4*(A1*v_LJChangDu+B1)+B4+C2*A5*(A2*v_LJKuanDu+B2)+B5

④根据工作台模块的基本尺寸确定横梁和顶梁的基本跨距尺寸立柱跨距v_LZKuaJu横梁跨距v_HLKuaJu顶梁跨距v_DLKuaJu

v_HLKuaJu=v_DLKuaJu=v_CSKuanDu+B6

至此各个功能模块的一些基本的计算主参数已经确定。

变型设计是实现产品快速设计的一种重要方法。目前，尽管对变型设计的研究取得了许多的成果，但是这些研究主要针对产品几何模型变型，而对于工程约束条件的满足性(如刚度强度及产品的可靠性等)则涉及较少，然而，工程约束条件的满足性直接决定了产品在应用层的性能和质量。以往的研究中，主要是借助一定的数据结构和优化处理算法将工程约束在建模前期映射成几何约束关系式，最后对关系式进行求解，此过程可以定义为工程约束建模。而随着产品趋于复杂化，根据工程约束建模的方法几乎不可能求解工程约束条件的满足性，或者在定性的情况下不能定量地给出相关满足性评价结果。本方法旨在寻找一种与复杂产品变型设计匹配的满足工程约束条件的通用方法解决工程约束的核算问题。本方法主要集中在对基于参数化的CAD/CAE集成的变型设计方法进行了研究，并基于此方法提出了一种满足工程约束条件的变型设计方法，以系列化龙门铣床为例，选择刚度、强度类工程约束条件，开发了满足工程约束条件的变型设计原型***，对上述方法进行了验证。本发明的具体实现流程如图5所示。

4、将上述功能模块库、接口数据库和变型设计库在软件环境下进行组合建模获得机床的三维模型。参见图6。在本发明优选实施例中，所述的实现建模的软件环境是Soldworks软件。

5、对建模后的三维模型进行模拟仿真分析，以获得模拟仿真的结构应力、热应力、变形和模态值，并将上述各值与具体应用环境下获得的结构应力、热应力、变形和模态值进行比较；当模拟仿真的各参数值与具体应用环境下的各参数值相符时，将建立的三维模型输出；当模拟仿真的各参数值与具体应用环境下的各参数值不相符时，将不合格参数值导出作为后续变型设计库调整的依据。

Claims (3)

1.基于模块化的机床设计方法，其特征是包括如下步骤：

(1)按照功能、结构特点和加工装配条件，采用边介数搜索算法对给定机床进行模块划分，并据此建立功能模块库；

(1.1)给出给定机床内部所有零部件相互之间的装配约束关系式；

(1.2)根据给定机床的零部件数及上述零部件间的装配约束关系建立装配关系网络；

(1.3)计算给定机床零部件的装配关系网络中各条边的边介数；

(1.4)去掉网络中边介数最大的边，将网络分成若干子网络；

(1.5)对各个子网络重复计算边介数和去掉网络中边介数最大的边的过程，直到分解的所有子网络符合设定的模块划分粒度为止，此时所得子网络即为划分出的功能模块；

(1.6)根据划分出的功能模块建立功能模块库，该功能模块库记录有各个功能模块所包含的零部件；

(2)采用配套选择接口算法对功能模块间的接口进行标准化，并据此建立接口数据库；该接口数据库记录功能模块与其相关联功能模块之间相互配合关系及所有接口类型变化的可能性；

(3)建立各个功能模块内部的所有零部件的变型设计库；

(3.1)将所有零部件的各项参数进行分类，一类是固定不变的不变参数，一类是根据用户要求变化的基本参数，一类是随基本参数和/或接口类型改变而发生相应变化的导出参数；

(3.2)将各不变参数零部件的参数值进行存储；

(3.3)将各基本参数零部件的参数值预留，后续按用户要求人工输入；

(3.4)将各导出参数零部件随基本参数零部件变化的函数关系式进行存储；

(4)将上述功能模块库、接口数据库和变型设计库在软件环境下进行组合建模获得机床的三维模型。

2.根据权利要求1所述的基于模块化的机床设计方法，其特征是所述步骤(4)之后还进一步包括对建模后的三维模型进行模拟仿真分析，以获得模拟仿真的结构应力、热应力、变形和模态值，并将上述各值与具体应用环境下获得的结构应力、热应力、变形和模态值进行比较；当模拟仿真的各参数值与具体应用环境下的各参数值相符时，将建立的三维模型输出；当模拟仿真的各参数值与具体应用环境下的各参数值不相符时，将不合格参数值导出作为后续变型设计库调整的依据。

3.根据权利要求1所述的基于模块化的机床设计方法，其特征是：当步骤(1.3)对无权无向无环网络进行边介数搜索时，其过程是采用循环与邻接表的数据结构将网络的所有结点及其对应的邻接点按顺序依次存入邻接表，然后从网络中任选一条边依次搜索所有包含该边的任意两点间的最短路径，并记录该边的边介数，如此循环，直到网络中所有边的边介数都求出来为止。

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