模块化数控机床概念设计（一）

钨钢

机床是制造工业的基础装备，它的技术水平直接影响到制造业的发展。当前，以加工中心为代表的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。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有以下一些特点：
. y  M1 n; t3 j9 i8 m  X-数控机床中有不少独立的功能单元，如导轨件、丝杠副、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；
5 H% a0 w0 C6 m, u# Q! c$ O-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，机床各部件的结构动、静态特性成为设计的主要矛盾；
-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内联系传动链和靠模来保证各轴之间的运动关系，使得机床的功能设计原理大为简化；
8 x! X9 \4 A3 S" M. w-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。
机床的功能及性能往往和成本相矛盾，而产品总成本的75%以上及产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。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，快速响应市场需求。
1 概念设计系统模型
/ k* D/ A; O6 N7 b7 @2 r7 b) X根据Pahl和Beitz对概念设计的描述，在概念设计阶段首先要明确设计任务，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及求解实现功能的结构载体方案。针对模块化数控机床，设计各阶段的任务及设计方案的形成过程可分为：
: ~' u6 y) _2 l0 V(1)需求分析：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；
  f0 n# F3 m. c. K: I$ z6 I; N4 b(2)功能分析、分解：通过分析机床的运动，将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；
# R1 F0 o) W' K) n/ b  S- e(4)结构动、静刚度分析和优化；
(5)详细结构设计；
(6)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。
4 r/ y0 Q1 p2 A( D9 K. S事实上，上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。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。通过分析数控机床概念设计的任务和经历的过程，本文建立如图1所示的模块化数控机床概念设计系统模型。该系统模型分为功能域、结构域和评价域三个子模型。
3 S! b8 _. f, u" l1 F0 J8 J! Q(1)功能域：通过功能定义、功能分析，建立机床的功能结构；
(2)结构域：进行模块结构的创建；
$ \1 v6 |+ A: D, Q* }(3)评价域：评价设计方案的优劣，选择最佳的设计方案。
# O$ L) B- q0 B+ H1 e; @在设计求解的过程中需要相应的设计知识，设计规则和算法的支持，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。
' q$ j& l' ~  _: @) X& z' {: M5 C2 概念设计过程中广义映射的概念
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图1所示的系统模型中，最为关键的过程为从功能域到结构域的映射求解，即实现映射。本文提出广义映射的概念和方法来实现模块化数控机床概念设计中的这一重要环节。
在模块化设计中，设计对象的功能表示向模块结构演变过程中存在着映射关系，即以一定的结构实现相应的产品功能。当然，这种映射不是简单的一对一的对应，而是功能模型的信息通过数学、物理及概念层的运算和转化，体现概念设计过程中设计思维的发散、转换和综合等特性，为此，可称之为广义映射。广义映射具有如下特征：
(1)广义映射的概念不仅有功能要求与结构载体之间的一一对应关系，还包括一对多，多对多、多对一的关系，如分解、聚集或组合映射；
  |: j" y+ D6 N( B1 U; E(2)相应于概念设计的多层次、分阶段的演进过程，广义映射也是分层进行的；
  }: w/ {% g) U4 X  G9 n$ R(3)通过建立功能域及结构域信息的数据模型，可应用数学工具，进行特征信息的映射；
(4)广义映射的规则须在建立设计对象概念模型的基础上进行定义。映射需要设计知识库、数据库的支持。
% j2 a* q- M& W3 c文章关键词： 模块化数控机床概念设计