数控机床模块化设计论文1.docx
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数控机床模块化设计论文1
数控机床的模块化设计
摘要
用户需求的个性化和多样化正成为机床制造业发展的一个重要特色，如何快速响应市场的需求对企业在竞争中占据有利地位具有重要的意义。
本文针对这一企业需求，将模块化设计思想引入了数控机床的设计当中，在研究模块化设计的一般方法的基础上针对数控机床的特点对其进行了模块的划分、建模、参数化设计等工作，并基于SolidWorks开发了数控机床参数化设计系统。
主要研究内容如下：
文章首先研究并总结了模块化设计原理及其核心思想，并在此基础上提出了针对数控机床的具体的模块划分方法；其次通过对数控机床的模块划分建立了数控机床模块数据库；第三利用VB语言对三维CAD软件So1idWorks进行二次开发，完成了数控机床模块参数化设计系统，并以典型部件为例，进行测试验证。
关键词：
模块化设计，数控机床，模块划分，参数化建模
ModularDesignofCNCMachineTools
Abstract
Personalizationanddiversificationofuserrequirementsisbecomingoneofthemostimportantcharacteristicsofmanufacturing.Itissignificanttorapidlyresponsetothedemandofthemarketforenterprisestakingadvantageouspositionincompetition.Inordertomeetthisneed,themodulardesignthoughtwasdrawintothedesignofnumericalcontrolmachine.Basedonthegeneralmethodofmodulardesign,module,modelingandconfigurationofCNCmachinewereresearchedaccordingtothecharacteristicsofit.ACNCmachineparametricdesignsystemwasdevelopedbySolidworks.Themainresearchcontentsareasfollows.
Firstly,theexistingmodulardesigntheoryandmethodwasanalyzed,andonthisbasis,aspecificmodulepartitionmethodforCNCmachinetoolswasputforward.Secondly,inbasisofmodulepartition,themoduledatabasewasfounded.Finally,parametricdesignoftheCNCsystembySolidWorkswasinitiallycompleted.Andtherunninginstancesofthesystemwerealsogiven.
KeyWords：
ModularDesign;NumericalControlMachineTools;ModulePartition;ParametricModeling
第一章引言
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1课题研究的背景
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。
模块化设计是近年来发达国家普遍采用的一种先进设计方法，它的核心思想是将系统按功能分解为若干模块，通过模块的不同组合，可以得到不同品种、不同规格的产品。
而数控机床结构的特点也决定了模块化设计方法对于数控机床设计的适用性：
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。
1.1.2课题研究的意义
本课题的研究意义在于提高企业的经济效益及其在市场上的竞争力。
但传统的数控机床设计是面向某一具体产品，从零件设计入手，逐步完成整机设计，除少量标准件外，几乎是全新的，生产上及技术上的继承性很差，且新产品设计周期长，工艺装备及生产准备工作量大，生产线也需作较大的调整。
随着科学技术和国民经济的发展，对数控机床的需求量越来越大，且对质量提出了更高的要求，若仍采用传统的单一产品设计方法是远不能满足市场多样化的需求，不能适应激烈的市场竞争，也很难提高产品的综合技术经济效益及保证产品质量。
而且我们知道，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。
因此，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。
1.2研究现状及存在的问题
1.2.1国内外研究现状
模块化的概念和模块化制造的思想都来源于人们长期的生产实践。
最初是在机床制造业，德国于1930年首先提出了“模块化构造”（ModularConstruction）的设计方法。
由于用这种方法设计制造的机床具有很好的经济效益，因而采用模块化构造在世界得到迅速发展。
日本通产省在1977年开始研制柔性加工单元（FMC），明确地引进了模块化构造的概念：
按不同功能制造模块，其独立性很强，模块化的功能单元可独立运转，整个控制系是有上述模块组成的多级系统。
到本世纪50年代，欧美一些国家正式提出“模块化设计”概念，把模块化设计提到理论高度来研究。
目前，模块化设计的思想已渗透到许多领域，例如机床、减速器、家电、计算机等等。
在机械制造方面，随着三维几何模型技术的发展，参数化设计技术的日趋完善，模块化设计作为一种现代设计方法在国外制造业中迅速发展，是近年来发国家普遍采用的一种先进设计方法。
在国外，Ulrich认为产品模块化与设计过程的两个特点紧密相关：
一设计中功能域与物理结构域之间的映射或相似程度影响模块化的程度。
二是产品物理结构间相互影响程度的最小化。
这两点指出，在产品功能分解树与结构分解树之间建立合理映射并保证结构树组成元素之间的相互影响最是模块化设计的基本要求。
基于这一观点，Ulrihch定义了三种模块化类型：
部件互换模块化、部件共享模块化和总线模块化，这三种方式描述了模块武汉理工大学硕士学位论文产品中模块的基本组合方式。
这些不同的模块组合方式，则是形成不同类型产品系列的基础。
ShinnHo从分析机床结构入手提出了分级模块化的概念和设想，并指出了完善模块化设计理论与方法应研究和解决的四个原则和问题（分析原则、标准化原则、结合原则和适应原则）。
据此，分级模块设计系统可以通过低级模块的组合最大限度地满足用户需求。
然而随着模块数目的增多，模块的管理成本和接口成本也将大幅上升，因此，分级模块化在实际应用时将是非常困难那的。
Jeffrey等认为模块化产品结构是构建产品族的有效方法，并提出了一种共享通用模块的产品族设计方法。
该方法通过功能分解，得到产品族的功能分解图，引入启发式模块划分规则，实现从功能结构图向产品模块的映射，并通过对模块矩阵的定性分析进行模块聚类，确定出具有通用和共性的功能模块，作为产品的平台。
近年来，国内各行业专家学者也在模块化设计方面作了很多研究和探讨。
90年代初，童时中等人从多方面分析了模块化理论，对模块、模块化的概念进行了研究，提出了模块化设计的总体流程天津大学机械学院的侯亮等人研究了广义模块化设计理论，并成功的用此理论对液压机进行了模块化设计。
西安理工大学的谢小平等人提出了基于GT的模块化设计思路，并应用于西议集团的1511系列产品中，改变了传统的重新设计模式，有效地缩减了设计时间。
北京理工大学的杜陶钧等讨论了模块化设计中模块划分的分级、层次特性，分析了模块划分的三个层次，即用户层、功能层、结构层，在此基础上提出了分级模块层次划分的方法，讨论了功能元独立的条件，建立了功能相关度的四种类型，应用相关度聚合划分了功能模块，并对划分的结果进行了评价。
该方法可以应用于对复杂系统的模块划分。
武汉理工大学的张松林研究了减速器模块划分的方法，并提出了程序模块化设计方法和功能模块化设计方法。
1.2.2存在的问题
从以上国内外研究现状可以看出，人们对于数控机床的模块化设计进行了大量的研究工作，取得了不少阶段性成果，然而，当前所提出的模块化设计方法中，大多数的方法仅仅局限在某个设计阶段，如设计、制造等等，尚未有系统的理论、方法能够很好的满足数控机床的整个开发过程。
同时，国内在生产和库存管理上还是以产品而不是以模块为基础，分级模块化管理更为困难，造成生产与备品的不协调。
以模块化为基础进行制造和生产管理的前提是合理解决模块编码的问题。
近年来，诸如齐齐哈尔第二机床厂，沈阳机床集团等单位在这方面做了不少研究和试验，取得了不少成果，但还是有很大的研发空间。
1.3论文研究内容
本文在研究模块化设计的一般方法的基础上针对数控机床的特点对其进行了模块的划分、建模、参数化设计等工作，并基于SolidWorks开发了数控机床参数化设计系统。
本文拟在以下方面做出研究：
1）分析数控机床模块化设计方法的研究；
2）完成机床功能分析及模块划分；
3）在熟悉SolidWorks等软件基础上，完成数控机床模块参数化设计系统的开发，并以典型部件为例进行参数化设计的研究；
4）并以典型部件为例，进行测试验证。
第二章数控机床模块化设计方法
2.1模块的设计的理论基础
2.1.1模块化设计的相关概念
模块：
指的是一组具有同一功能和接合要素（指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等），但性能、规格或结构不同却能互换的单元。
机床卡具、联轴器可称为模块，有些零部件如螺母、螺栓，广而言之也可称为模块，但不如称为标准件为好。
在模块化设计中，也用到大量的标准件，但模块一般指标准件之外、仍需被设计而又可以用于不同的组合、从而形成具有不同功能的设备的单元。
模块化设计：
在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块；根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能、或功能相同但性能不同、规格不同的产品。
这种设计方法称为模块化设计。
对于数控机床而言，模块化设计是指将机床上同一功能的单元，设计成具有不同用途或性能的、可以互换选用的模块，用以更好地满足用户需要的一种设计方法。
数控机床的整体结构可以分解为单个部件的有机组合。
通过功能分析，使得功能相同或相似，联接接口相同，而性能、用途不同的各种功能单元，经过选择、优化、简化和统一，形成各种具有独立功能的单元模块。
通过对机床单元模块选择，使模块间有机地匹配与连接，进而组合成各种通用机床、变型机床和专用机床。
模块化设计使产品具有很大的适应性和灵活性，可以满足用户多样化、个性化的要求。
将小批量生产转变为中、大批量生产，有利于采用先进技术和成组技术，是解决复杂产品多样化的一种现代设计方法，更能促进产品结构调整，加速产品的更新换代。
用户提出定单后，直接选择适合的模块，组合成用户需要的机床，节省了设计和试制的时间，缩短了产品交货期。
并且，模块化设计使企业由小批量生产转变为中、大批量生产的时候，不需要很大的成本投入，却可以产生很好的经济效益。
模块化设计与产品标准化设计、系列化设计密切相关，即所谓的“三化”。
“三化”互相影响、互相制约，通常合在一起作为评定产品质量优劣的重要指标，是现代化原理开始用于机床设计，到本世纪50年代，欧美一些国家正式提出“模块化设计”概念，把模块化设计提到理论高度来研究。
目前，模块化设计的思想已渗透到许多领域，例如机床、减速器、家电、计算机等等。
2.1.2模块化设计的方式和一般过程
模块化设计的主要方式有：
1、横系列模块化设计：
不改变产品主参数，利用模块发展变形产品。
这种方式是易实现，应用最广。
常是在基型品种上更换或添加模块，形成新的变形品种。
例如，更换端面铣床的铣头，可以加装立铣头、卧铣头、转塔铣头等，形成立式铣床卧式铣床或转塔铣床等。
2、纵系列模块化设计：
在同一类型中对不同规格的基型产品进行设计。
主参数不同，动力参数也往往不同，导致结构形式和尺寸不同，因此较横系列模块化设计复杂。
若把与动力参数有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欠缺或冗余，欠缺影响功能发挥，冗余则造成结构庞大、材料浪费。
因而，在与动力参数有关的模块设计时，往往合理划分区段，只在同一区段内模块通用；而对于与动力或尺寸无关的模块，则可在更大范围内通用。
3、横系列和跨系列模块化设计：
除发展横系列产品之外，改变某些模块还能得到其它系列产品者，便属于横系列和跨系列模块化设计了。
德国沙曼机床厂生产的模块化锉铣床，除可发展横系列的数控及各型锉铣加工中心外，更换立柱、滑座及工作台，即可将锉铣床变为跨系列的落地锉床。
4、全系列模块化设计：
全系列包括纵系列和横系列。
例如，德国某厂生产的工具铣，除可改变为立铣头、卧铣头、转塔铣头等形成横系列产品外，还可改变床身、横梁的高度和长度，得到三种纵系列的产品。
5、全系列和跨系列模块化设计：
主要是在全系列基础上用于结构比较类似的跨产品的模块化设计上。
例如，全系列的龙门铣床结构与龙门刨、龙门刨床和龙门导轨磨床相似，可以发展跨系列模块化设计。
模块化设计的一般过程：
模块化设计分为两个不同层次，第一个层次为系列模块化产品研制过程，需要根据市场调研结果对整个系列进行模块化设计，本质上是系列产品研制过程，如图2.1所示。
第二个层次为单个产品的模块化设计，需要根据用户的具体要求对模块进行选择和组合，并加以必要的设计计算和校核计算，本质上是选择及组合过程，如图2.2所示。
总的说来，模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤，但比后者更复杂，花费更高，要每个零部件都能实现更多的部分功能。
图2.1模块化系列产品研制过程图2.2模块化产品设计过程
1.市场调查与分析
模块化设计成功的前提。
必须注意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，分析来自用户的要求，分析模块化设计的可行性等。
对市场需求量很少而又需要付出很大的设计与制造花费的产品，不应在模块化系统设计的总功能之中。
2.进行产品功能分析，拟定产品系列型谱合理确定模块化设计所覆盖的产品种类和规格，种类和规格过多，虽对市场应变能力强，有利于占领市场，但设计难度大，工作量大；反之，则对市场应变能力减弱，但设计容易，易于提高产品性能和针对性。
3.确定参数范围和主参数
产品参数有尺寸参数、运动参数和动力参数（功率、转矩、电压等），须合理确定，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，最大、最小值应依使用要求而定。
主参数是表示产品主要性能、规格大小的参数，参数数值的分布一般用等比或等差数列。
确定模块化设计类型，划分模块只有少数方案用到的特殊功能，可由非模块实现:
若干部分功能相结合，可由一个模块实现（对于调整功能尤其如此）。
5.模块结构设计，形成模块库
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接合部位，应做到加工合理、装配合理;应尽量采用标准化的结构;尽量用多工位组合机床同时加工，否则模块的加工成本将非常可观;还应保证模块寿命相当，维修及更换方便。
6.编写技术文件
由于模块化设计建立的模块常不直接与产品联系，因此必须注意其技术文件的编制，才能将不同功能的块有机联系起来，指导制造、检查和使用。
技术文件主要包括以下内容:
（1）编制模块组合与配置各产品的关系表。
其中应包括全系列的模块种类及各产品使用的模块种类和数量。
（2）编制所有产品的模块组和模块目录表，标明各产品和模块组的组成。
（3）编制系列通用的制造与验收条件、合格证明书及装箱单。
（4）编制模块式的使用说明，以适应不同产品、不同模块的需要。
2.2模块的划分
从以上分析可以看出，在产品的模块化设计过程中模块的划分是最关键的技术之一。
模块是模块化产品的基本组成单元，合理有效的模块划分是模块化设计的前提与基础。
模块划分的基本思路为：
依据模块划分的原则，从不同的角度将产品划分为若干基本单元→进行相关度计算，建立相关矩阵→聚类成模块。
本文从模块划分的原则、模块划分的角度以及模块的聚类方法三个方面着手，深入分析模块的形成过程。
2.2.1模块划分的原则
模块划分最基本的原则是以少数块组成尽可能多的产品。
一般来说，并没有完全统一的模块划分的原则，因为研究对象不同，其侧重点也不同。
本文参考组合机床的部件划分原则，并结合企业实际，确定模块划分原则如下:
（1）独立性原则。
包括相对于其它模块的功能独立和结构独立，有助于模块系列化发展，以实现纵系列机床设计。
其中拼装结合面的连接方式和连接要素应实现标准化和系列化，以保证模块间拼装的可能性和互换性。
是模块划分的核心原则。
（2）部件原则。
组合机床的拆分主要遵循部件原则，以保证结构的相对独立。
（3）组件原则。
对功能综合程度过高的部件进一步进行功能分解，将组件模块化。
（4）基础件原则。
基础件功能和结构比较独立，例如床身、立柱等，其材质大都为铸件或焊接件，生产加工周期长，影响产品迅速改型。
采用同一类型的联接为基础，建立接口标准化、通用化的基础件模块，可以在较低成本的前提下最经济地配生出各式各样的产品。
2.2.2模块划分的角度
模块的划分根据其划分角度的不同，有不同的划分方式，最终得到不同的基本单元。
从产品生命周期的观点看，这些不同的划分角度分别是面向产品生命周期中的不同阶段。
因此，可以根据模块划分所面向的生命周期中的具体阶段，把模块划分为：
（1）面向设计的模块划分
当某类产品的市场需求种类较多或者需求的变化较快时模块划分通常侧重于面向设计主要根据产品各个组成部分之间功能上的相关程度进行模块划分，即对产品的总功能进行分解，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，然后按照相关性影响因素进行聚类分析，最后得到功能模块。
产品的功能分解过程如图2.3所示。
图2.3 产品的功能分解过程
面向设计的模块划分的基础是功能分析，功能分析是目前模块划分的主要依据，侧重功能分析或者以功能分析为主综合考虑其他因素的模块化设计方法研究较多。
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。
其中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,这样就大大缩短了设计和制造周期。
3）降低成本。
模块化后,同一个功能模块可用于数种产品,增大了该模块的生产数量,还便于采用先进工艺、成组技术等,缩短了设计时间,从而降低了产品成本,提高了产品质量。
4）维修方便。
产品维修时,只须更换损坏的模块,维修方便、快捷。
5）性能稳定可靠。
模块化设计对产品的功能及模块划分进行了精心研究,保证了它的性能,使产品性能稳定可靠。
6）系统较复杂。
由于考虑模块的适应性和互换性,系统比较复杂,层次编排没有程序化设计清晰。
7）适用于小批量生产。
模块设计特别适用于生产批量较小的系列产品。
以上介绍的两种模块化设计方法都是机械创新设计。
西方国家越来越多地采用“功能模块化”设计方法。
模块化设计的必要性越来越明显。
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2.4）。
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
图2.4功能结构的关系有三种基本的形式
而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。
（2）面向制造的模块划分
如果产品的市场需求相对稳定，而制造过程比较复杂，模块划分通常侧重于面向制造，在模块划分中应重点考虑加工方面的问题。
通常模块内部越简单，其制造就越容易，Tsai等以计算公式表示出了模块制造的复杂度，对模块划分结果进行评价，优化模块划分。
（3）面向使用、装配和维修的模块划分
如果用户需要经常对产品的某些部分进行更换或维护时，产品模块划分通常侧重于面向装配和维修，在这一类模块划分中，应重点考虑的是装卸和接口方面的问题。
面向装配的模块化设计重点从保证装配过程和装配质量的角度进行模块划分。
产品划分的模块越多，接口就越多，装配中考虑的因素也越多，对装配过程和装配质量影响也越大。
Tsai等从装配过程的复杂程度上分析模块划分，以计算公式表示模块装配的复杂度，与模块制造的复杂度结合来优化模块划分结果。
Tseng等应用零部件间联接件的工程参数，如联接类型、联接方向、拆卸工具以及连接器所联接的零部件的信息，作为模块划分的标准。
（4）面向回收的模块划分
如果市场对产品的环保性能要求较高，模块划分通常侧重于面向回收，在这类模块划分中，应重点考虑材料和可重用部件的问题。
随着人们环境意识的提高，产品的环境属性及其回收利用性能成为模块化设计的重要目标。
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