數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)---論文1

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙數(shù)控機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)摘 要用戶需求的個性化和多樣化正成為機(jī)床制造業(yè)發(fā)展的一個重要特色，如何快速響應(yīng)市場的需求對企業(yè)在競爭中占據(jù)有利地位具有重要的意義。本文針對這一企業(yè)需求，將模塊化設(shè)計(jì)思想引入了數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)當(dāng)中，在研究模塊化設(shè)計(jì)的一般方法的基礎(chǔ)上針對數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)對其進(jìn)行了模塊的劃分、建模、參數(shù)化設(shè)計(jì)等工作，并基于SolidWorks開發(fā)了數(shù)控機(jī)床參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容如下：文章首先研究并總結(jié)了模塊化設(shè)計(jì)原理及其核心思想，并在此基礎(chǔ)上提出了針對數(shù)控機(jī)床的具體的模塊劃分方法；其次通過對數(shù)控機(jī)床的模塊劃分建立了數(shù)控機(jī)床模塊數(shù)據(jù)庫； 第三利用VB語言對三維CAD軟件So

2、1idWorks進(jìn)行二次開發(fā)，完成了數(shù)控機(jī)床模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并以典型部件為例，進(jìn)行測試驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計(jì)，數(shù)控機(jī)床，模塊劃分，參數(shù)化建模i畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙Modular Design of CNC Machine ToolsAbstractPersonalization and diversification of user requirements is becoming one of the most important characteristics of manufacturing. It is significant to rapidly response to th

3、e demand of the market for enterprises taking advantageous position in competition. In order to meet this need, the modular design thought was draw into the design of numerical control machine. Based on the general method of modular design, module, modeling and configuration of CNC machine were rese

4、arched according to the characteristics of it. A CNC machine parametric design system was developed by Solidworks. The main research contents are as follows.Firstly, the existing modular design theory and method was analyzed, and on this basis, aspecific module partition method for CNC machine tools

5、 was put forward. Secondly, in basis of module partition, the module database was founded. Finally, parametric design of the CNC system by SolidWorks was initially completed. And the running instances of the system were also given.Key Words：Modular Design; Numerical Control Machine Tools; Module Par

6、tition; Parametric Modelingii畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙目 錄摘 要 . i Abstract . ii第一章 引 言 . - 1 -1.1 課題研究的背景及意義. - 1 -1.1.1 課題研究的背景 . - 1 -1.1.2 課題研究的意義 . - 2 -1.2 研究現(xiàn)狀及存在的問題. - 2 -1.2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀. - 2 -1.2.2存在的問題. - 3 -1.3 論文研究內(nèi)容. - 4 -第二章 數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)方法 . - 5 -2.1模塊的設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) . - 5 -2.1.1模塊化設(shè)計(jì)的相關(guān)概念. - 5 -2.1.2模塊化設(shè)計(jì)的方式和一般過程

7、. - 6 -2.2 模塊的劃分. - 8 -2.2.1 模塊劃分的原則 . - 8 -2.2.2 模塊劃分的角度 . - 9 -2.2.3 模塊的聚類方法 . - 12 -2.3 本文對數(shù)控機(jī)床采取的劃分方法. - 16 -第三章 數(shù)控機(jī)床模塊幾何建模技術(shù)研究 . - 17 -3.1 數(shù)控機(jī)床元件幾何建模常用方法. - 17 -3.2 數(shù)控機(jī)床模塊幾何建模的關(guān)鍵技術(shù). - 18 -3.2.1 數(shù)控機(jī)床零件模塊的自動幾何建模原理 . - 19 -3.2.2 數(shù)控機(jī)床組件模塊的自動幾何建模原理 . - 22 -第四章 SolidWorks二次開發(fā)平臺的設(shè)計(jì). - 24 -iii畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報

8、告紙4.1 SoildWorks軟件簡介及二次開發(fā)技術(shù) . - 24 -4.2數(shù)控機(jī)床參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . - 26 -4.2.1數(shù)控機(jī)床參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖. - 26 -4.2.2數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu). - 27 -4.3.1數(shù)控機(jī)床模塊管理模塊. - 30 -4.3.2數(shù)控機(jī)床模塊配置模塊. - 33 -第五章 總結(jié)與展望 . - 35 -5.1 總結(jié) . - 35 -5.2 展望 . - 35 - 參 考 文 獻(xiàn) . - 36 - 致 謝 . - 37 - 附 錄 . - 38 -iv畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙第一章 引 言1.1 課題研究的背景及意義1.1.1 課題研究

9、的背景當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床已成為工業(yè)發(fā)達(dá)國家普遍采用的現(xiàn)代化制造車間的加工單元，數(shù)控機(jī)床在我國也得到了較快的發(fā)展。從普通機(jī)床發(fā)展到數(shù)控機(jī)床，不僅是在控制技術(shù)方面，而且也在傳動和結(jié)構(gòu)方面實(shí)現(xiàn)了一次飛躍。隨著時代的發(fā)展，市場對數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能的要求越來越多樣化， 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的快速開發(fā)及快速推向市場越來越顯得重要。由于技術(shù)進(jìn)步和市場競爭，必然要求數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面要有新的先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和方法來指導(dǎo)。模塊化設(shè)計(jì)正是適應(yīng)這一發(fā)展要求的數(shù)控機(jī)床現(xiàn)代設(shè)計(jì)主要方法之一。模塊化設(shè)計(jì)是近年來發(fā)達(dá)國家普遍采用的一種先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，它的核心思想是將系統(tǒng)按功能分解為若干模塊，通過模塊的不同組合，可以得到不同品種

10、、不同規(guī)格的產(chǎn)品。而數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)也決定了模塊化設(shè)計(jì)方法對于數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的適用性：1) 同一類型的數(shù)控機(jī)床均可劃分為基本相同的若干部分；2) 同一類型的數(shù)控機(jī)床通過一個或若干個基本參數(shù)的變化形成不同規(guī)格的產(chǎn)品；3) 同一類的數(shù)控機(jī)床盡管有著各種不同的結(jié)構(gòu)布局和用途范圍，但其基本控制、運(yùn)動功能和工作原理是相同的；4) 數(shù)控機(jī)床中有不少獨(dú)立的功能單元，如導(dǎo)軌副、絲杠副、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等，這一特點(diǎn)使其適應(yīng)于模塊化設(shè)計(jì)方法；5) 數(shù)控機(jī)床的加工要求向高速、高精度方向發(fā)展，要求機(jī)床結(jié)構(gòu)具有高剛度、高可靠性，機(jī)床基礎(chǔ)大件 (床身、工作臺、主軸箱、滑鞍、立柱等 )

11、的結(jié)構(gòu)動、靜態(tài)特性和傳動系統(tǒng)的高剛性成為設(shè)計(jì)的主要矛盾；6) 數(shù)控機(jī)床采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使機(jī)床的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)大為簡化；7) 市場競爭和市場需求的多變，要求數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品規(guī)格和功能多樣化、性能好、成本低、制造周期短；- 1 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙8) 隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場的發(fā)展，許多數(shù)控機(jī)床功能部件已實(shí)現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)和商品化。1.1.2 課題研究的意義本課題的研究意義在于提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及其在市場上的競爭力。但傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)是面向某一具體產(chǎn)品，從零件設(shè)計(jì)入手，逐步完成整機(jī)設(shè)計(jì)，除少量標(biāo)準(zhǔn)件外，幾乎是全新的，生產(chǎn)上及技術(shù)上的繼承性很差，且新產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長，工藝裝備及生產(chǎn)準(zhǔn)備工作量大，生產(chǎn)線也

12、需作較大的調(diào)整。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對數(shù)控機(jī)床的需求量越來越大，且對質(zhì)量提出了更高的要求，若仍采用傳統(tǒng)的單一產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是遠(yuǎn)不能滿足市場多樣化的需求，不能適應(yīng)激烈的市場競爭，也很難提高產(chǎn)品的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益及保證產(chǎn)品質(zhì)量。而且我們知道，機(jī)床的功能、性能往往和成本相矛盾，而一般情況下，產(chǎn)品總成本的75%以上及產(chǎn)品的性能在設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)確定；另一方面，為了適應(yīng)市場變化，快速響應(yīng)市場，必須快速研發(fā)新產(chǎn)品，而這與正常的新產(chǎn)品研發(fā)周期是矛盾的。所以，必須通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法來提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)制造周期。因此，模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)適用于數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)，它解決了機(jī)床功能、制造成本

13、、研發(fā)周期之間的相互矛盾。1.2 研究現(xiàn)狀及存在的問題模塊化的概念和模塊化制造的思想都來源于人們長期的生產(chǎn)實(shí)踐。最初是在機(jī)床制造業(yè)，德國于1930年首先提出了“模塊化構(gòu)造”(Modular Construction)的設(shè)計(jì)方法。由于用這種方法設(shè)計(jì)制造的機(jī)床具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，因而采用模塊化構(gòu)造在世界得到迅速發(fā)展。日本通產(chǎn)省在1977年開始研制柔性加工單元(FMC)，明確地引進(jìn)了模塊化構(gòu)造的概念：按不同功能制造模塊，其獨(dú)立性很強(qiáng)，模塊化的功能單元可獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，整個控制系是有上述模塊組成的多級系統(tǒng)。到本世紀(jì)50年代，歐美一些國家正式提出“模塊化設(shè)計(jì)”概念，把模塊化設(shè)計(jì)提到理論高度來研究。目前，模塊化

14、設(shè)計(jì)的思想已滲透到許多領(lǐng)域，例如機(jī)床、減速器、家電、計(jì)算機(jī)等等。在機(jī)械制造方面，隨著三維幾何模型技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的日趨完善，模塊化設(shè)計(jì)作為一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在國外制造業(yè)中迅速發(fā)展，是近年來發(fā)國家普遍采用的一種先進(jìn)設(shè)計(jì)方法。在國外，Ulrich認(rèn)為產(chǎn)品模塊化與設(shè)計(jì)過程的兩個特點(diǎn)緊密相關(guān)：一設(shè)計(jì)中功能域與物理結(jié)構(gòu)域之間的映射或相似程度影響模塊化的程度。二是產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)間相互影響程度的最- 2 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙小化。這兩點(diǎn)指出，在產(chǎn)品功能分解樹與結(jié)構(gòu)分解樹之間建立合理映射并保證結(jié)構(gòu)樹組成元素之間的相互影響最是模塊化設(shè)計(jì)的基本要求?；谶@一觀點(diǎn)，Ulrihch定義了三種模塊化類型：部件

15、互換模塊化、部件共享模塊化和總線模塊化，這三種方式描述了模塊武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文產(chǎn)品中模塊的基本組合方式。這些不同的模塊組合方式，則是形成不同類型產(chǎn)品系列的基礎(chǔ)。ShinnHo從分析機(jī)床結(jié)構(gòu)入手提出了分級模塊化的概念和設(shè)想，并指出了完善模塊化設(shè)計(jì)理論與方法應(yīng)研究和解決的四個原則和問題（分析原則、標(biāo)準(zhǔn)化原則、結(jié)合原則和適應(yīng)原則）。據(jù)此，分級模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以通過低級模塊的組合最大限度地滿足用戶需求。然而隨著模塊數(shù)目的增多，模塊的管理成本和接口成本也將大幅上升，因此，分級模塊化在實(shí)際應(yīng)用時將是非常困難那的。Jeffrey等認(rèn)為模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是構(gòu)建產(chǎn)品族的有效方法，并提出了一種共享通用模塊的產(chǎn)品族

16、設(shè)計(jì)方法。該方法通過功能分解，得到產(chǎn)品族的功能分解圖，引入啟發(fā)式模塊劃分規(guī)則，實(shí)現(xiàn)從功能結(jié)構(gòu)圖向產(chǎn)品模塊的映射，并通過對模塊矩陣的定性分析進(jìn)行模塊聚類，確定出具有通用和共性的功能模塊，作為產(chǎn)品的平臺。近年來，國內(nèi)各行業(yè)專家學(xué)者也在模塊化設(shè)計(jì)方面作了很多研究和探討。90年代初，童時中等人從多方面分析了模塊化理論，對模塊、模塊化的概念進(jìn)行了研究，提出了模塊化設(shè)計(jì)的總體流程天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院的侯亮等人研究了廣義模塊化設(shè)計(jì)理論，并成功的用此理論對液壓機(jī)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。西安理工大學(xué)的謝小平等人提出了基于GT的模塊化設(shè)計(jì)思路，并應(yīng)用于西議集團(tuán)的1511系列產(chǎn)品中，改變了傳統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)模式，有效地縮減了設(shè)計(jì)

17、時間。北京理工大學(xué)的杜陶鈞等討論了模塊化設(shè)計(jì)中模塊劃分的分級、層次特性，分析了模塊劃分的三個層次，即用戶層、功能層、結(jié)構(gòu)層，在此基礎(chǔ)上提出了分級模塊層次劃分的方法，討論了功能元獨(dú)立的條件，建立了功能相關(guān)度的四種類型，應(yīng)用相關(guān)度聚合劃分了功能模塊，并對劃分的結(jié)果進(jìn)行了評價。該方法可以應(yīng)用于對復(fù)雜系統(tǒng)的模塊劃分。武漢理工大學(xué)的張松林研究了減速器模塊劃分的方法，并提出了程序模塊化設(shè)計(jì)方法和功能模塊化設(shè)計(jì)方法。從以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，人們對于數(shù)控機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究工作，取得了不少階段性成果，然而，當(dāng)前所提出的模塊化設(shè)計(jì)方法中，大多數(shù)的方法僅僅局限在某個設(shè)計(jì)階段，如設(shè)計(jì)、制造等等，尚

18、未有系統(tǒng)的理論、方法能夠很好的滿足數(shù)控機(jī)床- 3 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙的整個開發(fā)過程。同時，國內(nèi)在生產(chǎn)和庫存管理上還是以產(chǎn)品而不是以模塊為基礎(chǔ)，分級模塊化管理更為困難，造成生產(chǎn)與備品的不協(xié)調(diào)。以模塊化為基礎(chǔ)進(jìn)行制造和生產(chǎn)管理的前提是合理解決模塊編碼的問題。近年來，諸如齊齊哈爾第二機(jī)床廠，沈陽機(jī)床集團(tuán)等單位在這方面做了不少研究和試驗(yàn)，取得了不少成果，但還是有很大的研發(fā)空間。1.3 論文研究內(nèi)容本文在研究模塊化設(shè)計(jì)的一般方法的基礎(chǔ)上針對數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)對其進(jìn)行了模塊的劃分、建模、參數(shù)化設(shè)計(jì)等工作，并基于SolidWorks開發(fā)了數(shù)控機(jī)床參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。本文擬在以下方面做出研究：1)分析數(shù)控機(jī)床模

19、塊化設(shè)計(jì)方法的研究；2)完成機(jī)床功能分析及模塊劃分；3)在熟悉SolidWorks等軟件基礎(chǔ)上，完成數(shù)控機(jī)床模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)，并以典型部件為例進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究；4)并以典型部件為例，進(jìn)行測試驗(yàn)證。- 4 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙第二章 數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)方法模塊：指的是一組具有同一功能和接合要素（指聯(lián)接部位的形狀、尺寸、聯(lián)接件間的配合或嚙合等），但性能、規(guī)格或結(jié)構(gòu)不同卻能互換的單元。機(jī)床卡具、聯(lián)軸器可稱為模塊，有些零部件如螺母、螺栓，廣而言之也可稱為模塊，但不如稱為標(biāo)準(zhǔn)件為好。在模塊化設(shè)計(jì)中，也用到大量的標(biāo)準(zhǔn)件，但模塊一般指標(biāo)準(zhǔn)件之外、仍需被設(shè)計(jì)而又可以用于不同的組合、從而形成具有

20、不同功能的設(shè)備的單元。模塊化設(shè)計(jì)：在對產(chǎn)品進(jìn)行市場預(yù)測、功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列通用的功能模塊；根據(jù)用戶的要求，對這些模塊進(jìn)行選擇和組合，就可以構(gòu)成不同功能、或功能相同但性能不同、規(guī)格不同的產(chǎn)品。這種設(shè)計(jì)方法稱為模塊化設(shè)計(jì)。對于數(shù)控機(jī)床而言，模塊化設(shè)計(jì)是指將機(jī)床上同一功能的單元，設(shè)計(jì)成具有不同用途或性能的、可以互換選用的模塊，用以更好地滿足用戶需要的一種設(shè)計(jì)方法。數(shù)控機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)可以分解為單個部件的有機(jī)組合。通過功能分析，使得功能相同或相似，聯(lián)接接口相同，而性能、用途不同的各種功能單元，經(jīng)過選擇、優(yōu)化、簡化和統(tǒng)一，形成各種具有獨(dú)立功能的單元模塊。通過對機(jī)床單元模塊選擇，使模塊間有

21、機(jī)地匹配與連接，進(jìn)而組合成各種通用機(jī)床、變型機(jī)床和專用機(jī)床。模塊化設(shè)計(jì)使產(chǎn)品具有很大的適應(yīng)性和靈活性，可以滿足用戶多樣化、個性化的要求。將小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹?、大批量生產(chǎn)，有利于采用先進(jìn)技術(shù)和成組技術(shù)，是解決復(fù)雜產(chǎn)品多樣化的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，更能促進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代。用戶提出定單后，直接選擇適合的模塊，組合成用戶需要的機(jī)床，節(jié)省了設(shè)計(jì)和試制的時間，縮短了產(chǎn)品交貨期。并且，模塊化設(shè)計(jì)使企業(yè)由小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹小⒋笈可a(chǎn)的時候，不需要很大的成本投入，卻可以產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。模塊化設(shè)計(jì)與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)密切相關(guān)，即所謂的“三化”?！叭被ハ? 5 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告

22、紙影響、互相制約，通常合在一起作為評定產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)，是現(xiàn)代化原理開始用于機(jī)床設(shè)計(jì)，到本世紀(jì)50年代，歐美一些國家正式提出“模塊化設(shè)計(jì)”概念，把模塊化設(shè)計(jì)提到理論高度來研究。目前，模塊化設(shè)計(jì)的思想已滲透到許多領(lǐng)域，例如機(jī)床、減速器、家電、計(jì)算機(jī)等等。模塊化設(shè)計(jì)的主要方式有：1、橫系列模塊化設(shè)計(jì)：不改變產(chǎn)品主參數(shù)，利用模塊發(fā)展變形產(chǎn)品。這種方式是易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用最廣。常是在基型品種上更換或添加模塊，形成新的變形品種。例如，更換端面銑床的銑頭，可以加裝立銑頭、臥銑頭、轉(zhuǎn)塔銑頭等，形成立式銑床臥式銑床或轉(zhuǎn)塔銑床等。2、縱系列模塊化設(shè)計(jì)：在同一類型中對不同規(guī)格的基型產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。主參數(shù)不同，動力參

23、數(shù)也往往不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形式和尺寸不同，因此較橫系列模塊化設(shè)計(jì)復(fù)雜。若把與動力參數(shù)有關(guān)的零部件設(shè)計(jì)成相同的通用模塊，勢必造成強(qiáng)度或剛度的欠缺或冗余，欠缺影響功能發(fā)揮，冗余則造成結(jié)構(gòu)龐大、材料浪費(fèi)。因而，在與動力參數(shù)有關(guān)的模塊設(shè)計(jì)時，往往合理劃分區(qū)段，只在同一區(qū)段內(nèi)模塊通用；而對于與動力或尺寸無關(guān)的模塊，則可在更大范圍內(nèi)通用。3、橫系列和跨系列模塊化設(shè)計(jì)：除發(fā)展橫系列產(chǎn)品之外，改變某些模塊還能得到其它系列產(chǎn)品者，便屬于橫系列和跨系列模塊化設(shè)計(jì)了。德國沙曼機(jī)床廠生產(chǎn)的模塊化銼銑床，除可發(fā)展橫系列的數(shù)控及各型銼銑加工中心外，更換立柱、滑座及工作臺，即可將銼銑床變?yōu)榭缦盗械穆涞劁S床。4、全系列模塊化設(shè)計(jì)

24、：全系列包括縱系列和橫系列。例如，德國某廠生產(chǎn)的工具銑，除可改變?yōu)榱婎^、臥銑頭、轉(zhuǎn)塔銑頭等形成橫系列產(chǎn)品外，還可改變床身、橫梁的高度和長度，得到三種縱系列的產(chǎn)品。5、全系列和跨系列模塊化設(shè)計(jì)：主要是在全系列基礎(chǔ)上用于結(jié)構(gòu)比較類似的跨產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)上。例如，全系列的龍門銑床結(jié)構(gòu)與龍門刨、龍門刨床和龍門導(dǎo)軌磨床相似，可以發(fā)展跨系列模塊化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)的一般過程：模塊化設(shè)計(jì)分為兩個不同層次，第一個層次為系列模塊化產(chǎn)品研制過程，需要根據(jù)市場調(diào)研結(jié)果對整個系列進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是系列產(chǎn)品研制過程，如圖2.1所示。第二個- 6 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙層次為單個產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，需要根據(jù)用戶的具

25、體要求對模塊進(jìn)行選擇和組合，并加以必要的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算，本質(zhì)上是選擇及組合過程，如圖2.2所示。總的說來，模塊化設(shè)計(jì)遵循一般技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，但比后者更復(fù)雜，花費(fèi)更高，要每個零部件都能實(shí)現(xiàn)更多的部分功能。圖2.1 模塊化系列產(chǎn)品研制過程 圖2.2 模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程模塊化設(shè)計(jì)成功的前提。必須注意市場對同類產(chǎn)品的需求量、市場對同類產(chǎn)品基型和各種變型的需求比例，分析來自用戶的要求，分析模塊化設(shè)計(jì)的可行性等。對市場需求量很少而又需要付出很大的設(shè)計(jì)與制造花費(fèi)的產(chǎn)品，不應(yīng)在模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總功能之中。2.進(jìn)行產(chǎn)品功能分析，擬定產(chǎn)品系列型譜合理確定模塊化設(shè)計(jì)所覆蓋的產(chǎn)品種類和規(guī)格，種類和規(guī)格過多，雖

26、對市場應(yīng)變能力強(qiáng)，有利于占領(lǐng)市場，但設(shè)計(jì)難度大，工作量大；反之，則對市場應(yīng)變能力減弱，但設(shè)計(jì)容易，易于提高產(chǎn)品性能和針對性。- 7 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙產(chǎn)品參數(shù)有尺寸參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)(功率、轉(zhuǎn)矩、電壓等)，須合理確定，過高過寬造成浪費(fèi)，過低過窄不能滿足要求。另外，參數(shù)數(shù)值大小和數(shù)值在參數(shù)范圍內(nèi)的分布也很重要，最大、最小值應(yīng)依使用要求而定。主參數(shù)是表示產(chǎn)品主要性能、規(guī)格大小的參數(shù)，參數(shù)數(shù)值的分布一般用等比或等差數(shù)列。確定模塊化設(shè)計(jì)類型，劃分模塊只有少數(shù)方案用到的特殊功能，可由非模塊實(shí)現(xiàn):若干部分功能相結(jié)合，可由一個模塊實(shí)現(xiàn)(對于調(diào)整功能尤其如此)。5.模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成模塊庫由于模塊

27、要具有多種可能的組合方式，因此設(shè)計(jì)時要考慮到一個模塊的較多接合部位，應(yīng)做到加工合理、裝配合理;應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu);盡量用多工位組合機(jī)床同時加工，否則模塊的加工成本將非?？捎^;還應(yīng)保證模塊壽命相當(dāng)，維修及更換方便。由于模塊化設(shè)計(jì)建立的模塊常不直接與產(chǎn)品聯(lián)系，因此必須注意其技術(shù)文件的編制，才能將不同功能的塊有機(jī)聯(lián)系起來，指導(dǎo)制造、檢查和使用。技術(shù)文件主要包括以下內(nèi)容:(1)編制模塊組合與配置各產(chǎn)品的關(guān)系表。其中應(yīng)包括全系列的模塊種類及各產(chǎn)品使用的模塊種類和數(shù)量。(2)編制所有產(chǎn)品的模塊組和模塊目錄表，標(biāo)明各產(chǎn)品和模塊組的組成。(3)編制系列通用的制造與驗(yàn)收條件、合格證明書及裝箱單。(4)編制模

28、塊式的使用說明，以適應(yīng)不同產(chǎn)品、不同模塊的需要。2.2 模塊的劃分從以上分析可以看出，在產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)過程中模塊的劃分是最關(guān)鍵的技術(shù)之一。模塊是模塊化產(chǎn)品的基本組成單元，合理有效的模塊劃分是模塊化設(shè)計(jì)的前提與基礎(chǔ)。模塊劃分的基本思路為：依據(jù)模塊劃分的原則，從不同的角度將產(chǎn)品劃分為若干基本單元進(jìn)行相關(guān)度計(jì)算，建立相關(guān)矩陣聚類成模塊。本文從模塊劃分的原則、模塊劃分的角度以及模塊的聚類方法三個方面著手，深入分析模塊的形成過程。2.2.1 模塊劃分的原則模塊劃分最基本的原則是以少數(shù)塊組成盡可能多的產(chǎn)品。一般來說，并沒有完全統(tǒng)一的- 8 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙模塊劃分的原則，因?yàn)檠芯繉ο蟛煌?，其?cè)重

29、點(diǎn)也不同。本文參考組合機(jī)床的部件劃分原則，并結(jié)合企業(yè)實(shí)際，確定模塊劃分原則如下:(1)獨(dú)立性原則。包括相對于其它模塊的功能獨(dú)立和結(jié)構(gòu)獨(dú)立，有助于模塊系列化發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)縱系列機(jī)床設(shè)計(jì)。其中拼裝結(jié)合面的連接方式和連接要素應(yīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，以保證模塊間拼裝的可能性和互換性。是模塊劃分的核心原則。(2)部件原則。組合機(jī)床的拆分主要遵循部件原則，以保證結(jié)構(gòu)的相對獨(dú)立。(3)組件原則。對功能綜合程度過高的部件進(jìn)一步進(jìn)行功能分解，將組件模塊化。(4)基礎(chǔ)件原則?；A(chǔ)件功能和結(jié)構(gòu)比較獨(dú)立，例如床身、立柱等，其材質(zhì)大都為鑄件或焊接件，生產(chǎn)加工周期長，影響產(chǎn)品迅速改型。采用同一類型的聯(lián)接為基礎(chǔ)，建立接口標(biāo)準(zhǔn)化

30、、通用化的基礎(chǔ)件模塊，可以在較低成本的前提下最經(jīng)濟(jì)地配生出各式各樣的產(chǎn)品。2.2.2 模塊劃分的角度模塊的劃分根據(jù)其劃分角度的不同，有不同的劃分方式，最終得到不同的基本單元。從產(chǎn)品生命周期的觀點(diǎn)看，這些不同的劃分角度分別是面向產(chǎn)品生命周期中的不同階段。因此，可以根據(jù)模塊劃分所面向的生命周期中的具體階段，把模塊劃分為：(1)面向設(shè)計(jì)的模塊劃分當(dāng)某類產(chǎn)品的市場需求種類較多或者需求的變化較快時模塊劃分通常側(cè)重于面向設(shè)計(jì)主要根據(jù)產(chǎn)品各個組成部分之間功能上的相關(guān)程度進(jìn)行模塊劃分，即對產(chǎn)品的總功能進(jìn)行分解，從總功能開始，尋找某一個功能的實(shí)現(xiàn)方法作為它的次一級功能，以此類推，得到一個功能層級結(jié)構(gòu)。這樣既可顯

31、示各功能元，分功能與總功能之間的關(guān)系，又可以通過各功能元之間的有機(jī)組合求得系統(tǒng)解，然后按照相關(guān)性影響因素進(jìn)行聚類分析，最后得到功能模塊。產(chǎn)品的功能分解過程如圖2.3所示。圖2.3 產(chǎn)品的功能分解過程- 9 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙面向設(shè)計(jì)的模塊劃分的基礎(chǔ)是功能分析，功能分析是目前模塊劃分的主要依據(jù)，側(cè)重功能分析或者以功能分析為主綜合考慮其他因素的模塊化設(shè)計(jì)方法研究較多。功能是系統(tǒng)的用途或能完成的任務(wù)。就數(shù)控機(jī)床這樣的機(jī)械產(chǎn)品而言，功能就是產(chǎn)品必須解決的問題，以及為解決此問題產(chǎn)品應(yīng)完成的動作和發(fā)揮的作用。對功能的描述可有多種方式，主要要求描述簡單、明確，常用的功能描述的范式為(動詞+名詞)，其中

32、的動詞說明功能發(fā)揮的作用，名詞說明作用的客體。其中功能模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：1)產(chǎn)品更新?lián)Q代快。新產(chǎn)品的發(fā)展常是局部改進(jìn),若將先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)相應(yīng)模塊,比較容易實(shí)現(xiàn)局部改進(jìn),這就加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。如計(jì)算機(jī)制造就是改變其中某些插件(模塊),提高了計(jì)算機(jī)的性能。2)縮短了設(shè)計(jì)和制造周期。當(dāng)用戶提出要求后,只需更換部分模塊,或設(shè)計(jì)、制造個別模塊即可獲得所需產(chǎn)品,這樣就大大縮短了設(shè)計(jì)和制造周期。3)降低成本。模塊化后,同一個功能模塊可用于數(shù)種產(chǎn)品,增大了該模塊的生產(chǎn)數(shù)量,還便于采用先進(jìn)工藝、成組技術(shù)等,縮短了設(shè)計(jì)時間,從而降低了產(chǎn)品成本,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。4)維修方便。產(chǎn)品維修時,只須更換損壞的模塊,維修方

33、便、快捷。5)性能穩(wěn)定可靠。模塊化設(shè)計(jì)對產(chǎn)品的功能及模塊劃分進(jìn)行了精心研究,保證了它的性能,使產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠。6)系統(tǒng)較復(fù)雜。由于考慮模塊的適應(yīng)性和互換性,系統(tǒng)比較復(fù)雜,層次編排沒有程序化設(shè)計(jì)清晰。7)適用于小批量生產(chǎn)。模塊設(shè)計(jì)特別適用于生產(chǎn)批量較小的系列產(chǎn)品。以上介紹的兩種模塊化設(shè)計(jì)方法都是機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。西方國家越來越多地采用“功能模塊化”設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)的必要性越來越明顯。然而功能分解并不能無限制地進(jìn)行下去，分解至哪一層合適，要視模塊化設(shè)計(jì)對象的具體情況而定。如果功能分解過細(xì)，會導(dǎo)致功能一結(jié)構(gòu)映射求解過于復(fù)雜，不易進(jìn)行模塊劃分；如果功能分解過粗，則隱藏了較多的基礎(chǔ)功能單元，減少了功能

34、交換和組合的可能性，不利于產(chǎn)品的功能創(chuàng)新。同樣的，數(shù)控機(jī)床的功能分解也要有利于其功能一結(jié)構(gòu)映射的求解，有利于其模塊劃分的實(shí)施。功能結(jié)構(gòu)的關(guān)系有三種基本的形式(如圖2.4)。- 10 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)(串聯(lián))：各分功能按順序相繼作用；并列結(jié)構(gòu)(并聯(lián))：各分功能并列作用；循環(huán)結(jié)構(gòu)(回路)：分功能成環(huán)狀循環(huán)回路，體現(xiàn)反饋?zhàn)饔?。（a）串聯(lián) （b）并聯(lián) （c）回路而數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括：主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給傳動系統(tǒng)、基礎(chǔ)支承件、輔助裝置。(2)面向制造的模塊劃分如果產(chǎn)品的市場需求相對穩(wěn)定，而制造過程比較復(fù)雜，模塊劃分通常側(cè)重于面向制造，在模塊劃分中應(yīng)重點(diǎn)考慮加工方面的問題。通常模塊內(nèi)部

35、越簡單，其制造就越容易，Tsai等以計(jì)算公式表示出了模塊制造的復(fù)雜度，對模塊劃分結(jié)果進(jìn)行評價，優(yōu)化模塊劃分。(3)面向使用、裝配和維修的模塊劃分如果用戶需要經(jīng)常對產(chǎn)品的某些部分進(jìn)行更換或維護(hù)時，產(chǎn)品模塊劃分通常側(cè)重于面向裝配和維修，在這一類模塊劃分中，應(yīng)重點(diǎn)考慮的是裝卸和接口方面的問題。面向裝配的模塊化設(shè)計(jì)重點(diǎn)從保證裝配過程和裝配質(zhì)量的角度進(jìn)行模塊劃分。產(chǎn)品劃分的模塊越多，接口就越多，裝配中考慮的因素也越多，對裝配過程和裝配質(zhì)量影響也越大。Tsai等從裝配過程的復(fù)雜程度上分析模塊劃分，以計(jì)算公式表示模塊裝配的復(fù)雜度，與模塊制造的復(fù)雜度結(jié)合來優(yōu)化模塊劃分結(jié)果。Tseng等應(yīng)用零部件間聯(lián)接件的工程

36、參數(shù)，如聯(lián)接類型、聯(lián)接方向、拆卸工具以及連接器所聯(lián)接的零部件的信息，作為模塊劃分的標(biāo)準(zhǔn)。(4)面向回收的模塊劃分如果市場對產(chǎn)品的環(huán)保性能要求較高，模塊劃分通常側(cè)重于面向回收，在這類模塊劃分中，應(yīng)重點(diǎn)考慮材料和可重用部件的問題。隨著人們環(huán)境意識的提高，產(chǎn)品的環(huán)境屬性及其回收利用性能成為模塊化設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)?？紤]到設(shè)備的環(huán)境屬性方面，唐濤等將綠色設(shè)計(jì)思想與模塊化設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，提出了綠色模塊化設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用綠色準(zhǔn)則(重用性、升級性、維護(hù)性、回收性和處理性)、功能準(zhǔn)則和零件合并準(zhǔn)則來指導(dǎo)模塊的劃分；Tseng等應(yīng)用環(huán)境- 11 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙污染系數(shù)以及原材料、制造和裝配成本進(jìn)行模塊劃分結(jié)

37、果的評價，進(jìn)行了產(chǎn)品綠色生命周期工程的模塊化設(shè)計(jì)。不同的模塊有不同的壽命周期，設(shè)備報廢后，它的某些模塊的壽命并沒有結(jié)束，可以重用或者回收。Funihiko等從零件的重用、Ishii等從材料的回收等角度研究了模塊的劃分。黃海鴻等從壽命分析、材料相容性、回收經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響、結(jié)構(gòu)與物理交互5個方面，建立了面向回收的模塊劃分準(zhǔn)則。(5)面向整個生命周期的模塊劃分前面幾種模塊劃分針對的只是產(chǎn)品生命周期的某個階段，沒有從整個生命周期的角度考慮。產(chǎn)品的生命周期從產(chǎn)品的市場需求開始到回收利用結(jié)束，涉及到多個過程、多方面因素，均對模塊的劃分產(chǎn)生或多或少的影響。因此，一些學(xué)者從整個生命周期的角度來進(jìn)行模塊的劃分

38、。Gu等考慮了產(chǎn)品生命周期中的多種因素，提出了一種面向產(chǎn)品生命周期的多目標(biāo)(易于回收性、可升級、可重復(fù)用、重構(gòu)等)的模塊劃分方法。潘雙夏等提出了考慮客戶需求、產(chǎn)品的裝配、成本和維修等綜合因素的模塊劃分方法。Victor等進(jìn)一步細(xì)化了模塊化設(shè)計(jì)的生命周期驅(qū)動因素來進(jìn)行模塊構(gòu)建。理想情況下，模塊化產(chǎn)品應(yīng)該同時達(dá)到生命周期各階段的所有目標(biāo)，但實(shí)際上產(chǎn)品生命周期涉及多目標(biāo)，針對不同的目標(biāo)有不同的模塊劃分結(jié)果，需要進(jìn)行多目標(biāo)的協(xié)調(diào)。2.2.3 模塊的聚類方法在基本單元劃分的基礎(chǔ)上，通過各種聚類方法將單元聚類為模塊，完成模塊的劃分。目前聚類方法可分為定性和定量兩種。定性是指非數(shù)值計(jì)算方法，主要采用啟發(fā)式以

39、及樹圖等進(jìn)行模塊的聚類；定量是指數(shù)值計(jì)算方法，采用各種算法進(jìn)行聚類。但無論定性還是定量，基本都是以單元間的相關(guān)性分析為前提。(1)相關(guān)性分析相關(guān)性分析即分析單元間的關(guān)聯(lián)程度、相互影響程度，以此作為模塊聚類的依據(jù)。針對產(chǎn)品的特點(diǎn)，考慮所需的影響因素，進(jìn)行各種影響因素下的各單元間的相關(guān)度分析，例如功能相關(guān)度、制造相關(guān)度、裝配相關(guān)度、維修相關(guān)度等，結(jié)合影響因素的權(quán)重，得到產(chǎn)品各單元間的總體相關(guān)度。如Victor等中考慮功能和結(jié)構(gòu)相關(guān)進(jìn)行了單元間的相關(guān)度分析，得到單元間相關(guān)度系數(shù)為：- 12 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙cij兩單元的相關(guān)度系數(shù)；PHij結(jié)構(gòu)相關(guān)度系數(shù)；FCij功能相關(guān)度系數(shù)；wPij結(jié)構(gòu)

40、相關(guān)度權(quán)重；wFij功能相關(guān)度權(quán)重；對于權(quán)重w，設(shè)計(jì)者可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接指定，也可以采用層次分析法中的權(quán)重計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。以矩陣表示產(chǎn)品各單元間的相關(guān)度，得到產(chǎn)品的相關(guān)度矩陣。其中n為產(chǎn)品所包含的單元數(shù)，Cij為 i單元與j單元的相關(guān)度系數(shù)。(2)模塊劃分的定性分析1)啟發(fā)式模塊劃分方法啟發(fā)式算法是一種為了提高搜索效率、快速解決問題而提出的一種基于直觀或經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造的算法，利用與所求問題有關(guān)的某些特殊信息來求解問題。Stone等提出一種啟發(fā)式模塊創(chuàng)建方法，首先建立由功能元所表示的產(chǎn)品的功能模型，然后在功能模型中表示出產(chǎn)品的能量流、物料流、信號流以及力等，最后根據(jù)支配性流、分支流以及轉(zhuǎn)換傳輸流將功能元

41、聚合成模塊。圖2.5圖2.6分別為根據(jù)支配性流和分支流進(jìn)行模塊劃分。圖2.5 基于支配性流的模塊劃分- 13 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙圖2.6 基于分支流的模塊劃分2)基于模糊樹圖的模塊劃分方法王海軍等提出了基于模糊樹圖的模塊劃分方法，即以最大模糊生成樹來表示產(chǎn)品的基本單元之間的關(guān)系。3)模糊聚類方法模糊聚類方法采用截矩陣對產(chǎn)品的模似矩陣進(jìn)行截割，從而將單元聚類為不同的模塊，過程如下：將產(chǎn)品的相關(guān)度矩陣轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的模糊相陣：對于任意的模塊劃分粒度度量值0-1，R=()ij為模糊矩陣R的-截矩陣，其中，對取不同的數(shù)值，得到相似度矩陣R的-截矩陣R，在R的主對角線上填入單元，在主對角線下方，以“*

42、”代替1，以空格代替0。再由“*”所在位置向上引縱線，向右引橫線，凡能相互聯(lián)系的點(diǎn)均屬于同一類，可劃分在同一個概念模塊內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了不同值下的動態(tài)模塊聚類。(3)模塊劃分的定量分析1)基于遺傳算法的模塊聚類- 14 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)是模擬自然界生物進(jìn)化機(jī)制的一種算法，近年來已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行模塊聚類的步驟如下：Step1.選擇問題的一個編碼；給出一個有N個染色體的初始群體pop(1)， t：=1；Step2.對群體pop(t)中的每一個染色體popi(t)計(jì)算它的適應(yīng)函數(shù)fi=fitness(popi(t)；

43、Step3.若停止規(guī)則滿足，則算法停止；否則，計(jì)算概率并以概率分布pi從pop(t)中隨機(jī)選一些染色體構(gòu)成一個種群New pop(t+1)=popj(t)|j=1，2，N；Step4.通過交配，交配概率為pc，得到一個有N個染色體的crosspop(t+1)；Step5.以一個較小的概率p，使得一個染色體的一個基因發(fā)生變異，形成mutpop(t+1)；t=t+1，一個新的群體pop(t)=mutpop(t)；返回Step2。遺傳算法同其他聚類方法有較好的兼容性，如可以用其他聚類方法求得初始解。遺傳算法同其他聚類方法有較好的兼容性，如可以用其他聚類方法求得初始解。2)基于模擬退火算法的模塊聚類模

44、擬退火算法是上個世紀(jì)80年代提出的一種適合于解決大規(guī)模組合優(yōu)化問題的方法。在固體退火過程中，Metropolis于1953年提出了下列準(zhǔn)則來模擬固體在恒定溫度上的熱平衡。給定固體的初始狀態(tài)i，其狀態(tài)的能量為Ei；然后用攝動裝置使粒子的位移隨機(jī)產(chǎn)生一個微小變化，并得到新狀態(tài)j，對應(yīng)的能量為Ej，固體是否接受新狀態(tài)需要根據(jù)該準(zhǔn)則：一些學(xué)者將該準(zhǔn)則應(yīng)用于模塊劃分過程中，將模塊劃分的最優(yōu)解類比于固體退火的能量最低的狀態(tài)，給定模塊的初始劃分，應(yīng)用Metropolis算法進(jìn)行模塊劃分過程的迭代，最后得到最優(yōu)的模塊劃分方案。模塊劃分方法包括定性和定量這兩種劃分方法，目前大多采用定性劃分方法。定性法相比定量法

45、復(fù)雜度低，比較直觀、簡便，易于實(shí)現(xiàn)，但是劃分結(jié)果表現(xiàn)不穩(wěn)定，結(jié)果的好壞依賴于實(shí)際問題、經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)師的技術(shù)，設(shè)計(jì)師的主觀性對劃分結(jié)果影響很大；定量法以某種算法來尋找最優(yōu)模塊劃分方案，以遺傳算法與模擬退火算法為典型代表，這兩種方法為模塊- 15 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙劃分的優(yōu)化問題提供了一條高效的數(shù)學(xué)計(jì)算途徑，但是算法的復(fù)雜程度隨著產(chǎn)品復(fù)雜度的增加而呈指數(shù)增長，因此研究復(fù)雜產(chǎn)品的模塊劃分方法至關(guān)重要。2.3 本文對數(shù)控機(jī)床采取的劃分方法本文從面向設(shè)計(jì)的角度來進(jìn)行數(shù)控機(jī)床模塊的劃分。首先對數(shù)控機(jī)床的功能進(jìn)行分解，將數(shù)控機(jī)床的總的功能分解為不同的功能元，根據(jù)不同功能元之間的相關(guān)性定性的進(jìn)行模塊聚類，

46、其次按照結(jié)構(gòu)將已經(jīng)聚類的功能模塊對應(yīng)的零部件分解出來，再根據(jù)各個零部件之間在制造和裝配上的相關(guān)性進(jìn)行分析，最終將兩次分析的結(jié)果綜合起來，得到更為細(xì)小的具有不同用途或性能的模塊。本文將數(shù)控機(jī)床分為10個模塊，具體劃分如下：傳動模塊：絲杠，聯(lián)軸器，伺服電機(jī)，電機(jī)架，軸承端蓋，軸承架支撐連接模塊：導(dǎo)軌，滑塊工作臺模塊：工作臺底盤，工作臺托盤主軸箱模塊：主軸箱體，主軸刀庫模塊：刀庫，抓刀機(jī)械手防護(hù)模塊：絲杠防護(hù)罩，整機(jī)防護(hù)罩輔助模塊：氣動液壓裝置，排屑裝置，冷卻裝置，潤滑裝置，電氣控制裝置床身模塊：床身立柱模塊：立柱滑板模塊：滑板- 16 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙第三章 數(shù)控機(jī)床模塊幾何建模技術(shù)研究3

47、.1 數(shù)控機(jī)床元件幾何建模常用方法對于幾何特征的自動建模，三維CAD軟件一般都為用戶提供了下述三種開發(fā)方法：1、系列零件設(shè)計(jì)表技術(shù)系列零件設(shè)計(jì)表，在一些系統(tǒng)中又被稱為簇表。它為一個系列的零件提供關(guān)鍵的驅(qū)動數(shù)據(jù)。這種技術(shù)一般是由三維CAD軟件本身提供的。對于一個模板文件，如果要生成系列零件設(shè)計(jì)表，則必須在模板中定義想要生成配置的名稱，指定要控制的參數(shù)，并為每個參數(shù)分配數(shù)值。以下是生成系列零件設(shè)計(jì)表的兩種方法：1）作為一個獨(dú)立的操作，在 Excel 中生成系列零件設(shè)計(jì)表工作表。保存此工作表，然后將其插入模型文件以生成配置；2）在模型中插入一個新的、空白的系列零件設(shè)計(jì)表，然后直接在工作表中輸入系列零

48、件設(shè)計(jì)表資料。當(dāng)完成輸入系列零件設(shè)計(jì)表資料后，模型中會自動生成新的配置。在SolidWorks 2008中基于系列零件設(shè)計(jì)表的圖形如圖3.1所示。2、宏技術(shù)所謂宏技術(shù)建模就是從內(nèi)部編程角度操作三維軟件提供的API對象，然后利用語言編程實(shí)現(xiàn)自動建模。比如六角頭螺栓的模型，首先，建立一個六角頭螺栓的CAD模型，錄制其繪制過程，建立一宏文件（即內(nèi)部編程）。然后用變量代替宏文件中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如螺紋規(guī)格、螺紋長度、六角頭厚度、圓角半徑等等，而這些變量的數(shù)據(jù)來源即為螺栓數(shù)據(jù)庫中的某種螺栓類型數(shù)據(jù)表。這樣就可以利用語言編程方便地來實(shí)現(xiàn)自動化造型。這種方法的缺點(diǎn)是使零件模型與語言程序混在一起，不能實(shí)現(xiàn)用戶自己

49、添加元件，建庫柔性差，元件庫的維護(hù)人員要求較高。- 17 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙圖3.1 SolidWorks中系列零件設(shè)計(jì)表3、尺寸驅(qū)動原理尺寸驅(qū)動原理從外部編程角度操作三維CAD軟件提供的API對象，實(shí)現(xiàn)自動建模。尺寸驅(qū)動原理最初是由美國麻省理工大學(xué)D .C. Gossand教授在20世紀(jì)70年代末提出的，已經(jīng)成為一項(xiàng)熱門的研究課題。所謂尺寸驅(qū)動思想通俗的講指所繪制的圖，經(jīng)過標(biāo)注尺寸后，允許任意修改尺寸值，繪圖系統(tǒng)自動保持圖形與最新尺寸保持一致的圖形編輯方法。其中，操作對象是尺寸值，而操作結(jié)果是圖形的變換，這種方法顯然是與傳統(tǒng)的繪圖過程截然不同的全新思路。而尺寸驅(qū)動的過程是在零件幾何特征

50、不變的約束下，把零件的尺寸參數(shù)作為變量，給定尺寸驅(qū)動的值，即可生成相應(yīng)參數(shù)的零件的過程。目前SolidWorks支持尺寸驅(qū)動的思想，在繪制圖形的時候只要修改相應(yīng)的繪圖尺寸，就可以修改圖形。這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了零件模型與語言程序的有效分離，使它們之間的耦合性變小。3.2 數(shù)控機(jī)床模塊幾何建模的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)控機(jī)床模塊的物理組成可以是單一零件也可以是多個零件的組合。不同的模塊結(jié)構(gòu)，建模方式是不一樣的。下面將分別介紹數(shù)控機(jī)床中零件模塊（即單一零件構(gòu)成模塊）和組件- 18 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙模塊（由多個零件組合而成模塊）的幾何建模技術(shù)。 3.2.1 數(shù)控機(jī)床零件模塊的自動幾何建模原理數(shù)控機(jī)床零件模塊自動幾

51、何建模主要基于三維造型中的尺寸驅(qū)動原理。每一類零件模塊對應(yīng)一個模塊模板，在模板中定義尺寸變量和變量之間的尺寸約束關(guān)系。需要修改時只要改變相應(yīng)的尺寸變量就可以修改圖形形狀。目前SolidWorks支持尺寸驅(qū)動的思想，在繪制圖形的時候只要修改相應(yīng)的繪圖尺寸，就可以修改圖形。其驅(qū)動的原理圖如圖3.2所示。圖3.2 尺寸驅(qū)動原理圖所謂模板是具有屬性的，參數(shù)化的，大小可變的三維幾何實(shí)體。這種幾何實(shí)體在有些相關(guān)研究中被稱之為“啞圖”或者“母板” 。數(shù)控機(jī)床模板即為帶有屬性的，參數(shù)化的數(shù)控機(jī)床圖形。它可以根據(jù)設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的自動幾何建模。模板的參數(shù)分為主參數(shù)和輔助參數(shù)。主參數(shù)是指決定組件幾何形狀的關(guān)鍵

52、幾何參數(shù)；輔助參數(shù)是指由主參數(shù)通過一定的方程式?jīng)Q定的其他幾何參數(shù)。輔助參數(shù)的值可由主參數(shù)的值決定。一般三維CAD軟件都提供了對輔助參數(shù)設(shè)定方程式的功能，在建立數(shù)控機(jī)床模板時，可以充分利用這一功能，這樣可以- 19 -畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙使得建立的模板參數(shù)數(shù)據(jù)冗余最少，可大大減少系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)，同時也可提高圖形文件尺寸參數(shù)驅(qū)動的速度。零件模塊模板參數(shù)化建模的關(guān)鍵技術(shù)是尺寸變量名的提取和尺寸變量的導(dǎo)入建模。下面分別介紹兩個關(guān)鍵技術(shù)。如何從數(shù)控機(jī)床模板中提取尺寸參數(shù)名稱是數(shù)控機(jī)床模塊參數(shù)化建模的關(guān)鍵技術(shù)之一。只有在獲取有意義的參數(shù)名稱的基礎(chǔ)上，才能基于尺寸驅(qū)動原理自動進(jìn)行參數(shù)化建模。下面是作者在SolidWorks平臺上實(shí)現(xiàn)的數(shù)控機(jī)床模塊尺寸驅(qū)動參數(shù)名稱提取的核心代碼：Dim message As StringDim swDim As ObjectDim swPart As ObjectDim swFeat As ObjectDim swDispDim As ObjectDim FeatStatus As BooleanDim Number As IntegerSet swApp = CreateObject("sldworks.application")If swPart Is Nothing ThenMsgBox