齒輪加工加工中心的可重構(gòu)特性研究
海天精工 加工中心 鉆攻中心前言：海天精工 備注：為保證文章的完整度，本文核心內(nèi)容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉(zhuǎn)換瀏覽器嘗試，手機(jī)瀏覽可能無法正常使用！引言齒輪產(chǎn)品作為基礎(chǔ)傳動(dòng)部件，廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械產(chǎn)品及零部件之中。經(jīng)濟(jì)全球化以來，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，傳統(tǒng)的齒輪加工加工中心功能單_，無法滿足客戶需求的多樣化和定制化。研發(fā)能快速響應(yīng)市場需求而實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)的齒輪加工加工中心有助于加工中心制造企業(yè)在激烈的市場競爭中脫穎而出。基于模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可重構(gòu)概念，為加工中心產(chǎn)品快速開發(fā)提供 了新的思路。國內(nèi)外一些學(xué)者對可重構(gòu)加工中心進(jìn)行了大量研究并取得了一系列成果。K:I|Z. K 111提出一些可重構(gòu)加工中心的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及其在不同加工中心配置中的應(yīng)用；Y. koren [a通過對可重構(gòu)及可重構(gòu)制造系統(tǒng)的研究，提出了 一個(gè)可重構(gòu)加工中心概念設(shè)計(jì)原型；Ahele. K 131等研究可重構(gòu)加工中心模塊的接口參數(shù)對加工中心性能的影響；許虹111從可重構(gòu)加工中心設(shè)計(jì)原理及方法學(xué)、模塊化設(shè)計(jì)、全生命周期配置設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了理論研究；黃筱調(diào)S從細(xì)化模塊結(jié) 構(gòu)、提高加工中心資源利用率和重構(gòu)效率出發(fā)設(shè)計(jì)出滾、銑可重構(gòu)主軸加工頭；李一全0通過對車銑微加工系統(tǒng)的深入研究，設(shè)計(jì)出兩種應(yīng)用于主軸模塊和工作臺(tái)模塊的新型接口；張浩0針對可重構(gòu)加工中心模塊配置設(shè)計(jì)方案優(yōu)選問題，提出了基于集對分析的多目標(biāo)綜合評價(jià)方法。但大多數(shù)研究內(nèi)容偏于理論,或局限于重構(gòu)設(shè)計(jì)的某一部分,沒有結(jié)合實(shí)例對可重構(gòu)加工中心特性和設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本論文以齒輪加工加工中心為研究對象，從齒輪加工可重構(gòu)加工中心設(shè)計(jì)制造的整個(gè)過程^寸可重構(gòu)加工中心的模塊劃分、模塊設(shè)計(jì)及配置設(shè)計(jì)和評價(jià)方法三方面進(jìn)行了研究。通過模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)使可重構(gòu)加工中心能在多種目標(biāo)功能之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。1模塊劃分合理的模塊劃分是可重構(gòu)的實(shí)施關(guān)鍵，影響著重構(gòu)產(chǎn)品的性能、重構(gòu)過程的復(fù)雜性以及模塊的重用度。FPBS M是_種基于功能^原理^行為^結(jié)構(gòu)映射的模型分解理論，是加工中心模塊化分的關(guān)鍵理論方法。功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)代表加工中心不同方面的信息，功能是對產(chǎn)品滿足客戶需求的特定工作能力的描述,是加工中心設(shè)計(jì)的目的;原理描述實(shí)現(xiàn)加工中心產(chǎn)品功能的工作機(jī)理,是功能實(shí)現(xiàn)的機(jī)理;行為描述實(shí)現(xiàn)加工中心產(chǎn)品功能需要執(zhí)行的動(dòng)作，是原理在運(yùn)動(dòng)域的體現(xiàn);結(jié)構(gòu)描述加工中心產(chǎn)品的物理組成要素及其連接關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)功能的最終實(shí)物載體。圖1是滾齒加工中心基于FPBS的模型分解過程。圖1滾齒加工中心的FPBS模型分解過程由功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)的關(guān)系可看出，劃分求解過程是一個(gè)功能^原理求解；原理^行為分析；原理、行為—結(jié)構(gòu)映射;結(jié)構(gòu)_>功能分解的過程。通過模型分解完成了從功能域向原理域的過渡,原理域向行為域的分解以及行為域向結(jié)構(gòu)域映射，最終實(shí)現(xiàn)功能域向的結(jié)構(gòu)模塊的映射。齒輪作為主要的機(jī)械傳動(dòng)件在機(jī)械工程中應(yīng)用非常廣泛。使用環(huán)境的不同使得齒輪的形狀、精度和表面質(zhì)量各有差異。在精度要求、加工效率和經(jīng)濟(jì)效益等的驅(qū)使下不同齒輪選擇不同的加工工藝。基于FPBS模型分解原理,對滾齒、銑齒和磨齒加工工藝分解到行為域，結(jié)果如表1所示，表中表示各功能模型行為域的需求;1表示需要相應(yīng)行為自由度;0表示不需要。 表1功能模型分解 功能 尤軸 F軸 Z軸 4軸 C軸 主軸 滾齒 1 0 1 1 1 1 銑齒 1 0 1 1 1 1 磨齒 1 1 1 1 1 1 表中為各加工中心功能域分解到行為域的行為需求,行為需求映射到結(jié)構(gòu)域即為物理模塊。在不同功能的加工中心中，相同行為需求映射到結(jié)構(gòu)域不一定對應(yīng)相同模塊，行為域映射到結(jié)構(gòu)域的差異即為功能重構(gòu)時(shí)實(shí)現(xiàn)模塊替換的原因所在。圖2為可重構(gòu)加工中心理論設(shè)計(jì)過程，由功能域向行為域分解，求解出自由度需求；再由行為域向結(jié)構(gòu)域映射，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)模塊;再通過模塊組合形成物理加工中心。通過分析各目標(biāo)加工中心的模塊需求，進(jìn)行模塊替換和增減實(shí)現(xiàn)加工中心的重構(gòu)過程。2配置設(shè)計(jì)及模塊設(shè)計(jì)在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中功能屬于抽象層,是設(shè)計(jì)者主觀意圖的載體;結(jié)構(gòu)屬于物理層，是功能實(shí)現(xiàn)的物理載體。可重構(gòu)加工中心的設(shè)計(jì)目的為實(shí)現(xiàn)功能的可轉(zhuǎn)換，途徑是通過對結(jié)構(gòu)模塊的變更。加工中心重構(gòu)過程的實(shí)質(zhì)是以模塊為基礎(chǔ)，對加工中心通過多個(gè)存在模塊結(jié)構(gòu)的增減和替換,重新配置成滿足相應(yīng)需求功能的加工中心的過程。模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)成為可重構(gòu)加工中心設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。2.1配置設(shè)計(jì)配置不是簡單的模塊重組，它還是一個(gè)結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)過程。對各功能模型進(jìn)行合理的配置設(shè)計(jì)將提高機(jī)床的重構(gòu)效率和重用度,在保障功能的基礎(chǔ)上******限度的提高資源的利用率。如何配置加工中心結(jié)構(gòu)使加工中心實(shí)現(xiàn)高加工效率、高級精度和高生態(tài)效率又能減少重構(gòu)資源投入、提高模塊重用度，是進(jìn)行功能重構(gòu)快速響應(yīng)市場的需求變化的關(guān)鍵所在。加工中心結(jié)構(gòu)配置需綜合考慮重構(gòu)成本、可裝配性、可拆卸性、重構(gòu)效率等。行為需求與結(jié)構(gòu)之間的映射并不是唯一,相同的行為需求通過不同的設(shè)計(jì)方案可以配置出不同的結(jié)構(gòu)。合理的配置設(shè)計(jì)既要考慮各種工藝特點(diǎn)又要考慮重構(gòu)效率。結(jié)合加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為減少重構(gòu)時(shí)間、提高模塊重用度，將目標(biāo)加工中心統(tǒng)一設(shè)置為某_種結(jié)構(gòu),例如將四自由度設(shè)計(jì)為RLLR配置結(jié)構(gòu)，如圖3;五自由度加工中心設(shè)計(jì)為RLLLR配置結(jié)構(gòu)j卩圖4。通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),通過模塊添加來實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。 2.2模塊設(shè)計(jì)通過FPBS的產(chǎn)品模型分解和結(jié)構(gòu)配置設(shè)計(jì)得到的模塊結(jié)構(gòu)保證了功能之間的獨(dú)立性,但沒有解決重構(gòu)過程中模塊替換、組合、裝配的干涉等問題。模塊設(shè)計(jì)是保障加工中心重構(gòu)得以實(shí)施的基礎(chǔ)。模塊設(shè)計(jì)的目的是確保模塊替換和增減的順利實(shí)施以及替換后的加工中心能順利的實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。模塊設(shè)計(jì)包括模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)。模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了滿足實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換的要求，不同加工工藝的受力不同，在進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各種工況，以性能最高的要求為準(zhǔn)則進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，以一定的性能冗余,確保轉(zhuǎn)換后的加工中心能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。接口設(shè)計(jì)包含接口標(biāo)準(zhǔn)化和冗余接口設(shè)計(jì):為了確保模塊替換后各模塊得以重新配合，對特定接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；出于加工中心結(jié)構(gòu)的限制和設(shè)計(jì)要求，采用原來的接口不能很好的滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)就需要設(shè)計(jì)冗余接口。圖5為通過接口標(biāo)準(zhǔn)化和冗余接口設(shè)置實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的過程，通過立柱與y軸托板的導(dǎo)軌型號、導(dǎo)軌間距和絲杠螺母座的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)模塊增減時(shí)順利配合；出于加工中心結(jié)構(gòu)緊湊要求，通過冗余接口設(shè)計(jì)使得重構(gòu)前后主軸托板由中心驅(qū)動(dòng)變?yōu)槠尿?qū)動(dòng)加工中心結(jié)構(gòu)更加緊湊。solidworks實(shí)現(xiàn)了一款滾、銑、磨可重構(gòu)齒輪加工加工中心虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。通過滾、銑、磨齒加工中心的模型分解、模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)形成可重構(gòu)加工中心模塊庫，模塊庫中的模塊可以細(xì)分為公共模塊、專有模塊和可擴(kuò)展模塊。公共模塊是可重構(gòu)加工中心重構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后加工中心都公用的機(jī)床模塊;專有模塊為可重構(gòu)加工中心某一特定功能所特有的模塊;可擴(kuò)展模塊是重構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后功能擴(kuò)展部分的模塊。這幾種模塊在重構(gòu)過程中分別對應(yīng)模塊復(fù)用，模塊替換和模塊擴(kuò)展。表2為借助solidworks設(shè)計(jì)的可重構(gòu)加工中心模塊，公共模塊有:轉(zhuǎn)臺(tái)模塊、床身模塊、立柱模塊和主軸托板模塊;專有模塊是各主軸模塊;擴(kuò)展模塊是F軸托板模塊。3.2可重構(gòu)加工中心配置方案評價(jià)可重構(gòu)加工中心的可重構(gòu)效率和模塊復(fù)用率是評價(jià)可重構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。針對模塊復(fù)用率的評價(jià)問題引入集對分析進(jìn)行分析。分析過程如下:結(jié)構(gòu)配置A對應(yīng)功能需求1,結(jié)構(gòu)配置B對應(yīng)功能需求2,對兩種配置的進(jìn)行分析,得到模塊參數(shù)。其中S為兩配置中復(fù)用模塊的個(gè)數(shù)，五為兩配置中擴(kuò)展模塊的個(gè)數(shù)，/)為專有模塊的個(gè)數(shù)，則兩種配置的聯(lián)系度為： 5 E . D . j. /n\ ^ = ~N +~Nl +~N} " a+b } ⑴式中，fl+6+c = 1沁為聯(lián)系度；|為同一度,簡記為«; i為擴(kuò)展度,簡記為6; ■!■為對立度，簡記為c。差異度系數(shù)；描述了某些配置既不屬于同一性、又不屬于對立性，i e (0,1)。設(shè)整個(gè)重構(gòu)配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)總共需滿足m種功能需求，總共有n種可重構(gòu)配置方案。在一種配置方案中，求每兩種功能需求對應(yīng)的配置結(jié)構(gòu)得聯(lián)系度^: ^ = at + Kl +fJ (2)式中，乂表示第A種配置方案中的第k個(gè)聯(lián)系度系數(shù)值，上標(biāo) A e ,下標(biāo)/ce (1,2,…〇。得到整個(gè)配置方案的的聯(lián)系度表達(dá)式：^ = (i^x ⑶ K=1在/I種系統(tǒng)配置中聯(lián)系度越高的配置，在重構(gòu)過程投入的成本越少，重構(gòu)效率也越高。由此可知，整個(gè)可重構(gòu)系統(tǒng)的重構(gòu)效率，取決于配置系統(tǒng)內(nèi)加工中心與機(jī)床的之間的共有結(jié)構(gòu)、對立結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)。針對以上可重構(gòu)加工中心配置方案，運(yùn)用集對分析此重構(gòu)加工中心的重構(gòu)效率。由于模塊替換需要用新模塊替換舊模塊，故取對立度系數(shù)y = 0,差異度系數(shù)^ =0. 5。四種加工加工中心模型之間的重構(gòu)策略有種。成形銑齒機(jī)和滾齒機(jī)的聯(lián)系度為0_ 8;銑齒機(jī)和磨齒機(jī)以及滾齒機(jī)和磨齒機(jī)聯(lián)系度為0.58;滾齒機(jī)和五軸加工中心的聯(lián)系度為0.917;銑齒機(jī)和五軸加工中心的聯(lián)系度為0.58;磨齒機(jī)和五軸加工中心的聯(lián)系度為0. 83,得到整個(gè)配置的聯(lián)系度“：ci Z = (!>«)/c】=〇.715«： = i整個(gè)重構(gòu)加工中心配置設(shè)計(jì)重構(gòu)率可達(dá)0_ 715,模塊復(fù)用度比較高，配置設(shè)計(jì)合理。 4結(jié)束語本文通過對齒輪加工工藝和可重構(gòu)加工中心的研究設(shè)計(jì)出了_種面向齒輪加工的可重構(gòu)加工中心模型。利用FPBS模型分解理論將不同功能需求映射成模塊結(jié)構(gòu)需求，通過模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)建立可重構(gòu)加工中心模塊庫,在此基礎(chǔ)上通過模塊組合配置不同功能需求的機(jī)床，不同加工中心模型可以通過模塊替換、擴(kuò)展和剪切來相互轉(zhuǎn)換。并提出了運(yùn)用集對分析來評價(jià)可重構(gòu)加工中心重構(gòu)效率的,聯(lián)系度越高的可重構(gòu)配置方案模塊復(fù)用度越高,相應(yīng)的重構(gòu)效率和重構(gòu)過程中的資源投入越少。 _海天精工是一家集銷售、應(yīng)用及服務(wù)于一體的公司。產(chǎn)品包括：CNC加工中心、鉆攻中心、龍門加工中心、雕銑機(jī)、石墨機(jī)、五軸加工中心、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機(jī)床的生產(chǎn)工廠設(shè)在廣東省寧波市，目前其生產(chǎn)的加工中心70%出口，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心、盡力、盡意的服務(wù)！聲明：本站文章均來自網(wǎng)絡(luò)，所有內(nèi)容不代表本站觀點(diǎn)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任！