【正文】 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(guó)外制造業(yè)中迅速發(fā)展，是近年來(lái)發(fā)國(guó)家普遍采用的一種先進(jìn)設(shè)計(jì)方法。二是產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)間相互影響程度的最小化?；谶@一觀點(diǎn)，Ulrihch定義了三種模塊化類型：部件互換模塊化、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。ShinnHo從分析機(jī)床結(jié)構(gòu)入手提出了分級(jí)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(gè)原則和問(wèn)題（分析原則、標(biāo)準(zhǔn)化原則、結(jié)合原則和適應(yīng)原則）。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(jí)模塊化在實(shí)際應(yīng)用時(shí)將是非常困難那的。該方法通過(guò)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(guò)對(duì)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(tái)。90年代初，童時(shí)中等人從多方面分析了模塊化理論，對(duì)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(duì)液壓機(jī)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。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(jí)、層次特性，分析了模塊劃分的三個(gè)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(jí)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(duì)劃分的結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。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。同時(shí)，國(guó)內(nèi)在生產(chǎn)和庫(kù)存管理上還是以產(chǎn)品而不是以模塊為基礎(chǔ)，分級(jí)模塊化管理更為困難，造成生產(chǎn)與備品的不協(xié)調(diào)。近年來(lái)，諸如齊齊哈爾第二機(jī)床廠，沈陽(yáng)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。本文擬在以下方面做出研究：1)分析數(shù)控機(jī)床模塊化設(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(kāi)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(cè)試驗(yàn)證。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。模塊化設(shè)計(jì)：在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行市場(chǎng)預(yù)測(cè)、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(duì)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。對(duì)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。通過(guò)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(guò)選擇、優(yōu)化、簡(jiǎn)化和統(tǒng)一，形成各種具有獨(dú)立功能的單元模塊。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(gè)性化的要求。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(shí)間，縮短了產(chǎn)品交貨期。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”。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。這種方式是易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用最廣。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。主參數(shù)不同，動(dòng)力參數(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。因而，在與動(dòng)力參數(shù)有關(guān)的模塊設(shè)計(jì)時(shí)，往往合理劃分區(qū)段，只在同一區(qū)段內(nèi)模塊通用；而對(duì)于與動(dòng)力或尺寸無(wú)關(guān)的模塊，則可在更大范圍內(nèi)通用。德國(guó)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(tái)，即可將銼銑床變?yōu)榭缦盗械穆涞劁S床。例如，德國(guó)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(zhǎng)度，得到三種縱系列的產(chǎn)品。例如，全系列的龍門(mén)銑床結(jié)構(gòu)與龍門(mén)刨、龍門(mén)刨床和龍門(mén)導(dǎo)軌磨床相似，可以發(fā)展跨系列模塊化設(shè)計(jì)。第二個(gè)層次為單個(gè)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，需要根據(jù)用戶的具體要求對(duì)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(guò)程。 模塊化系列產(chǎn)品研制過(guò)程 模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程模塊化設(shè)計(jì)成功的前提。對(duì)市場(chǎng)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。產(chǎn)品參數(shù)有尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)(功率、轉(zhuǎn)矩、電壓等)，須合理確定，過(guò)高過(guò)寬造成浪費(fèi)，過(guò)低過(guò)窄不能滿足要求。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。，形成模塊庫(kù)由于模塊要具有多種可能的組合方式，因此設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到一個(gè)模塊的較多接合部位，應(yīng)做到加工合理、裝配合理。盡量用多工位組合機(jī)床同時(shí)加工，否則模塊的加工成本將非常可觀。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(lái)，指導(dǎo)制造、檢查和使用。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。(3)編制系列通用的制造與驗(yàn)收條件、合格證明書(shū)及裝箱單。 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(guò)程中模塊的劃分是最關(guān)鍵的技術(shù)之一。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。 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。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。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。(2)部件原則。(3)組件原則。(4)基礎(chǔ)件原則。采用同一類型的聯(lián)接為基礎(chǔ)，建立接口標(biāo)準(zhǔn)化、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。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。這樣既可顯示各功能元，分功能與總功能之間的關(guān)系，又可以通過(guò)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。功能是系統(tǒng)的用途或能完成的任務(wù)。對(duì)功能的描述可有多種方式，主要要求描述簡(jiǎn)單、明確，常用的功能描述的范式為(動(dòng)詞+名詞)，其中的動(dòng)詞說(shuō)明功能發(fā)揮的作用，名詞說(shuō)明作用的客體。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。2)縮短了設(shè)計(jì)和制造周期。3)降低成本。4)維修方便。5)性能穩(wěn)定可靠。6)系統(tǒng)較復(fù)雜。7)適用于小批量生產(chǎn)。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)。模塊化設(shè)計(jì)的必要性越來(lái)越明顯。如果功能分解過(guò)細(xì)，會(huì)導(dǎo)致功能一結(jié)構(gòu)映射求解過(guò)于復(fù)雜，不易進(jìn)行模塊劃分；如果功能分解過(guò)粗，則隱藏了較多的基礎(chǔ)功能單元，減少了功能交換和組合的可能性，不利于產(chǎn)品的功能創(chuàng)新。功能結(jié)構(gòu)的關(guān)系有三種基本的形式()。（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(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)支承件、輔助裝置。通常模塊內(nèi)部越簡(jiǎn)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(duì)模塊劃分結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)化模塊劃分。面向裝配的模塊化設(shè)計(jì)重點(diǎn)從保證裝配過(guò)程和裝配質(zhì)量的角度進(jìn)行模塊劃分。Tsai等從裝配過(guò)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(lái)優(yōu)化模塊劃分結(jié)果。(4)面向回收的模塊劃分如果市場(chǎng)對(duì)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(wèn)題?？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(jí)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(lái)指導(dǎo)模塊的劃分；Tseng等應(yīng)用環(huán)境污染系數(shù)以及原材料、制造和裝配成本進(jìn)行模塊劃分結(jié)果的評(píng)價(jià)，進(jìn)行了產(chǎn)品綠色生命周期工程的模塊化設(shè)計(jì)。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。(5)面向整個(gè)生命周期的模塊劃分前面幾種模塊劃分針對(duì)的只是產(chǎn)品生命周期的某個(gè)階段，沒(méi)有從整個(gè)生命周期的角度考慮。因此，一些學(xué)者從整個(gè)生命周期的角度來(lái)進(jìn)行模塊的劃分。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。理想情況下，模塊化產(chǎn)品應(yīng)該同時(shí)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(duì)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)。目前聚類方法可分為定性和定量?jī)煞N。但無(wú)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。針對(duì)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。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。(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(wèn)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(wèn)題有關(guān)的某些特殊信息來(lái)求解問(wèn)題?！』谥湫粤鞯哪K劃分　基于分支流的模塊劃分2)基于模糊樹(shù)圖的模塊劃分方法王海軍等提出了基于模糊樹(shù)圖的模塊劃分方法，即以最大模糊生成樹(shù)來(lái)表示產(chǎn)品的基本單元之間的關(guān)系。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(gè)概念模塊內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了不同λ值下的動(dòng)態(tài)模塊聚類。應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行模塊聚類的步驟如下：；給出一個(gè)有N個(gè)染色體的初始群體pop(1)， t：=1；(t)中的每一個(gè)染色體popi(t)計(jì)算它的適應(yīng)函數(shù)fi=fitness(popi(t))；，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(gè)種群New pop(t+1)={popj(t)|j=1，2，…，N}；，交配概率為pc，得到一個(gè)有N個(gè)染色體的crosspop(t+1)；，使得一個(gè)染色體的一個(gè)基因發(fā)生變異，形成mutpop(t+1)； t=t+1，一個(gè)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。在固體退火過(guò)程中，Metropolis于1953年提出了下列準(zhǔn)則來(lái)模擬固體在恒定溫度上的熱平衡。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。 本文對(duì)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(lái)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床模塊的劃分。本文將數(shù)控機(jī)床分為10個(gè)模塊，具體劃分如下：傳動(dòng)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(tái)模塊：工作臺(tái)底盤(pán)，工作臺(tái)托盤(pán)主軸箱模塊：主軸箱體，主軸刀庫(kù)模塊：刀庫(kù)，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(dòng)液壓裝置，排屑裝置，冷卻裝置，潤(rùn)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第三章 數(shù)控機(jī)床模塊幾何建模技術(shù)研究 數(shù)控機(jī)床元件幾何建模常用方法對(duì)于幾何特征的自動(dòng)建模，三維CAD軟件一般都為用戶提供了下述三種開(kāi)發(fā)方法：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。這種技術(shù)一般是由三維CAD軟件本身提供的。以下是生成系列零件設(shè)計(jì)表的兩種方法：1）作為一個(gè)獨(dú)立的操作，在 Excel 中生成系列零件設(shè)計(jì)表工作表。當(dāng)完成輸入系列零件設(shè)計(jì)表資料后，模型中會(huì)自動(dòng)生成新的配置。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(duì)象，然后利用語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模。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(zhǎng)度、六角頭厚度、圓角半徑等等，而這些變量的數(shù)據(jù)來(lái)源即為螺栓數(shù)據(jù)庫(kù)中的某種螺栓類型數(shù)據(jù)表。這種方法的缺點(diǎn)是使零件模型與語(yǔ)言程序混在一起，不能實(shí)現(xiàn)用戶自己添加元件，建庫(kù)柔性差，元件庫(kù)的維護(hù)人員要求較高。尺寸驅(qū)動(dòng)原理最初是由美國(guó)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(mén)的研究課題。其中，操作對(duì)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(guò)程截然不同的全新思路。目前SolidWorks支持尺寸驅(qū)動(dòng)的思想，在繪制圖形的時(shí)候只要修改相應(yīng)的繪圖尺寸，就可以修改圖形。 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(gè)零件的組合。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）和組件模塊（由多個(gè)零件組合而成模塊）的幾何建模技術(shù)。每一類零件模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)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。目前SolidWorks支持尺寸驅(qū)動(dòng)的思想，在繪制圖形的時(shí)候只要修改相應(yīng)的繪圖尺寸，就可以修改圖形。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” 。它可以根據(jù)設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)幾何建模。主參數(shù)是指決定組件幾何形狀的關(guān)鍵幾何參數(shù)；輔助參數(shù)是指由主參數(shù)通過(guò)一定的方程式?jīng)Q定的其他幾何參數(shù)。一般三維CAD軟件都提供了對(duì)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(shí)，可以充分利用這一功能，這樣可以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(chǔ)數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)，同時(shí)也可提高圖形文件尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)的速度。下面分別介紹兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。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(dòng)原理自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)化建模?！癏”代表參數(shù)名稱，“草圖1”代表參數(shù)名稱所屬的幾何特征名稱。如果模板制作人員在模板中不設(shè)定尺寸參數(shù)名稱，三維CAD系統(tǒng)則會(huì)為標(biāo)注的模塊參數(shù)尺寸自動(dòng)提供一個(gè)名稱，而通過(guò)這個(gè)名稱，使用者根本不能讀出任何含義。幾何特征名稱則是由系統(tǒng)生成的，不可以由用戶任意修改。這個(gè)過(guò)程可通過(guò)應(yīng)用程序調(diào)用S