齒輪加工機(jī)床的可重構(gòu)特性研究
2018-10-11 來(lái)源：南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 作者：胡 浪，洪榮晶，于春建，丁 爽
摘要: 針對(duì)傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床功能單一，無(wú)法滿足市場(chǎng)上復(fù)雜多樣齒輪產(chǎn)品加工需求的問(wèn)題，提出了一種適應(yīng)多樣性齒輪加工需求的可重構(gòu)機(jī)床，并從多方面對(duì)齒輪加工機(jī)床的可重構(gòu)特性進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)齒輪成形原理和常用齒輪產(chǎn)品加工工藝進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，根據(jù) FPBS 模型分解理論將齒輪加工的功能需求映射到機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu); 結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，對(duì)齒輪加工機(jī)床的模塊設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)配置、重構(gòu)配置方案進(jìn)行研究。
采用 Solid Works 軟件實(shí)現(xiàn)一款齒輪加工可重構(gòu)機(jī)床虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)評(píng)價(jià)體系對(duì)重構(gòu)方案進(jìn)行重構(gòu)效率評(píng)價(jià)。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的齒輪加工機(jī)床滿足可重構(gòu)工藝特性，且可重構(gòu)率較高，配置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足齒輪的單機(jī)多樣化加工需求。
關(guān)鍵詞: FPBS 模型分解; 模塊設(shè)計(jì); 可重構(gòu)設(shè)計(jì); 可重構(gòu)方案評(píng)價(jià)
0 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(lái)，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，傳統(tǒng)的齒輪加工機(jī)床功能單一，無(wú)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(chǎng)需求而實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)的齒輪加工機(jī)床有助于機(jī)床制造企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。
基于模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的可重構(gòu)概念，為機(jī)床產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)提供了新的思路。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)可重構(gòu)機(jī)床進(jìn)行了大量研究并取得了一系列成果。Katz． Ｒ提出一些可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及其在不同機(jī)床配置中的應(yīng)用; Y． Koren通過(guò)對(duì)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)機(jī)床概念設(shè)計(jì)原型; Abele． E等研究可重構(gòu)機(jī)床模塊的接口參數(shù)對(duì)機(jī)床性能的影響; 許虹從可重構(gòu)機(jī)床設(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)從細(xì)化模塊結(jié)構(gòu)、提高機(jī)床資源利用率和重構(gòu)效率出發(fā)設(shè)計(jì)出滾、銑可重構(gòu)主軸加工頭; 李一全通過(guò)對(duì)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; 張浩針對(duì)可重構(gòu)機(jī)床模塊配置設(shè)計(jì)方案優(yōu)選問(wèn)題，提出了基于集對(duì)分析的多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法。
但大多數(shù)研究?jī)?nèi)容偏于理論，或局限于重構(gòu)設(shè)計(jì)的某一部分，沒(méi)有結(jié)合實(shí)例對(duì)可重構(gòu)機(jī)床特性和設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本論文以齒輪加工機(jī)床為研究對(duì)象，從齒輪加工可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)制造的整個(gè)過(guò)程，對(duì)可重構(gòu)機(jī)床的模塊劃分、模塊設(shè)計(jì)及配置設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法三方面進(jìn)行了研究。通過(guò)模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)使可重構(gòu)機(jī)床能在多種目標(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(guò)程的復(fù)雜性以及模塊的重用度。FPBS是一種基于功能→原理→行為→結(jié)構(gòu)映射的模型分解理論，是機(jī)床模塊化分的關(guān)鍵理論方法。功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)代表機(jī)床不同方面的信息，功能是對(duì)產(chǎn)品滿足客戶需求的特定工作能力的描述，是機(jī)床設(shè)計(jì)的目的; 原理描述實(shí)現(xiàn)機(jī)床產(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)機(jī)床產(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)描述機(jī)床產(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 是滾齒機(jī)床基于 FPBS 的模型分解過(guò)程。
圖 1 滾齒機(jī)床的 FPBS 模型分解過(guò)程
由功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)的關(guān)系可看出，劃分求解過(guò)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(guò)程。通過(guò)模型分解完成了從功能域向原理域的過(guò)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(duì)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
表中為各機(jī)床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。在不同功能的機(jī)床中，相同行為需求映射到結(jié)構(gòu)域不一定對(duì)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)機(jī)床理論設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)模塊組合形成物理機(jī)床。通過(guò)分析各目標(biāo)機(jī)床的模塊需求，進(jìn)行模塊替換和增減實(shí)現(xiàn)機(jī)床的重構(gòu)過(guò)程。
圖 2 可重構(gòu)機(jī)床理論設(shè)計(jì)過(guò)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)機(jī)床的設(shè)計(jì)目的為實(shí)現(xiàn)功能的可轉(zhuǎn)換，途徑是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)模塊的變更。機(jī)床重構(gòu)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是以模塊為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)床通過(guò)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)需求功能的機(jī)床的過(guò)程。模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)成為可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。
2． 1 配置設(shè)計(jì)
配置不是簡(jiǎn)單的模塊重組，它還是一個(gè)結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)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)上最大限度的提高資源的利用率。
如何配置機(jī)床結(jié)構(gòu)使機(jī)床實(shí)現(xiàn)高加工效率、高級(jí)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(chǎng)的需求變化的關(guān)鍵所在。機(jī)床結(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(guò)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)合機(jī)床結(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)機(jī)床統(tǒng)一設(shè)置為某一種結(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; 五自由度機(jī)床設(shè)計(jì)為 ＲLLLＲ 配置結(jié)構(gòu)如圖 4。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通過(guò)模塊添加來(lái)實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。
圖 4 ＲLLLＲ 機(jī)床結(jié)構(gòu)配置
2． 2 模塊設(shè)計(jì)
通過(guò) 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(méi)有解決重構(gòu)過(guò)程中模塊替換、組合、裝配的干涉等問(wèn)題。模塊計(jì)是保障機(jī)床重構(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)施以及替換后的機(jī)床能順利的實(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)換后的機(jī)床能夠?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(duì)特定接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化; 出于機(jī)床結(jié)構(gòu)的限制和設(shè)計(jì)要求，采用原來(lái)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(guò)接口標(biāo)準(zhǔn)化和冗余接口設(shè)置實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的過(guò)程，通過(guò)立柱與 Y 軸托板的導(dǎo)軌型號(hào)、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; 出于機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊要求，通過(guò)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)機(jī)床結(jié)構(gòu)更加緊湊。
圖 5 接口標(biāo)準(zhǔn)化和冗余接口設(shè)計(jì)
3 、實(shí)例分析和配置方案評(píng)價(jià)
3． 1 實(shí)例分析
在常見(jiàn)齒輪加工工藝的研究分析的基礎(chǔ)上，借助solidworks 實(shí)現(xiàn)了一款滾、銑、磨可重構(gòu)齒輪加工機(jī)床虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。通過(guò)滾、銑、磨齒機(jī)床的模型分解、模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)形成可重構(gòu)機(jī)床模塊庫(kù)，模塊庫(kù)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)機(jī)床重構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后機(jī)床都公用的機(jī)床模塊; 專有模塊為可重構(gòu)機(jī)床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(guò)程中分別對(duì)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)機(jī)床模塊，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 Y 軸托板模塊。
表 2 可重構(gòu)機(jī)床模塊
通過(guò)表 2 中公共模塊的，專有模塊和擴(kuò)展模塊的選用實(shí)現(xiàn)以下功能的機(jī)床配置: 圖 6 為成形銑齒機(jī); 圖7 為滾齒機(jī)床示意圖; 圖 8 為磨齒機(jī)床; 圖 9 為五軸加工中心，在滾齒機(jī)床的基礎(chǔ)上通過(guò)擴(kuò)展模塊的增添和專用模塊道的刀具替換實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。
圖 6 成形銑齒機(jī)
圖 7 滾齒機(jī)床
圖 8 磨齒機(jī)
圖 9 五軸加工中心
3． 2 可重構(gòu)機(jī)床配置方案評(píng)價(jià)
可重構(gòu)機(jī)床的可重構(gòu)效率和模塊復(fù)用率是評(píng)價(jià)可重構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。針對(duì)模塊復(fù)用率的評(píng)價(jià)問(wèn)題引入集對(duì)分析進(jìn)行分析。分析過(guò)程如下: 結(jié)構(gòu)配置 A 對(duì)應(yīng)功能需求 1，結(jié)構(gòu)配置 B 對(duì)應(yīng)功能需求 2，對(duì)兩種配置的進(jìn)行分析，得到模塊參數(shù) N ，N = S + E + D 。其中 S 為兩配置中復(fù)用模塊的個(gè)數(shù)，E 為兩配置中擴(kuò)展模塊的個(gè)數(shù)，D 為專有模塊的個(gè)數(shù)，則兩種配置的聯(lián)系度為:
在 n 種系統(tǒng)配置中聯(lián)系度越高的配置，在重構(gòu)過(guò)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)機(jī)床與機(jī)床的之間的共有結(jié)構(gòu)、對(duì)立結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)。針對(duì)以上可重構(gòu)機(jī)床配置方案，運(yùn)用集對(duì)分析此重構(gòu)機(jī)床的重構(gòu)效率。由于模塊替換需要用新模塊替換舊模塊，故取對(duì)立度系數(shù) j = 0 ，差異度系數(shù) i =0． 5。四種加工機(jī)床模型之間的重構(gòu)策略有 C24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 μ ：
整個(gè)重構(gòu)機(jī)床配置設(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(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)齒輪加工工藝和可重構(gòu)機(jī)床的研究設(shè)計(jì)出了一種面向齒輪加工的可重構(gòu)機(jī)床模型。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(guò)模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)建立可重構(gòu)機(jī)床模塊庫(kù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)模塊組合配置不同功能需求的機(jī)床，不同機(jī)床模型可以通過(guò)模塊替換、擴(kuò)展和剪切來(lái)相互轉(zhuǎn)換。
并提出了運(yùn)用集對(duì)分析來(lái)評(píng)價(jià)可重構(gòu)機(jī)床重構(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(guò)程中的資源投入越少。
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