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（数控加工）模块化数控机 床概念设计的研究 模块化数控机床概念设计的研究 机床是制造工业的基础装备，它的技术水平直接影响到制造业 的发展。当前，以加工中心为代表的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。从普通机床发展到数控机床， 是机床在传动和结构方面的壹次飞跃，和此相适应，数控机床在其结 构设计方面也必然要求有新的设计方法和理论来指导。现代数控机床 的结构设计有以下壹些特点： -数控机床中有不少独立的功能单元，如导轨件、丝杠副、冷 却、润滑、驱动、控制、检测装置等。这壹特点使其适应于模块化设 计方法； -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，机床各部件的结构动、静态特性成为设计 的主要矛盾； -数控机床的传动控制上，用电机变速代替机械变速，用计算 机数控代替了内联系传动链和靠模来保证各轴之间的运动关系，使得 机床的功能设计原理大为简化； -市场竞争和市场需求的多变要求机床产品功能强、性能好、 成本低，制造周期短。 机床的功能及性能往往和成本相矛盾，而产品总成本的 75%之 上及产品的性能在设计阶段就己经确定，所以应通过改进设计来提高 产品的质量和性能且降低其成本。模块化设计技术正是解决这壹矛盾 的的重要手段。在数控机床的概念设计阶段，用模块化的构思构造出 模块化的数控机床产品系列，能够提高产品开发速度，快速响应市场 需求。 1 概念设计系统模型 根据 Pahl 和 Beitz 对概念设计的描述，在概念设计阶段首先要明确 设计任务，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及求解 实现功能的结构载体方案。针对模块化数控机床，设计各阶段的任务 及设计方案的形成过程可分为： (1)需求分析：在建立产品的功能模型的基础上将用户需求转化为用 户功能需求； (2)功能分析、分解：通过分析机床的运动，将总功能逐级分解为分 功能(或子功能) ，建立数控机床的功能结构，产生机床运动功能方案 解； (3)结构方案求解：通过<功能、结构>映射寻求实现功能的结构载体， 根据运动分配、布局的设计，产生机床的结构布局方案，同时可进行 机床结构、外形尺寸的初步规划； (4)结构动、静刚度分析和优化； (5)详细结构设计； (6)在基型设计的基础上，进行机床的变型设计、系列化设计，以模 块化的产品系列，快速响应市场需求。 图 1 概念设计系统模型 图2 广义映射过程模型 事实上，上述的机床产品设计各阶段之间且无明显的界限，各个阶段 的不断重复在整个设计过程中都存在。广义的概念设计包含了产品在 详细设计之前的各个设计环节，完成产品的功能设计、原理设计、形 状布局及初步的结构设计。通过分析数控机床概念设计的任务和经历 的过程，本文建立如图 1 所示的模块化数控机床概念设计系统模型。 该系统模型分为功能域、结构域和评价域三个子模型。 (1)功能域：通过功能定义、功能分析，建立机床的功能结构； (2)结构域：进行模块结构的创建； (3)评价域：评价设计方案的优劣，选择最佳的设计方案。 在设计求解的过程中需要相应的设计知识，设计规则和算法的支持， 因此，要建立设计知识库、数据库及图形库等作为设计的基础。 2 概念设计过程中广义映射的概念 图 1 所示的系统模型中，最为关键的过程为从功能域到结构域的映射 求解，即实现<功能、结构>映射。本文提出广义映射的概念和方法来 实现模块化数控机床概念设计中的这壹重要环节。 在模块化设计中，设计对象的功能表示向模块结构演变过程中存在着 映射关系，即以壹定的结构实现相应的产品功能。当然，这种映射不 是简单的壹对壹的对应，而是功能模型的信息通过数学、物理及概念 层的运算和转化，体现概念设计过程中设计思维的发散、转换和综合 等特性，为此，可称之为广义映射。广义映射具有如下特征： (1)广义映射的概念不仅有功能要求和结构载体之间的壹壹对应关系， 仍包括壹对多，多对多、多对壹的关系，如分解、聚集或组合映射； (2)相应于概念设计的多层次、分阶段的演进过程，广义映射也是分 层进行的； (3)通过建立功能域及结构域信息的数据模型，可应用数学工具，进 行特征信息的映射； (4)广义映射的规则须在建立设计对象概念模型的基础上进行定义。 映射需要设计知识库、数据库的支持。 3 广义映射中产品模型的演变 通过对机床产品设计开发