齒輪加工機床的可重構(gòu)特性研究
2018-10-11 來源：南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院 作者：胡 浪，洪榮晶，于春建，丁 爽
摘要: 針對傳統(tǒng)齒輪加工機床功能單一，無法滿足市場上復(fù)雜多樣齒輪產(chǎn)品加工需求的問題，提出了一種適應(yīng)多樣性齒輪加工需求的可重構(gòu)機床，并從多方面對齒輪加工機床的可重構(gòu)特性進行研究。通過對齒輪成形原理和常用齒輪產(chǎn)品加工工藝進行運動分析，根據(jù) FPBS 模型分解理論將齒輪加工的功能需求映射到機床機械結(jié)構(gòu); 結(jié)合機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗和規(guī)律，對齒輪加工機床的模塊設(shè)計、結(jié)構(gòu)配置、重構(gòu)配置方案進行研究。
采用 Solid Works 軟件實現(xiàn)一款齒輪加工可重構(gòu)機床虛擬樣機的設(shè)計，并通過評價體系對重構(gòu)方案進行重構(gòu)效率評價。結(jié)果表明所設(shè)計的齒輪加工機床滿足可重構(gòu)工藝特性，且可重構(gòu)率較高，配置結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足齒輪的單機多樣化加工需求。
關(guān)鍵詞: FPBS 模型分解; 模塊設(shè)計; 可重構(gòu)設(shè)計; 可重構(gòu)方案評價
0 引言
齒輪產(chǎn)品作為基礎(chǔ)傳動部件，廣泛地應(yīng)用于各種機械產(chǎn)品及零部件之中。經(jīng)濟全球化以來，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，傳統(tǒng)的齒輪加工機床功能單一，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)市場需求而實現(xiàn)功能重構(gòu)的齒輪加工機床有助于機床制造企業(yè)在激烈的市場競爭中脫穎而出。
基于模塊化設(shè)計基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可重構(gòu)概念，為機床產(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)機床進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)機床的設(shè)計準則及其在不同機床配置中的應(yīng)用; Y． Koren通過對可重構(gòu)及可重構(gòu)制造系統(tǒng)的研究，提出了一個可重構(gòu)機床概念設(shè)計原型; Abele． E等研究可重構(gòu)機床模塊的接口參數(shù)對機床性能的影響; 許虹從可重構(gòu)機床設(shè)計原理及方法學(xué)、模塊化設(shè)計、全生命周期配置設(shè)計等方面進行了理論研究; 黃筱調(diào)從細化模塊結(jié)構(gòu)、提高機床資源利用率和重構(gòu)效率出發(fā)設(shè)計出滾、銑可重構(gòu)主軸加工頭; 李一全通過對車銑微加工系統(tǒng)的深入研究，設(shè)計出兩種應(yīng)用于主軸模塊和工作臺模塊的新型接口; 張浩針對可重構(gòu)機床模塊配置設(shè)計方案優(yōu)選問題，提出了基于集對分析的多目標綜合評價方法。
但大多數(shù)研究內(nèi)容偏于理論，或局限于重構(gòu)設(shè)計的某一部分，沒有結(jié)合實例對可重構(gòu)機床特性和設(shè)計進行系統(tǒng)的研究。本論文以齒輪加工機床為研究對象，從齒輪加工可重構(gòu)機床設(shè)計制造的整個過程，對可重構(gòu)機床的模塊劃分、模塊設(shè)計及配置設(shè)計和評價方法三方面進行了研究。通過模塊設(shè)計和配置設(shè)計使可重構(gòu)機床能在多種目標功能之間實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。
1 、模塊劃分
合理的模塊劃分是可重構(gòu)的實施關(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)代表機床不同方面的信息，功能是對產(chǎn)品滿足客戶需求的特定工作能力的描述，是機床設(shè)計的目的; 原理描述實現(xiàn)機床產(chǎn)品功能的工作機理，是功能實現(xiàn)的機理; 行為描述實現(xiàn)機床產(chǎn)品功能需要執(zhí)行的動作，是原理在運動域的體現(xiàn); 結(jié)構(gòu)描述機床產(chǎn)品的物理組成要素及其連接關(guān)系，是實現(xiàn)功能的最終實物載體。圖 1 是滾齒機床基于 FPBS 的模型分解過程。
圖 1 滾齒機床的 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，最終實現(xiàn)功能域向的結(jié)構(gòu)模塊的映射。齒輪作為主要的機械傳動件在機械工程中應(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
表中為各機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。在不同功能的機床中，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)時實現(xiàn)模塊替換的原因所在。圖 2 為可重構(gòu)機床理論設(shè)計過程，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)計出結(jié)構(gòu)模塊; 再通過模塊組合形成物理機床。通過分析各目標機床的模塊需求，進行模塊替換和增減實現(xiàn)機床的重構(gòu)過程。
圖 2 可重構(gòu)機床理論設(shè)計過程
2 、配置設(shè)計及模塊設(shè)計
在產(chǎn)品概念設(shè)計中功能屬于抽象層，是設(shè)計者主觀意圖的載體; 結(jié)構(gòu)屬于物理層，是功能實現(xiàn)的物理載體。可重構(gòu)機床的設(shè)計目的為實現(xiàn)功能的可轉(zhuǎn)換，途徑是通過對結(jié)構(gòu)模塊的變更。機床重構(gòu)過程的實質(zhì)是以模塊為基礎(chǔ)，對機床通過多個存在模塊結(jié)構(gòu)的增減和替換，重新配置成滿足相應(yīng)需求功能的機床的過程。模塊設(shè)計和配置設(shè)計成為可重構(gòu)機床設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。
2． 1 配置設(shè)計
配置不是簡單的模塊重組，它還是一個結(jié)構(gòu)再設(shè)計過程。對各功能模型進行合理的配置設(shè)計將提高機床的重構(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。
如何配置機床結(jié)構(gòu)使機床實現(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，是進行功能重構(gòu)快速響應(yīng)市場的需求變化的關(guān)鍵所在。機床結(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不同的設(shè)計方案可以配置出不同的結(jié)構(gòu)。合理的配置設(shè)計既要考慮各種工藝特點又要考慮重構(gòu)效率。結(jié)合機床結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，為減少重構(gòu)時間、提高模塊重用度，將目標機床統(tǒng)一設(shè)置為某一種結(jié)構(gòu)，例如將四自由度設(shè)計為 ＲLLＲ 配置結(jié)構(gòu)，如圖 3; 五自由度機床設(shè)計為 ＲLLLＲ 配置結(jié)構(gòu)如圖 4。通過標準化設(shè)計，通過模塊添加來實現(xiàn)重構(gòu)。
圖 4 ＲLLLＲ 機床結(jié)構(gòu)配置
2． 2 模塊設(shè)計
通過 FPBS 的產(chǎn)品模型分解和結(jié)構(gòu)配置設(shè)計得到的模塊結(jié)構(gòu)保證了功能之間的獨立性，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。模塊計是保障機床重構(gòu)得以實施的基礎(chǔ)。模塊設(shè)計的目的是確保模塊替換和增減的順利實施以及替換后的機床能順利的實現(xiàn)相應(yīng)的功能。模塊設(shè)計包括模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計和接口設(shè)計
模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計是為了滿足實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換的要求，不同加工工藝的受力不同，在進行模塊設(shè)計時應(yīng)綜合考慮各種工況，以性能最高的要求為準則進行模塊設(shè)計，以一定的性能冗余，確保轉(zhuǎn)換后的機床能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。
接口設(shè)計包含接口標準化和冗余接口設(shè)計: 為了確保模塊替換后各模塊得以重新配合，對特定接口進行標準化; 出于機床結(jié)構(gòu)的限制和設(shè)計要求，采用原來的接口不能很好的滿足設(shè)計要求時就需要設(shè)計冗余接口。圖 5 為通過接口標準化和冗余接口設(shè)置實現(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準化實現(xiàn)模塊增減時順利配合; 出于機床結(jié)構(gòu)緊湊要求，通過冗余接口設(shè)計使得重構(gòu)前后主軸托板由中心驅(qū)動變?yōu)槠尿?qū)動機床結(jié)構(gòu)更加緊湊。
圖 5 接口標準化和冗余接口設(shè)計
3 、實例分析和配置方案評價
3． 1 實例分析
在常見齒輪加工工藝的研究分析的基礎(chǔ)上，借助solidworks 實現(xiàn)了一款滾、銑、磨可重構(gòu)齒輪加工機床虛擬樣機設(shè)計。通過滾、銑、磨齒機床的模型分解、模塊設(shè)計和配置設(shè)計形成可重構(gòu)機床模塊庫，模塊庫中的模塊可以細分為公共模塊、專有模塊和可擴展模塊。公共模塊是可重構(gòu)機床重構(gòu)實現(xiàn)前后機床都公用的機床模塊; 專有模塊為可重構(gòu)機床某一特定功能所特有的模塊; 可擴展模塊是重構(gòu)實現(xiàn)前后功能擴展部分的模塊。
這幾種模塊在重構(gòu)過程中分別對應(yīng)模塊復(fù)用，模塊替換和模塊擴展。表 2 為借助 solidworks 設(shè)計的可重構(gòu)機床模塊，公共模塊有: 轉(zhuǎn)臺模塊、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; 擴展模塊是 Y 軸托板模塊。
表 2 可重構(gòu)機床模塊
通過表 2 中公共模塊的，專有模塊和擴展模塊的選用實現(xiàn)以下功能的機床配置: 圖 6 為成形銑齒機; 圖7 為滾齒機床示意圖; 圖 8 為磨齒機床; 圖 9 為五軸加工中心，在滾齒機床的基礎(chǔ)上通過擴展模塊的增添和專用模塊道的刀具替換實現(xiàn)重構(gòu)。
圖 6 成形銑齒機
圖 7 滾齒機床
圖 8 磨齒機
圖 9 五軸加工中心
3． 2 可重構(gòu)機床配置方案評價
可重構(gòu)機床的可重構(gòu)效率和模塊復(fù)用率是評價可重構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。針對模塊復(fù)用率的評價問題引入集對分析進行分析。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)用模塊的個數(shù)，E 為兩配置中擴展模塊的個數(shù)，D 為專有模塊的個數(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)過程投入的成本越少，重構(gòu)效率也越高。由此可知，整個可重構(gòu)系統(tǒng)的重構(gòu)效率，取決于配置系統(tǒng)內(nèi)機床與機床的之間的共有結(jié)構(gòu)、對立結(jié)構(gòu)和擴展結(jié)構(gòu)的個數(shù)。針對以上可重構(gòu)機床配置方案，運用集對分析此重構(gòu)機床的重構(gòu)效率。由于模塊替換需要用新模塊替換舊模塊，故取對立度系數(shù) j = 0 ，差異度系數(shù) i =0． 5。四種加工機床模型之間的重構(gòu)策略有 C24種。成形銑齒機和滾齒機的聯(lián)系度為 0． 8; 銑齒機和磨齒機以及滾齒機和磨齒機聯(lián)系度為 0． 58; 滾齒機和五軸加工中心的聯(lián)系度為 0． 917; 銑齒機和五軸加工中心的聯(lián)系度為 0． 58; 磨齒機和五軸加工中心的聯(lián)系度為0． 83，得到整個配置的聯(lián)系度 μ ：
整個重構(gòu)機床配置設(shè)計重構(gòu)率可達 0． 715，模塊復(fù)用度比較高，配置設(shè)計合理。
4 、結(jié)束語
本文通過對齒輪加工工藝和可重構(gòu)機床的研究設(shè)計出了一種面向齒輪加工的可重構(gòu)機床模型。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，通過模塊設(shè)計和配置設(shè)計建立可重構(gòu)機床模塊庫，在此基礎(chǔ)上通過模塊組合配置不同功能需求的機床，不同機床模型可以通過模塊替換、擴展和剪切來相互轉(zhuǎn)換。
并提出了運用集對分析來評價可重構(gòu)機床重構(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)過程中的資源投入越少。
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