齿轮加工加工中心的可重构特性研究


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 前言:

 

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 引言

齿轮产品作为基础传动部件,广泛地应用于各种机械产品及零部件之中。经济全球化以来,产品更新换代加快,传统的齿轮加工加工中心功能单_,无法满足客户需求的多样化和定制化。研发能快速响应市场需求而实现功能重构的齿轮加工加工中心有助于加工中心制造企业在激烈的市场竞争中脱颖而出。基于模块化设计基础上发展起来的可重构概念,为加工中心产品快速开发提供


了新的思路。

国内外一些学者对可重构加工中心进行了大量研究并取得了一系列成果。K:I|Z. K 111提出一些可重构加工中心的设计准则及其在不同加工中心配置中的应用;Y. koren [a通过对可重构及可重构制造系统的研究,提出了 一个可重构加工中心概念设计原型;Ahele. K 131等研究可重构加工中心模块的接口参数对加工中心性能的影响;许虹111从可重构加工中心设计原理及方法学、模块化设计、全生命周期配置设计等方面进行了理论研究;黄筱调S从细化模块结


构、提高加工中心资源利用率和重构效率出发设计出滚、铣可重构主轴加工头;李一全0通过对车铣微加工系统的深入研究,设计出两种应用于主轴模块和工作台模块的新型接口;张浩0针对可重构加工中心模块配置设计方案优选问题,提出了基于集对分析的多目标综合评价方法。但大多数研究内容偏于理论,或局限于重构设计的某一部分,没有结合实例对可重构加工中心特性和设计进行系统的研究。本论文以齿轮加工加工中心为研究对象,从齿轮加工可重构加工中心设计制造的整个过程^寸可重构加工中心的模块划分、模块设计及配置设计和评价方法三方面进行了研究。通过模块设计和配置设计使可重构加工中心能在多种目标功能之间实现转换。

1模块划分

合理的模块划分是可重构的实施关键,影响着重构产品的性能、重构过程的复杂性以及模块的重用度。FPBS M是_种基于功能^原理^行为^结构映射的模型分解理论,是加工中心模块化分的关键理论方法。功能、原理、行为、结构代表加工中心不同方面的信息,功能是对产品满足客户需求的特定工作能力的描述,是加工中心设计的目的;原理描述实现加工中心产品功能的工作机理,是功能实现的机理;行为描述实现加工中心产品功能需要执行的动作,是原理在运动域的体现;结构描述加工中心产品的物理组成要素及其连接关系,是实现功能的最终实物载体。图1是滚齿加工中心基于FPBS的模型分解过程。


1滚齿加工中心的FPBS模型分解过程由功能、原理、行为、结构的关系可看出,划分求解过程是一个功能^原理求解;原理^行为分析;原理、行为结构映射;结构_>功能分解的过程。通过模型分解完成了从功能域向原理域的过渡,原理域向行为域的分解以及行为域向结构域映射,最终实现功能域向的结构模块的映射。

齿轮作为主要的机械传动件在机械工程中应用非常广泛。使用环境的不同使得齿轮的形状、精度和表面质量各有差异。在精度要求、加工效率和经济效益等的驱使下不同齿轮选择不同的加工工艺。基于FPBS模型分解原理,对滚齿、铣齿和磨齿加工工艺分解到行为域,结果如表1所示,表中表示各功能模型行为域的需求;1表示需要相应行为自由度;0表示不需要。

1功能模型分解

 

功能

 

尤轴

 

F

 

Z

 

4

 

C

 

主轴

 

滚齿

 

1

 

0

 

1

 

1

 

1

 

1

 

铣齿

 

1

 

0

 

1

 

1

 

1

 

1

 

磨齿

 

1

 

1

 

1

 

1

 

1

 

1


表中为各加工中心功能域分解到行为域的行为需求,行为需求映射到结构域即为物理模块。在不同功能的加工中心中,相同行为需求映射到结构域不一定对应相同模块,行为域映射到结构域的差异即为功能重构时实现模块替换的原因所在。图2为可重构加工中心理论设计过程,由功能域向行为域分解,求解出自由度需求;再由行为域向结构域映射,设计出结构模块;再通过模块组合形成物理加工中心。通过分析各目标加工中心的模块需求,进行模块替换和增减实现加工中心的重构过程。


2配置设计及模块设计

在产品概念设计中功能属于抽象层,是设计者主观意图的载体;结构属于物理层,是功能实现的物理载体。可重构加工中心的设计目的为实现功能的可转换,途径是通过对结构模块的变更。加工中心重构过程的实质是以模块为基础,对加工中心通过多个存在模块结构的增减和替换,重新配置成满足相应需求功能的加工中心的过程。模块设计和配置设计成为可重构加工中心设计的重要环节。

2.1配置设计

配置不是简单的模块重组,它还是一个结构再设计过程。对各功能模型进行合理的配置设计将提高机床的重构效率和重用度,在保障功能的基础上最大限度的提高资源的利用率。如何配置加工中心结构使加工中心实现高加工效率、高级精度和高生态效率又能减少重构资源投入、提高模块重用度,是进行功能重构快速响应市场的需求变化的关键所在。加工中心结构配置需综合考虑重构成本、可装配性、可拆卸性、重构效率等。

行为需求与结构之间的映射并不是唯一,相同的行为需求通过不同的设计方案可以配置出不同的结构。合理的配置设计既要考虑各种工艺特点又要考虑重构效率。结合加工中心结构设计经验,为减少重构时间、提高模块重用度,将目标加工中心统一设置为某_种结构,例如将四自由度设计为RLLR配置结构,如图3;五自由度加工中心设计为RLLLR配置结构j卩图4。通过标准化设计,通过模块添加来实现重构。

 

2.2模块设计

 

通过FPBS的产品模型分解和结构配置设计得到的模块结构保证了功能之间的独立性,但没有解决重构过程中模块替换、组合、装配的干涉等问题。模块设计是保障加工中心重构得以实施的基础。模块设计的目的是确保模块替换和增减的顺利实施以及替换后的加工中心能顺利的实现相应的功能。模块设计包括模块结构设计和接口设计。模块结构设计是为了满足实现功能转换的要求,不同加工工艺的受力不同,在进行模块设计时应综合考虑各种工况,以性能最高的要求为准则进行模块设计,以一定的性能冗余,确保转换后的加工中心能够实现相应的功能。接口设计包含接口标准化和冗余接口设计:为了确保模块替换后各模块得以重新配合,对特定接口进行标准化;出于加工中心结构的限制和设计要求,采用原来的接口不能很好的满足设计要求时就需要设计冗余接口。

图5为通过接口标准化和冗余接口设置实现重构的过程,通过立柱与y轴托板的导轨型号、导轨间距和丝杠螺母座的标准化实现模块增减时顺利配合;出于加工中心结构紧凑要求,通过冗余接口设计使得重构前后主轴托板由中心驱动变为偏心驱动加工中心结构更加紧凑。
solidworks实现了一款滚、铣、磨可重构齿轮加工加工中心虚拟样机设计。通过滚、铣、磨齿加工中心的模型分解、模块设计和配置设计形成可重构加工中心模块库,模块库中的模块可以细分为公共模块、专有模块和可扩展模块。公共模块是可重构加工中心重构实现前后加工中心都公用的机床模块;专有模块为可重构加工中心某一特定功能所特有的模块;可扩展模块是重构实现前后功能扩展部分的模块。这几种模块在重构过程中分别对应模块复用,模块替换和模块扩展。表2为借助solidworks设计的可重构加工中心模块,公共模块有:转台模块、床身模块、立柱模块和主轴托板模块;专有模块是各主轴模块;扩展模块是F轴托板模块。

3.2可重构加工中心配置方案评价

可重构加工中心的可重构效率和模块复用率是评价可重构设计的关键因素。针对模块复用率的评价问题引入集对分析进行分析。分析过程如下:结构配置A对应功能需求1,结构配置B对应功能需求2,对两种配置的进行分析,得到模块参数。其中S为两配置中复用模块的个数,五为两配置中扩展模块的个数,/)为专有模块的个数,则两种配置的联系度为:

 

5 E . D .                                       j.                         /n\

 

 

^ = ~N +~Nl +~N} " a+b }        ⑴

 

式中fl+6+c = 1沁为联系度;|为同一度,简记为

«; i为扩展度,简记为6; ■!■为对立度,简记为c

差异度系数;描述了某些配置既不属于同一性、又不属于对立性,i e (0,1)。设整个重构配置系统设计总共需满足m种功能需求,总共有n种可重构配置方案。在一种配置方案中,求每两种功能需求对应的配置结构得联系度^:

 

^ = at + Kl +fJ        (2)

 

式中,乂表示第A种配置方案中的第k个联系度系数值,上标 A e  ,下标/ce (1,2,…〇。

得到整个配置方案的的联系度表达式:

^ = (i^x               

 

K=1

 

在/I种系统配置中联系度越高的配置,在重构过程投入的成本越少,重构效率也越高。由此可知,整个可重构系统的重构效率,取决于配置系统内加工中心与机床的之间的共有结构、对立结构和扩展结构的个数。

针对以上可重构加工中心配置方案,运用集对分析此重构加工中心的重构效率。由于模块替换需要用新模块替换旧模块,故取对立度系数y = 0,差异度系数^ =

0.   5。四种加工加工中心模型之间的重构策略有种。成形铣齿机和滚齿机的联系度为0_ 8;铣齿机和磨齿机以及滚齿机和磨齿机联系度为0.58;滚齿机和五轴加工中心的联系度为0.917;铣齿机和五轴加工中心的联系度为0.58;磨齿机和五轴加工中心的联系度为

0.   83,得到整个配置的联系度“:

ci

 

Z = (!>«)/c=〇.715

 

«: = i

整个重构加工中心配置设计重构率可达0_ 715,模块复用度比较高,配置设计合理。

 

4结束语

 

本文通过对齿轮加工工艺和可重构加工中心的研究设计出了_种面向齿轮加工的可重构加工中心模型。利用FPBS模型分解理论将不同功能需求映射成模块结构需求,通过模块设计和配置设计建立可重构加工中心模块库,在此基础上通过模块组合配置不同功能需求的机床,不同加工中心模型可以通过模块替换、扩展和剪切来相互转换。并提出了运用集对分析来评价可重构加工中心重构效率的,联系度越高的可重构配置方案模块复用度越高,相应的重构效率和重构过程中的资源投入越少。

_

 

 

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