结构化分解驱动的加工中心设计过程规划


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随着高铁、汽车等制造业的快速发展,导致对高精度、高可靠性的数控加工中心尤其是加工中心的需求不断攀升,市场需求的多变还要求加工中心不仅功能强大,而且开发周期短、成本低。目前国内外学者对加工中心等复杂数控加工中心的设计过程的研究主要在产品模块化设计、产品配置过程规划、产品的优化设计技术等方面,如德国卡尔斯鲁厄大学的Fleischer[1]提出了基于多体仿真与组件寿命预测的面向生命周期的加工中心组件选型配置方法;裘乐淼等[2]研究了基于数据流图的产品配置过程任务建模,通过重组配置任务,实现了产品配置过程的规划;英国布鲁内尔的HuO[3]提出整体集成的动态建模方法,并将其应用到超精密的微型铣削加工中心的设计上;Zhang[4]通过对模块选择算法的研究更好的实现了数控加工中心的模块化设计;徐敬华等[5 ]利用“属性——模块——模板”的映射将数控加工中心的设计拓展到“布局域——选配域——变异域”,提出了一种多域互用的数控加工中心模块化设计方法;Feng[6]通过对立式加工中心的静态刚度和动态刚度进行分析计算,提出了 一种基于刚度的优化设计方法;Liu[7]应用仿生设计方法对龙门加工中心的柱结构进行优化设计以提高加工中心的加工精度;文献[8-9]将人机工程学应用到了数控加工中心的设计上,提高了加工中心的人性化设计。

但由于加工中心的日益大型化、复杂化,导致其设计过程是一项耦合度高且迭代次数多的系统工程,结构之间内部及外部的复杂耦合关系严重影响着设计效率,整体设计难度不断加大,增加了设计过程迭代次数,使产品的开发周期延长,影响了企业快速响应市场要求的能力。针对上述问题,在已有研究的基础上,以加工中心的功能运动为核心,采用FMA结构化分解[1(M1 ]对加工中心的运动功能进
行设计分解,以通过简单的转动或移动元动作来保证整个数控加工中心总功能的实现,在考虑各设计单元间耦合关系的前提下,给出加工中心基于FMA结构化分解方法的设计过程规划流程,同时以设计结构矩阵为工具来研究设计结构单元之间的耦合,并通过耦合矩阵的割裂规划实现加工中心设计过程的优化。

1  FMA结构化分解驱动的加工中心设计过程方案

1.1面向加工中心功能的FMA结构化分解

加工中心的整机功能如铣削、钻削等都是通过基本动作的传递实现的,动作是实现功能及运动的基础,故障和失效也都能体现在动作上,因此从运动功能的角度进行加工中心的设计,更容易保证加工中心的功能要求,如运动精度、可靠性等。因此利用FMA结构化分解将加工中心按照“功能Function)-运动Motion)-动作Action) ”的基本原则进行设计分解,针对客户需求确定加工中心的总功能,将总功能分解为一系列子功能,然后用一系列的运动来保证各个子功能的精确实现,运动再进一步分解为更为简单的动作,构建“产品-子功能-运动-动作”的设计分解模型,如图1所示。


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结束语:


   

1)       从加工中心的设计开发角度入手,利用FMA结构化分解将加工中心按照“功能-运动-动作”的顺序进行逐层分解,得到一系列元动作设计结构单元,在考虑设计单元耦合关系的基础上,提出了加工中心基于FMA结构化分解的设计过程规划流程,将整个加工中心的设计过程从原来以零部件体系为基础的静态设计过程转为以产品功能运动为基础的动态设计过程。从组成加工中心最小的运动单元-元动作入手进行结构设计,不仅简单易行,而且有助于保证各个设计单元的动态质量特性,为提高整个加工中心的动态精度及可靠性等奠定基础,这也是本文的主要创新点;

2)        利用设计结构矩阵,综合可变性与敏感性双重指标量化了设计单元间的耦合程度,并通过设计结构矩阵的割裂规划确定了设计单元合理的设计顺序,实现了设计过程规划,虽然没有真正意义上实现加工中心的解耦设计,但可以大大减少设计过程中的耦合迭代次数,为后续的设计工作提供了良好的基础。


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