齒輪加工加工中心的可重構(gòu)特性研究
海天精工 加工中心 鉆攻中心前言：海天精工 備注：為保證文章的完整度，本文核心內(nèi)容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉(zhuǎn)換瀏覽器嘗試，手機瀏覽可能無法正常使用！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)的齒輪加工加工中心功能單_，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)的齒輪加工加工中心有助于加工中心制造企業(yè)在激烈的市場競爭中脫穎而出?；谀K化設(shè)計基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可重構(gòu)概念，為加工中心產(chǎn)品快速開發(fā)提供 了新的思路。國內(nèi)外一些學者對可重構(gòu)加工中心進行了大量研究并取得了一系列成果。K:I|Z. K 111提出一些可重構(gòu)加工中心的設(shè)計準則及其在不同加工中心配置中的應(yīng)用；Y. koren [a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)加工中心概念設(shè)計原型；Ahele. K 131等研究可重構(gòu)加工中心模塊的接口參數(shù)對加工中心性能的影響；許虹111從可重構(gòu)加工中心設(shè)計原理及方法學、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)S從細化模塊結(jié) 構(gòu)、提高加工中心資源利用率和重構(gòu)效率出發(fā)設(shè)計出滾、銑可重構(gòu)主軸加工頭；李一全0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0針對可重構(gòu)加工中心模塊配置設(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)加工中心特性和設(shè)計進行系統(tǒng)的研究。本論文以齒輪加工加工中心為研究對象，從齒輪加工可重構(gòu)加工中心設(shè)計制造的整個過程^寸可重構(gòu)加工中心的模塊劃分、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)加工中心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 M是_種基于功能^原理^行為^結(jié)構(gòu)映射的模型分解理論，是加工中心模塊化分的關(guān)鍵理論方法。功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)代表加工中心不同方面的信息，功能是對產(chǎn)品滿足客戶需求的特定工作能力的描述,是加工中心設(shè)計的目的;原理描述實現(xiàn)加工中心產(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)加工中心產(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)描述加工中心產(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是滾齒加工中心基于FPBS的模型分解過程。圖1滾齒加工中心的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?；贔PBS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 功能 尤軸 F軸 Z軸 4軸 C軸 主軸 滾齒 1 0 1 1 1 1 銑齒 1 0 1 1 1 1 磨齒 1 1 1 1 1 1 表中為各加工中心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。在不同功能的加工中心中，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)加工中心理論設(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加工中心。通過分析各目標加工中心的模塊需求，進行模塊替換和增減實現(xiàn)加工中心的重構(gòu)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)加工中心的設(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。加工中心重構(gòu)過程的實質(zhì)是以模塊為基礎(chǔ)，對加工中心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)需求功能的加工中心的過程。模塊設(shè)計和配置設(shè)計成為可重構(gòu)加工中心設(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******限度的提高資源的利用率。如何配置加工中心結(jié)構(gòu)使加工中心實現(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。加工中心結(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)合加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，為減少重構(gòu)時間、提高模塊重用度，將目標加工中心統(tǒng)一設(shè)置為某_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;五自由度加工中心設(shè)計為RLLLR配置結(jié)構(gòu)j卩圖4。通過標準化設(shè)計,通過模塊添加來實現(xiàn)重構(gòu)。 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。模塊設(shè)計是保障加工中心重構(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加工中心能順利的實現(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)換后的加工中心能夠?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；出于加工中心結(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；出于加工中心結(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)動加工中心結(jié)構(gòu)更加緊湊。solidworks實現(xiàn)了一款滾、銑、磨可重構(gòu)齒輪加工加工中心虛擬樣機設(shè)計。通過滾、銑、磨齒加工中心的模型分解、模塊設(shè)計和配置設(shè)計形成可重構(gòu)加工中心模塊庫，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)加工中心重構(gòu)實現(xiàn)前后加工中心都公用的機床模塊;專有模塊為可重構(gòu)加工中心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)加工中心模塊，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F軸托板模塊。3.2可重構(gòu)加工中心配置方案評價可重構(gòu)加工中心的可重構(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)。其中S為兩配置中復(fù)用模塊的個數(shù)，五為兩配置中擴展模塊的個數(shù)，/)為專有模塊的個數(shù)，則兩種配置的聯(lián)系度為： 5 E . D . j. /n\ ^ = ~N +~Nl +~N} " a+b } ⑴式中，fl+6+c = 1沁為聯(lián)系度；|為同一度,簡記為«; i為擴展度,簡記為6; ■!■為對立度，簡記為c。差異度系數(shù)；描述了某些配置既不屬于同一性、又不屬于對立性，i e (0,1)。設(shè)整個重構(gòu)配置系統(tǒng)設(shè)計總共需滿足m種功能需求，總共有n種可重構(gòu)配置方案。在一種配置方案中，求每兩種功能需求對應(yīng)的配置結(jié)構(gòu)得聯(lián)系度^: ^ = at + Kl +fJ (2)式中，乂表示第A種配置方案中的第k個聯(lián)系度系數(shù)值，上標 A e ,下標/ce (1,2,…〇。得到整個配置方案的的聯(lián)系度表達式：^ = (i^x ⑶ K=1在/I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)加工中心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)加工中心配置方案，運用集對分析此重構(gòu)加工中心的重構(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)y = 0,差異度系數(shù)^ =0. 5。四種加工加工中心模型之間的重構(gòu)策略有種。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“：ci Z = (!>«)/c】=〇.715«： = i整個重構(gòu)加工中心配置設(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)加工中心的研究設(shè)計出了_種面向齒輪加工的可重構(gòu)加工中心模型。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)加工中心模塊庫,在此基礎(chǔ)上通過模塊組合配置不同功能需求的機床，不同加工中心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)加工中心重構(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。 _海天精工是一家集銷售、應(yīng)用及服務(wù)于一體的公司。產(chǎn)品包括：CNC加工中心、鉆攻中心、龍門加工中心、雕銑機、石墨機、五軸加工中心、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機床的生產(chǎn)工廠設(shè)在廣東省寧波市，目前其生產(chǎn)的加工中心70%出口，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心、盡力、盡意的服務(wù)！聲明：本站文章均來自網(wǎng)絡(luò)，所有內(nèi)容不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任！