实现机床的模块化设计与评价

　　基于模块的活塞专用加工机床总体方案设计是指通过分析用户提出的总体任务定义与功能要求，进行模块选择与模块装配组合设计。由于模块化方案设计的多解性，必须从众多的方案中优选出拟采用的方案。为此，首先要对各候选方案进行评价，然后根据评价的结果决策。如果方案不能达到预定的目标，则必须进行再设计，提出新的设计方案或对原方案的某一部分进行修改，得到比较满意的设计方案。

　　基于模块的总体方案设计

　　基于模块的机床总体方案设计可以归结为两个相反的过程，即分解和组合。分解是根据被加工对象的工艺信息和用户的功能要求定义机床总功能和性能指标，确定机床总体方案形式和主要性能参数、特性参数值，并将其分解成一系列易于实现的子功能；组合是根据子功能要求选择出所有满足要求的模块，并通过模块综合，组合出多个可实现的机床总体方案。由于机床功能结构十分复杂，难以从整体上直接完成其设计任务的求解，因此，设计任务的分解是必须的，分解出的子功能可由相应的模块完成。基于模块的机床总体方案设计基本步骤如下：

　　（1）根据机床总功能和性能参数将总任务分解成一些相对简单的子功能；

　　（2）根据子功能的性能参数的要求查出满足要求的模块；

　　（3）由于满足某一子功能要求的模块往往不止一个，故可形成多个组合方案；

　　（4）进行模块接口分析，确定可实现的组合方案；

　　（5）建立方案的装配模型。

　　1.任务分解

　　设计任务的分解主要是在进行功能分解的同时将总的设计参数分配到相应的子功能，由子功能结构实现，或者说给子功能规定相应的设计参数。当总功能被分解后，可以得到一个分层的任务体系，如图1所示活塞精止口、钻中心孔机床功能分解图。

图1  活塞精止口、钻中心孔机床功能分解

　　2.模块的选择与组合

　　模块的选择是在现有机床模块的基础上，针对机床总功能要求的划分，从已建立的模块库中，搜索到与所需模块功能相一致的模块。主要内容包括对现有模块的功能选择、调用和判断。

　　以活塞精密车床系列为例，现有主要模块种类为：主轴箱、主轴箱支座（过桥）、滑台、滑台座、尾座、床身和底座7种模块。根据模块结合面特征，可得如图2所示模块的组合形式。

图2  模块的组合形式

　　模块的组合方案有S1＝{1，2，3，4，5，6，7}，S2＝{1，3，4，5，6，7}，S3＝{1，3，4，5，6}，S4＝{1，2，3，4，5，6}，S5＝{1，2，3，4，5，7}，S6＝{1，3，4，5，7}， S7＝{1，3，4，6，7}。

　　例如：BHC-50A活塞环槽精密车床采用S2＝{1，3，4，5，6，7}模块组合形式，BHC-22活塞精密外圆车床采用S5＝{1，2，3，4，5，7}，精止口、钻中心孔机床模块组合形式采用S7＝{1，3，4，6，7}。

　　3.模块之间的连接方式

　　模块在产品中一般是成链状、树状或网状组合在一起的。由于模块在产品中的作用不同，即实现的子功能不同，与其他模块之间的组合关系也不同。根据某一模块所能连接其他模块的数量，可分为单向连接、双向连接和多向连接（图3）。

图3  模块的连接方式

　　单向连接是指模块只有一个接口，并且仅能与另外一个模块相连接的组合方式。单向连接的模块都处于链或树的末端。

　　双向连接的模块有两个接口，能与另外两个模块相连接。双向连接的模块可以通过组合使所构成的系统由两端向外扩展。

　　多向连接是指模块可同时与两个以上的其他模块相连接的组合方式。所谓多向连接并不意味着在三维的每一方向必有其他模块与之相连，也不表示每一方向上只有一个连接面，或只能有惟一的模块与之相连接。如机床滑台模块3是单向连接，床身模块6为多向连接模块。

　　4.建立基于模块的装配模型

　　为了适应产品系列中不同产品的需要，装配模型也必须是基于约束的参数化模型。基于模块模型的产品装配模型表达模块之间的位置、配合、联接及尺寸等约束关系。本文建立一种适应模块化方案设计的参数化装配模型，其基本思想是：在建立满足各种约束的装配实体模型的同时，建立一个与之相联系的装配数据模型。当某一模块的设计参数发生变化时，通过装配数据模型调整与该设计参数相关的其他设计参数，从而在外部表现为装配实体模型的相应调整，始终维系原有的约束关系和装配要求。装配建模的过程如图4所示。

图4  装配模型的建立流程

　　图5为装配模型的参数化驱动过程。当机床的设计参数发生变化时，通过装配数据模型产生模块当前设计参数值，并通过模块数据模型驱动模块实体模型发生变化。由于各种装配约束不变，模块实体模型的变化必然引起装配实体模型作相应的变化。例如，图6所示中，当主轴分模块设计参数前轴径D1和跨距L变化时，带轮模块的装配约束参数Ld保证带轮相对于主轴的装配位置。以此原理，可以将各种模块通过定义装配约束，形成机床总体装配模型（图7），完成机床总体方案设计，并产生装配信息表（图8）。

图5  装配模型的参数化驱动过程

图6  装配模型参数化驱动

图7  精止口、钻中心孔机床装配方案

图8  精止口、钻中心孔机床装配信息

　　机床模块化设计方案的评价

　　1.评价指标和方法

　　由于模块化方案设计的多解性，必须从众多的方案中优选出拟采用的方案。为此，首先要对各候选方案进行评价，然后根据评价的结果决策。如果方案不能达到预定的目标，则必须进行再设计，提出新的设计方案或对原方案的某一部分进行修改，得到比较满意的设计方案。图9所示为机床模块化设计方案的评价过程，介绍了从模块化设计方案的评价入手，探讨其评价指标和决策的方法。

图9  方案的评价过程

　　作为评价的第一步，首先应该确定评价准则。对不同的产品可以采用相同的评价方法，但是其评价指标却各不相同。因此，进行机床模块化设计方案评价的关键是建立其评价指标系统。

　　评价准则来自对所设计的产品的要求。这些要求包括整个产品生命周期中的不同方面，如技术、经济、安全、外观和环境等。这些方面具有不同的重要性，不能同样看待。因此，评价准则不止一个，其重要程度也不相同，它们组成了一个评价指标系统。在建立评价指标系统时应遵循下列原则：

　　（1）指标系统中应尽可能完全地包括与决策关系重大的各项要求。尽量避免在评价中遗漏重要方面。

　　（2）各评价指标应尽可能做到互不相关。这样，在某一方面作改进时将不致影响其他方面的评价。

　　（3）根据设计评价所遵循的定量分析原则，在建立指标系统中应尽量选取定量指标或至少是较具体的定性指标。

　　用模块化设计方法形成活塞专用加工机床设计方案后，接下来应对方案进行评价，评价指标为：

　　（1）功能性。功能是产品性质的根本。功能性表现在产品内在质量，具有明确的功效特征，能满足活塞加工工艺要求。功能性的另一含义，就是要适应人的需要，即人——机系统的合理性。

　　（2）合理性。指所设计的机床的可制造性与企业拥有的物质条件以及工作条件的适应程度。

　　（3）经济性。经济性主要指产品的经济价值。经济价值是产品功能与成本的相对关系，即：经济价值  k=功能/成本（k：系数）。在不牺牲消费者利益的前提下，降低成本，提高功能，才能最大限度地提高产品的经济价值。

　　（4）独创性。人们在审美过程中，对形式的要求首先是立意新，以及在美的基础上，外形结构应富有独创性。

　　（5）将来性。产品的设计应力图在设计意念中凝聚对过去的继承和对未来的认识。设计的将来性表现在设计要有超前的构想和理念，在社会上有一定的持久性。

　　活塞专用机床的评价，属于在多因素下的一种综合评价。模糊数学建立了综合评价的模式，将复杂的评价问题演变为一个较为简便的模糊变换。

　　设X和Y是有限论域：X＝{x1，x2，……，xn}，Y＝{y1，y2，……，yn}。

　　R为X到Y的模糊关系，即R＝（rij）n×m的模糊矩阵。任给X上的模糊子集A，则A和R的合成A?R是Y上的模糊集，记为B。这种将X上的模糊集变为Y上的模糊集的变换称为模糊变换。

　　设X是因素集，Y是决策集。对于任意的xi∈X，yj∈Y。因rij表示xi在yi上的特征指标（可能程度），对于每个xi得一向量（ri1，ri2，……，rim）是xi关于Y的特征指标向量，(i=1，2，……，n)。再以这几个向量作为行组成n×m的矩阵R＝（rij）n×m，就得出X到Y的模糊关系矩阵，称为单因素评价矩阵。

　　用X上的模糊集A＝（a1，a2，……，an)表示权重分配，即ai是因素xi的数量指标，由A?R＝B，则B＝（b1，b2，……，bm）表示决策集上各种决策的可能性系数。再用最大隶属度原则选择最大的bj，对应yj作为评价结果。

　　（1）一级评价模型，确定评价对象的因素集，X＝{x1，x2，……，xn}；给出决策集，Y＝{y1，y2，……，ym}；确定单因素评价矩阵R＝（rij）n×m；通过X到Y的模糊变换A R得对象集的一个决策。

　　（2）多级评价模型，在一级评价模型中若评价因素集个数n过多，由于权重分配满足，每个ai一般很小，所以在合成运算取小时，R的元素被筛选过多，致使评价失败。另一方面n过大，权重分配很难合理，即难以反映各因素在整体中的地位。所以，因素集n过大最好用多级模型。

　　①将因素集X按某种属性分为s个子集，记作x1，x2，……，xs，且满足。每个子集xi记为：xi＝{xi1，xi2，……，xip}，（i＝1，2，……，s），且 。

　　②对每个xi按一级模型分别进行综合评价。假若评价集为：Y＝{y1，y2，……，ym}，xi的单因素评价矩阵设为Ri，xi的各因素权重分配Ai＝（ai1，ai2，……，aip），则第一级评价结果Ai?Ri＝（bi1，bi2，……，bim）＝Bi（i=1，2，……，s）。

　　③将每个xi看作一个元素，用Bi作为它的单因素评价向量，得单因素评价矩阵：

　　对每个xi在X中的重要性给出权重分配：Ai＝（a1，a2，……，as），则二级评价结果：B＝A?R。

　　这就是二级评价模型。如果X的因素个数n过大，对X分割X＝X1U，X2U，……，XsU时，s仍然过大，第二级评价仍有因素过多的现象，这样可以仿照前面对每个xi分割，进行分级评价。

　　2.活塞精止口、钻中心孔机床综合评价

　　根据工厂实际情况，将因素集定为：X＝{x1，x2，x3，x4，x5，x6}，其中，x1、x2、x3、x4、x5、x6分别代表功能性、合理性、经济性、独创性、将来性、审美性。又设评价因素集合为：Y＝{y1，y2，y3，y4，y5，y6}，其中，y1、y2、y3、y4、y5、y6分别代表很好、好、较好、一般、较差、很差。

　　首先做单因素评价。请企业有关专家、工程技术人员、制造维修人员、一线操作人员等各方面与有关人员参加评价。

　　（1）对功能性进行评价。

　　在评价中，30%的参评人员认为“很好”， 40%的人认为“好”，10%的人认为“较好”，10%的人认为“一般”，10%的人认为“较差”，没有人认为“差”。从而得到x1的评价结果为：（0.3，0.4，0.1，0.1，0.1，0）。类似地，逐次对x2、x3、x4、x5、x6进行评价，得到如表所示因素隶属度。

　　由于因素较多，运用多级模型求解，将评价因素分为2个子系统，即：X＝{X1，X2}。其中，X1＝{x1，x2，x3}，X2＝{x4，x5，x6}。它们所对应的单因素评价矩阵分别为：

　　根据评价时对因素的倾向性不同，如针对活塞专用加工机床，主要是评价其功能性，即能否满足生产需要，那么对功能性的权重分配值就偏大。
现定权重分别取：A1＝[0.4  0.32  0.28]，A2＝[0.5  0.2  0.3]。

　　于是得出：A1?R1＝[0.332  0.34  0.16  0.116  0.1  0.016]；A2?R2＝[0.24  0.26  0.31  0.15  0.065  0.035]。

　　因为工厂对专用机床的评价重在实用性和经济性，因而对B1、B2的权重分配为A＝（0，75，0，25），则综合评价结果为：B＝A?R＝[0.28  0.32  0.19  0.11  0.09  0.01]。根据最大隶属度原则，0.32对应的评价因素是“好”，因此，对活塞精止口、钻中心孔机床的综合评价为“好”。

　　结语

　　本文从模块化方案的设计与评价入手，探讨其设计方法、评价指标和决策方法。

　　通过对机床模块化总体方案的设计与评价，明确了机床模块化总体方案设计的步骤；通过对模块的选择与组合，确定机床的组合方案原则；最终，我们运用模糊综合评价方法对一种活塞专用机床方案进行综合评价。