数控弧齿铣齿机产品族设计建模方法与技术

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本文以数控弧齿铣齿机产品族设计为例, 围 绕产品族设计的基本思想, 对产品族设计过程中 需求建模、功能原理建模和结构建模的方法和技 术进行研究。
收稿日期: 2007 ) 07 ) 06 基金项目: 国 家 863 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 ( 2006A A04Z107)
# 1642 #
( 功能原理模型的具体表达)

分功能与
功能实现策略

系统结构
A
B
C
刀具与工件 X 方 1 向的相对移动
立柱移动
2 刀具与工件 Y 方 向的相对移动
立柱移动
3
刀具与工件 Z 方 向的相对移动
刀具主轴箱移动
4 刀具的旋转
主电机+ 传动系统 A
工件箱移动
工件箱移动
工件箱移动 主电机+ 传动系统 B
5 工件的旋转分度
m
m
E E d( ci , cj ) =
D( k) ij
d
( k) ij
/
D( k) ij
( 2)
k= 1
k= 1
式中
,
D(k) ij
为需求属性 k 对顾客 ci
和顾客 cj
之间差异程度的
贡献;
d( k) ij
为根据属性 k 的具体数据类型所计算的距离。
经过聚类分析[ 5] , 并选取适当的域值 K, 可以
18 床鞍
床鞍结构型式 A 床鞍结构型式 B
床鞍结构型式 C
19 工件箱
工件箱结构型式 A 工件箱结构型式 B 工件箱结构型式 C
20 主轴箱
主轴箱结构型式 A 主轴箱结构型式 B 主轴箱结构型式 C
设计者根据专业知识及经验, 针对产品的分 功能和功能元, 提出对应的实现方案, 而具体采用 何种实现策略则将对产品质量产生很大的影响。 因此, 需要对各种方案进行优化选择, 综合考虑各 方案的相容性及最佳配置原则, 并通过对性能指 标的综合评价找出较为合理的功能实现方案。
1. T ianjin U niv er sit y, T ianjin, 300072 2. Nort h U niversit y of China, T aiy uan, 030051 Abstract: T aking t he case o f pr oduct family desig n of NC spir al bev el and hy poid g ear gener at or, design m et hod and course w ere analysed around f undamental principles of pro duct f am ily desig n. Some methods and t echnolo gies w ere pr esent ed t o all design mo deling in the co urse of pro duct f amily design including requirement mo deling , funct ion modeling, and str uct ure modeling using t he t hought of design region in axio matical desig n t heor y. Key words: NC spiral bevel and hypoid gear g enerato r; product family ; modeling met ho d; design
表 1 弧齿锥齿轮规格尺寸与应用场所
直径 @ 模数 ( mm @ m m)
<125 @ 31 5 <200 @ 4 <320 @ 9 <600 @ 12
<1250 @ 20 <1720 @ 30 <2000 @ 35
应用场所
电动工 具、缝 纫机、纺 织机 械、烟 草机 械等轻工机械产品
摩托 车、农用车、轻型 车、轿车、卡车、 大卡车、重型汽车等
Modeling Method and Technology to Product Fami ly Design of
NC Spiral Bevel and Hypoid Gear Generator Xin Zhijie1, 2 Zhang Daw ei1 Chen Y ong liang1 M an Jia1
dom ain
0 引言
品种多、批量小、生产周期短是目前制造业的 发展趋势, 面向产品族的生产是满足这种发展趋 势的一种有效生产模式[ 1] , 也是产品创新和快速 满足用户多样化需求的有效方法。产品族指的是 一系列的相关产品, 它们共享通用特征、部件或子 系统, 且满足一定范围的市场需求。通用化、模块 化和标准化是产品族的主要特征。产品族中的单 个产品叫做产品变量, 根据需求市场的细分, 一个 产品族对应一个市场区段, 而产品族中的产品变 量是满足这个市场区段中消费者对产品的特殊需 要。产品族设计是利用公理化设计[ 2] 中设计域的 思想, 以满足用户个性化、多样化的需求为出发点 和归宿, 采用产品技术平台战略[ 3] , 从用户域、功 能域、物理域、过程域等多个过程状态对产品系列 进行规划和设计的方法与技术。
数控弧齿铣齿机的总功能技术原理是自动实 现弧齿锥齿轮的数字控制加工过程, 通过铣刀铣 削工件完成弧齿锥齿轮的铣削加工, 其特点是加 工过程自动化和数字化。为实现此功能, 必须有铣 削功能即具有将数字控制的加工程序转化为刀具 和工件移动或转动运 动控制命令的 信息处理能 力; 还要具有在铣削过程中承受各种作用力以及 保证几何精度的结构功能。由此可得数控弧齿铣 齿机的一级子功能: 铣削加工功能( 工件与刀具的 相对铣削运动) 、输送功能、夹持功能( 工件、刀具 的夹持等) 、动力功能、控制功能和结构功能。各子 功能还可以继续分解, 如控制系统可分解为坐标 轴运动控制、电器控制、液压控制等, 而坐标轴运 动控制又可分解为沿 X 轴、Y 轴、Z 轴的移动和转 动。如此逐级分解便可得到数控弧齿铣齿机的功 能层次分解树( 图 2) 。产品功能分解的程度决定 于产品的复杂程度和方案设计等的具体要求。 2. 2 功能原理模型
功能分析法是系统设计中拟定功能结构即功 能原理方案的主要方法。一台机器所能完成的功 能常称之为机器的总功能, 在实际工作中, 要设计 的机械产品往往比较复杂, 难以直接求得满足总 功能的功能原理方案。必须采用系统分解的原则 进行功能分解, 将总功能逐级分解为多个功能元, 再分别对这些较简单的功能元进行求解, 然后进 行组合, 从而得到机械产品方案的多种功能原理 方案, 通过评价得到最佳功能原理方案。
效率) 低 中 高
V4 ( 机床易
操作性) 差 中 好
顾客的需求矩阵[ 4] 可表示为
R( C) =
X11 x 11 X21 x 21 , Xm1 x m1
X12 x 12 X22 x 22 , Xm2 x m2s Nhomakorabeas
s
X1nx 1n X2nx 2n , Xm nx mn 式中, R( C) 为顾客的需求空间; C 为顾客; x ij ( i = 1, 2, ,, m; j = 1, 2, ,, n) 为第 j 个顾客对第 i 项属 性的需求水平 值; Xij 为需求属性的重要 度( 如将重要度化分为 0 ~ 9 级, 0 级表示无该项需求, 9 级表示最重要, 以此类推) 。
与过程。利用公理化设计中设计域的思想, 从多域角度对产品族设计过程中各过程模型包括用户需求
模型、产品功能模型和产品结构模型的建立方法、求解技术等进行了探讨。
关键词: 数控弧齿铣齿机; 产品族; 建模方法; 设计域
中图分类号: T H 122
文章编号: 1004 ) 132X( 2008) 14 ) 1642 ) 03
数、加工精度、加工效率和机床的易操作性等几方
面作为顾客对产品需求的属性, 并规定每种属性
有三种水平, 可以建立数控弧齿铣齿机系列产品
的属性及水平列表( 表 2) 。
表 2 数控弧齿铣齿 机系列产品属性及其水平
水平
L1 L2 L3
V1
( 模数) 小 中 大
V 2( 加工
精度) 低 中 高
属性 V3 ( 加工
数控弧齿铣齿机功能与实现策略表功能原理模型的具体表达分功能与功能实现策略立柱移动工件箱移动向的相对移动刀具与工件y方立柱移动工件箱移动向的相对移动刀具与工件z方刀具主轴箱移动工件箱移动向的相对移动主电机主电机刀具的旋转传动系统a传动系统b工件的旋转分度步进电机伺服电机切屑的排出平板链式刮板式螺旋式冷却液进人液压泵管路a液压泵管路b冷却液排出专用结构排出床身结构中的沟槽气动紧固件液压10交流主轴电动机直流主轴电动机ll传动系统分级变速装置a分级变速装置b12坐标轴运动控制开环伺服系统闭环伺服系统半闭环伺服系统13电气控制系统电气控制系统a电气控制系统b14液压控制系统液压控制装置a液监控制装置b15床身床身结掏型式a床身结构型式b床身结构捌式c16立柱立柱结构型ja立柱结构犁式h立柱结构璎式c17横滑板横滑板结构翟ja横滑板结构jl
客户需求矩阵是将具有相似消费特征的消费
群体的需求经过工程技术特征及需求属性重要度
转化为可以量化的数学描述, 也就是对产品族需
求模型中散乱的客户需求进行量化归类, 从而对 产品族进行规划设计, 确定市场前景好、能最大满
足客户个性化需求的产品族。
由于属性水平往往是混合型数据类型, 利用
下式可以求出顾客之间的距离:
确定了系统的总功能和功能元后, 就要寻求 实现功能元的原理解。根据数控铣齿机功能层次 分解树中所提出的各分功能, 制定功能实现的策 略, 并构建功能与实现策略表( 表 3) , 即功能原理 模型的具体表达。
# 1643 #
中国机械工程第 19 卷第 14 期 2008 年 7 月下半月
图 2 数控弧齿铣齿机功能层次分解树 表 3 数控弧齿铣 齿机功能与实现策略表
数控弧齿铣齿机产品族设计建模方法与技术 ) ) ) 辛志杰 张大卫 陈永亮等
数作为市场细分标准, 每个市场细分对应于同一 尺寸规格的系列产品。由于用户对机床性能等的 要求不同, 需对同一尺寸规格的系列产品进行产 品细分, 以满足不同用户的需要。
图 1 产 品族需求模型
将数控弧 齿铣齿机产品从 被加工齿 轮的模
中国机械工程第 19 卷第 14 期 2008 年 7 月下半月
数控弧齿铣齿机产品族设计建模方法与技术
辛志杰1, 2 张大卫1 陈永亮1 满 佳1
1. 天津大学, 天津, 300072 2. 中北大学, 太原, 030051
摘要: 围绕产品族设计的基本思想, 以数控弧齿铣齿机产品族设计为例, 分析了产品族设计的方法
1 数控弧齿铣齿机系列的需求分析与需 求建模
1. 1 需求分析 数控弧齿铣齿机是目前先进的坐标轴式弧齿
锥齿轮加工设备, 广泛应用于电动工具、工业缝纫 机、汽车、拖拉机、飞机、摩托车、采矿、石油、化工、
发电、船舶、军舰、金属切削机床等领域中, 具有较 大的需求市场。根据齿轮直径和模数的不同, 弧 齿锥齿轮的应用场所见表 1。
3. 1 模块构造 模块是实现功能原理的物理载体, 是具有一
定功能的零件、组件或部件的通称。模块的构造与 合理划分是产品族结构设计中的关键问题。但是, 影响模块划分的因素很多, 如功能的变异性和通 用性、零部件之间的关联性、企业的制造能力和供 应商能力等。根据功能模块的作用, 可化分为基础 功能模块( 数控弧齿铣齿机中各坐标轴移动模块、 床身支撑模块等) 、辅助模块( 数控弧齿铣齿机冷 却模块等) 、特殊功能模块、适应功能模块( 即变异 模块) 和非模块化功能块等。 3. 2 模块接口的协调、匹配与标准化
步进电机
伺服电机
6 切屑的排出
平板链式
刮板式
螺旋式
7 冷却液进入
液压泵+ 管路 A 液压泵 + 管路 B
8 冷却液排出
专用结构排出 床身结构中的沟槽
9 装卡
气动
紧固件
液压
10 动力源
交流主轴电动机 直流主轴电动机
11 传动系统
分级变速装置 A 分级变速装置 B
12 坐标轴运动控制 开环伺服系统 闭环伺服系统
得到 s 个顾客群体, 每一个群体与一个细分产品
相对应, 即
Gi ~ p i I p = { p i | i = 1, 2, ,, s}
( 3)
式中, Gi 为顾客群 体; p 为产品族集合; p i 为 p 中的一个细 分产品。
2 数控弧齿铣齿机功能原理建模
产品的功能原理模型是对产品的功能语义和 功能行为进行描述和表达, 在产品设计和分析中 具有重要的作用。功能原理建模[ 6] 是在需求建模 的基础上, 将复杂产品的总体功能分解为相应的 子功能和基本功能元, 并进行功能求解的过程。 2. 1 功能分析及分解
冶金、矿山、石油、水泥、发 电、机车、船 舶、军工、重型机械等
1. 2 需求建模 在充分、准确地掌握市场信息及顾客对产品
的需求信息基础上, 首先将整体市场化分成相对 独立的细分市场, 并为每个细分市场分别定制出 不同功能、规格及样式的细分产品。针对数控弧 齿铣齿机市场( 图 1) , 以被加工齿轮的直径和模
半闭环伺服系统
13 电气控制系统
电气控制系统 A 电气控制系统 B
14 液压控制系统
液压控制装置 A 液压控制装置 B
15 床身
床身结构型式 A 床身结构型式 B
床身结构型式 C
16 立柱
立柱结构型式 A 立柱结构型式 B
立柱结构型式 C
17 横滑板
横滑板结构型式 A 横滑板结构型式 B 横滑板结构型式 C
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