齒輪加工機(jī)床的可重構(gòu)特性研究*

胡 浪，洪榮晶，于春建，丁 爽

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210009)

齒輪加工機(jī)床的可重構(gòu)特性研究*

胡 浪，洪榮晶，于春建，丁 爽

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210009)

針對(duì)傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床功能單一，無(wú)法滿足市場(chǎng)上復(fù)雜多樣齒輪產(chǎn)品加工需求的問(wèn)題，提出了一種適應(yīng)多樣性齒輪加工需求的可重構(gòu)機(jī)床，并從多方面對(duì)齒輪加工機(jī)床的可重構(gòu)特性進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)齒輪成形原理和常用齒輪產(chǎn)品加工工藝進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，根據(jù)FPBS模型分解理論將齒輪加工的功能需求映射到機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)；結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，對(duì)齒輪加工機(jī)床的模塊設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)配置、重構(gòu)配置方案進(jìn)行研究。采用SolidWorks軟件實(shí)現(xiàn)一款齒輪加工可重構(gòu)機(jī)床虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)評(píng)價(jià)體系對(duì)重構(gòu)方案進(jìn)行重構(gòu)效率評(píng)價(jià)。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的齒輪加工機(jī)床滿足可重構(gòu)工藝特性，且可重構(gòu)率較高，配置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足齒輪的單機(jī)多樣化加工需求。

FPBS模型分解；模塊設(shè)計(jì)；可重構(gòu)設(shè)計(jì)；可重構(gòu)方案評(píng)價(jià)

0 引言

齒輪產(chǎn)品作為基礎(chǔ)傳動(dòng)部件，廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械產(chǎn)品及零部件之中。經(jīng)濟(jì)全球化以來(lái)，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，傳統(tǒng)的齒輪加工機(jī)床功能單一，無(wú)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(chǎng)需求而實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)的齒輪加工機(jī)床有助于機(jī)床制造企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。基于模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的可重構(gòu)概念，為機(jī)床產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)提供了新的思路。

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)可重構(gòu)機(jī)床進(jìn)行了大量研究并取得了一系列成果。Katz.R[1]提出一些可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及其在不同機(jī)床配置中的應(yīng)用；Y.Koren[2]通過(guò)對(duì)可重構(gòu)及可重構(gòu)制造系統(tǒng)的研究，提出了一個(gè)可重構(gòu)機(jī)床概念設(shè)計(jì)原型；Abele.E[3]等研究可重構(gòu)機(jī)床模塊的接口參數(shù)對(duì)機(jī)床性能的影響；許虹[4]從可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)原理及方法學(xué)、模塊化設(shè)計(jì)、全生命周期配置設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了理論研究；黃筱調(diào)[5]從細(xì)化模塊結(jié)構(gòu)、提高機(jī)床資源利用率和重構(gòu)效率出發(fā)設(shè)計(jì)出滾、銑可重構(gòu)主軸加工頭；李一全[6]通過(guò)對(duì)車銑微加工系統(tǒng)的深入研究，設(shè)計(jì)出兩種應(yīng)用于主軸模塊和工作臺(tái)模塊的新型接口；張浩[7]針對(duì)可重構(gòu)機(jī)床模塊配置設(shè)計(jì)方案優(yōu)選問(wèn)題，提出了基于集對(duì)分析的多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法。但大多數(shù)研究?jī)?nèi)容偏于理論，或局限于重構(gòu)設(shè)計(jì)的某一部分，沒(méi)有結(jié)合實(shí)例對(duì)可重構(gòu)機(jī)床特性和設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本論文以齒輪加工機(jī)床為研究對(duì)象，從齒輪加工可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)制造的整個(gè)過(guò)程，對(duì)可重構(gòu)機(jī)床的模塊劃分、模塊設(shè)計(jì)及配置設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法三方面進(jìn)行了研究。通過(guò)模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)使可重構(gòu)機(jī)床能在多種目標(biāo)功能之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

1 模塊劃分

合理的模塊劃分是可重構(gòu)的實(shí)施關(guān)鍵，影響著重構(gòu)產(chǎn)品的性能、重構(gòu)過(guò)程的復(fù)雜性以及模塊的重用度。FPBS[12]是一種基于功能→原理→行為→結(jié)構(gòu)映射的模型分解理論，是機(jī)床模塊化分的關(guān)鍵理論方法。功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)代表機(jī)床不同方面的信息，功能是對(duì)產(chǎn)品滿足客戶需求的特定工作能力的描述，是機(jī)床設(shè)計(jì)的目的；原理描述實(shí)現(xiàn)機(jī)床產(chǎn)品功能的工作機(jī)理，是功能實(shí)現(xiàn)的機(jī)理；行為描述實(shí)現(xiàn)機(jī)床產(chǎn)品功能需要執(zhí)行的動(dòng)作，是原理在運(yùn)動(dòng)域的體現(xiàn)；結(jié)構(gòu)描述機(jī)床產(chǎn)品的物理組成要素及其連接關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)功能的最終實(shí)物載體。圖1是滾齒機(jī)床基于FPBS的模型分解過(guò)程。

圖1 滾齒機(jī)床的FPBS模型分解過(guò)程

由功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)的關(guān)系可看出，劃分求解過(guò)程是一個(gè)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(guò)程。通過(guò)模型分解完成了從功能域向原理域的過(guò)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(shí)現(xiàn)功能域向的結(jié)構(gòu)模塊的映射。

齒輪作為主要的機(jī)械傳動(dòng)件在機(jī)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(jì)效益等的驅(qū)使下不同齒輪選擇不同的加工工藝。基于FPBS模型分解原理，對(duì)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

表中為各機(jī)床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。在不同功能的機(jī)床中，相同行為需求映射到結(jié)構(gòu)域不一定對(duì)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(shí)實(shí)現(xiàn)模塊替換的原因所在。圖2為可重構(gòu)機(jī)床理論設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)出結(jié)構(gòu)模塊；再通過(guò)模塊組合形成物理機(jī)床。通過(guò)分析各目標(biāo)機(jī)床的模塊需求，進(jìn)行模塊替換和增減實(shí)現(xiàn)機(jī)床的重構(gòu)過(guò)程。

圖2 可重構(gòu)機(jī)床理論設(shè)計(jì)過(guò)程

2 配置設(shè)計(jì)及模塊設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中功能屬于抽象層，是設(shè)計(jì)者主觀意圖的載體；結(jié)構(gòu)屬于物理層，是功能實(shí)現(xiàn)的物理載體?？芍貥?gòu)機(jī)床的設(shè)計(jì)目的為實(shí)現(xiàn)功能的可轉(zhuǎn)換，途徑是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)模塊的變更。機(jī)床重構(gòu)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是以模塊為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)床通過(guò)多個(gè)存在模塊結(jié)構(gòu)的增減和替換，重新配置成滿足相應(yīng)需求功能的機(jī)床的過(guò)程。模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)成為可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

2.1 配置設(shè)計(jì)

配置不是簡(jiǎn)單的模塊重組，它還是一個(gè)結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)各功能模型進(jìn)行合理的配置設(shè)計(jì)將提高機(jī)床的重構(gòu)效率和重用度，在保障功能的基礎(chǔ)上最大限度的提高資源的利用率。如何配置機(jī)床結(jié)構(gòu)使機(jī)床實(shí)現(xiàn)高加工效率、高級(jí)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(jìn)行功能重構(gòu)快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求變化的關(guān)鍵所在。機(jī)床結(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(guò)不同的設(shè)計(jì)方案可以配置出不同的結(jié)構(gòu)。合理的配置設(shè)計(jì)既要考慮各種工藝特點(diǎn)又要考慮重構(gòu)效率。結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為減少重構(gòu)時(shí)間、提高模塊重用度，將目標(biāo)機(jī)床統(tǒng)一設(shè)置為某一種結(jié)構(gòu)，例如將四自由度設(shè)計(jì)為RLLR配置結(jié)構(gòu)，如圖3；五自由度機(jī)床設(shè)計(jì)為RLLLR配置結(jié)構(gòu)，如圖4。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通過(guò)模塊添加來(lái)實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。

圖3 RLLR機(jī)床結(jié)構(gòu)配置

圖4 RLLLR機(jī)床結(jié)構(gòu)配置

2.2 模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)FPBS的產(chǎn)品模型分解和結(jié)構(gòu)配置設(shè)計(jì)得到的模塊結(jié)構(gòu)保證了功能之間的獨(dú)立性，但沒(méi)有解決重構(gòu)過(guò)程中模塊替換、組合、裝配的干涉等問(wèn)題。模塊設(shè)計(jì)是保障機(jī)床重構(gòu)得以實(shí)施的基礎(chǔ)。模塊設(shè)計(jì)的目的是確保模塊替換和增減的順利實(shí)施以及替換后的機(jī)床能順利的實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。模塊設(shè)計(jì)包括模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)。模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了滿足實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換的要求，不同加工工藝的受力不同，在進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各種工況，以性能最高的要求為準(zhǔn)則進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，以一定的性能冗余，確保轉(zhuǎn)換后的機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。接口設(shè)計(jì)包含接口標(biāo)準(zhǔn)化和冗余接口設(shè)計(jì)：為了確保模塊替換后各模塊得以重新配合，對(duì)特定接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；出于機(jī)床結(jié)構(gòu)的限制和設(shè)計(jì)要求，采用原來(lái)的接口不能很好的滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)就需要設(shè)計(jì)冗余接口。

圖5為通過(guò)接口標(biāo)準(zhǔn)化和冗余接口設(shè)置實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的過(guò)程，通過(guò)立柱與Y軸托板的導(dǎo)軌型號(hào)、導(dǎo)軌間距和絲杠螺母座的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)模塊增減時(shí)順利配合；出于機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊要求，通過(guò)冗余接口設(shè)計(jì)使得重構(gòu)前后主軸托板由中心驅(qū)動(dòng)變?yōu)槠尿?qū)動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)更加緊湊。

圖5 接口標(biāo)準(zhǔn)化和冗余接口設(shè)計(jì)

3 實(shí)例分析和配置方案評(píng)價(jià)

3.1 實(shí)例分析

在常見(jiàn)齒輪加工工藝的研究分析的基礎(chǔ)上，借助solidworks實(shí)現(xiàn)了一款滾、銑、磨可重構(gòu)齒輪加工機(jī)床虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。通過(guò)滾、銑、磨齒機(jī)床的模型分解、模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)形成可重構(gòu)機(jī)床模塊庫(kù)，模塊庫(kù)中的模塊可以細(xì)分為公共模塊、專有模塊和可擴(kuò)展模塊。公共模塊是可重構(gòu)機(jī)床重構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后機(jī)床都公用的機(jī)床模塊；專有模塊為可重構(gòu)機(jī)床某一特定功能所特有的模塊；可擴(kuò)展模塊是重構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后功能擴(kuò)展部分的模塊。這幾種模塊在重構(gòu)過(guò)程中分別對(duì)應(yīng)模塊復(fù)用，模塊替換和模塊擴(kuò)展。表2為借助solidworks設(shè)計(jì)的可重構(gòu)機(jī)床模塊，公共模塊有：轉(zhuǎn)臺(tái)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(kuò)展模塊是Y軸托板模塊。

表2 可重構(gòu)機(jī)床模塊

通過(guò)表2中公共模塊的，專有模塊和擴(kuò)展模塊的選用實(shí)現(xiàn)以下功能的機(jī)床配置：圖6為成形銑齒機(jī)；圖7為滾齒機(jī)床示意圖；圖8為磨齒機(jī)床；圖9為五軸加工中心，在滾齒機(jī)床的基礎(chǔ)上通過(guò)擴(kuò)展模塊的增添和專用模塊道的刀具替換實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。

圖6 成形銑齒機(jī)

圖7 滾齒機(jī)床

圖8 磨齒機(jī)

圖9 五軸加工中心

3.2 可重構(gòu)機(jī)床配置方案評(píng)價(jià)

可重構(gòu)機(jī)床的可重構(gòu)效率和模塊復(fù)用率是評(píng)價(jià)可重構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。針對(duì)模塊復(fù)用率的評(píng)價(jià)問(wèn)題引入集對(duì)分析進(jìn)行分析。分析過(guò)程如下：結(jié)構(gòu)配置A對(duì)應(yīng)功能需求1，結(jié)構(gòu)配置B對(duì)應(yīng)功能需求2，對(duì)兩種配置的進(jìn)行分析，得到模塊參數(shù)N，N=S+E+D。其中S為兩配置中復(fù)用模塊的個(gè)數(shù)，E為兩配置中擴(kuò)展模塊的個(gè)數(shù)，D為專有模塊的個(gè)數(shù)，則兩種配置的聯(lián)系度為：

(1)

(2)

(3)

在n種系統(tǒng)配置中聯(lián)系度越高的配置，在重構(gòu)過(guò)程投入的成本越少，重構(gòu)效率也越高。由此可知，整個(gè)可重構(gòu)系統(tǒng)的重構(gòu)效率，取決于配置系統(tǒng)內(nèi)機(jī)床與機(jī)床的之間的共有結(jié)構(gòu)、對(duì)立結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)。

整個(gè)重構(gòu)機(jī)床配置設(shè)計(jì)重構(gòu)率可達(dá)0.715，模塊復(fù)用度比較高，配置設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)齒輪加工工藝和可重構(gòu)機(jī)床的研究設(shè)計(jì)出了一種面向齒輪加工的可重構(gòu)機(jī)床模型。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(guò)模塊設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)建立可重構(gòu)機(jī)床模塊庫(kù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)模塊組合配置不同功能需求的機(jī)床，不同機(jī)床模型可以通過(guò)模塊替換、擴(kuò)展和剪切來(lái)相互轉(zhuǎn)換。并提出了運(yùn)用集對(duì)分析來(lái)評(píng)價(jià)可重構(gòu)機(jī)床重構(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(guò)程中的資源投入越少。

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(編輯 李秀敏)

Reconfigurable Characteristics Research on Gear Machining Tool

HU Lang，HONG Rong-Jing，YU Chun-jian，DING Shuang

(College of Mechanical and Power Engineering,Nanjing Tech University , Nanjing 210009,China)

In view of the problems that the function of traditional gear cutting machine tool is single and unable to meet the complicated demand of gear processing on the market, a kind of reconfigurable machine tools that can adapt to the diverse requirements of gear processing was proposed, and characteristics of reconfigurable gear machine tools were studied from many aspects. Through the analysis to gear forming principle and processing technology of gear products, functional requirements for gear processing was mapped to the mechanical structure of the machine tool by the module division based on FPBS model decomposition theory; the module design, structure configuration and refactoring configuration scheme of gear cutting machine tool were studied combined with the experience of machine tool structure design. A prototype about reconfigurable gear machining tool was designed with SolidWorks software, and evaluated the feasibility of the reconstruction scheme by the evaluation system. The results show that the gear cutting machine tool designed can meet the characteristics of reconfigurable technology, and the rate of reconstruction is high, the configuration structure design is reasonable, the demand of single diversification of the gear processing is met.

FPBS model partition; module design; reconfigurable design; evaluation of reconfigurable scheme

1001-2265(2017)01-0035-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.010

2016-03-14；

2016-04-14

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2014ZX04011031)

胡浪(1991—)，男，湖南婁底人，南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論，(E-mail)1136709854@qq.com。

TH111；TG68

A