轴承磨床的参数创成式模块化设计

Parameter Built Modular Design for Grinding Machine
ZHANg Li, ZHU Yun, ZHANG Jian- jun
( Hefei University of Technology ,Hefei 230009, China) Abstract: Modular designing is the king technique of product family designing for mass customization. This paper introduces a parameter built modular designing method by dynamic modular matching based on the grinding machine for axletree by an alyzing the traditional modular designing and generalized modular designing and presents the principles and key technique of it. Key words: grinding machine; dynamic; parameter built moduloar design; structure optimization;
图 1 模块系统的创建
图2
参数创成式模块化设计流程
张
利等 : 轴承磨床的 参数创成式模块化设计
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行整体结构分析和优化。这样, 即可以有效利用 现有模块设计出所需产品 , 缩短开发周期、 降低成 本、 快速响应市场 , 又能优化产品结构, 实质性地 克服模块化设计中的结构冗余问题。在模块组合 过程中尽管对模块进行了结构优化, 但由于只是 细微变化且在优化过程中已经考虑了加工工艺、 工装设备的因素 , 优化模块的设计、 制造与采用原 始模块相差不大 , 这样就利于产品变型设计, 便于 企业扩展、 开发新产品, 特别适合大批量定制生产 方式。 2. 3 轴承磨床的参数创成式模块化设计关键 模块系统的划分、 设计和参数式的模块动态 选配是实现轴承磨床参数创成式模块化设计的两 大关键技术。利用成组技术中的编码原理来有效 表达模块的功能、 形状、 结合要素以及产品定制要 求, 可以对模块和产品进行准确描述, 便于计算机 识别和量化模块匹配过程 , 也使企业更有效地组 织管理, 提高 CAX 技术的利用率。 模块系统 的建立是模块化 设计的前 提与基
块组合的可能性、 合理性 , 还要从造型和模块互换 性等方面进行评价。如果不合理, 则要重新从功 能分析或模块的划分和设计开始进行修改 , 直到 满意为止。 图 2 所示是参数创成式模块化设计的流程。 其中 , 虚线框部分是产品组合的参数化、 模块动态 选配过程。首先根据市场需求或客户订单 , 进行 产品定义、 编制产品系列型谱 , 然后进行功能分 析、 模块划分, 再依据需求参数从模块库中选择现 有的模块进行匹配, 并进行结构分析和优化设计, 若所选模块组合符合要求 , 则进行下一组模块间 的选配直到所有模块选配结束 ; 否则, 重新选择模 块来匹配 , 必要时可以重新设计某些模块, 最后进
( y = 1, 2,
( 7) 式中, P y 与 Pw 不完全相同 , 即产品结构 改变。 此时 , 产品的结构是特定工程参数的函数 , 模 块类型 Py 及 其之 间的结 合方式 不是 事先 给定 的, 而是根据工程参数 Pr 、 Hs 在模块矩阵 [ PMij ] 中筛选模块 类型, 进行模块匹配、 结构分析和优 化, 动态创成的。称此类产品的模块化设计为参 数创成式模块化设计。若 ( 7) 式中 Py 与 P w 完全 相同 , 即 PS u 与 PS u 相同, 则成为广 义模块化设 计, 即可以将广义模块化设计看作是参数创成式 模块化设计的特例。 2. 2 参数创成式模块化设计的基本设计过程 参数创成式模块化设计是对广义模块化设计
T
Pr
影响模块设计的载荷、 应力、 应变 等参数
Hs 材料特性等参数 此时 , 若产品结构要求不变, 即 : PS u = [ P 1 , P 2 , ( w = 1, 2, , k; k , Pw , m ; Pw , Pk ] , PR i ) ( 6)
各产品结构组成要素具有相对固定的接口, 且结构部件可以用 ( 4) 式来表达, 而结构参数 Gq 可以用变量 Pr 、 Hs 进行优化或优选, 则称此类产 品的模块化设计为广义模块化设计。若 ( 5 ) 式中 Pr 、 Hs 对一组产品为常数 , 即为传统的模块化设 计。 这种广 义模块 化设计 使一种 产品结 构 PS u 对应多种模块组合结构 , 而传统的模块化设计则 是一种产品结构对应一种模块组合结构。它适用 于产品结构随工艺、 工况等工程参数变化而产品 结构本身不变但型式变化的场合, 如液压机械、 水 力发电机组等。它提供了多种模块组合结构来满 足不同的工程参数需要, 然而 , 同传统模块化设计 一样 , 它的模块化的互换性、 组合性是建立在固定 的产品结构的基础上的 , 要求各产品结构组成要 素具有相对固定的接口, 产品结构不能随应力、 载 荷或材料等的变化而改变, 模块类型 PR i 间的组 合关系是固定的。产品设计的优化与传统的模块 化设计相比体现在模块组合结构的优选上 , 即多 选一, 而传统模块化设计的模块组合结构是惟一 的。对于机械行业, 还有许多产品 , 它们的产品结 构随工程参数的变化而变化, 例如轴承磨床等, 这 些产品的结构随用途、 工况、 精度等的不同 , 结构 变化、 形式多样, 模块的结合参数也随之改变 , 不 能用标准的模块化部件按传统的单一模块组合结 构进行拼装 组合, 又由于不是结构 强度、 刚度设 计, 不能使用文献 [ 5] 提出的广义模块化设计, 更 不能简单地对产品进行尺寸缩放, 而要根据用户 提出的产品参数, 在符合设计原理的条件下进行 模块组合和优化, 从而确定产品的结构和规格尺 寸。
生产模式已经成为制
造业发展的主流模式 。产品族设计 ( PFD, Prod uct Family Design) 是面向大批量定制的产品开发 方法 ( DFMC, Design for Mass Customization) , 是实现 大批量定制生产的有效途径, 其基本设计方法是 模块化设计 。 产品模块化设计方法是建立在系统分析原理 和标准化理论基础上的一种方法, 它要求在市场 调查和分析的基础上 , 对一定范围内的产品进行 功能分析, 划分并设计出一系列功能模块或结构 模块 , 通过更换或加、 减相应模块以构成满足不同 需求的产品, 缩短产品开发周期, 降低成本。轴承
ISSN 1000- 3762 CN41- 1148/ TH
轴承 Bearing
2004 年第 1 期 2003, NБайду номын сангаас. 12
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工艺与装备
轴承磨床的参数创成式模块化设计
张 利, 朱 芸, 张建军
合肥 230009) ( 合肥工业大学 , 安徽
摘要 : 产品族设计是面向大批量定制的产品开发 方法 , 其基本设计方法是模块化设计 , 本文针对轴承磨床的设 计特点 , 分析了传统模块化设计和广义模块化设 计的特点和局限性 , 提出了参数化、 模块动态匹配的参数创成 式模块化设计方法 , 并结合轴承磨床给出了参数 创成式模块化设计的原理及关键技术。 关键词 : 磨床 ; 动态 ; 参数创成式模块化设计 ; 结构优化 中图分类号 : TH133. 33;TG580. 2 文献标识码 : B 文章编号 : 1000- 3762( 2003 ) 12- 0014- 04
产品集矩阵 PS 由产品结构 PSu 组成 , 表示
其中, 产品结 构 PS u 是 由功能模块 Pw 组成 的, 是模块结构参数的函数: PS u = [ P 1 , P 2 , ( w = 1, 2, 式中 Gq , k; k , Pw , m ; Pw , Pk ] , PR i ) ( 3) ( 4)
张
利等 : 轴承磨床的 参数创成式模块化设计
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设模块矩阵 PM 由模块 PM ij 组成: PM = [ PL 1, PL 2, = [ PR 1 , PR 2 , = [ PMij ] , ( i = 1, 2 , m ; j = 1, 2, 式中 m n PR i 为 PS = [ PS 1 , PS 2 , , PS u , , PS v ] ,v) ( 2) ( u = 1, 2, 模块的纵向类型总数 模块的最多横向系列数 某一模块及其变形模块的集合 , n) ( 1) , PLj , , PR i , , PL n ] , PR m ]
的进一步扩展, 它继承了传统模块化设计和广义 模块化设计的全部基本特征。由于它允许模块结 合方式动态创成 , 产品结构不再惟一, 所以能更合 理的满足客户需求, 利于新产品的快速开发, 适应 大批量定制生产方式。 图 1 所示是模块系统的划分、 设计过程。进 行模块化设计时, 必须首先把产品划分为若干模 块, 然后以模块为基本单元进行设计 , 因此 , 模块 划分的合理性对由模块化设计的产品的性能、 外 观以及模块的通用化程度和成本都有很大影响。 模块整合就是对模块划分和设计结果起一个验证 和评价的作用。它不但验证将要组成的系统或产 品的总功能是否恰好能得以保证 , 同时也验证模
随着市场竞争的 日益激烈和客 户需求多样 化、 个性化的发展, 以大批量生产的低成本和高效 率向 客 户提 供定 制 产品 和 服务 的 大批 量 定制 ( MC, Mass Customizat ion)
[ 2] [ 1]
磨床是加工轴承内外圈的专用磨床 , 要求精度高、 产品系列丰富 , 又由于轴承磨床由主轴部件、 床身 部件、 进给部件、 上下料机构、 工件箱、 修整器等部 分组成, 各功能模块清晰、 易于划分 , 所以采用模 块化设计可以很好的解决其产品品种、 规格与设 计制 造周期和生产成本之间的矛盾 , 提高效益。 本文结合项目经验介绍轴承磨床的模块化设计原 理及应用。