□唐勝菊 □馮 立 □楊 杰

四川廣播電視大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 成都 610073

1 研究背景

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的一部分[1]，隨著經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)研發(fā)提出了新的要求。為了滿足客戶個(gè)性化、柔性化的設(shè)計(jì)要求，必須要有一種更具繼承性、創(chuàng)造性的方法來(lái)提高數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，豐富設(shè)計(jì)內(nèi)容。目前，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)與制造方法仍然比較繁雜，大量工作需要設(shè)計(jì)人員人工完成，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師完成大量計(jì)算，許多功能和結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品也要經(jīng)過(guò)大量計(jì)算才能完成[2]，這樣的設(shè)計(jì)方法不僅容易增加設(shè)計(jì)的出錯(cuò)率，而且會(huì)延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期。

模塊化設(shè)計(jì)是一種適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)制造開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)方法，基于模塊間的合理組合，可滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)個(gè)性化及多變性需求[3]。作為制造業(yè)基礎(chǔ)裝備的數(shù)控機(jī)床，其大部分零部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化[4]，將模塊化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到機(jī)床設(shè)計(jì)，不但能有效縮短設(shè)計(jì)周期，而且能提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。基于知識(shí)工程技術(shù)，可有效繼承領(lǐng)域?qū)＜业脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)的合理性、可靠性提供保障?？芍貥?gòu)數(shù)控機(jī)床在工序集中、提高生產(chǎn)效率、減小裝夾誤差、提高加工精度及穩(wěn)定性方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此，基于知識(shí)工程理論的可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)方法能為企業(yè)的高效生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供有效支持，是符合現(xiàn)代生產(chǎn)制造發(fā)展需求的創(chuàng)新方法。

2 可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床快速設(shè)計(jì)

在基于知識(shí)工程的可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床快速設(shè)計(jì)總體過(guò)程中，基于知識(shí)工程推理而獲得的結(jié)果是機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。設(shè)計(jì)需求知識(shí)由領(lǐng)域?qū)＜液凸こ處熖峁⒕幦胫R(shí)庫(kù)匯集，采用推理控制策略對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行推理計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果輸出，成為參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。根據(jù)輸出結(jié)果進(jìn)行三維模塊調(diào)用及評(píng)價(jià)，進(jìn)而依據(jù)用戶需求在線組裝。同時(shí)，根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的評(píng)價(jià)體系對(duì)調(diào)用結(jié)果及裝配方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)選出合適方案后在線輸出。優(yōu)秀方案可在項(xiàng)目主管工程師和系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)后再次加入知識(shí)庫(kù)，以豐富知識(shí)庫(kù)的內(nèi)容和質(zhì)量?？芍貥?gòu)數(shù)控機(jī)床快速設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床快速設(shè)計(jì)方法的主要功能模塊包括需求量化、專家系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)、結(jié)果生成、性能分析及評(píng)價(jià)等，其中結(jié)果生成主要是利用專家系統(tǒng)和知識(shí)庫(kù)，推理出符合設(shè)計(jì)要求的功能，并以參數(shù)化裝配規(guī)則在線進(jìn)行裝配。性能分析及評(píng)價(jià)模塊主要對(duì)在線生成方案進(jìn)行有限元分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及操作適應(yīng)性分析，操作適應(yīng)性分析可利用CATIA軟件二次開(kāi)發(fā)接口，并調(diào)用中國(guó)人體模型，用來(lái)模擬操作的舒適性及操作空間的合理性。評(píng)價(jià)合格的方案將以三維實(shí)體模型方式在線輸出。

3 可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)與設(shè)計(jì)

作為可重構(gòu)制造系統(tǒng)中重要組成部分的可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床，是解決未來(lái)企業(yè)大批量定制化生產(chǎn)的技術(shù)核心之一[5]，是快速響應(yīng)市場(chǎng)和客戶需求的關(guān)鍵保障?？芍貥?gòu)數(shù)控機(jī)床作為一種新概念機(jī)床，是制造業(yè)市場(chǎng)環(huán)境與需求不斷發(fā)展的產(chǎn)物。相比傳統(tǒng)專用機(jī)床，可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床在制造非標(biāo)準(zhǔn)件、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本，以及制造柔性等方面有較大優(yōu)勢(shì)。目前，人們對(duì)可重構(gòu)機(jī)床的研究主要集中在理論分析及配置方面。Moon Yong Mo和Sridhar Kota[6]給出了一種可重構(gòu)機(jī)床運(yùn)動(dòng)合成方法，并基于這一方法研制了一套計(jì)算機(jī)軟件。文獻(xiàn)[7]提出了形象思維的可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)案例來(lái)驗(yàn)證這一方法的可行性。曾法力、李愛(ài)平等[8]提出了基于圖文法的可重構(gòu)配置規(guī)劃方法，采用圖文法可以較直觀地表述動(dòng)態(tài)體系結(jié)構(gòu)的配置行為，利用基于圖文法的平行模塊配置技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)圖模型在具體系統(tǒng)配置規(guī)劃中的物理實(shí)施。以上可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床的配置方法主要基于零件加工工藝需求，設(shè)計(jì)過(guò)程中所需要的人機(jī)交互過(guò)程較多。筆者在上述研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種基于知識(shí)工程的模塊化可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)配置方法，完成相似功能結(jié)構(gòu)部件的模塊化組合配置及參數(shù)化映射，并對(duì)配置方案進(jìn)行測(cè)評(píng)尋優(yōu)，評(píng)價(jià)體系的完備性和評(píng)價(jià)范圍的廣泛性可以確保設(shè)計(jì)結(jié)果滿足要求。

3.1 功能需求及參數(shù)定義

研究發(fā)現(xiàn)，制造系統(tǒng)下層結(jié)構(gòu)和部件是可重構(gòu)系統(tǒng)的主要組成部分，其性質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的快速重構(gòu)影響較大?？芍貥?gòu)數(shù)控機(jī)床是針對(duì)被加工零件族和加工制造技術(shù)要求，利用模塊、組件、部件等，進(jìn)行重排、換元、變形，改變功能，并快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的一種可變機(jī)床系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的方法有兩種：物理層重構(gòu)和邏輯重構(gòu)。物理層重構(gòu)指從系統(tǒng)外新引入一個(gè)元素或從系統(tǒng)內(nèi)部移出一些元素，由一個(gè)部件替換已有部件來(lái)重新定義系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能。邏輯重構(gòu)不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，僅改變生產(chǎn)計(jì)劃方式并實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。具體到可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床，主要是物理層重構(gòu)，依靠模塊化和自適應(yīng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)。

如何滿足設(shè)計(jì)要求，需要系統(tǒng)地分析可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)工程參數(shù)，而設(shè)計(jì)工程參數(shù)的獲取可以通過(guò)智慧風(fēng)暴方式確定[9]。召開(kāi)智慧風(fēng)暴會(huì)議，要求參會(huì)人員必須是可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)人員或目標(biāo)用戶，發(fā)揮出集體智慧，并由專人記錄各方觀點(diǎn)，整理分析出最有價(jià)值的建議。根據(jù)智慧風(fēng)暴會(huì)議確定的可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)工程參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)工程參數(shù)

表1列出了14個(gè)具體化的可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)工程參數(shù)，為了方便參數(shù)化分析，將上述工程參數(shù)分為三類:物理幾何參數(shù)、負(fù)向參數(shù)和正向參數(shù)。物理幾何參數(shù)指機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)，如機(jī)床外形尺寸、加工范圍、加工精度等。正向參數(shù)指如果自身增大，能有效提高可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)性能的參數(shù)，如適應(yīng)性及重構(gòu)性、工作效率、操作舒適度等。負(fù)向參數(shù)指自身越大，對(duì)機(jī)床系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響就越大的參數(shù)，如生成成本、操作時(shí)間、重構(gòu)時(shí)間等。

3.2 功能部件構(gòu)建

可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵是功能部件的模塊化，在構(gòu)建機(jī)床功能模塊之前，需要對(duì)可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床功能模塊進(jìn)行劃分。模塊劃分不單是針對(duì)某一特定產(chǎn)品，而是以一個(gè)產(chǎn)品族進(jìn)行劃分，力求將已有資源最大化利用。功能分析包括對(duì)功能的認(rèn)識(shí)、分析、分解、組合等，對(duì)于數(shù)控機(jī)床這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，可將總功能逐層分解為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)功能，以細(xì)化功能結(jié)構(gòu)，更便于貼近設(shè)計(jì)要求。通過(guò)分析，將主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)、工作臺(tái)分度回轉(zhuǎn)功能、支撐功能和輔助功能這6個(gè)功能劃分為一級(jí)功能單元[10]，之后再將這6個(gè)一級(jí)功能單元細(xì)化為13個(gè)二級(jí)子功能單元，再按照這種分層方式細(xì)化三級(jí)子功能單元，最終得到基本功能單元。功能單元?jiǎng)澐秩鐖D2所示。

圖2 功能單元?jiǎng)澐謭D

經(jīng)過(guò)模塊化劃分的機(jī)床產(chǎn)品能有效降低后續(xù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，更便于維護(hù)和調(diào)試，方便依照客戶需求修改和組合功能模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)床重構(gòu)，完成機(jī)床產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。

3.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)與配置

建立零部件結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)化的基礎(chǔ)。對(duì)基于知識(shí)工程的可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)而言，從知識(shí)庫(kù)、模塊庫(kù)中調(diào)用參數(shù)化模型和推理運(yùn)算規(guī)則信息并加以應(yīng)用，是保障快速設(shè)計(jì)的前提。參數(shù)化設(shè)計(jì)針對(duì)的是機(jī)床功能結(jié)構(gòu)形式相對(duì)比較固定的零部件，通過(guò)一組關(guān)聯(lián)參數(shù)對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸、裝配組合關(guān)系進(jìn)行約束，生成滿足要求的模型方案。建立參數(shù)化模型的主要步驟如下：①分析零部件的尺寸參數(shù)和特征參數(shù)，得到主動(dòng)參數(shù)與從動(dòng)參數(shù)，建立模型之間的參數(shù)化關(guān)系；②建立模型草圖，配置幾何約束關(guān)系；③統(tǒng)一定義模型的屬性，以便調(diào)用零部件信息，使其與物料清單表內(nèi)信息互通；④對(duì)模塊進(jìn)行有效編碼，用編碼方式來(lái)表述零部件信息，避免文字描述的冗余性；⑤模塊配置，即根據(jù)客戶需求系統(tǒng)自動(dòng)檢索對(duì)應(yīng)功能模塊，之后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行組裝。在模塊分類中采用的編碼技術(shù)是一組能完全表征模塊信息的唯一識(shí)別碼，能便于模塊主參數(shù)特征的字符化和代碼化，利于信息的存儲(chǔ)、檢索與共享，編碼方式包括對(duì)模塊本身的編碼和模塊接口的編碼。對(duì)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的模塊特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，可以采用18位主碼來(lái)表征機(jī)床模塊信息，第一位是機(jī)床版本號(hào)，第二、第三位是機(jī)床系列號(hào)，第四、第五位是機(jī)床類別號(hào)，第六、第七位是機(jī)床規(guī)格碼，第八到第十一位是模塊分類碼，第十二到第十七位是模塊特征參數(shù)信息碼，第十八位是備用碼?？芍貥?gòu)數(shù)控機(jī)床模塊配置技術(shù)主要包括模塊選擇與模塊裝配，借助實(shí)例推理，實(shí)現(xiàn)模塊選擇，利用模塊間對(duì)應(yīng)接口，對(duì)比選擇適當(dāng)裝配關(guān)系，獲得三維產(chǎn)品方案，再通過(guò)后續(xù)系統(tǒng)評(píng)價(jià)，輸出滿意結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中，獲得重構(gòu)性高、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)床產(chǎn)品一直是設(shè)計(jì)者的目標(biāo)，但機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，卻讓這一目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。采用基于知識(shí)工程的可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)方法，可以解決這一問(wèn)題?；谥R(shí)工程的可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面由系統(tǒng)登錄界面和參數(shù)設(shè)計(jì)界面組成，參數(shù)設(shè)計(jì)界面僅顯示設(shè)計(jì)主參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)通過(guò)一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系與主參數(shù)建立連接，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)各模塊調(diào)用、裝配與評(píng)價(jià)?？芍貥?gòu)數(shù)控機(jī)床的模塊配置主要涉及模塊選擇與模塊裝配，模塊選擇主要根據(jù)客戶要求，從系統(tǒng)界面設(shè)置主參數(shù)，在系統(tǒng)中對(duì)模塊進(jìn)行檢索和評(píng)價(jià)，選出與用戶期望最符合的模型方案。如果系統(tǒng)中的方案不能滿足設(shè)計(jì)要求，則啟動(dòng)規(guī)則修正模式，對(duì)相近功能模塊進(jìn)行修正，以滿足設(shè)計(jì)要求。模塊裝配將選擇出來(lái)的成熟功能模塊和修正模塊按各模塊之間的接口裝配成符合客戶需求的產(chǎn)品。用戶類型包括項(xiàng)目主管類型和項(xiàng)目成員類型，其中項(xiàng)目主管有權(quán)將系統(tǒng)生成的產(chǎn)品加入系統(tǒng)或刪除，可依據(jù)系統(tǒng)的評(píng)分與自身專業(yè)知識(shí)判斷是否將新生實(shí)例存放于知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)，以擴(kuò)充系統(tǒng)內(nèi)容，供今后使用。

筆者將知識(shí)工程技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)思維和可重構(gòu)思想引入數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的研究中，通過(guò)實(shí)例推理，結(jié)合參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，使設(shè)計(jì)知識(shí)得到積累與再利用。這一方法重構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)計(jì)人員技術(shù)要求低，可有效節(jié)約設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，提高機(jī)床產(chǎn)品的適應(yīng)性與柔性度，為精益、敏捷、柔性化制造發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

[1]顧琪，劉德仿，倪紅軍，等.組合機(jī)床CAD技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（7）：260-261.

[2]劉曦澤.面向復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)方法學(xué)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[3]李浩，祁國(guó)寧，紀(jì)楊建，等.面向服務(wù)的產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法及其展望[J].中國(guó)機(jī)械工程，2013，24（12）：1687-1695.

[4]李建賓，任華麗.實(shí)例淺析數(shù)控車(chē)床智能模塊化設(shè)計(jì)方法[J].科技與企業(yè)，2016（8）：191.

[5]江來(lái)臻，劉永，楊明順，等.基于特征成型方式的可重構(gòu)機(jī)床配置優(yōu)化方法[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2016，38（11）：104-109.

[6]MOON Y M,KOTA S.Design of Reconfigurable Machine Tools[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2002,124（2）:480-483.

[7]YIN Y H,XIE J Y,XU L D，et al.Imaginal Thinking-Based Human-Machine Design Methodology for the Configuration of Reconfigurable Machine Tools[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2012,8（3）:659-668.

[8]曾法力，李愛(ài)平，謝楠，等.基于圖文法的可重構(gòu)機(jī)床配置規(guī)劃方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（4）：581-585.

[9]任工昌，田川，王晨，等.基于TRIZ的可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016（3）：31-34.

[10]瞿一帆，仲梁維，劉士標(biāo).數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].通信電源技術(shù)，2015，32（5）：121-124.