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齒輪加工機床的可重（chóng）構特性（xìng）研究

2018-10-11 來源：南京工業大學（xué）機械與（yǔ）動力工程學院（yuàn）作者：胡浪，洪榮晶，於春（chūn）建（jiàn），丁爽

摘要: 針（zhēn）對傳（chuán）統齒輪加工機床功能單一，無法滿（mǎn）足市場（chǎng）上複（fù）雜多樣齒輪產品加工需求的問題，提出了一種適應多樣性齒輪加工需求的可重構機床，並從多方麵對（duì）齒輪加工機床的可重構特性（xìng）進行研究。通過對齒輪成形原理和常用齒輪（lún）產品加工工藝進行運動分析，根據 FPBS 模（mó）型分解理論將齒輪加工的功能需求映射到機床機械結構; 結合機床結（jié）構設計的經驗和規律，對齒輪加工機床的模塊設計、結構配（pèi）置、重構配置（zhì）方案進行研究。

采用 Solid Works 軟件實現一款齒輪加工可重（chóng）構機床（chuáng）虛擬樣機的設計，並通過評價體係對重構方（fāng）案（àn）進行重構效率（lǜ）評價。結果表明所設計（jì）的齒輪加工（gōng）機床滿足可重構工藝特性，且可重構率較高，配置結（jié）構（gòu）設計合理，滿足齒輪的（de）單機多（duō）樣化加工需求。

關鍵詞: FPBS 模型分解; 模塊設計; 可重構（gòu）設計; 可重構方案評價

0 引言

齒輪產品作為基礎傳動部件，廣泛地應用於各種機（jī）械產品及零（líng）部件之中。經濟全球化以來，產品更新換代加（jiā）快，傳統的齒輪加（jiā）工機床功能單一，無法滿（mǎn）足客戶需求的多樣化和定製化（huà）。研發能（néng）快速響（xiǎng）應市場需（xū）求而實現功能重構的齒輪加工機床（chuáng）有助於機床製造企業在激（jī）烈的市場競爭中脫穎而出。

基於模塊化設（shè）計（jì）基礎上（shàng）發展起（qǐ）來（lái）的可重構概念，為機床產品快速開發提供了新的思（sī）路。國（guó）內外一些學者對可重構機床進行了大（dà）量研究並取得了一係列成果。Katz．Ｒ提出一（yī）些可重構機床的設計準則及其在不同機床配置（zhì）中的應用; Y． Koren通過對可重構及可重構製造係統的研究，提出了一個可重構機床概念設計原型; Abele． E等研究可（kě）重構機床（chuáng）模塊的（de）接口參數對機床性能（néng）的影響; 許虹從可重構機床設計原理及方法學、模塊化設計、全生命周（zhōu）期配置設計等方麵（miàn）進（jìn）行了理論研究; 黃筱調從細化模塊結（jié）構、提高（gāo）機床資源利用率和重構效率出（chū）發設計出（chū）滾、銑（xǐ）可重構主軸加工頭; 李一全通過對車銑微加工係統（tǒng）的深入（rù）研究，設計出兩種應用於主軸模塊和工作台模塊的新型接口; 張（zhāng）浩針（zhēn）對可重構機床模塊配置設計方案優選問題，提出了基於集對分析的多目標綜合評價（jià）方法。

但大多數研究（jiū）內容偏於理論（lùn），或局限（xiàn）於重構（gòu）設計的某一部分，沒有結合實例對可重構機床特性和設計進行係統的研（yán）究。本論文以齒輪加工機床為研究對象，從齒輪加工可重（chóng）構機床設計製（zhì）造的整個過（guò）程，對可重（chóng）構（gòu）機（jī）床的模塊劃分、模塊設計及配置設計和評價方法三方麵進行了研究。通過模塊設計和配置（zhì）設計使可重構機床能在（zài）多種目標功能之間實現轉換。

1 、模塊劃分

合理的模塊劃分是可（kě）重構的實施關鍵，影響著重構產品的性能（néng）、重構過程的複雜性以（yǐ）及模塊的（de）重用度。FPBS是一種（zhǒng）基於功能→原理→行為→結構映射的模型分（fèn）解理論，是機床模塊化分的關鍵理論方（fāng）法。功能、原理、行（háng）為、結構（gòu）代表（biǎo）機床不同方麵的信息，功能（néng）是（shì）對產（chǎn）品滿足客戶需求的特定工作能力的描述，是機床設計的目的; 原理描述實現機床產品功能的（de）工作機（jī）理，是功能（néng）實現的機理; 行為描述實現機床產（chǎn）品功能需要執行的動作，是原理在（zài）運（yùn）動域的體現; 結構描述機床產品的物理組成要素（sù）及其連接關係，是（shì）實現功能的最終（zhōng）實物載體。圖（tú） 1 是滾齒機床基於 FPBS 的模型分解過程。

圖 1 滾齒機床的（de） FPBS 模型分解過程

由功能、原理、行為、結構的關係可看（kàn）出，劃分求解過程是一個功能→原理求解; 原理→行為分析; 原理、行為（wéi）→結構映射; 結構→功能分解的過程。通過模（mó）型分解完成了從功能域向原理域的（de）過渡，原理域向行為域的（de）分解以及行為域向結構域映射，最終（zhōng）實現功能域向的（de）結（jié）構（gòu）模塊的映射。齒輪（lún）作為主要（yào）的機械傳動件在（zài）機械工程中應用非常廣泛。

使用環境的不同使得（dé）齒（chǐ）輪的形（xíng）狀、精度和表麵質量各有差異。在精度要求、加工效率和經濟效益（yì）等的驅使（shǐ）下不同齒輪選擇不同的加工工藝。

基於FPBS 模型分解原理，對滾齒（chǐ）、銑齒和磨齒加工（gōng）工藝分解到行為域（yù），結果如表 1 所示，表中表（biǎo）示各功能模型行為（wéi）域的需求; 1 表（biǎo）示需要相（xiàng）應行為（wéi）自（zì）由度; 0 表示不需要。

表 1 功能模型分解

表（biǎo）中為各機床功能域分解到行為域的行（háng）為需（xū）求，行為需求映射到結構域即（jí）為（wéi）物理模塊。在不同功能的機床中，相同行為需求映射到結構域不一定對應相同模塊，行為域映射到結構（gòu）域的差異即為功能重構時實現模塊替換的原因所在。圖 2 為可重構機床理論設計過程，由（yóu）功（gōng）能域向行為域分解，求（qiú）解出自由度需求（qiú）; 再（zài）由行為域向結構域映射，設計出結構（gòu）模塊; 再通過模塊組合形成物理機床。通過分析各目標機床的模塊需求，進行模塊替換和增減實現機床的重構過程。

圖 2 可重構機床理論設計過程

2 、配置設計及模塊設計

在產品（pǐn）概念設計（jì）中功能屬於抽象層，是設計者主觀意圖（tú）的載體; 結構屬於物理層，是（shì）功能實現的物理載體。可重構機床的設計目的為實現功能的可轉換，途徑是通過（guò）對結構模（mó）塊的變更。機床重構過程的實質是以模塊為基礎，對機床通過多個存在模塊結構的增減和替換，重新配置成（chéng）滿足相應需求功能的機床的過程。模塊（kuài）設計和配置設計成為可重構機床設計的重要環節。

2． 1 配置設計

配置不是簡（jiǎn）單的（de）模（mó）塊重組，它還是一個結構再設計過程。對各功能模型進行合理的（de）配置（zhì）設（shè）計將提高機床的重構效率和重用度，在保障功能的基礎上最大限度的（de）提高資源的利用率。

如（rú）何配置機床結構使機床實現高加工（gōng）效率、高級精度和高生態效率又能減少重構資源投入、提高模塊重用（yòng）度，是進行功能重構快速響應市場的需求變化的關鍵所（suǒ）在。機床結構配置需綜合（hé）考慮重構成本、可（kě）裝配性、可拆卸性、重構效率等。

行為需（xū）求與結構之間（jiān）的映射並不是唯一，相同的行為需求通過不同的設計方案可以（yǐ）配置出不同的（de）結構。合理的配置（zhì）設計既要考慮各種工藝特點又要考慮重構效率。結（jié）合機床結構設計經驗，為減少重構時間、提高模塊重用度，將目標機床統一設置為某一種結構，例如將四自由度設計為（wéi）ＲLLＲ配置結構，如圖 3; 五自由度機床設計為ＲLLLＲ配置結（jié）構（gòu）如圖 4。通過標準化設計，通過模塊添加來實現重構。

圖 4 ＲLLLＲ機床結構配置

2． 2 模塊設計

通過（guò） FPBS 的產品模型分解（jiě）和（hé）結構配（pèi）置設計得（dé）到的模塊結（jié）構保證了功能之間（jiān）的獨立性，但沒有解決重構過程中模塊替換、組合、裝配的幹涉等問題（tí）。模塊（kuài）計（jì）是保障機床重構得以實施的基礎。模（mó）塊設計的目的是（shì）確保模塊替換和（hé）增減的順利實施以及替換後的機床能順利的實現相應的功能。模塊設計包（bāo）括模塊（kuài）結構設（shè）計和接口設計

模塊結構設計（jì）是為（wéi）了（le）滿足實現功（gōng）能轉換的要求（qiú），不同加工工藝的受力不同，在進行模塊設計時應綜（zōng）合考慮各（gè）種工況，以性（xìng）能最高的要求為準則進行模塊設計，以一定的性能冗餘（yú），確保轉換後的機床能夠（gòu）實現相應的功能。

接口設計包含接口標準化和（hé）冗餘接口設計: 為了確保模塊（kuài）替換後各模塊得（dé）以重新（xīn）配合，對特定接口進行標準化; 出於（yú）機床結構的限製和設計要求，采用原來的接口不能很好的滿足設計要求時（shí）就需要設計冗餘接口。圖 5 為通過（guò）接口標準化和冗餘接口設（shè）置實（shí）現重構的過程，通過立柱與 Y 軸（zhóu）托板的導軌型號（hào）、導軌間距和絲杠螺母座的標準化實現模塊增減時順利配合; 出於機床結構緊（jǐn）湊要求，通過冗餘接口設計使得重構前後主軸托板由（yóu）中心驅動變為偏心驅動（dòng）機床（chuáng）結構（gòu）更加緊湊（còu）。

圖（tú） 5 接口標準化和冗餘接口設（shè）計

3 、實例（lì）分析和配置方案評價

3． 1 實例分析

在（zài）常（cháng）見齒輪加工工藝的研究分析的基礎上，借助solidworks 實現了一款滾、銑（xǐ）、磨可重構齒（chǐ）輪加工機床虛擬樣機設計。通（tōng）過滾、銑、磨齒機床的（de）模型分解、模塊設計（jì）和配置設計形（xíng）成可重構機床（chuáng）模塊庫，模塊庫中的（de）模塊可以細（xì）分為公共模塊、專有模塊和（hé）可擴展模（mó）塊。公共模塊是可重構機床重構實現（xiàn）前後機床都公用的機床模塊; 專有模塊為可重構機床某一特定功能所（suǒ）特有的模（mó）塊; 可擴展模塊是重構實現前（qián）後功能擴展部（bù）分的模（mó）塊。

這幾種模（mó）塊在重構過程中分（fèn）別對應模塊複用，模塊替換和模塊擴展。表 2 為借助 solidworks 設計的可重構機床（chuáng）模塊（kuài），公共模塊有: 轉台模（mó）塊、床（chuáng）身模塊、立柱（zhù）模塊和主軸托（tuō）板模塊; 專有模塊是各主軸模塊; 擴展模塊是 Y 軸托（tuō）板模塊。

表 2 可重構機床（chuáng）模塊

通過表 2 中（zhōng）公（gōng）共模塊的，專有模塊和擴展模塊（kuài）的選用實現以下功能的（de）機床（chuáng）配置: 圖 6 為成形（xíng）銑齒機; 圖7 為滾齒機床示（shì）意（yì）圖; 圖 8 為磨齒機床; 圖 9 為五軸加工中心，在滾齒（chǐ）機床的基礎上通過擴展模塊的增添和專用模塊道的刀具替換實現重構。

圖 6 成形銑齒機

圖 7 滾齒機床

圖 8 磨齒機

圖 9 五軸加工中心

3． 2 可重（chóng）構（gòu）機床配置方案評價

可重構機（jī）床的可重（chóng）構效率和模塊複用率是評價可重構設計（jì）的關鍵因素。針對模塊複用率的評價問題引入（rù）集（jí）對分析進行（háng）分析。分（fèn）析過程如下（xià）: 結構配置 A 對應（yīng）功能需求 1，結構配置 B 對應功（gōng）能需（xū）求 2，對兩種配置的進行分析，得到模塊參數 N ，N = S + E + D 。其中 S 為兩配置中複用模塊的個數，E 為兩（liǎng）配置中（zhōng）擴展模塊的個數（shù），D 為專有模塊的個數（shù），則兩種配置的聯係度為:

在 n 種係統配置中聯係度越（yuè）高的配置，在重構過程投入的成本（běn）越少，重構效率也越高。由此可知，整個可重構係統（tǒng）的重構效（xiào）率（lǜ），取決於配置係（xì）統（tǒng）內機床（chuáng）與（yǔ）機床的之間的共有結構、對立結構和擴展結構的個數。針對以上可重構機（jī）床配置方案，運用集對分析此重（chóng）構機床的重構效率。由於模塊（kuài）替換需要用新模塊替換舊（jiù）模（mó）塊，故取對立度係數 j = 0 ，差異度係（xì）數（shù） i =0． 5。四（sì）種加工機床（chuáng）模型之間的重構策略有 C24種（zhǒng）。成形銑齒機和滾齒（chǐ）機的聯係度為 0． 8; 銑齒機和磨齒機以及滾齒機和磨齒機聯係度為（wéi） 0． 58; 滾齒機和五軸加工中心的聯係度為 0． 917; 銑齒機和五軸加工中心的聯係度為 0． 58; 磨齒機和（hé）五軸加工中（zhōng）心的聯係（xì）度為0． 83，得到整個配置的聯係度 μ ：

整個重構機（jī）床配（pèi）置設計重構率可達 0． 715，模塊複用度比較高，配置（zhì）設計合理。

4 、結束（shù）語

本文通（tōng）過對齒輪加工工（gōng）藝和可重構機床的研究設計出了一種麵向（xiàng）齒（chǐ）輪（lún）加工的可重構機床（chuáng）模型。利用FPBS 模型分解理（lǐ）論（lùn）將不同功能需求映射成模塊結構需（xū）求，通過模塊設計和配置設計建立可重構機床模塊庫，在此基礎上通過模塊組合配置不同功能需求（qiú）的（de）機床，不同（tóng）機床（chuáng）模型可（kě）以通過模塊替換、擴展和剪（jiǎn）切來相互轉換。

並提出了運用集對分析來評價可重構機床重構效率的，聯（lián）係度越（yuè）高的可重（chóng）構配置方案模塊複用度越高，相應的重構效率和（hé）重構（gòu）過程中的資源投入越少（shǎo）。

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