機床是制造工業的基礎裝備，它的技術水平直接影響到制造業的發展。當前，以加工中心為代表的數控機床已成為工業發達國家普遍采用的現代化制造車間的加工單元。從普通機床發展到數控機床，是機床在傳動和結構方面的一次飛躍，與此相適應，數控機床在其結構設計方面也必然要求有新的設計方法和理論來指導。現代數控機床的結構設計有以下一些特點：
　　
　　數控機床中有不少獨立的功能單元，如導軌件、絲杠副、冷卻、潤滑、驅動、控制、檢測裝置等。這一特點使其適應于模塊化設計方法；
　　
　　數控機床的加工要求向高速、高精度方向發展。要求機床結構具有高剛度、高可靠性，機床各部件的結構動、靜態特性成為設計的主要矛盾；
　　
　　數控機床的傳動控制上，用電機變速代替機械變速，用計算機數控代替了內傳動鏈和靠模來保證各軸之間的運動關系，使得機床的功能設計原理大為簡化；
　　
　　市場競爭和市場需求的多變要求機床產品功能強、性能好、成本低，制造周期短。
　　
　　機床的功能及性能往往和成本相矛盾，而產品總成本的75%以上及產品的性能在設計階段就己經確定，所以應通過改進設計來提高產品的質量和性能并降低其成本。模塊化設計技術正是解決這一矛盾的的重要手段。在數控機床的概念設計階段，用模塊化的構思構造出模塊化的數控機床產品系列，可以提高產品開發速度，快速響應市場需求。
　　
　　1概念設計系統模型
　　
　　根據Pahl和Beitz對概念設計的描述，在概念設計階段首先要明確設計任務，通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的作用原理及求解實現功能的結構載體方案。針對模塊化數控機床，設計各階段的任務及設計方案的形成過程可分為：
　　
　　需求分析：在建立產品的功能模型的基礎上將用戶需求轉化為用戶功能需求；
　　
　　功能分析、分解：通過分析機床的運動，將總功能逐級分解為分功能（或子功能），建立數控機床的功能結構，產生機床運動功能方案解；
　　
　　結構方案求解：通過<功能、結構>映射尋求實現功能的結構載體，根據運動分配、布局的設計，產生機床的結構布局方案，同時可進行機床結構、外形尺寸的初步規劃；
　　
　　結構動、靜剛度分析和優化；
　　
　　詳細結構設計；
　　
　　在基型設計的基礎上，進行機床的變型設計、系列化設計，以模塊化的產品系列，快速響應市場需求。
　　
　　事實上，上述的機床產品設計各階段之間并無明顯的界限，各個階段的不斷重復在整個設計過程中都存在。廣義的概念設計包含了產品在詳細設計之前的各個設計環節，完成產品的功能設計、原理設計、形狀布局及初步的結構設計。通過分析數控機床概念設計的任務和經歷的過程，本文建立的模塊化數控機床概念設計系統模型。該系統模型分為功能域、結構域和評價域三個子模型。
　　
　　功能域：通過功能定義、功能分析，建立機床的功能結構；
　　
　　結構域：進行模塊結構的創建；
　　
　　評價域：評價設計方案的優劣，選擇*的設計方案。
　　
　　在設計求解的過程中需要相應的設計知識，設計規則和算法的支持，因此，要建立設計知識庫、數據庫及圖形庫等作為設計的基礎。
　　
　　2概念設計過程中廣義映射的概念
　　
　　系統模型中，zui為關鍵的過程為從功能域到結構域的映射求解，即實現<功能、結構>映射。本文提出廣義映射的概念和方法來實現模塊化數控機床概念設計中的這一重要環節。
　　
　　在模塊化設計中，設計對象的功能表示向模塊結構演變過程中存在著映射關系，即以一定的結構實現相應的產品功能。當然，這種映射不是簡單的一對一的對應，而是功能模型的信息通過數學、物理及概念層的運算和轉化，體現概念設計過程中設計思維的發散、轉換和綜合等特性，為此，可稱之為廣義映射。廣義映射具有如下特征：
　　
　　廣義映射的概念不僅有功能要求與結構載體之間的一一對應關系，還包括一對多，多對多、多對一的關系，如分解、聚集或組合映射；
　　
　　相應于概念設計的多層次、分階段的演進過程，廣義映射也是分層進行的；
　　
　　通過建立功能域及結構域信息的數據模型，可應用數學工具，進行特征信息的映射；
　　
　　廣義映射的規則須在建立設計對象概念模型的基礎上進行定義。映射需要設計知識庫、數據庫的支持。
　　
　　3廣義映射中產品模型的演變
　　
　　通過對機床產品設計開發過程的分析，用面向對象的方法建立功能、結構映射求解的過程模型。模塊結構求解過程中生成三種模型。
　　
　　模型I，運動功能模型：
　　
　　機床的運動功能布局，描述為一系列運動單元的組成的鏈。以字符有序組來表示為：W（m1，m2，o，m3，m4，Cp）T，m1～4代表機床能夠完成的各個進給運動，Cp代表主運動，“o”表示固定基礎。有序組的排列對應于運動功能的分配及完成的順序。工件和刀具所完成的運動分別以矩陣W，T表示。
　　
　　模型II：結構布局模型
　　
　　在這一模型中以原型特征來表達機床結構布局。原型特征所表達的是各部分結構的對外聯接關系、空間幾何形狀和概略的空間尺寸，其抽象程度介于功能抽象層和結構實體層之間。本文在考查大量機床結構實例的基礎上，通過描述結構要素的主要構形而忽略結構細節，歸納和抽象出具有較強概念表達能力的一系列結構原型特征。
　　
　　機床結構布局方案描述為結構原型特征集合：
　　
　　MACHINE={SPF1，SPF2，SPF3，……，SPFn}
　　
　　結構原型特征SPF由基本特征單元EF的集合組織成具體的結構模塊，可表示為：
　　
　　SPF=，
　　
　　式中，∪EF為特征單元集，SID為標志號。BOX是其幾何包圍盒，以長度矢量及原點全局坐標組成的復合向量<（X0，Y0，Z0），（L，H，W）>表示，代表了原型特征所占據的空間尺寸。∪R是特征單元之間的關聯關系集合。
　　
　　特征單元EF所包含的信息可以描述為：
　　
　　EF=
　　
　　其中，EID為標志號，CLASS為單元類型，CLASS∈{MOVE，ROTATE，FIX}，MLST是功能面的集合；PSH則為其關聯圖形（圖像）指針；EBOX代表特征尺寸和位置的復合向量<（x0，y0，z0），（l，h，w）>。結構特征通過單元功能面是進行裝配，功能面屬性包括面類型，面方位矢量等。
　　
　　模型III，模塊模型：
　　
　　由功能信息模型、結構信息模型、裝配信息模型和管理信息模型綜合而成。
　　
　　功能信息模型：反映模塊的主要功能信息，是模塊創建和模塊選取的主要依據；
　　
　　結構信息模型：模塊的結構由下一級的分模塊結構相互間的關聯和一定的空間位置描述聚集而成。包含反映模塊的主要結構和特征的尺寸；
　　
　　裝配信息模型：描述模塊的的外部特征，即模塊接口的特性。模塊的接口是判斷兩模塊能否組合，建立結構關聯的依據，進行模塊互換時，也必須保證接口特征的一致；
　　
　　管理信息模型：描述模塊的狀態，記錄管理模塊所必須信息。
　　
　　4廣義映射過程的步驟和方法
　　
　　廣義映射過程中從設計需求到機床的模塊化結構方案的生成，經歷以下三步映射，實現前述三種模型的演變，其具體步驟與方法如下所述。
　　
　　映射I，設計需求→運動功能模型
　　
　　根據用戶的設計需求信息，經過功能分析可建立機床的功能結構，再依據功能結構建立運動功能對象集MS={Move1，Move2，…，Moven}，以此可以建立工件和刀具運動的數學模型。
　　
　　WT——刀具與工件位姿關系；TRi——運動i的行程要求，（i=1,2,…,6）
　　
　　WT由工件和刀具的運動矩陣求解：
　　
　　WT=PWW+PTT
　　
　　W：工件的運動矩陣；T：刀具的運動矩陣；PW，PT：工件和刀具的運動轉換矩陣。
　　
　　顯然，刀具及工件的運動反求結果為多種方案。一組PW，PT對應加工成型運動在刀具和工件之間分配及排序的方案。例如某一運動功能解為：
　　
　　W（RZ，X，Y，O，Z，Cp）T
　　
　　映射II：運動功能模型→機床結構布局
　　
　　這一步映射是要根據模型%%，求解由一系列結構原型的有機組合而構成結構布局方案。創建結構布局需確定結構原型的類型及其空間包圍盒，并建立特征單元之間的關系矩陣"*。一旦確定各原型結構和它們的空間位置及尺寸，機床的結構布局方案就產生了。過程中經歷的步驟有：
　　
　　在模型I中取取刀具和工件之間綜合相對運動節點對象，取工件中心設置全局坐標原點，并根據刀具運動信息確定刀具頂點的空間位置。
　　
　　分別循綜合運動和固定基礎之間形成的兩條單向運動傳遞鏈，對各運動功能結點，根據其功能模型（類型和子功能集）實例化相應的運動部件、支撐驅動部件、支撐基礎及傳動結構特征等結構原型特征模型，并進行初始化。這一步映射時運動功能域的信息集合到結構特征單元集合的映射。
　　
　　設定各原型結構的接口功能面的方位向量和屬性值；
　　
　　建立特征單元集中各元素之間的關系矩陣*，同時判斷特征單元之間的組合的可能性；
　　
　　設定各原型結構的幾何包圍盒復合向量，其中尺寸向量的傳遞方向是從工件刀具綜合相對運動節點向固定基礎節點的方向。
　　
　　映射III：機床布局原型結構→模塊模型
　　
　　根據模塊創建的原則，為實現機床各模塊間功能和結構的獨立性，應將相互間關系緊密的結構特征聚集成同一模塊。模型II中原型結構特征是面向功能的實現對實際結構的抽象，其模型包含了結構特征的功能、空間尺寸和裝配關系等信息，其中的關系集合∪R可以作為結構相關性的衡量基礎。
　　
　　模型II中原型特征由特征單元集合構成，原型特征之間的關聯通過它們包含的特征單元之間的關系REL實現。對不同類型的關系，根據模塊創建原則賦以不同的值r代表不同的相關程度。對原型結構SPF1和SPF2之間的相關程度確定一個相關系數X1,2來表示，，k表示關系的個數。
　　
　　根據原型結構間的相關系數Xi,j，可建立相關矩陣X，Y為一對稱矩陣，主對角線上的元素設為0，元素Xi,j兩代表原型結構SPFi，SPFj之間的相關度，矩陣建立之后，采用一種聚簇收斂算法進行處理，得到的新矩陣X*表現為值較大的元素沿主對角線聚簇的狀態。例如：關系矩陣X轉化為X*：
　　
　　X*中元素的值聚簇在主對角線周圍，于是可以如上面的兩個實線方框，將特征原型分為兩組，構造兩個模塊M1，M2。方框所圍住的子矩陣，構成模塊內各結構的關系矩陣；虛線框內的元素，表示M1和M2之間的裝配關系，虛線框圍成的矩陣正標志著模塊的接口。產生的機床模塊方案，保證了模塊內部結構間的緊密結合，同時使模塊間的接口關系盡量簡化。
　　
　　5系統開發及設計實例
　　
　　本文基于系統模型，以,MicroSoftVisuleC++為開發工具，在Windows系統平臺下，針對加工中心類數控機床開發了模塊化結構概念設計系統，并通過三維CAD平臺AutodeskMechanicalDesktop的二次開發接口ObjectArx及McadAPI，開發了從機床結構概念設計方案到模塊結構實體創建的轉換工具。系統運行的實例如：
　　
　　基本設計要求信息為：（靜柱式臥式加工中心）+（規格630×630mm）+工件zui大高500mm）+（運動要求X：700；Y：700；Z：700；RZ：繞Z軸的回轉運動）+（承受重載荷，快移速度為30～60m/min，要進行大功率、高速切削）；
　　
　　通過功能分析及運動方案求解工具求得可行方案，根據第二種方案，映射機床布局方案，進一步，將機床結構劃分為四個模塊：床身模塊，立柱模塊、工作臺模塊和主軸單元模塊。