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結構化分解驅動的加工中心設計過程規劃
閱讀：123 發布時間：2020-8-12文章預覽：
隨著高鐵、汽車等制造業的快速發展，導致對高精度、高可靠性的數控加工中心尤其是加工中心的需求不斷攀升，市場需求的多變還要求加工中心不僅功能強大，而且開發周期短、成本低。目前國內外學者對加工中心等復雜數控加工中心的設計過程的研究主要在產品模塊化設計、產品配置過程規劃、產品的優化設計技術等方面，如德國卡爾斯魯厄大學的Fleischer等[1]提出了基于多體仿真與組件壽命預測的面向生命周期的加工中心組件選型配置方法;裘樂淼等[2]研究了基于數據流圖的產品配置過程任務建模，通過重組配置任務，實現了產品配置過程的規劃;英國布魯內爾的HuO等[3]提出整體集成的動態建模方法，并將其應用到超精密的微型銑削加工中心的設計上;Zhang等[4]通過對模塊選擇算法的研究更好的實現了數控加工中心的模塊化設計;徐敬華等[5 ]利用“屬性——模塊——模板"的映射將數控加工中心的設計拓展到“布局域——選配域——變異域"，提出了一種多域互用的數控加工中心模塊化設計方法;Feng等[6]通過對立式加工中心的靜態剛度和動態剛度進行分析計算，提出了 一種基于剛度的優化設計方法;Liu等[7]應用仿生設計方法對龍門加工中心的柱結構進行優化設計以提高加工中心的加工精度;文獻[8-9]將人機工程學應用到了數控加工中心的設計上，提高了加工中心的人性化設計。
但由于加工中心的日益大型化、復雜化，導致其設計過程是一項耦合度高且迭代次數多的系統工程，結構之間內部及外部的復雜耦合關系嚴重影響著設計效率，整體設計難度不斷加大，增加了設計過程迭代次數，使產品的開發周期延長，影響了企業快速響應市場要求的能力。針對上述問題，在已有研究的基礎上，以加工中心的功能運動為核心，采用FMA結構化分解[1(M1 ]對加工中心的運動功能進
行設計分解，以通過簡單的轉動或移動元動作來保證整個數控加工中心總功能的實現，在考慮各設計單元間耦合關系的前提下，給出加工中心基于FMA結構化分解方法的設計過程規劃流程，同時以設計結構矩陣為工具來研究設計結構單元之間的耦合，并通過耦合矩陣的割裂規劃實現加工中心設計過程的優化。
加工中心的整機功能如銑削、鉆削等都是通過基本動作的傳遞實現的，動作是實現功能及運動的基礎，故障和失效也都能體現在動作上，因此從運動功能的角度進行加工中心的設計，更容易保證加工中心的功能要求，如運動精度、可靠性等。因此利用FMA結構化分解將加工中心按照“功能（Function)-運動（Motion)-動作（Action) "的基本原則進行設計分解，針對客戶需求確定加工中心的總功能，將總功能分解為一系列子功能，然后用一系列的運動來保證各個子功能的精確實現，運動再進一步分解為更為簡單的動作，構建“產品-子功能-運動-動作"的設計分解模型，如圖1所示。
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結束語：
1) 從加工中心的設計開發角度入手，利用FMA結構化分解將加工中心按照“功能-運動-動作"的順序進行逐層分解，得到一系列元動作設計結構單元，在考慮設計單元耦合關系的基礎上，提出了加工中心基于FMA結構化分解的設計過程規劃流程，將整個加工中心的設計過程從原來以零部件體系為基礎的靜態設計過程轉為以產品功能運動為基礎的動態設計過程。從組成加工中心小的運動單元-元動作入手進行結構設計，不僅簡單易行，而且有助于保證各個設計單元的動態質量特性，為提高整個加工中心的動態精度及可靠性等奠定基礎，這也是本文的主要創新點；
2) 利用設計結構矩陣，綜合可變性與敏感性雙重指標量化了設計單元間的耦合程度，并通過設計結構矩陣的割裂規劃確定了設計單元合理的設計順序，實現了設計過程規劃，雖然沒有真正意義上實現加工中心的解耦設計，但可以大大減少設計過程中的耦合迭代次數，為后續的設計工作提供了良好的基礎。