機床是制造工業(yè)的基礎(chǔ)裝備，它的技術(shù)水平直接影響到制造業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前，以加工中心為代表的數(shù)控機床已成為工業(yè)發(fā)達國家普遍采用的現(xiàn)代化制造車間的加工單元。從普通機床發(fā)展到數(shù)控機床，是機床在傳動和結(jié)構(gòu)方面的一次飛躍，與此相適應(yīng)，數(shù)控機床在其結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也必然要求有新的設(shè)計方法和理論來指導(dǎo)。現(xiàn)代數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計有以下一些特點：
　　
　　數(shù)控機床中有不少獨立的功能單元，如導(dǎo)軌件、絲杠副、冷卻、潤滑、驅(qū)動、控制、檢測裝置等。這一特點使其適應(yīng)于模塊化設(shè)計方法；
　　
　　數(shù)控機床的加工要求向高速、高精度方向發(fā)展。要求機床結(jié)構(gòu)具有高剛度、高可靠性，機床各部件的結(jié)構(gòu)動、靜態(tài)特性成為設(shè)計的主要矛盾；
　　
　　數(shù)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(shù)控代替了內(nèi)傳動鏈和靠模來保證各軸之間的運動關(guān)系，使得機床的功能設(shè)計原理大為簡化；
　　
　　市場競爭和市場需求的多變要求機床產(chǎn)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(chǎn)品總成本的75%以上及產(chǎn)品的性能在設(shè)計階段就己經(jīng)確定，所以應(yīng)通過改進設(shè)計來提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能并降低其成本。模塊化設(shè)計技術(shù)正是解決這一矛盾的的重要手段。在數(shù)控機床的概念設(shè)計階段，用模塊化的構(gòu)思構(gòu)造出模塊化的數(shù)控機床產(chǎn)品系列，可以提高產(chǎn)品開發(fā)速度，快速響應(yīng)市場需求。
　　
　　1概念設(shè)計系統(tǒng)模型
　　
　　根據(jù)Pahl和Beitz對概念設(shè)計的描述，在概念設(shè)計階段首先要明確設(shè)計任務(wù)，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑扒蠼鈱崿F(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)載體方案。針對模塊化數(shù)控機床，設(shè)計各階段的任務(wù)及設(shè)計方案的形成過程可分為：
　　
　　需求分析：在建立產(chǎn)品的功能模型的基礎(chǔ)上將用戶需求轉(zhuǎn)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(shù)控機床的功能結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生機床運動功能方案解；
　　
　　結(jié)構(gòu)方案求解：通過<功能、結(jié)構(gòu)>映射尋求實現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)載體，根據(jù)運動分配、布局的設(shè)計，產(chǎn)生機床的結(jié)構(gòu)布局方案，同時可進行機床結(jié)構(gòu)、外形尺寸的初步規(guī)劃；
　　
　　結(jié)構(gòu)動、靜剛度分析和優(yōu)化；
　　
　　詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計；
　　
　　在基型設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行機床的變型設(shè)計、系列化設(shè)計，以模塊化的產(chǎn)品系列，快速響應(yīng)市場需求。
　　
　　事實上，上述的機床產(chǎn)品設(shè)計各階段之間并無明顯的界限，各個階段的不斷重復(fù)在整個設(shè)計過程中都存在。廣義的概念設(shè)計包含了產(chǎn)品在詳細(xì)設(shè)計之前的各個設(shè)計環(huán)節(jié)，完成產(chǎn)品的功能設(shè)計、原理設(shè)計、形狀布局及初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過分析數(shù)控機床概念設(shè)計的任務(wù)和經(jīng)歷的過程，本文建立的模塊化數(shù)控機床概念設(shè)計系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)模型分為功能域、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；
　　
　　結(jié)構(gòu)域：進行模塊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建；
　　
　　評價域：評價設(shè)計方案的優(yōu)劣，選擇*的設(shè)計方案。
　　
　　在設(shè)計求解的過程中需要相應(yīng)的設(shè)計知識，設(shè)計規(guī)則和算法的支持，因此，要建立設(shè)計知識庫、數(shù)據(jù)庫及圖形庫等作為設(shè)計的基礎(chǔ)。
　　
　　2概念設(shè)計過程中廣義映射的概念
　　
　　系統(tǒng)模型中，zui為關(guān)鍵的過程為從功能域到結(jié)構(gòu)域的映射求解，即實現(xiàn)<功能、結(jié)構(gòu)>映射。本文提出廣義映射的概念和方法來實現(xiàn)模塊化數(shù)控機床概念設(shè)計中的這一重要環(huán)節(jié)。
　　
　　在模塊化設(shè)計中，設(shè)計對象的功能表示向模塊結(jié)構(gòu)演變過程中存在著映射關(guān)系，即以一定的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相應(yīng)的產(chǎn)品功能。當(dāng)然，這種映射不是簡單的一對一的對應(yīng)，而是功能模型的信息通過數(shù)學(xué)、物理及概念層的運算和轉(zhuǎn)化，體現(xiàn)概念設(shè)計過程中設(shè)計思維的發(fā)散、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)載體之間的一一對應(yīng)關(guān)系，還包括一對多，多對多、多對一的關(guān)系，如分解、聚集或組合映射；
　　
　　相應(yīng)于概念設(shè)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(jié)構(gòu)域信息的數(shù)據(jù)模型，可應(yīng)用數(shù)學(xué)工具，進行特征信息的映射；
　　
　　廣義映射的規(guī)則須在建立設(shè)計對象概念模型的基礎(chǔ)上進行定義。映射需要設(shè)計知識庫、數(shù)據(jù)庫的支持。
　　
　　3廣義映射中產(chǎn)品模型的演變
　　
　　通過對機床產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的分析，用面向?qū)ο蟮姆椒ń⒐δ?、結(jié)構(gòu)映射求解的過程模型。模塊結(jié)構(gòu)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(chǔ)。有序組的排列對應(yīng)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(jié)構(gòu)布局模型
　　
　　在這一模型中以原型特征來表達機床結(jié)構(gòu)布局。原型特征所表達的是各部分結(jié)構(gòu)的對外聯(lián)接關(guān)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(jié)構(gòu)實體層之間。本文在考查大量機床結(jié)構(gòu)實例的基礎(chǔ)上，通過描述結(jié)構(gòu)要素的主要構(gòu)形而忽略結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，歸納和抽象出具有較強概念表達能力的一系列結(jié)構(gòu)原型特征。
　　
　　機床結(jié)構(gòu)布局方案描述為結(jié)構(gòu)原型特征集合：
　　
　　MACHINE={SPF1，SPF2，SPF3，……，SPFn}
　　
　　結(jié)構(gòu)原型特征SPF由基本特征單元EF的集合組織成具體的結(jié)構(gòu)模塊，可表示為：
　　
　　SPF=，
　　
　　式中，∪EF為特征單元集，SID為標(biāo)志號。BOX是其幾何包圍盒，以長度矢量及原點全局坐標(biāo)組成的復(fù)合向量<（X0，Y0，Z0），（L，H，W）>表示，代表了原型特征所占據(jù)的空間尺寸。∪R是特征單元之間的關(guān)聯(lián)關(guān)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(biāo)志號，CLASS為單元類型，CLASS∈{MOVE，ROTATE，F(xiàn)IX}，MLST是功能面的集合；PSH則為其關(guān)聯(lián)圖形（圖像）指針；EBOX代表特征尺寸和位置的復(fù)合向量<（x0，y0，z0），（l，h，w）>。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chuàng)建和模塊選取的主要依據(jù)；
　　
　　結(jié)構(gòu)信息模型：模塊的結(jié)構(gòu)由下一級的分模塊結(jié)構(gòu)相互間的關(guān)聯(lián)和一定的空間位置描述聚集而成。包含反映模塊的主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的依據(jù)，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(tài)，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(shè)計需求到機床的模塊化結(jié)構(gòu)方案的生成，經(jīng)歷以下三步映射，實現(xiàn)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(shè)計需求→運動功能模型
　　
　　根據(jù)用戶的設(shè)計需求信息，經(jīng)過功能分析可建立機床的功能結(jié)構(gòu)，再依據(jù)功能結(jié)構(gòu)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(shù)學(xué)模型。
　　
　　WT——刀具與工件位姿關(guān)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(zhuǎn)換矩陣。
　　
　　顯然，刀具及工件的運動反求結(jié)果為多種方案。一組PW，PT對應(yīng)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(jié)構(gòu)布局
　　
　　這一步映射是要根據(jù)模型%%，求解由一系列結(jié)構(gòu)原型的有機組合而構(gòu)成結(jié)構(gòu)布局方案。創(chuàng)建結(jié)構(gòu)布局需確定結(jié)構(gòu)原型的類型及其空間包圍盒，并建立特征單元之間的關(guān)系矩陣"*。一旦確定各原型結(jié)構(gòu)和它們的空間位置及尺寸，機床的結(jié)構(gòu)布局方案就產(chǎn)生了。過程中經(jīng)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(jié)點對象，取工件中心設(shè)置全局坐標(biāo)原點，并根據(jù)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(chǔ)之間形成的兩條單向運動傳遞鏈，對各運動功能結(jié)點，根據(jù)其功能模型（類型和子功能集）實例化相應(yīng)的運動部件、支撐驅(qū)動部件、支撐基礎(chǔ)及傳動結(jié)構(gòu)特征等結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征單元集合的映射。
　　
　　設(shè)定各原型結(jié)構(gòu)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(guān)系矩陣*，同時判斷特征單元之間的組合的可能性；
　　
　　設(shè)定各原型結(jié)構(gòu)的幾何包圍盒復(fù)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(jié)點向固定基礎(chǔ)節(jié)點的方向。
　　
　　映射III：機床布局原型結(jié)構(gòu)→模塊模型
　　
　　根據(jù)模塊創(chuàng)建的原則，為實現(xiàn)機床各模塊間功能和結(jié)構(gòu)的獨立性，應(yīng)將相互間關(guān)系緊密的結(jié)構(gòu)特征聚集成同一模塊。模型II中原型結(jié)構(gòu)特征是面向功能的實現(xiàn)對實際結(jié)構(gòu)的抽象，其模型包含了結(jié)構(gòu)特征的功能、空間尺寸和裝配關(guān)系等信息，其中的關(guān)系集合∪R可以作為結(jié)構(gòu)相關(guān)性的衡量基礎(chǔ)。
　　
　　模型II中原型特征由特征單元集合構(gòu)成，原型特征之間的關(guān)聯(lián)通過它們包含的特征單元之間的關(guān)系REL實現(xiàn)。對不同類型的關(guān)系，根據(jù)模塊創(chuàng)建原則賦以不同的值r代表不同的相關(guān)程度。對原型結(jié)構(gòu)SPF1和SPF2之間的相關(guān)程度確定一個相關(guān)系數(shù)X1,2來表示，，k表示關(guān)系的個數(shù)。
　　
　　根據(jù)原型結(jié)構(gòu)間的相關(guān)系數(shù)Xi,j，可建立相關(guān)矩陣X，Y為一對稱矩陣，主對角線上的元素設(shè)為0，元素Xi,j兩代表原型結(jié)構(gòu)SPFi，SPFj之間的相關(guān)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(xiàn)為值較大的元素沿主對角線聚簇的狀態(tài)。例如：關(guān)系矩陣X轉(zhuǎn)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(gòu)造兩個模塊M1，M2。方框所圍住的子矩陣，構(gòu)成模塊內(nèi)各結(jié)構(gòu)的關(guān)系矩陣；虛線框內(nèi)的元素，表示M1和M2之間的裝配關(guān)系，虛線框圍成的矩陣正標(biāo)志著模塊的接口。產(chǎn)生的機床模塊方案，保證了模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)間的緊密結(jié)合，同時使模塊間的接口關(guān)系盡量簡化。
　　
　　5系統(tǒng)開發(fā)及設(shè)計實例
　　
　　本文基于系統(tǒng)模型，以,MicroSoftVisuleC++為開發(fā)工具，在Windows系統(tǒng)平臺下，針對加工中心類數(shù)控機床開發(fā)了模塊化結(jié)構(gòu)概念設(shè)計系統(tǒng)，并通過三維CAD平臺AutodeskMechanicalDesktop的二次開發(fā)接口ObjectArx及McadAPI，開發(fā)了從機床結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方案到模塊結(jié)構(gòu)實體創(chuàng)建的轉(zhuǎn)換工具。系統(tǒng)運行的實例如：
　　
　　基本設(shè)計要求信息為：（靜柱式臥式加工中心）+（規(guī)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(zhuǎn)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(jù)第二種方案，映射機床布局方案，進一步，將機床結(jié)構(gòu)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。