CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 2008,21(3)机床结构的适应性设计XU Yanshen,CHEN Yongliang(School of MechanicalEngineering,Tianjin University,Tianjin 300072, China)ZHANG Guojun(School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)GU Peihua(Department of Mechatronic Engineering, Shantou University,Shantou 515063,China;School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China;Department of Mechanical and Manufacturing Engineering,University of Calgary,Calgary T2N 1N4, Canada)摘要：适应性强的设计目的是扩展的设计和产品的实用性。具体方法是在机械结 构实际发展出实用的对于适应性强的设计的应用程序，包括适合的平台、界面和 模块的设计。在适应性绑定约束下为适应平台设计，制定适应的重新设计问题。 分析工具然后建议实施的机床结构，包括重新设计变化技术基于敏感性分析、基 于相似的通用性分析、改善性能和适应性措施。机床结构适应性的具体措施是 通过获得从适应性设计结构的相似性和性能改进的量化衡量的。本方法提供了一 种途径，也就是使你能够适应事物的设计过程，并考虑材料的成本和收益的适应能 力。数控螺旋锥齿轮切削机结构的重新设计有助于你理解这些观念和新的方法。 关键词：适应性设计机床0介绍为更好地提高产品功能、质量、特点、定制、环保、成本、交货期等的竞争 力，需要以产品为导向的制造企业应更积极地响应并负责产品开发和优化整个产 品生命周期。现代制造企业已成为更灵活和更敏捷，并可通过网络和供应链的连 接良好。不过，先进的制造技术使一个人不会足以应付所有的挑战，如有的来自 产品设计。因此，先进的设计技术和工具在早期的产品设计过程中，最重要的决 定是根据产品的功能、质量、工艺性、成本、环保对产品和系统的优化设计与开 发。用这些设计方法和技术，提供所需的产品，能够满足不断变化的设计要在过 去的二十年，经大量的研究，对发展基本的理解和不同的有效工具方面的设计过 程已经取得了重大进展。工程设计研究的例子包括公理化设计、基于函数的设计、 产品系列/组合结构、模块化和平台设计、设计理论方法、TRIZ理论方法在工程 设计和创新中的应用、面向制造的设计、装配、服务和环境。制造企业已通过了 一些如制造和装配设计技术提高产品设计。然而，这些进步，尤其是重点特定产 品设计方面，应该被用来处理整个产品生命周期的优化问题。一个更加灵活和全 面的产品设计方法是尚未通过使求设计各种新建立有效的设计工具。适应性设计（AD）是一种既经济和环境相协调的新设计模式。AD的基本理 念能适应的新的要求和重用的产品和设计的能力以及当情况发生变化时，比如 说，更换一个适应的产品与一组多种产品附加的配件或附件。适应时间延长了一 个产品服务或扩展到其他应用程序中。延伸使用周期和适应性强的产品的适用性 通常需要额外的工作，就是所谓的“适应”的过程。适应，只要合理，可以更利 于回收，因为它使用的大部分组件可以再造，因为它使用的大部分组件，在产品 供应链的早期阶段它的材料，回收和重新使用【14】。本文介绍了 AD在机械结构设 计中的应用。该文件的其余部分内容如下。第1节讨论了适应性设计实施的适应性设计方 法和分析工具。第2节描述了一个在机床结构设计，重新设计适应关联应用程序 与其他的工程分析。讨论和总结发言载于第3节。1 方法和分析工具的适应性设计AD实现的关键要素AD旨在延长产品的设计和实用程序。推广实用的外观设计基本上是设计再 利用，例如说，使用现有的设计，创造出适合的新设计。对产品效用扩展是为适 应当前的产品以全新的使用，再利用，再制造，回收和升级。因此，至关重要的 是产品与设计要求的适应性。实现一个适应性的做法是基于本地化的修改。一个独立的体系结构支持自我 包含的、相对独立的模块开发，可以很容易地分离、修改、重新安置和替换。拥 有分离架构的产品通常是模块化的，修改能进行更换或者局部更改这些模块。这 样的架构产品的开发，包括独立的功能和物理结构、模块化设计、平台设计和适 应性界面设计，如图1所示，AD构成实现的关键因素。图1:适应性设计的基本要素1.1.1适应功能结构SUH【i】中描述的功能为基础的设计模型有广泛的例子。对SUH的模型的主要 特点可以概括如下。（1）设计问题是由一组定义的功能（FPs），因为它们是必要和充足的设计 问题的目标的说明。（2）对于每一个FR，解决方案，典型的设计参数（DPs）都要被选择。这 可能会采取进一步的子问题，从而在分解后，在他们来中，只有DPs被选择。（3）设计过程中继续通过在分层结构中产生的分解后的FRs。SUH的独立性公理要求FRS通过适当的选择DPs保持独立性。在机械结构的 设计中，功能要求的物理现象，通常互相干扰的关系，并通过关系式和物理相连 接。这些物理关系建立依赖的关系，这反过来又导致多种类型的限制，例如空间 的限制。因为这些往往是必然的依赖关系，对设计的某些部分的变化可能会影响到其 他地方的设计。因此，一个组件的设计变更，可能要求其他组件的重新设计。由 于AD在促进变化的基础上，要求所有的组件和模块的设计应尽可能独立，为了 维持局部的功能和本身物理结构的任何潜在的设计变更。1.1.2适应产品结构产品结构的设计决定产品的配置，需满足功能需求和产品设计上的限制。两 种最常用的结构是平台和模块设计，这样可以比整体结构提高适应能力。平台的设计是建筑在各类产品都有一个共同的基础平台的这种特殊类型上 的。研究人员已经开发出通过产品结构设计和定制研究构建平台的各种技术。已 开发各种平台中包括通用平台、工艺和制造平台、可扩展的产品平台、模块化的 平台等。一个可扩展的平台和模块化的平台的组合是以推广模块为基础的，其也 可被称为广义的产品平台。模块化设计的目的在于开发包括可拆卸模块产品架构。“模块”是指任何子 装配可以很容易从其余的产品中脱落。模块化设计可以有不同的目标。其中的一 些目标例如升级、品种和定制，对模块功能的重点关系到适应性设计的主要优点， 例如说，扩展实用程序。其他生命周期的目标模块化，如并行发展、维护和物质 循环，要么与之有关的其他利益或可以遵循独立，在没有冲突的适应性设计过程 中。1.1.3适应性界面设计适应性界面设计也是对适应设计实现至关重要的。善于适应的接口方便模 块，平台和变种的使用。如果适应接口提供内部模块，可以为分模块和关键部件 的重复使用提供便利。例如，一个基础平台的设计和使用的产品系列。附加的模 块连接到基础平台使用适应性接口。这种接口也可用于产品升级换代。有五种类型的适应性接口：机械、电子、 软件、机电和固件驱动。1.2 制定适应性设计有些适应性强的结构设计问题可以制定为可平台设计，以最大限度地适应能 力强的产品。对于给定的产物P，初步解决方案为S。假设S =亳，S2,，Sm 由于改进原有设计产品P调整，以满足新的要求。善于适应设计的问题，然后 提出来证明该产品的设计适应性max A( P)S.t. Spq (X p ) 2 8 s8ei、AF(Si) 8 a其中AP-产品设计适应性措施S-一组对原有产品改进设计的候选spq(Xp)-结构相似的产品设计方案p和qXp-产品设计指数p , Xp=( Xp , Xp , x p ) T 况-给定要调整的相似值12E(S)-产品设计的选项对比原设计性能的改进七E-产品性能值提升的理由AF(S.)-适应性设计中的任务因子S., i=1,2,.,m，-证明给定的适应性价值1.3 技术变化的敏感性分析在设计结构时，工程分析工具通常使用。该以变化敏感度为基础的分析技术 已被用来识别参数的影响较不敏感的结构性能。设计的灵敏度计算在每个设计变 量的表现变量(也称为设计响应)。在结构设计，将要审议的关键回应如下：重量 或质量(m)、硬度(弹性或位移，d)、第一阶固有频率(f)和压力(S)。响应相关矩阵式为Cu 1 Cx1(2)Cu 1 Cx(2)ndUmkcxn JCUm丁 CX1其中 A-灵敏度矩阵Up-向量的设计反应(性能变量)Up = (mp,dp ,Sp ,fp)t max max 0灵敏度是采取的一个多么敏感的结构性能，是每一个设计变量的变化迹象。先考虑敏感性相对较低的变量，然后考虑平台的变量。1.4 基于相似的通用性分析在决策过程中要确定利用哪些变量，相似性措施是至关重要的。相似性函数构造作为设计变量之间的距离测度【15】。两个变量距离越小越相似， 最类似的变量是共享变量的未知数。、对于相似的功能,S，根据相似理论【16】，我们选择了设计变量的值，XP和Xq , sSPq (X ) = mW，X)(3)j m a xx (, xq)其中Xj -产品的设计变量值pxq -产品的设计变量值qjmin(xp，xq)是函数xp和xq的最小值之和，max(xp，xq)是函数xp和xq的最大值之 j jj jj jj j和。然后，产品p和q的相似性定义为S pq =咒 WxS pq (x )j j(4)其中设计变量的重量2 wx =1 jj=11.5 性能改进设U =(勺，u2,，u)作为评价标准。根据模糊变换原理， 为(rr1112rrC = R - W =2122r1ir2i评价模型可以表示(5)mi八k r r其中m1 m 2C -价值评价结果c = (q，c，c )C 第i个候选设计的评价结果Sj, i = 1，2，.，m，其计算方法是(6)Ci = Lwurk ikk =1其中w一向量的大小W u = (Wu , Wu , Wu ) Twu -评价标准uk的大小Ewu = 1kk=1R可接受矩阵的值r- -在第k个标准中第i个候选设计的允许值，它是一个相对值(7)r = sgn uZ iku 0k其中u 0-原设计的变量值uk-现在设计的变量值本文设计的第i个候选值可通过有限元分析。然后，性能改进的设计S的总量比初步设计S可以计算出(8)0E (S ) = 1 - C根据E(S )值，设计未知数的排列顺序。i1.6 适应性措施考虑的顾提出的适应性措施【14】，在一般方程的基础上，对产品设计的适应 性可表示如下A(P) = Pr(S )AF(S )i=1(9)尤 Pr( S ) = 1ii