概念设计在产品设计周期中所占的设计费用很少,但却决定着整个产品的质量与成本,
概念设计 的优劣直接关系到最终产品的性能。随着科学技术的不断发展,人们对产品质量的要求越来越高,因此,概念设计问题被日益重视起来<1~6>。同时,概念设计也是直接关系到最终设计的最关键环节,如果能够开发成功标准化的概 念设计软件,那么让一个没有产品设计经验的人,借助于CAD技术完成各类产品的结构设计就能 够达到结构原理设计合理、成本低廉、产品性能优的目标。功能方法树方法就为实现这一目标开通 了一条可行的探索渠道。本文主要以CA9220A实用型数控车床刀架系统的设计为例进行了探讨,最后优选出可行方案,并通过实际应用进行验证。1 概念设计应用实例1.1 设计任务设计CA9220A实用型数控车床刀架系统,主要应用于电机端盖等盘套类零件的车 削加工,公称加工直径为200mm。此刀架能带刀具完成横向(X向)、纵向(Z向)和曲线的切削加工以及快速移动。要求移动速度为16m/min,工进速度为 0 ~ 1m/min,要求刀架重复定位精度小于 0. 005mm,刚性好,低速运行阻力小,不能出现爬行现象。设计的主要依据是在原来HDM20A电机端盖精车基础上进行设计。1. 2 设计条件原来机床HDM20A刀架布置在床身上,床身工作面与水平倾斜 45°(易于排除铁屑 ),床身面距离主轴中心 280mm,因此刀架高度应限定在 280mm之内设计。1. 3 刀架系统功能分析刀架系统的总功能用黑箱法 <7> 进行分析,如图 1所示。图 1 车床刀架系统黑箱图2 产生多方案的功能方法树模型方法下面讨论用功能方法树模型产生刀架 系统的多方案方法。功能方法树的原理是分层安排功能级和方法级,用线在因果关系的功能与方法间连接,如图2所示。该方法通过动词、名词对的形式,用一问一答的方式将功能—方法层层分解建立出模型 (图 2中梯形代表功能,长方形代表实现功能的方法)。图 2 数控刀架功能方法树初始分解图 由图 2看出,多项分功能均为同样的功能,因此有必要将之合并,进行功能的简化,目的是简化后续工作,实际上各项分功能仍然需要。合并后,只有 4种分功能,如图 2中的 1、2、3、4。下面分别将分功能方法树图完成,图 3为产生Z向移动及支撑的功能方法树图。其中,产生横向(X向 )移动及支撑功能的方法树图与图 3基本相同 (略 )。图 4为控制运动及紧固刀夹及刀具功能的方法树图。图 3 产生Z向移动及支撑分功能方法树图图 4 两个分功能方法树图 其实,将图 2及各个分功能 1,分功能 2,分功能 3,分功能 4的功能方法树图组合在一起,就是一个刀架系统完整的功能方法树图,限于空间,此处略。通过功 能方法树图分析,可以找出很多可组合方案。即分解到方法最底层,每一个并列的方法和另外必须 的功能中的任一方法进行组合,即为一个设计方案。设计方案组合的数目,是最后一层(最底层)所有必需功能对应的所有方法数的乘积。现以图2所考虑的功能为例。计算一下产生的可能方案数。<带动刀具实现曲线移动方案数 >=
××<紧固刀架及刀具方案数>2 ×<控制运动方案数>4代入数值得:总方案数(个) =<5×4×2×2×3×3>× <5×4×2×2×3×3>×<2×2×3×2>2×<3>4=2. 418647×1010可见,产生的方案超过了亿次。当然,从实际设计方案考虑,有些是没有意义的,但同时也可能产生意想不到的新方案,这就是“方法树”意义之所在。设计团队 (包括用户、制造、装配、检测、销售等 )人员可以非常直观地从“树”中进行比较、分析,挑选较合理的组合方案,适合并行工程的设计理 念。3 方案评价与选择经过包括各方面专家的设计小组讨论,依据选择方案的一般性原理:即在 设计原理正确的基础上,主要考虑结构简单,体积小,重量轻,成本低,外形美观等因素,初步选出3个方案再进行评价。方案1 CNC数控,滚动导轨,伺服电机,滚珠丝杠,机夹刀具;方案 2 可编程控制器 (PLC)控制,贴塑导轨,液力驱动,油缸,普通刀具;方案 3 继电器控制,贴塑导轨,液力驱动,油缸,普通刀具。下面采用模糊评价法 <8>对上述方案进行评价。3. 1 评价目标及加权系数分析(如图 5)图 5 刀架系统的评价目标树3. 2 评价目标状态表表 1 刀架系统评价目标状态表评价因素评价等级生产成本C(V1 ) 高中低自动化程度(V2 ) 高中低维护性能(V3 ) 易一般难产品功能具有的柔性(V4 ) 好一般差产品功能达到的精度(V5 ) 高一般低未来市场(V6 ) 规模大较大一般3.3 对方案进行模糊评价 评价目标集V={V1,V2,V3,V4,V5,V6 } 评价集X={x1,x2,x3 }={优,中,差} 加权系数矩阵A={0. 2, 0. 1375, 0. 0275, 0. 11, 0. 275,0 25}3个方案的模糊评价矩阵如下 (其中V1 的隶属度由隶属函数求出,其它隶属度根据专家打分结果由统计法求得)RA =RA1RA2RA3RA4RA5RA6=0 0.33 0.670.9 0.1 00.2 0.7 0.10.9 0.1 00.9 0.1 00.6 0.4 0RB=RB1RB2RB3RB4RB5RB6=0 1 00.2 0.7 0.10.2 0.7 0.10.2 0.7 0.10.2 0.7 0.10 0.4 0.6RC=RC1RC2RC3RC4RC5RC6=0.75 0.25 00.2 0.3 0.50.6 0.3 0.10.2 0.3 0.50.2 0.3 0.50 0.5 0.5 各方案的综合模糊评价BA =A·RA = (0.62575,0.2375,0.13675)BB =A·RB = (0.11,0.685,0.205)BC =A·RC = (0.271,0.34,0.389)3. 4 方案选择 <9>利用最大隶属度原则和排序原则,判断方案的优劣顺序为A、B、C。实际采用的方法为方案A。如图 6所示。4 结论CA9220A实用型数控车床已试制成功。选用了FANUC—10型数控系统,THK滚动导轨和滚珠丝杠,经试制样机实验测定:刀架快移速度为 15m/min,刀架重复定位精度为 0. 0038mm,达到B级精度要求(按机床精度等级标准),车加工工件刚性好,基本达到了设计要求。该设计实例证明了功能方法树概念设计思想的有效性。图 6 实际采用的数控车床刀架系统功能方法树模型基于功能方法树的车床刀架概念设计及评价@刘新福$河北工业大学!天津300130
@刘东升$河北工业大学!天津300130
@梁建芬$张家口拖车总厂!张家口075000
@檀润华$河北工业大学!天津300130 车床刀架;;概念设计;;功能方法树;;模糊评价以 CA9220A实用型数控车床刀架系统的设计为例进行分析,主要进行概念设计阶段的功能分析 和产生多方案方法的分析,应用功能方法树模型产生多方案的方法实际可以产生上亿个可能方案, 并应用模糊评价法对产生的初步方案进行了优选,最后通过实际应用验证了功能方法树设计思想的 有效性。<1> HansenCT.Anapproachtosimultaneoussynthesisandoptimizationofcompositemechanicalsystems.JournalofEngi neeringDesign,1995,6(3):249~266
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<6> 檀润华,苑彩云,孙力峰等.概念设计中的功能方法树.机械科学与技术,2000,19(4):563~565
<7> 黄纯颖主编.设计方法学.北京:机械工业出版社,1992
<8> 何似龙,赵国胜等.价值工程实用技法.南京:河海大学出版社,1990
<9> 刘新福.基于并行工程的概念设计方法研究.天津大学,19980.6 0.3 0.10.2 0.3 0.50.2 0.3 0.50 0.5 0.5 各方案的综合模糊评价BA =A·RA = (0.62575,0.2375,0.13675)BB =A·RB = (0.11,0.685,0.205)BC =A·RC = (0.271,0.34,0.389)3. 4 方案选择 <9>利用最大隶属度原则和排序原则,判断方案的优劣顺序为A、B、C。实际采用的方法为方案A。如图 6所示。4 结论CA
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