基于模塊的活塞專用加工機床總體方案設計是指通過分析用戶提出的總體任務定義與功能要求，進行模塊選擇與模塊裝配組合設計。由于模塊化方案設計的多解性，必須從眾多的方案中優選出擬采用的方案。為此，首先要對各候選方案進行評價，然后根據評價的結果決策。如果方案不能達到預定的目標，則必須進行再設計，提出新的設計方案或對原方案的某一部分進行修改，得到比較滿意的設計方案。

　　基于模塊的總體方案設計

　　基于模塊的機床總體方案設計可以歸結為兩個相反的過程，即分解和組合。分解是根據被加工對象的工藝信息和用戶的功能要求定義機床總功能和性能指標，確定機床總體方案形式和主要性能參數、特性參數值，并將其分解成一系列易于實現的子功能；組合是根據子功能要求選擇出所有滿足要求的模塊，并通過模塊綜合，組合出多個可實現的機床總體方案。由于機床功能結構十分復雜，難以從整體上直接完成其設計任務的求解，因此，設計任務的分解是必須的，分解出的子功能可由相應的模塊完成。基于模塊的機床總體方案設計基本步驟如下：

　　（1）根據機床總功能和性能參數將總任務分解成一些相對簡單的子功能；

　　（2）根據子功能的性能參數的要求查出滿足要求的模塊；

　　（3）由于滿足某一子功能要求的模塊往往不止一個，故可形成多個組合方案；

　　（4）進行模塊接口分析，確定可實現的組合方案；

　　（5）建立方案的裝配模型。

　　1.任務分解

　　設計任務的分解主要是在進行功能分解的同時將總的設計參數分配到相應的子功能，由子功能結構實現，或者說給子功能規定相應的設計參數。當總功能被分解后，可以得到一個分層的任務體系，如圖1所示活塞精止口、鉆中心孔機床功能分解圖。

圖1  活塞精止口、鉆中心孔機床功能分解

　　2.模塊的選擇與組合

　　模塊的選擇是在現有機床模塊的基礎上，針對機床總功能要求的劃分，從已建立的模塊庫中，搜索到與所需模塊功能相一致的模塊。主要內容包括對現有模塊的功能選擇、調用和判斷。

　　以活塞精密車床系列為例，現有主要模塊種類為：主軸箱、主軸箱支座（過橋）、滑臺、滑臺座、尾座、床身和底座7種模塊。根據模塊結合面特征，可得如圖2所示模塊的組合形式。

圖2  模塊的組合形式

　　模塊的組合方案有S1＝{1，2，3，4，5，6，7}，S2＝{1，3，4，5，6，7}，S3＝{1，3，4，5，6}，S4＝{1，2，3，4，5，6}，S5＝{1，2，3，4，5，7}，S6＝{1，3，4，5，7}， S7＝{1，3，4，6，7}。

　　例如：BHC-50A活塞環槽精密車床采用S2＝{1，3，4，5，6，7}模塊組合形式，BHC-22活塞精密外圓車床采用S5＝{1，2，3，4，5，7}，精止口、鉆中心孔機床模塊組合形式采用S7＝{1，3，4，6，7}。

　　3.模塊之間的連接方式

　　模塊在產品中一般是成鏈狀、樹狀或網狀組合在一起的。由于模塊在產品中的作用不同，即實現的子功能不同，與其他模塊之間的組合關系也不同。根據某一模塊所能連接其他模塊的數量，可分為單向連接、雙向連接和多向連接（圖3）。

圖3  模塊的連接方式

　　單向連接是指模塊只有一個接口，并且僅能與另外一個模塊相連接的組合方式。單向連接的模塊都處于鏈或樹的末端。

　　雙向連接的模塊有兩個接口，能與另外兩個模塊相連接。雙向連接的模塊可以通過組合使所構成的系統由兩端向外擴展。

　　多向連接是指模塊可同時與兩個以上的其他模塊相連接的組合方式。所謂多向連接并不意味著在三維的每一方向必有其他模塊與之相連，也不表示每一方向上只有一個連接面，或只能有惟一的模塊與之相連接。如機床滑臺模塊3是單向連接，床身模塊6為多向連接模塊。

　　4.建立基于模塊的裝配模型

　　為了適應產品系列中不同產品的需要，裝配模型也必須是基于約束的參數化模型。基于模塊模型的產品裝配模型表達模塊之間的位置、配合、聯接及尺寸等約束關系。本文建立一種適應模塊化方案設計的參數化裝配模型，其基本思想是：在建立滿足各種約束的裝配實體模型的同時，建立一個與之相聯系的裝配數據模型。當某一模塊的設計參數發生變化時，通過裝配數據模型調整與該設計參數相關的其他設計參數，從而在外部表現為裝配實體模型的相應調整，始終維系原有的約束關系和裝配要求。裝配建模的過程如圖4所示。

圖4  裝配模型的建立流程

　　圖5為裝配模型的參數化驅動過程。當機床的設計參數發生變化時，通過裝配數據模型產生模塊當前設計參數值，并通過模塊數據模型驅動模塊實體模型發生變化。由于各種裝配約束不變，模塊實體模型的變化必然引起裝配實體模型作相應的變化。例如，圖6所示中，當主軸分模塊設計參數前軸徑D1和跨距L變化時，帶輪模塊的裝配約束參數Ld保證帶輪相對于主軸的裝配位置。以此原理，可以將各種模塊通過定義裝配約束，形成機床總體裝配模型（圖7），完成機床總體方案設計，并產生裝配信息表（圖8）。

圖5  裝配模型的參數化驅動過程

圖6  裝配模型參數化驅動

圖7  精止口、鉆中心孔機床裝配方案

圖8  精止口、鉆中心孔機床裝配信息

　　機床模塊化設計方案的評價

　　1.評價指標和方法

　　由于模塊化方案設計的多解性，必須從眾多的方案中優選出擬采用的方案。為此，首先要對各候選方案進行評價，然后根據評價的結果決策。如果方案不能達到預定的目標，則必須進行再設計，提出新的設計方案或對原方案的某一部分進行修改，得到比較滿意的設計方案。圖9所示為機床模塊化設計方案的評價過程，介紹了從模塊化設計方案的評價入手，探討其評價指標和決策的方法。

圖9  方案的評價過程

　　作為評價的第一步，首先應該確定評價準則。對不同的產品可以采用相同的評價方法，但是其評價指標卻各不相同。因此，進行機床模塊化設計方案評價的關鍵是建立其評價指標系統。

　　評價準則來自對所設計的產品的要求。這些要求包括整個產品生命周期中的不同方面，如技術、經濟、安全、外觀和環境等。這些方面具有不同的重要性，不能同樣看待。因此，評價準則不止一個，其重要程度也不相同，它們組成了一個評價指標系統。在建立評價指標系統時應遵循下列原則：

　　（1）指標系統中應盡可能完全地包括與決策關系重大的各項要求。盡量避免在評價中遺漏重要方面。

　　（2）各評價指標應盡可能做到互不相關。這樣，在某一方面作改進時將不致影響其他方面的評價。

　　（3）根據設計評價所遵循的定量分析原則，在建立指標系統中應盡量選取定量指標或至少是較具體的定性指標。

　　用模塊化設計方法形成活塞專用加工機床設計方案后，接下來應對方案進行評價，評價指標為：

　　（1）功能性。功能是產品性質的根本。功能性表現在產品內在質量，具有明確的功效特征，能滿足活塞加工工藝要求。功能性的另一含義，就是要適應人的需要，即人——機系統的合理性。

　　（2）合理性。指所設計的機床的可制造性與企業擁有的物質條件以及工作條件的適應程度。

　　（3）經濟性。經濟性主要指產品的經濟價值。經濟價值是產品功能與成本的相對關系，即：經濟價值  k=功能/成本（k：系數）。在不犧牲消費者利益的前提下，降低成本，提高功能，才能最大限度地提高產品的經濟價值。

　　（4）獨創性。人們在審美過程中，對形式的要求首先是立意新，以及在美的基礎上，外形結構應富有獨創性。

　　（5）將來性。產品的設計應力圖在設計意念中凝聚對過去的繼承和對未來的認識。設計的將來性表現在設計要有超前的構想和理念，在社會上有一定的持久性。

　　活塞專用機床的評價，屬于在多因素下的一種綜合評價。模糊數學建立了綜合評價的模式，將復雜的評價問題演變為一個較為簡便的模糊變換。

　　設X和Y是有限論域：X＝{x1，x2，……，xn}，Y＝{y1，y2，……，yn}。

　　R為X到Y的模糊關系，即R＝（rij）n×m的模糊矩陣。任給X上的模糊子集A，則A和R的合成A?R是Y上的模糊集，記為B。這種將X上的模糊集變為Y上的模糊集的變換稱為模糊變換。

　　設X是因素集，Y是決策集。對于任意的xi∈X，yj∈Y。因rij表示xi在yi上的特征指標（可能程度），對于每個xi得一向量（ri1，ri2，……，rim）是xi關于Y的特征指標向量，(i=1，2，……，n)。再以這幾個向量作為行組成n×m的矩陣R＝（rij）n×m，就得出X到Y的模糊關系矩陣，稱為單因素評價矩陣。

　　用X上的模糊集A＝（a1，a2，……，an)表示權重分配，即ai是因素xi的數量指標，由A?R＝B，則B＝（b1，b2，……，bm）表示決策集上各種決策的可能性系數。再用最大隸屬度原則選擇最大的bj，對應yj作為評價結果。

　　（1）一級評價模型，確定評價對象的因素集，X＝{x1，x2，……，xn}；給出決策集，Y＝{y1，y2，……，ym}；確定單因素評價矩陣R＝（rij）n×m；通過X到Y的模糊變換A R得對象集的一個決策。

　　（2）多級評價模型，在一級評價模型中若評價因素集個數n過多，由于權重分配滿足，每個ai一般很小，所以在合成運算取小時，R的元素被篩選過多，致使評價失敗。另一方面n過大，權重分配很難合理，即難以反映各因素在整體中的地位。所以，因素集n過大最好用多級模型。

　　①將因素集X按某種屬性分為s個子集，記作x1，x2，……，xs，且滿足。每個子集xi記為：xi＝{xi1，xi2，……，xip}，（i＝1，2，……，s），且 。

　　②對每個xi按一級模型分別進行綜合評價。假若評價集為：Y＝{y1，y2，……，ym}，xi的單因素評價矩陣設為Ri，xi的各因素權重分配Ai＝（ai1，ai2，……，aip），則第一級評價結果Ai?Ri＝（bi1，bi2，……，bim）＝Bi（i=1，2，……，s）。

　　③將每個xi看作一個元素，用Bi作為它的單因素評價向量，得單因素評價矩陣：

　　對每個xi在X中的重要性給出權重分配：Ai＝（a1，a2，……，as），則二級評價結果：B＝A?R。

　　這就是二級評價模型。如果X的因素個數n過大，對X分割X＝X1U，X2U，……，XsU時，s仍然過大，第二級評價仍有因素過多的現象，這樣可以仿照前面對每個xi分割，進行分級評價。

　　2.活塞精止口、鉆中心孔機床綜合評價

　　根據工廠實際情況，將因素集定為：X＝{x1，x2，x3，x4，x5，x6}，其中，x1、x2、x3、x4、x5、x6分別代表功能性、合理性、經濟性、獨創性、將來性、審美性。又設評價因素集合為：Y＝{y1，y2，y3，y4，y5，y6}，其中，y1、y2、y3、y4、y5、y6分別代表很好、好、較好、一般、較差、很差。

　　首先做單因素評價。請企業有關專家、工程技術人員、制造維修人員、一線操作人員等各方面與有關人員參加評價。

　　（1）對功能性進行評價。

　　在評價中，30%的參評人員認為“很好”， 40%的人認為“好”，10%的人認為“較好”，10%的人認為“一般”，10%的人認為“較差”，沒有人認為“差”。從而得到x1的評價結果為：（0.3，0.4，0.1，0.1，0.1，0）。類似地，逐次對x2、x3、x4、x5、x6進行評價，得到如表所示因素隸屬度。

　　由于因素較多，運用多級模型求解，將評價因素分為2個子系統，即：X＝{X1，X2}。其中，X1＝{x1，x2，x3}，X2＝{x4，x5，x6}。它們所對應的單因素評價矩陣分別為：

　　根據評價時對因素的傾向性不同，如針對活塞專用加工機床，主要是評價其功能性，即能否滿足生產需要，那么對功能性的權重分配值就偏大。
現定權重分別取：A1＝[0.4  0.32  0.28]，A2＝[0.5  0.2  0.3]。

　　于是得出：A1?R1＝[0.332  0.34  0.16  0.116  0.1  0.016]；A2?R2＝[0.24  0.26  0.31  0.15  0.065  0.035]。

　　因為工廠對專用機床的評價重在實用性和經濟性，因而對B1、B2的權重分配為A＝（0，75，0，25），則綜合評價結果為：B＝A?R＝[0.28  0.32  0.19  0.11  0.09  0.01]。根據最大隸屬度原則，0.32對應的評價因素是“好”，因此，對活塞精止口、鉆中心孔機床的綜合評價為“好”。

　　結語

　　本文從模塊化方案的設計與評價入手，探討其設計方法、評價指標和決策方法。

　　通過對機床模塊化總體方案的設計與評價，明確了機床模塊化總體方案設計的步驟；通過對模塊的選擇與組合，確定機床的組合方案原則；最終，我們運用模糊綜合評價方法對一種活塞專用機床方案進行綜合評價。