基于模塊的活塞專用加工機床總體方案設(shè)計是指通過分析用戶提出的總體任務(wù)定義與功能要求，進行模塊選擇與模塊裝配組合設(shè)計。由于模塊化方案設(shè)計的多解性，必須從眾多的方案中優(yōu)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(jù)評價的結(jié)果決策。如果方案不能達到預定的目標，則必須進行再設(shè)計，提出新的設(shè)計方案或?qū)υ桨傅哪骋徊糠诌M行修改，得到比較滿意的設(shè)計方案。

　　基于模塊的總體方案設(shè)計

　　基于模塊的機床總體方案設(shè)計可以歸結(jié)為兩個相反的過程，即分解和組合。分解是根據(jù)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(shù)、特性參數(shù)值，并將其分解成一系列易于實現(xiàn)的子功能；組合是根據(jù)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(xiàn)的機床總體方案。由于機床功能結(jié)構(gòu)十分復雜，難以從整體上直接完成其設(shè)計任務(wù)的求解，因此，設(shè)計任務(wù)的分解是必須的，分解出的子功能可由相應的模塊完成?；谀K的機床總體方案設(shè)計基本步驟如下：

　?。?）根據(jù)機床總功能和性能參數(shù)將總?cè)蝿?wù)分解成一些相對簡單的子功能；

　?。?）根據(jù)子功能的性能參數(shù)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；

　?。?）進行模塊接口分析，確定可實現(xiàn)的組合方案；

　?。?）建立方案的裝配模型。

　　1.任務(wù)分解

　　設(shè)計任務(wù)的分解主要是在進行功能分解的同時將總的設(shè)計參數(shù)分配到相應的子功能，由子功能結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，或者說給子功能規(guī)定相應的設(shè)計參數(shù)。當總功能被分解后，可以得到一個分層的任務(wù)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(xiàn)有機床模塊的基礎(chǔ)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(nèi)容包括對現(xiàn)有模塊的功能選擇、調(diào)用和判斷。

　　以活塞精密車床系列為例，現(xiàn)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(jù)模塊結(jié)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(huán)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(chǎn)品中一般是成鏈狀、樹狀或網(wǎng)狀組合在一起的。由于模塊在產(chǎn)品中的作用不同，即實現(xiàn)的子功能不同，與其他模塊之間的組合關(guān)系也不同。根據(jù)某一模塊所能連接其他模塊的數(shù)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(gòu)成的系統(tǒng)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(chǎn)品系列中不同產(chǎn)品的需要，裝配模型也必須是基于約束的參數(shù)化模型。基于模塊模型的產(chǎn)品裝配模型表達模塊之間的位置、配合、聯(lián)接及尺寸等約束關(guān)系。本文建立一種適應模塊化方案設(shè)計的參數(shù)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(lián)系的裝配數(shù)據(jù)模型。當某一模塊的設(shè)計參數(shù)發(fā)生變化時，通過裝配數(shù)據(jù)模型調(diào)整與該設(shè)計參數(shù)相關(guān)的其他設(shè)計參數(shù)，從而在外部表現(xiàn)為裝配實體模型的相應調(diào)整，始終維系原有的約束關(guān)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(shù)化驅(qū)動過程。當機床的設(shè)計參數(shù)發(fā)生變化時，通過裝配數(shù)據(jù)模型產(chǎn)生模塊當前設(shè)計參數(shù)值，并通過模塊數(shù)據(jù)模型驅(qū)動模塊實體模型發(fā)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(shè)計參數(shù)前軸徑D1和跨距L變化時，帶輪模塊的裝配約束參數(shù)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(shè)計，并產(chǎn)生裝配信息表（圖8）。

圖5  裝配模型的參數(shù)化驅(qū)動過程

圖6  裝配模型參數(shù)化驅(qū)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(shè)計方案的評價

　　1.評價指標和方法

　　由于模塊化方案設(shè)計的多解性，必須從眾多的方案中優(yōu)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(jù)評價的結(jié)果決策。如果方案不能達到預定的目標，則必須進行再設(shè)計，提出新的設(shè)計方案或?qū)υ桨傅哪骋徊糠诌M行修改，得到比較滿意的設(shè)計方案。圖9所示為機床模塊化設(shè)計方案的評價過程，介紹了從模塊化設(shè)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(chǎn)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(shè)計方案評價的關(guān)鍵是建立其評價指標系統(tǒng)。

　　評價準則來自對所設(shè)計的產(chǎn)品的要求。這些要求包括整個產(chǎn)品生命周期中的不同方面，如技術(shù)、經(jīng)濟、安全、外觀和環(huán)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(tǒng)。在建立評價指標系統(tǒng)時應遵循下列原則：

　?。?）指標系統(tǒng)中應盡可能完全地包括與決策關(guān)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(guān)。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(jù)設(shè)計評價所遵循的定量分析原則，在建立指標系統(tǒng)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(shè)計方法形成活塞專用加工機床設(shè)計方案后，接下來應對方案進行評價，評價指標為：

　?。?）功能性。功能是產(chǎn)品性質(zhì)的根本。功能性表現(xiàn)在產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)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(tǒng)的合理性。

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

　?。?）經(jīng)濟性。經(jīng)濟性主要指產(chǎn)品的經(jīng)濟價值。經(jīng)濟價值是產(chǎn)品功能與成本的相對關(guān)系，即：經(jīng)濟價值  k=功能/成本（k：系數(shù)）。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(chǎn)品的經(jīng)濟價值。

　　（4）獨創(chuàng)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(chǔ)上，外形結(jié)構(gòu)應富有獨創(chuàng)性。

　　（5）將來性。產(chǎn)品的設(shè)計應力圖在設(shè)計意念中凝聚對過去的繼承和對未來的認識。設(shè)計的將來性表現(xiàn)在設(shè)計要有超前的構(gòu)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(shù)學建立了綜合評價的模式，將復雜的評價問題演變?yōu)橐粋€較為簡便的模糊變換。

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

　　R為X到Y(jié)的模糊關(guān)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?yōu)閅上的模糊集的變換稱為模糊變換。

　　設(shè)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(guān)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(jié)的模糊關(guān)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(quán)重分配，即ai是因素xi的數(shù)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(shù)。再用最大隸屬度原則選擇最大的bj，對應yj作為評價結(jié)果。

　?。?）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(jié)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(shù)n過多，由于權(quán)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(quán)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。

　?、賹⒁蛩丶疿按某種屬性分為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 。

　?、趯γ總€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(shè)為Ri，xi的各因素權(quán)重分配Ai＝（ai1，ai2，……，aip），則第一級評價結(jié)果Ai?Ri＝（bi1，bi2，……，bim）＝Bi（i=1，2，……，s）。

　?、蹖⒚總€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(quán)重分配：Ai＝（a1，a2，……，as），則二級評價結(jié)果：B＝A?R。

　　這就是二級評價模型。如果X的因素個數(shù)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(xiàn)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(jù)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(jīng)濟性、獨創(chuàng)性、將來性、審美性。又設(shè)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(yè)有關(guān)專家、工程技術(shù)人員、制造維修人員、一線操作人員等各方面與有關(guān)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(jié)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(tǒng)，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(jù)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(chǎn)需要，那么對功能性的權(quán)重分配值就偏大。
現(xiàn)定權(quán)重分別?。篈1＝[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(jīng)濟性，因而對B1、B2的權(quán)重分配為A＝（0，75，0，25），則綜合評價結(jié)果為：B＝A?R＝[0.28  0.32  0.19  0.11  0.09  0.01]。根據(jù)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(jié)語

　　本文從模塊化方案的設(shè)計與評價入手，探討其設(shè)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(shè)計與評價，明確了機床模塊化總體方案設(shè)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。