實(shí)現(xiàn)活塞專用加工機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶提出的總體任務(wù)和要求，進(jìn)行模塊選擇與模塊裝配組合設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的關(guān)鍵所在。

　　基于模塊的活塞專用加工機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)是指通過(guò)分析用戶提出的總體任務(wù)定義與功能要求，進(jìn)行模塊選擇與模塊裝配組合設(shè)計(jì)。由于模塊化方案設(shè)計(jì)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(duì)各候選方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后根據(jù)評(píng)價(jià)的結(jié)果決策。如果方案不能達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，則必須進(jìn)行再設(shè)計(jì)，提出新的設(shè)計(jì)方案或?qū)υ桨傅哪骋徊糠诌M(jìn)行修改，得到比較滿意的設(shè)計(jì)方案。

　　基于模塊的總體方案設(shè)計(jì)

　　基于模塊的機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)可以歸結(jié)為兩個(gè)相反的過(guò)程，即分解和組合。分解是根據(jù)被加工對(duì)象的工藝信息和用戶的功能要求定義機(jī)床總功能和性能指標(biāo)，確定機(jī)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(shí)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(guò)模塊綜合，組合出多個(gè)可實(shí)現(xiàn)的機(jī)床總體方案。由于機(jī)床功能結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，難以從整體上直接完成其設(shè)計(jì)任務(wù)的求解，因此，設(shè)計(jì)任務(wù)的分解是必須的，分解出的子功能可由相應(yīng)的模塊完成。基于模塊的機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)基本步驟如下：

　　（1）根據(jù)機(jī)床總功能和性能參數(shù)將總?cè)蝿?wù)分解成一些相對(duì)簡(jiǎn)單的子功能；

　　（2）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(gè)，故可形成多個(gè)組合方案；

　　（4）進(jìn)行模塊接口分析，確定可實(shí)現(xiàn)的組合方案；

　　（5）建立方案的裝配模型。

　　1.任務(wù)分解

　　設(shè)計(jì)任務(wù)的分解主要是在進(jìn)行功能分解的同時(shí)將總的設(shè)計(jì)參數(shù)分配到相應(yīng)的子功能，由子功能結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，或者說(shuō)給子功能規(guī)定相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。當(dāng)總功能被分解后，可以得到一個(gè)分層的任務(wù)體系，如圖1所示活塞精止口、鉆中心孔機(jī)床功能分解圖。

圖1  活塞精止口、鉆中心孔機(jī)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(jī)床模塊的基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)床總功能要求的劃分，從已建立的模塊庫(kù)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(duì)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(guò)橋）、滑臺(tái)、滑臺(tái)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(jī)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(shí)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(gè)接口，并且僅能與另外一個(gè)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(gè)接口，能與另外兩個(gè)模塊相連接。雙向連接的模塊可以通過(guò)組合使所構(gòu)成的系統(tǒng)由兩端向外擴(kuò)展。

　　多向連接是指模塊可同時(shí)與兩個(gè)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(gè)連接面，或只能有惟一的模塊與之相連接。如機(jī)床滑臺(tái)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(yīng)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(dá)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(yīng)模塊化方案設(shè)計(jì)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(shí)體模型的同時(shí)，建立一個(gè)與之相聯(lián)系的裝配數(shù)據(jù)模型。當(dāng)某一模塊的設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)裝配數(shù)據(jù)模型調(diào)整與該設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)的其他設(shè)計(jì)參數(shù)，從而在外部表現(xiàn)為裝配實(shí)體模型的相應(yīng)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(guò)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(dòng)過(guò)程。當(dāng)機(jī)床的設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)裝配數(shù)據(jù)模型產(chǎn)生模塊當(dāng)前設(shè)計(jì)參數(shù)值，并通過(guò)模塊數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)體模型發(fā)生變化。由于各種裝配約束不變，模塊實(shí)體模型的變化必然引起裝配實(shí)體模型作相應(yīng)的變化。例如，圖6所示中，當(dāng)主軸分模塊設(shè)計(jì)參數(shù)前軸徑D1和跨距L變化時(shí)，帶輪模塊的裝配約束參數(shù)Ld保證帶輪相對(duì)于主軸的裝配位置。以此原理，可以將各種模塊通過(guò)定義裝配約束，形成機(jī)床總體裝配模型（圖7），完成機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)，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(dòng)過(guò)程

圖6  裝配模型參數(shù)化驅(qū)動(dòng)

圖7  精止口、鉆中心孔機(jī)床裝配方案

圖8  精止口、鉆中心孔機(jī)床裝配信息

　　機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)

　　1.評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法

　　由于模塊化方案設(shè)計(jì)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(duì)各候選方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后根據(jù)評(píng)價(jià)的結(jié)果決策。如果方案不能達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，則必須進(jìn)行再設(shè)計(jì)，提出新的設(shè)計(jì)方案或?qū)υ桨傅哪骋徊糠诌M(jìn)行修改，得到比較滿意的設(shè)計(jì)方案。圖9所示為機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)過(guò)程，介紹了從模塊化設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)入手，探討其評(píng)價(jià)指標(biāo)和決策的方法。

圖9  方案的評(píng)價(jià)過(guò)程

　　作為評(píng)價(jià)的第一步，首先應(yīng)該確定評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。對(duì)不同的產(chǎn)品可以采用相同的評(píng)價(jià)方法，但是其評(píng)價(jià)指標(biāo)卻各不相同。因此，進(jìn)行機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是建立其評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)。

　　評(píng)價(jià)準(zhǔn)則來(lái)自對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的要求。這些要求包括整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的不同方面，如技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、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(píng)價(jià)準(zhǔn)則不止一個(gè)，其重要程度也不相同，它們組成了一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)。在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)遵循下列原則：

　　（1）指標(biāo)系統(tǒng)中應(yīng)盡可能完全地包括與決策關(guān)系重大的各項(xiàng)要求。盡量避免在評(píng)價(jià)中遺漏重要方面。

　　（2）各評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)盡可能做到互不相關(guān)。這樣，在某一方面作改進(jìn)時(shí)將不致影響其他方面的評(píng)價(jià)。

　　（3）根據(jù)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)所遵循的定量分析原則，在建立指標(biāo)系統(tǒng)中應(yīng)盡量選取定量指標(biāo)或至少是較具體的定性指標(biāo)。

　　用模塊化設(shè)計(jì)方法形成活塞專用加工機(jī)床設(shè)計(jì)方案后，接下來(lái)應(yīng)對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為：

　　（1）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(yīng)人的需要，即人——機(jī)系統(tǒng)的合理性。

　　（2）合理性。指所設(shè)計(jì)的機(jī)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(yīng)程度。

　　（3）經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性主要指產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。經(jīng)濟(jì)價(jià)值是產(chǎn)品功能與成本的相對(duì)關(guān)系，即：經(jīng)濟(jì)價(jià)值  k=功能/成本（k：系數(shù)）。在不犧牲消費(fèi)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(jì)價(jià)值。

　　（4）獨(dú)創(chuàng)性。人們?cè)趯徝肋^(guò)程中，對(duì)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(yīng)富有獨(dú)創(chuàng)性。

　　（5）將來(lái)性。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)力圖在設(shè)計(jì)意念中凝聚對(duì)過(guò)去的繼承和對(duì)未來(lái)的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)的將來(lái)性表現(xiàn)在設(shè)計(jì)要有超前的構(gòu)想和理念，在社會(huì)上有一定的持久性。

　　活塞專用機(jī)床的評(píng)價(jià)，屬于在多因素下的一種綜合評(píng)價(jià)。模糊數(shù)學(xué)建立了綜合評(píng)價(jià)的模式，將復(fù)雜的評(píng)價(jià)問(wèn)題演變?yōu)橐粋€(gè)較為簡(jiǎn)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(duì)于任意的xi∈X，yj∈Y。因rij表示xi在yi上的特征指標(biāo)（可能程度），對(duì)于每個(gè)xi得一向量（ri1，ri2，……，rim）是xi關(guān)于Y的特征指標(biāo)向量，(i=1，2，……，n)。再以這幾個(gè)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(píng)價(jià)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(biāo)，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(duì)應(yīng)yj作為評(píng)價(jià)結(jié)果。

　　（1）一級(jí)評(píng)價(jià)模型，確定評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集，X＝{x1，x2，……，xn}；給出決策集，Y＝{y1，y2，……，ym}；確定單因素評(píng)價(jià)矩陣R＝（rij）n×m；通過(guò)X到Y(jié)的模糊變換A R得對(duì)象集的一個(gè)決策。

　　（2）多級(jí)評(píng)價(jià)模型，在一級(jí)評(píng)價(jià)模型中若評(píng)價(jià)因素集個(gè)數(shù)n過(guò)多，由于權(quán)重分配滿足，每個(gè)ai一般很小，所以在合成運(yùn)算取小時(shí)，R的元素被篩選過(guò)多，致使評(píng)價(jià)失敗。另一方面n過(guò)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(guò)大最好用多級(jí)模型。

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

　　②對(duì)每個(gè)xi按一級(jí)模型分別進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。假若評(píng)價(jià)集為：Y＝{y1，y2，……，ym}，xi的單因素評(píng)價(jià)矩陣設(shè)為Ri，xi的各因素權(quán)重分配Ai＝（ai1，ai2，……，aip），則第一級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果Ai?Ri＝（bi1，bi2，……，bim）＝Bi（i=1，2，……，s）。

　　③將每個(gè)xi看作一個(gè)元素，用Bi作為它的單因素評(píng)價(jià)向量，得單因素評(píng)價(jià)矩陣：

　　對(duì)每個(gè)xi在X中的重要性給出權(quán)重分配：Ai＝（a1，a2，……，as），則二級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果：B＝A?R。

　　這就是二級(jí)評(píng)價(jià)模型。如果X的因素個(gè)數(shù)n過(guò)大，對(duì)X分割X＝X1U，X2U，……，XsU時(shí)，s仍然過(guò)大，第二級(jí)評(píng)價(jià)仍有因素過(guò)多的現(xiàn)象，這樣可以仿照前面對(duì)每個(gè)xi分割，進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。

　　2.活塞精止口、鉆中心孔機(jī)床綜合評(píng)價(jià)

　　根據(jù)工廠實(shí)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(jì)性、獨(dú)創(chuàng)性、將來(lái)性、審美性。又設(shè)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)。請(qǐng)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(píng)價(jià)。

　　（1）對(duì)功能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

　　在評(píng)價(jià)中，30%的參評(píng)人員認(rèn)為“很好”， 40%的人認(rèn)為“好”，10%的人認(rèn)為“較好”，10%的人認(rèn)為“一般”，10%的人認(rèn)為“較差”，沒(méi)有人認(rèn)為“差”。從而得到x1的評(píng)價(jià)結(jié)果為：（0.3，0.4，0.1，0.1，0.1，0）。類似地，逐次對(duì)x2、x3、x4、x5、x6進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到如表所示因素隸屬度。

　　由于因素較多，運(yùn)用多級(jí)模型求解，將評(píng)價(jià)因素分為2個(gè)子系統(tǒng)，即：X＝{X1，X2}。其中，X1＝{x1，x2，x3}，X2＝{x4，x5，x6}。它們所對(duì)應(yīng)的單因素評(píng)價(jià)矩陣分別為：

　　根據(jù)評(píng)價(jià)時(shí)對(duì)因素的傾向性不同，如針對(duì)活塞專用加工機(jī)床，主要是評(píng)價(jià)其功能性，即能否滿足生產(chǎn)需要，那么對(duì)功能性的權(quán)重分配值就偏大。
現(xiàn)定權(quán)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?yàn)楣S對(duì)專用機(jī)床的評(píng)價(jià)重在實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，因而對(duì)B1、B2的權(quán)重分配為A＝（0，75，0，25），則綜合評(píng)價(jià)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(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因素是“好”，因此，對(duì)活塞精止口、鉆中心孔機(jī)床的綜合評(píng)價(jià)為“好”。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文從模塊化方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)入手，探討其設(shè)計(jì)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)和決策方法。

　　通過(guò)對(duì)機(jī)床模塊化總體方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)，明確了機(jī)床模塊化總體方案設(shè)計(jì)的步驟；通過(guò)對(duì)模塊的選擇與組合，確定機(jī)床的組合方案原則；最終，我們運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)一種活塞專用機(jī)床方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。