CN111625978B - 一种基于模块化的数控卧式车床设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于模块化的数控卧式车床设计方法，具体方法为：步骤一、基于层次分析法和谱系聚类算法的数控车床模块划分；步骤二、多个功能模块的三维模型建立，采用配套选择接口算法对功能模块间的接口进行标准化，并建立数据库；步骤三、模块的编码系统研究，根据客户需求从模块库中选择满足要求的模块并实现模块自动装配；步骤四、基于ANSYS进行步骤二中多个功能模块和整机的静、动态特性分析；步骤五，根据步骤四的计算结果，判断配置方案是否满足加工精度和稳定性要求，若是，则输出满足要求的配置方案，若否，则返回步骤三。通过模块化设计和动态设计的有机结合使得机床设计周期大大缩短，提高了生产效率并保证了生产质量。

Description

一种基于模块化的数控卧式车床设计方法

技术领域

本发明属于机床设计领域，主要涉及一种基于模块化的数控卧式车床设计方法。

背景技术

从普通机床发展到数控机床，是机床在传动和结构方面的一次飞跃，与此相适应，数控机床在其结构设计方面也必然要求有新的设计方法和理论来指导。机床的模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能条件下不同性能规格的产品，在对其进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列的功能模块，通过对模块的选择与组合，可以构成不同种类的产品，以满足市场不同需求的一种设计手段。但目前的模块化一般都是针对于信息和数据的管理，并没有涉及到模块与整机静、动态性能的分析和评价，所以应该在机床结构设计的过程中使用模块化设计与动态设计的有机结合。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于模块化的数控卧式车床设计方法，其能够根据客户需求来快速实现响应其需求的规格和性能产品，实现对机床的模块化设计。

本发明通过以下技术方案来实现：一种基于模块化的数控卧式车床设计方法，具体包括以下步骤：

步骤一、基于层次分析法和谱系聚类算法的数控车床模块划分；

步骤二、多个功能模块的三维模型建立，采用配套选择接口算法对功能模块间的接口进行标准化，并建立数据库；

步骤三、模块的编码系统研究，根据客户需求从模块库中选择满足要求的模块并实现模块自动装配；

步骤四、基于ANSYS进行步骤二中多个功能模块和整机的静、动态特性分析；

步骤五，根据步骤四的计算结果，判断配置方案是否满足加工精度和稳定性要求，若是，则输出满足要求的配置方案，若否，则返回步骤三。

进一步优化，步骤一中所述基于层次分析法和谱系聚类算法的数控车床模块划分具体方法为：首先对机床的功能进行分解，分解成一系列易于实现的子功能，然后采用谱系聚类法进行子功能聚类分析；采用层次分析法将数控机床各功能元按特定的关系进行分组，形成一个有序的层次状结构的矩阵，通过对各个相关性两两进行比较，来确定每一层次中各个因素的重要性。

进一步优化，所述步骤一种层次分析法和谱系聚类法具体的计算步骤如下：

(1)对指标体系中某一层次中的m项指标之间相对的重要性进行两两比较和判断，形成判断矩阵

其中，a_ij(i，j＝1，2，...，m)是2个指标进行比较的相对重要度，m表示指标数，n表示各个功能元彼此之间的相关性，A是判断矩阵，a₁₁、a_1n、a_m1、a_mn均为判断矩阵A的元素；

(2)计算出A的特征向量d_i，并根据d_i计算得到各个指标的权重值：

其中，i和j代表不同的两个指标，_aij(i，j＝1，2，...，m)为两个指标进行比较的相对重要度，w_i是由特征向量得到的各个指标的权重值；

(3)进行一致性检验，首先按照以下公式计算A的最大特征值λ_max：

其次，按照以下公式计算一致性指标CI：

其中，m为A的阶数；

(4)计算CR值，决定是否需要修正矩阵：

CR＝CI/RI，

其中，CI是层次分析法中的一致性指标，RI是层次分析法中的相应指标，当CR＜0.1，判断矩阵的一致性结果是可以接受的；当CR≥0.1时，则需要通过调整加权系数对判断矩阵作适当的修正，结合下式：

计算出数控机床各功能元之间的相关度，得到相关矩阵：

其中，r_ij代表功能元f_i与另一个功能元f_i之间的相关度，

r_ij∈{0，1}，r_ij≠0，k代表各个功能元彼此之间第k种相关性，w_k代表第k种相关性在计算相关度时的权重；

将R的元素进行变换得距离矩阵：

选择L₀中非对角线上的最小元素，设这个元素为l_pq，这时l_p＝{f_p}，l_q＝{f_q}，令，在L₀中消去G_p、G_q所对应的行和列，同时加入由新类G_r和剩下的未被聚合的类之间的最小距离组成的新的行和列，形成一个新m-1阶矩阵L₁，如此反复，直到m个功能元聚合成一个功能元，最后根据聚类的距离及功能编号绘制聚类图。

进一步优化，所述步骤四中多个功能模块和整机的静、动态特性分析的具体方法为：对步骤一中划分完成之后的功能模块导入有限元ANSYS分析软件中，建立有限元模型，并进行仿真分析，以获得模拟仿真的结构应力云图、应变云图和模态值；根据客户需求对数控车床进行模块装配，建立装配完成之后的整机模型，并导入有限元ANSYS分析软件中，建立有限元模型，进行网格划分，以获得模拟仿真的结构应力云图、应变云图和模态值。

本发明的有益效果在于：

利用本发明实现数控卧式车床的模块划分，实现模块在软件环境下的自动装配，实现模块和机床性能评价研究，通过模块化设计和动态设计的有机结合使得机床设计周期大大缩短，提高了生产效率并保证了生产质量。

附图说明

图1为本发明方法步骤流程图；

图2为本发明的机床功能分解图；

图3为层次分析法和谱系聚类法流程图；

图4为绘制的聚类图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种基于模块化的数控卧式车床设计方法，具体包括以下步骤：

步骤一、基于层次分析法和谱系聚类算法的数控车床模块划分：首先对机床的功能进行分解，分解成一系列易于实现的子功能，然后采用谱系聚类法进行子功能聚类分析；采用层次分析法将数控机床各功能元按特定的关系进行分组，形成一个有序的层次状结构的矩阵，通过对各个相关性两两进行比较，来确定每一层次中各个因素的重要性，具体计算步骤为：

(1)对指标体系中某一层次中的m项指标之间相对的重要性进行两两比较和判断，形成判断矩阵

其中，a_ij(i，j＝1，2，...，m)是2个指标进行比较的相对重要度，m表示指标数，n表示各个功能元彼此之间的相关性，A是判断矩阵，a₁₁、a_1n、a_m1、a_mn均为判断矩阵A的元素，对重要度按1-9赋值，即表示为重要性标度值，如表1所示,

表1重要性标度值

(2)计算出A的特征向量d_i，并根据d_i计算得到各个指标的权重值：

其中，i和j代表不同的两个指标，a_ij(i，j＝1，2，...，m)为两个指标进行比较的相对重要度，w_i是由特征向量得到的各个指标的权重值；

(3)进行一致性检验，首先按照以下公式计算A的最大特征值λ_max：

其次，按照以下公式计算一致性指标CI：

其中，m为A的阶数；

(4)根据如下公式计算CR值，决定是否需要修正矩阵：

CR＝CI/RI，

其中，根据阶数查找相对应的指标RI，如表2所示：

表2 1-7阶的RI值

在上述公式中，CI是层次分析法中的一致性指标，RI是层次分析法中的相应指标，当CR＜0.1，判断矩阵的一致性结果是可以接受的；当CR≥0.1时，则需要通过调整加权系数对判断矩阵作适当的修正，结合下式

计算出数控机床各功能元之间的相关度，得到相关矩阵：

其中，r_ij代表功能元f_i与另一个功能元f_i之间的相关度，

r_ij∈{0，1}，r_ij≠0，k代表各个功能元彼此之间第k种相关性，w_k代表第k种相关性在计算相关度时的权重，以i、j分别表示f_i、f_j，以l_ij表示i与j之间的距离l_ij(f_i，f_j)；G_p和G_q分别表示2个功能元的聚合，它们分别含有m_p、m_q个子功能元，将G_p和G_q之间的距离记为l_pq，l_pq＝min{l_ij}，i∈G_p，j∈G_q，用功能元之间的最短距离作为G_p、G_q的距离；

将R的元素进行变换得距离矩阵：

选择L₀中非对角线上的最小元素，设这个元素为l_pq，这时l_p＝{f_p}，l_q＝{f_q}，令，在L₀中消去G_p、G_q所对应的行和列，同时加入由新类G_r和剩下的未被聚合的类之间的最小距离组成的新的行和列，形成一个新m-1阶矩阵L₁，如此反复，直到m个功能元聚合成一个功能元，最后根据聚类的距离及功能编号绘制聚类图，如图1所示；

步骤二、建立多个功能模块的三维模型，采用配套选择接口算法对功能模块间的接口进行标准化，并建立数据库；

步骤三、研究模块的编码系统，根据客户需求从模块库中选择满足要求的模块并实现模块自动装配；

步骤四、基于ANSYS进行步骤二中多个功能模块和整机的静、动态特性分析，具体方法为：对步骤一中划分完成之后的功能模块导入有限元ANSYS分析软件中，建立有限元模型，并进行仿真分析，以获得模拟仿真的结构应力云图、应变云图和模态值；根据客户需求对数控车床进行模块装配，建立装配完成之后的整机模型，并导入有限元ANSYS分析软件中，建立有限元模型，进行网格划分，以获得模拟仿真的结构应力云图、应变云图和模态值；

步骤五，根据步骤四的计算结果，判断配置方案是否满足加工精度和稳定性要求，若是，则输出满足要求的配置方案，若否，则返回步骤三，直至选出满足加工精度和稳定性要求的方案。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于模块化的数控卧式车床设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、基于层次分析法和谱系聚类算法的数控车床模块划分，所述基于层次分析法和谱系聚类算法的数控车床模块划分具体方法为：首先对机床的功能进行分解，分解成一系列易于实现的子功能，然后采用谱系聚类法进行子功能聚类分析；采用层次分析法将数控机床各功能元按特定的关系进行分组，形成一个有序的层次状结构的矩阵，通过对各个相关性两两进行比较，来确定每一层次中各个因素的重要性；

所述层次分析法和谱系聚类法具体的计算步骤如下：

(1)对指标体系中某一层次中的m项指标之间相对的重要性进行两两比较和判断，形成判断矩阵

其中，a_ij(i，j＝1，2，...，m)是2个指标进行比较的相对重要度，m表示指标数，n表示各个功能元彼此之间的相关性，A是判断矩阵，a₁₁、a_1n、a_m1、a_mn均为判断矩阵A的元素；

(2)计算出A的特征向量d_i，并根据d_i计算得到各个指标的权重值：

其中，i和j代表不同的两个指标，a_ij(i，j＝1，2，...，m)为两个指标进行比较的相对重要度，w_i是由特征向量得到的各个指标的权重值；

(3)进行一致性检验，首先按照以下公式计算A的最大特征值λ_max：

其次，按照以下公式计算一致性指标CI：

其中，m为A的阶数；

(4)计算CR值，决定是否需要修正矩阵：

CR＝CI/RI，

其中，CI是层次分析法中的一致性指标，RI是层次分析法中的相应指标，当CR＜0.1，判断矩阵的一致性结果是可以接受的；当CR≥0.1时，则需要通过调整加权系数对判断矩阵作适当的修正，结合下式

计算出数控机床各功能元之间的相关度，得到相关矩阵：

其中，r_ij代表功能元f_i与另一个功能元f_j之间的相关度，r_ij∈{0，1}，r_ij≠0，k代表各个功能元彼此之间第k种相关性，w_k代表第k种相关性在计算相关度时的权重；

将R的元素进行变换得距离矩阵：

选择L₀中非对角线上的最小元素，设这个元素为l_pq，这时l_p＝{f_p}，l_q＝{f_q}，令G_r＝G_p∪G_q，在L₀中消去G_p、G_q所对应的行和列，同时加入由新类G_r和剩下的未被聚合的类之间的最小距离组成的新的行和列，形成一个新m-1阶矩阵L₁，如此反复，直到m个功能元聚合成一个功能元，最后根据聚类的距离及功能编号绘制聚类图；

步骤二、多个功能模块的三维模型建立，采用配套选择接口算法对功能模块间的接口进行标准化，并建立数据库；

步骤三、模块的编码系统研究，根据客户需求从模块库中选择满足要求的模块并实现模块自动装配；

步骤四、基于ANSYS进行步骤二中多个功能模块和整机的静、动态特性分析，其中多个功能模块和整机的静、动态特性分析的具体方法为：对步骤一中划分完成之后的功能模块导入有限元ANSYS分析软件中，建立有限元模型，并进行仿真分析，以获得模拟仿真的结构应力云图、应变云图和模态值；根据客户需求对数控车床进行模块装配，建立装配完成之后的整机模型，并导入有限元ANSYS分析软件中，建立有限元模型，进行网格划分，以获得模拟仿真的结构应力云图、应变云图和模态值；

步骤五，根据步骤四的计算结果，判断配置方案是否满足加工精度和稳定性要求，若是，则输出满足要求的配置方案，若否，则返回步骤三。

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