基于模块化设计的机床可持续设计指数研究.pdf

机械制造 温长飞， 等 基于模块化设计的机床可持续设计指数研究 分析。以基本单元为基础， 通过分析各基本单元之间的功 能相关度， 将功能密切相关， 相互协作完成某一功能的单 元作为同一模块。通过聚类分析， 将机床划分为 9大模 块。其基本组成如下， 床身单独一个模块 立柱模块 立 柱、 升降丝杆、 立柱托板和纵向丝杆组成； 切削头模块 切 削头箱体、 主轴 、 传动轴和刀轴组成 ； 电动机单独模块。 工 作台模块 工作台和工作台底座组成； 液压夹具模块 夹具 液压缸和液压缸底座组成； 液压润滑模块 润滑液压缸和 液压缸底座组成； 水冷却模块 水箱和水箱接头组成 电气 控制模块 按钮和行程开关等电气元件组成。 1 ．3 机床模块化设计的评价 完成机床的模块化设计之后， 选取模块度和复杂度两 项指标对其设计结果进行评价。 a 模块度评价 机床模块度的计算可以从两个层面开展 模块层和机 床层。模块度是指模块或机床的模块化程度_ 5 ] 。模块的 模块度大小取决于组成该模块的各零部件之间的关联度 大小 ， 及其和其他模块零件部件的关联度大小。零部件间 的关 联度 可以分为各个方 面， 文 中将 从功能交 互性 、 结构 交互性 和物理交互性对其进行分析 。 功能交互性 功能交互性是零部件之间相互协作完成 某一功能的关联程度。功能交互性分析是模块化设计的 关键部分． 基本单元的形成就是通过对机床功能的分解实 现的。根据各零部件问功能关联程度， 定义功能交互值， 如表 1 所示。 表 1 功能交互值 定义 功能交互性描述 交互数值 零部件相互依存 ， 共同完 成某功能 ， 缺一不可 零部件相互协作辅助关系强 零部件相互协作辅助关系弱 零部件无功能交互 1 ． 0 0 ． 5～0 ． 9 O ． 1 ～O ． 4 0 结构交互性 结构交互性指零部件之间在空间结构几 何方面的相关性。包括零部件之间的接口联接方式、 形位 约束关系等。结构交互值定义如表 2所示。 表 2 结构 交互值 定义 联接特性描述 形位关系描述 交互数值 注塑 、 焊接 、 粘合等 不可拆分永 久联接 璧 ．o 度 、垂直度 ⋯ 热 压 爰 笪 拆 卸 等 严 格 的 形 位 关 系 o ．9 的 紧 密 联 接 ⋯⋯⋯⋯一 ⋯ 茔 、 键 、 黛 量 篓l 难 拆 r n 一 般联 接0 ． 8 螺纹等较易拆卸的联接 卡扣 、 轻压人等易拆卸联接与固定零部件的 间隙配合联接 一般形位关系 松配合联接 限位联接 无联接关系 无形位关系约束 4 6 物理交互性 物理交互性是指零部件之 间存在的各种 物理形式的相互联系， 包括能量流、 信息流、 物质流和力等 方面的交互性。物理交互值定义如表 3 所示。 表 3 物 理交互值定义 物理交互性描述 交互数值 零部件间的物理联系很强或是存在多方面物理联系 零部件 间物理联系较强或存 在几个方面物理联系 零部件物理联 系较弱或只存 在单方面物理联系 零部件不存在物理联系 1 ． O 0 ． 5～0 ． 9 O ． 1 ～O．4 O 零部件之间的加权平均交互值定义如下 r i 兄 ， √ ， √ to R p √ C O p 1 式中 ， 为零 部件 i和 ． 之间 的加权 总交 互值； i J 、 R J 和 R √ 分别 为零 部件 i 和 之问 的功 能交互值、 结构交互值和物理交互值 ； 、 t O 和 为相应 的权重值， 且 ∞r ∞ l ， 权重值的大小由层次分析法 a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s ， A H P 或德尔菲法确定。 根据以上分析． 可以定义模块 ％的模块度计算公式如 下式 ∑ ∑R √ ∑ 尺 J r ’ 、 m 一 1 [ N m 一 1 】 式中 M 为机床模块 k的模块度， ， m 分别表示组成机 床模块 k的第一个零件和最后一个零件的索引； Ⅳ为组成 机床的主要零部件总数。 确定了所有模块的模块度后 ， 就可以确定整个机床的 模块度 ， 机床模块 度计算公式如下 Mk co 3 式中 肘为机床总模块度； Ⅳ m为机床的模块总数 ； co 为机 床模块k 的权重． 根据机床模块的多少可由A H P或德尔菲 N m 法 法 确 定， 且∑∞ 1 。 b 复杂度评价 不同的模块化设计方案不仅会影响机床的模块度， 还 会影响机床的复杂度 ， 例如制造复杂度和装配复杂度。模 块划分的层次不同 。 机床包含的模块数 目和每个模 块所 包 含的零部件数目也不同． 机床的制造和装配的复杂程度就 不 同。 利用信息熵的概念对机床的复杂度进行评价， 熵最初 是用来表示热力系统不可逆现象的概念_ 7 ] 。信息熵是由 信息论创始人香农 S h a n n o n 提出来的， 用来描述系统状 态不确定性的概念 ， 信息熵也可以用来表示系统的复杂 度。信息熵的计算公式如下 日 一 k ∑P 4 式 中 为系数 ； P 为系统事件 i 的发生 概率 ， 且满足关系式 h t t p ffZ Z HD ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h ain a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 一 ” 一 ∑ 5 4 7 6 ∞ ∞1 ， o 0 0 机械制造 温长飞， 等 基于模块化设计的机床可持续设计指数研究 表 5 各能源类型得 分值 能源类型 类型分数 太 阳能 、 风能 、 核能等新型清洁能源 电能等清洁能源 天然气 、 煤气等能源 柴油 、 汽油等能源 煤炭能源 1 ． O O ． 8 0 ． 6 0 ． 4 O． 2 c 成本指标 对于机床的成本模型， 考虑机床的可预测成本， 包括 初始成本、 定期维护成本和残值价值 ， 建立机床的成本计 算公式如下 c Co 一 式中 C为机床总成本； C 为机床第 k年的定期维护成本； n为机床使用寿命年限； i 为资金折现率， 一般取值银行存 款年利率； O t 为机床的残值率 按照国家有关法律规定 ， 内 资企业 固定 资产 残值 率 统 一 为 5 ％， 外 资 企 业一 般 为 1 0 ％。 d 安全性指标 有关机床的安全指标计算模型， 借用文献 [ 1 1 ] 的机 床风险评测模型， 机床的风险大小和风险产生的伤害程 度、 人们暴露于危险区的频率、 危险出现的频率都有关 ， 是 三者综合作用结果。风险指数计算公式如下 y 1 一 e 一 。 。 ’ 1 3 式中 ， 为危险严重度； C为风险产生的伤害程度， 根据伤 害程度和死亡人数， 其值范围为 0 ～1 0 0 ； E为人们暴露于 风险的频率， 分值范围为 0 1 0 ； L为风险发生的概率， 分 值 范围为 0 1 0 。 定义机床安全度指数为 1 减去危险度指数， 即 s 1 - y e - 。 。 1 4 式中 s 为机床的安全度指数。 e 轻量化指标 机床的轻量化设计可以大幅减少机床质量 ， 节省材 料 ． 有助于降低机床能耗。据统计， 机床质量 的 8 0 ％用 于保证机床的刚度 ， 只有 2 0 ％用于机床的运动。所 以， 机床材料有很大 的节省空间。机床床身是机床的大质 量部件． 机床的大部分质量集中在床身部件， 因此 ， 以床 身的轻量化程度来来计算机床的轻量化指数 ， 计算公式 如下 L 1 5 1 5 m6 式中 L为机床轻量化指数 ， 其值越 大 ， 表示其 轻量化设 计 越好； k 为床身静态刚度； 为床身所占空间体积； m 为床 身质量。 2 ． 2 指标值标 准化处理 S D I 的计算模 型属于多指标评 价体系 ， 由于各评 价指 标的性质不同， 其量纲和数量级也各不相同， 如果要直接 用原始数值计算 S D I ， 各指标的作用相差很大， 数量级高 的指标作用大 ， 数量级低的指标作用则弱。为保证 S D I 计 4 8 算结果的可靠性， 需要对原始数据进行标准化处理。根据 指标的性质， 将 S D I 各评价指标分为两类分别进行标准化 处理 ， 即效益型指数和成本型指数 。 a 效益型指标标准化 对于效益型指数， 其值越大， 机床的可持续性越强， 包 括环境指数 、 能源指数 、 安 全指数 、 模块度 指数 、 轻量化 指 数等。效益型指标的标准化值可以用其值占各方案值总 和的比例表示 D ‘ D ／ ∑D 1 6 i l 式中 D 为第 个效益型指标方案 i 的原始值； D ’ 为其标准化后的数值； m为方案总数。 b 成本型指标标准化 成本 型指标是 指其 值 越小 ． 机 床 可持续 性 越强 的指 标 ． 包括制造生态指数 、 加工过 程指数 、 成本 指数 、 复杂 度 指数等。对于成本型指标， 其倒数值是效益型， 可用效益 型指标标准化公式处理 ， 所以． 成本型指标标准化公式 如下 D ‘ 1 ／ D ／ 1 ／ ∑D 1 7 il 式中 D 为第 个成本型指标方案 i 的原始值； D 为其标准化后的数值。 2 ． 3指标权重确定 确定权重 的方 法 主要 有主 观赋 权法 和 客观赋 权 法。 主观赋权法包 括德 尔菲法 、 A H P等。主 观赋权 可 以最大 限度地反映评价者的主观意愿． 但较难保证权值 的客观 性 。客观赋权 法有熵 权 系数法 、 主成 份法 和 因子分 析法 等。客观赋权法是通 过评价指标 样本 自身的相关 关系 和 变异程度确定权重系数， 根据各指标所提供信息量的大小 来决定相应指标 的权重 系数 。本文综合 A H P和熵权 系数 法两种方法确定各指标权重值。 假设由 A H P和熵权系数法确定的指标 的权重向量 分别为 A ， 、 0 i ， 则指标 的最终权重计算公式为 A． 0 t O 1 8 ∑A ， 0 s 2 ． 4 S D I 值计算 至 此 ， 可 以 得 各 方 案 的 标 准 化 指 标 向 量 D [ D D ⋯D 】 i 1 ， 2 ⋯， m ， 权重向量为 W [ -O 2 ⋯ ∞ 】 ， 各方案的S D I 值计算公式如下 S D I D W 1 9 式中 S D I 。 为方案 i 的可持续设 计指 数值 ， 1 ， 2 ⋯ ， r t 。 3 S D I模型实现及 实例计算 3 ． 1 S D I 模型 实现 完成 S D I 计算模型后 ， 以两方案的比较选择为例 ， 选 取 M a t l a b的 G U I 编程语言， 完成了 S D I 计算的程序模型。 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u m a 1 ． n e t ．c n 机械制造与自 动化