桥式起重机的模块化配置设计研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

传统的起重机设计方法，大部分是根据主参数和性能要求进行整机及各部件设计，很少考虑某-功能单元的部件在跨系列产品中的使用，所以部件的通用性差，缺乏标准化设计思想，经验很难传递或积累。如果把拈化配置设计思想运用到桥式起重机上，就可以使经验得到传递或积累，加快桥式起重机的研发速度，减少设计和制造成本。主要工作就是研究拈化配置设计的方法，并将其应用于桥式起重机的设计中，解决起重机产品定制化生产和批量化生产的矛盾。

2拈化配置设计含义拈是指集合中结构相对独立的拥有-定功能基本单元，它是拈化配置设计的基本功能载体。拈化是指运用拈的思维形式对系统或产品进行整理规划和生产管理。拈化 幌 在对-定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出-系列功能与结构拈，通过拈选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求的-种现代设计方法lI。拈化配置设计是指根据设计需求，通过零部件选型匹配，输出产品拈化物料清单(Modularhil1ofmaterial，)的过程[21。

3拈化配置设计的关键技术3.1拈化配置设计阐述模型公理设计理论方法日是将设计过程分为四个域，如图 1所示。

即顾客需求域(Customerdomain)、功能域(Functional domain)、结构域(Physical domain)和过程域 Process domain)。把麻省理工学院的 Suh提出的公理化设计理论与基于对象建模的理论联系起来，用对象方法的专业语言来阐述公理化设计理论的 CN、FR和DP，得到表现顾客需求、结构与功能三者之间联系的拈化配置设计阐述模型，如图2所示。

3.2拈划分拈划分是拈化配置设计的前提，拈化配置设计的基本过程可以分为拈划分和配置设计两个步骤，而拈划分是实现产品配置设计的关键。拈划分的基本思路[4]就是：根据拈划分的原则，从各个不同的视角将产品规划成若干个基础单元，然后计算关系度，接着构建所需矩阵，最后把同-类的聚集成模块～从以下三个方面-拈划分依据原则、拈划分依据角度和拈划分的聚类方法来重点描述拈的形成过程。

3.2.1拈划分依据原则拈划分的基本原则是以绝对少的单元组合成尽量绝对多的产品。由于分析的目标各不相同，通常来说现在还没有形成完全-致的拈划分依据原则。文献[51研究了几种具有典型f生拈划分原则的机械产品，并且总结提取出了-种三维空间下的拈划分原则，如图3所示。这种三维空间的划分原则能够体现出模块划分的很多影响因素，也较准确地划分了机械产品的许多情况，现在越来越被许多研究者所采用。

来稿日期：2012-04-12基金项目：山西省自然科学基金资助项目(2008012007)；山西势技攻关计划资助项目(20090321024)作者简介：李 彬，(1987-)，男，山东，硕士研究生，主要研究方向：计算机集成制造；王宗彦，(1963-)，男，河北，博士，硕士生导师，主要研究方向：计算机集成制造258 李 彬等：桥式起重机的拈化配置设计研究 第 2期概念设计 产品设计 过程设计顾客满意 功能特性 技术可行 制造成本顾客需求域 功能域 结构域 过程域图 1公理设计中域的表达模型Fig.1 Expression Model of Field in Axiomatic Design图2拈化配置设计阐述模型Fig.2 Elaborated Model of Modular Configuration Design结构复杂结构简单品 计改造周期图3拈划分依据原则的空间示意图Fig.3 Space Diagram of Modular Division Principle3.2-2拈划分依据角度从拈划分的角度，我们既要考虑满足顾客的功能需求，又不能使拈结构过于复杂，以免提高制造的难度和成本，将桥式起重机机按功能划分为控制功能、运行功能、驱动功能、制动功能与支撑功能等部分。

3.2-3拈划分的聚类方法依据拈划分的原则构建基础单元间的关系度矩阵，利用合理的聚类算法，形成拈的划分。拈划分可以分为定性的非数值计算和定量的数值计算这两种聚类方法。虽然定性的非数值计算方法复杂度低，比较形象和直观，而且便于实现，但是划分结果的好坏根据设计者的经验和能力而定，受到主观性的影响相当大。定量的数值计算方法比较客观，最佳的拈划分方案依据-种计算方法来确定，比如，遗传算法日、退火算法等，虽然数学算法使拈划分优化问题的解决速度大大加快，可是机械产品越复杂精细，数学算法也随之复杂，所以当用于复杂机械产品时在应用方面难度比较大。

4拈化配置设计问题阐述拈化配置设计，应该先对顾客需求予以分析，通过构建顾客需求到技术J生能的映射，然后构建技术性能至拈系列的映射，获得顾客需求跟机械产品性能的关系度，并用该关系度的最佳值为目的构建拈化配置没汁优化模型。配置设计流程，如图4所示。

图4配置设计流程图Fig.4 Flow Chart of Configuration Design4.1顾客需求到技术性能的关系度矩阵定义 来描述顾客需求i与技术性能 之间的关系程度，描述为没有关系、较弱关系、中等关系、较强关系和超强关系，各值依次为 0、1、3、5、7〃立 自顾客需求至技术性能的关系度矩阵：M 孝11 12-。 。

：qNo.2Feb.20l3 机械 设 计 与制 造 259式中：g-顾客需求项的数量；r-技术性能项的数量。

表 1每个拈不同的表达方法Tab.1 Diferent Expression Methods of Each Module4.2技术性能到拈系列的关系度矩阵利用 7 .来定义技术性能到拈实例的关系程度，对应没有关系、较弱关系、中等关系、较强关系和超强关系，各值依次为 0、1、35 7它的含义如下：叼 。表示第 i个功能拈的第。

个拈系列的第 k个实例和第 1个性能的关系度。由此得出技术性能和模块系列的关系度矩阵为：肘 - 1：lME， - l，Mi jTI111 TII1l l11rTi121 T1122 - TI12r： ：. ：TIM c 1 TiMC.2 TiM～C.r(2)(3)式(2)含义如下：(1)当 1时， 。 为技术性能与基本拈的关系度矩阵。(2)当i2时， 为技术性能与辅助拈的关系度矩阵。(3)当 i3时，帆 为技术I生能与可选拈的关系度矩阵。

4.3拈化配置设计的数学模型利用二元决策变量 咪 表达机械产品中的拈系列在配置设计产品中的配置I生，O'0.k1时，确定第 i种功能拈(基本模块、辅助拈或可选拈)中第 个拈系列的第 k个实例已经被配置；如果当oo0时，证明它没有被配置。全面把握顾客需求与技术性能、技术性能和拈系列的矩阵转化，根据顾客需求的关系度与拈化配置机械产品的性能的最佳值为 目的推导出模块化配置设计的优化数学模型：3 M. c r口 1 、maxF ∑∑ ∑ a ). ( ·m) (4)仁 I l kl /1 L m1 j式中：n 每f个顾客需求的权重矢量；卢 -第 m个技术性能的权重矢量。

5起重机拈化配置设计的实例匹配根据提出的拈化配置设计方法，我们开发出了桥式起重机拈化配置设计系统 (Overhead Crane Modular And ConfigurationDesign System：OCMCDS)，下面举例说明OCMCDS的关键方法和过程。传统桥式起重机功能拈的分解时，不能有效配置拈的规模与数量之间的矛盾关系。每个拈的大小分布不是很均匀 ，小车拈太过庞大，它本身的定量处理比较困难。OCMCDS系统以桥式起重机的功能分析为基础，利用拈化配置设计方法，给桥式起重机以全新的拈划分，使它更能适应社会主义市抄济的需求，式起重机拈化配置设计方法的结构框图，如图5所示。

利用 Microsoft Visual Basic 6.0对 SolidWorks进行二次开发，建立人机交互界面进行参数设置输入，增强拈化配置设计系统的可操作性。设计者首先确定桥式起重机的顾客需求和技术性能屙陛的权重分配，OCMCDS系统根据顾客需求的主参数，自动调出模块化配置设计参数，选取主小车架界面(图略)。桥式起重机实例库中跟顾客需求最佳匹配的实例根据拈实例特征关系度的计算得到。由上述计算得到的实例仅是满足顾客需求的最佳实例，如果匹配计算的结果不满足设计要求，则可以在已选择实例的基础上再次进行修改，-直达到顾客的需求为止。最后将顾客满意的实例存储到桥式起重机拈化配置设计数据库中，作为成果保存，为以后的研发提供方便。

图5桥式起重机拈化配置设计方法结构框图Fig.5 Modular Configuration Design Method StructureDiagram of Overhead Crane6结束语探讨了桥式起重机拈化配置设计方法，把增强顾客需求跟拈化配置机械产品质量的关系度最佳为目的，构建了OCMCDS系统。系统在桥式起重机的实际应用中提高了拈化配置设计的精确性，缩短了拈化配置设计的时间。创造生的划分方法应用到桥式起重机的拈划分上，克服了拈规模和拈数目之间的成本矛盾，并且该种划分方法所建立的拈化配置设计系统是-个与时俱进的系统，可以提高企业满足顾客个性化定制需求能力，可以随着市场变化和科学技术的前进推陈出新，实现良陛循环。