公理设计案例

第4组2018年11月7日现代机械设计主讲人：小组成员：设计过程的四个域在AD中,设计空间被划分为用户域、功能域、结构域和工艺域等四个域，每个域都是一组数据的集合，分别为客户属性(CustomerAttributes,CAs),功能需求(FunctionalRequirements,FRs),设计参数(DesignParameters,DPs)和工艺变量(ProcessVariables，PVs)。公理设计过程就是四个域间的逐层分解、迭代和映射的过程。公理设计理论概述公理设计理论概述映射映射映射用户域功能域物理域过程域CAFRDPPV一、巴氏合金轴瓦成形新工艺二、自动装弹机设计三、汽车停车挡的设计四、数控微型磨床设计五、机加夹具概念设计公理设计案例目录一、巴氏合金轴瓦成形新工艺锡基巴氏合金和铅基巴氏合金为油润滑轴承的首选润滑界面材料，具有非常好的减摩性、嵌藏性、顺应性等，主要使用于大型机械主轴的轴瓦、轴承、轴衬、轴套•巴氏合金轴瓦成形新工艺锡基合金自身强度较低,表面硬度随温度升高下降明显,致使巴氏合金对外界温度的变化十分敏感针对高速工况下轴承巴氏合金耐温性能及机械性能偏低等问题利用公理设计方法通过对传统的巴氏合金轴承材料的改性及成形工艺流程的设计,而不是简单的试错来进行巴氏合金的性能改进应用背景公理设计理论研究巴氏合金轴瓦成形新工艺上图是公理设计理论,得到针对某种材料成形工艺设计的4个域巴氏合金轴瓦成形新工艺上图是巴氏合金材料新工艺过程含用户域、功能域、物理域和过程域这4个域。约束性能（目标）影响因素可控因素巴氏合金轴瓦成形新工艺DP1—β相密度ρβ:决定巴氏合金的软化温度，决定巴氏合金在高温下的硬度(FR1)DP2—β相的晶粒尺寸sβ:sβ的减小是提高巴氏合金压缩屈服强度(FR2)的重要手段DP3—冷却速度v:巴氏合金材料与轴瓦背衬的结合强度(FR3)主要取决于浇注时的冷却性能，即与冷却速度v有关图示为巴氏合金的典型金相组织,白色三角或方块为β相。巴氏合金性能的主要影响因素DPs巴氏合金轴瓦成形新工艺PV1,即添加微量铜(质量分数2%):巴氏合金中含有Cu,其质量一般占合金质量的3%~5%微量的Cu能溶入α固溶体并使之强化,提高材料硬度,Cu还可控制β相的偏析,PV2,即浇注轴瓦后,在液态合金开始凝固时再水冷,以保持液态合金的流动性：高的冷却速度可以减小晶粒,也可以防止偏析,但过快的冷却会导致合金层的温差增大,容易产生缩孔,最后导致合金组织不致密,强度降低,因此要合理选择冷却速度。巴氏合金工艺中的可控因素巴氏合金轴瓦成形新工艺图示为巴氏合金的典型金相组织,白色三角或方块为β相。过程域{PV}中所列的是可控制物理域{DP}中各项的工艺保证设计检验在设计付诸实践之前,需采用数学方法对设计进行检验。较佳的设计应满足公理设计理论中独立公理和信息公理的要求。信息公理规定,设计中需获取的新信息的含量应尽可能少。由功能域映射到物理域的设计方程可写成：由功能域映射到物理域的设计方程可写成可以看出,设计矩阵是一个典型的下三角矩阵,因此这个设计是一个解耦设计,满足独立公理的要求,设计是成立的。设计检验设计前后对比对新工艺轴承材料考核的性能有四项:机械性能、微观组织、摩擦学性能、服役性能,。分别将新老工艺下制造的轴承材料进行试验对比。改进前后对比二、自动装弹机设计自动装弹机应用背景双转鼓式自动装弹机自动装弹机是军事装备中较为典型的机电一体化综合机械系统装置,由多个机械执行系统协同将弹仓中的炮弹运送推入炮膛，完成供弹、抛壳等动作，实现火炮装弹的自动化。自动装弹机公理设计域名描述用户域{CA}设计一个新的自动装弹机，解决现役主战坦克自动装弹机结构复杂、射速较低以及定角式装填极大地减小了火炮的射击范围，限制了坦克的战斗力的问题功能域{FR}贮弹功能FR1：必须保证弹仓中放置一定数量的弹丸，并保证在射击和行驶过程中弹丸可靠定位，不能窜动输弹功能FR2：即转动弹仓，将弹仓中所需的弹丸由其它位置移动到指定位置上，完成供弹的要求；推弹功能FR3：即将弹仓中的弹丸提供到指定的接口上的功能。物理域{DP}储弹装置DP1、双鼓输弹装置DP2、推弹装置DP3。过程域{PV}设计了双转鼓式可变角装填自动装弹机，其特点是双转鼓弹仓结构，使弹仓容量变大，弹鼓横向水平放置在炮尾的两边，再加上整装式弹药，使得装弹时间大大减少，并且火炮的射速比现有的自动装弹机快一倍，并能实现可变角装填。自动装弹机公理设计具体改进方案示意图设计了双转鼓式弹仓，即将弹仓放在火炮的尾侧，炮弹水平向前存储在筒形弹仓内，其中轴线和火炮平行。这样可以实现任意角装填弹药，而且这样，炮弹的运动规律是，先沿垂直于炮弹轴线方向做直线运动，滚落至火炮轴线位置，再向前直线运动被推入炮膛，这种方式的运动规律只需要做一次推弹动作，炮弹的运动路线也较短，装弹时间可以缩短。独立性判断与解耦双转鼓式自动装弹机设计参数：储弹装置DP1、双轮鼓输弹装置DP2、推弹装置DP3。设计矩阵：FRs的数目等于DPs的数目为非耦合设计。耦合解决：采用带托弹板弹仓支架（输弹装置组成部分）结构，以炮弹自动滚落代替提弹过程，固定设计参数DP3。三、汽车停车挡的设计自动变速器汽车都具有一个变速器输出锁止机构，即停车挡，用来防止汽车停车时自动滑移。为解决汽车停车换挡时有过大的冲击和噪声，基于公理设计理论，解决了原有停车挡的换挡不平顺现象。汽车停车挡的设计图1停车挡示意图汽车停车挡原有设计图2停车挡原有设计示意图FR1——从行车到停车模式转换DP1——凸轮的斜面FR2——从停车到行车模式转换DP2——回位弹簧FR3——行车时防止意外锁住DP3——棘轮和棘爪的齿形/弹簧A和连杆/回位弹簧FR4——停车时保证汽车不移动DP4——凸轮的平面FR5——承担汽车所传递的载荷DP5——凸轮平面/棘爪平面原有设计停车挡的组件FRs和DPs:设计方程：存在问题：汽车停在坡上，凸轮受到压力与摩擦力大；很难从停车模式转变为其他模式；过程产生较大振动。域名描述用户域{CA}防止汽车在无人驾驶的情况下自己行走；防止汽车在形式时发生意外锁住；汽车在任何状态下都便于挂上停车挡；换挡平稳。功能域{FR}动力通断控制FR0、动力输出FR1、动力中断FR2、承担汽车传递的载荷FR3。物理域{DP}自动变速器停车装置DP0；动力输出结构DP1：控制结构指输出轴和棘轮；动力中断控制结构DP2：控制结构指凸轮、棘轮和棘爪；承载结构DP3：选择棘爪的层面、棘轮的侧平面和销子。过程域{PV}采用棘爪销子承担变速箱传来的载荷，而不是凸轮承担，可以解除设计的耦合，得到一个完全解耦设计，解决换挡不平稳现象汽车停车挡的设计改进针对以上缺点，进行再设计：汽车停车挡的设计改进改进功能要求详细描述：FR1——动力输出DP1——动力输出结构FR2——动力中断DP2——动力中断控制结构FR3——承担汽车传递的载荷DP3——承担结构第一级分解结构所以，第一级设计公式：FR1FR2FR3=X00XX000XDP1DP2DP3汽车停车挡的设计改进FR11—行车时防止意外锁住DP11—防锁死机构FR12—从停车到行车模式的转换DP12—解锁装置第二级分解结构FR21—停车时保证汽车不移动DP21—停车挡锁止机构FR22—从行车到停车模式的转换DP22—转换结构（凸轮面）FR21FR22=X00XDP21DP22FR31——传递从棘轮到棘爪的力DP31——棘爪和棘齿的侧平面FR32——承担传递的载荷DP32——销子的位置与作用在棘爪垂直表面的力矢量共线改进功能要求详细描述：汽车停车挡的设计改进改进功能要求详细描述：FR111——控制将棘爪推入棘轮时所需要的力DP111——弹簧A的刚度系数和连杆的位移FR112——控制棘轮转动时产生的反作用力DP112——棘轮的齿型第三级分解结构所以，设计公式：FR111FR112=X00XDP111DP112汽车停车挡的设计改进图3停车挡再设计示意图图2停车挡原有设计示意图汽车停车挡的设计改进设计结果比较和验证：X表示FR和DP之间是强影响；0表示FR和DP之间是弱影响最终得出：停车挡的设计结果是解耦的设计；与原有设计相比，改变了棘轮和棘爪的齿形，减少凸轮和棘爪之间的力；变速箱传来的载荷完全由销子承担，解除原有设计的耦合；解决了原有设计换挡不平稳的现象。但选择设计参数必须按适当顺序才能满足各个子功能之间的独立性。四、数控微型磨床设计为解决在常规超精密机床上加工出来微型零件缺乏韧性、成本高、消耗能源和空间与微型零件不对称的问题，微小型化磨床的设计刻不容缓。公理设计微磨床结构在设计时要保证数控微磨床的功能结构相互独立无耦合更大限度满足客户需求，减小设计误差独立性判断与解耦数控微型磨床结构设计数控微型磨床功能结构分解应用公理设计提供的设计框架，采用“之字形”映射方法，得到微型磨床的功能要求和设计参数的分解图。如图1图1微型磨床的功能要求数控微型磨床结构设计图2微磨床设计参数分解数控微型磨床结构设计域名描述用户域{CA}为了与多个零件尺寸相适应，解决在常规超精密机床上加工出来微型零件缺乏韧性、成本高、消耗能源和空间与微型零件不对称的问题功能域{FR}微磨削功能FR1：制造加工微小机械和微机械零件，同时可以实现对各种异性微轴类零件，孔类零件的微磨削；辅助功能FR2：实现冷却、密封、减震、润滑的功能；控制功能FR3：实现对单轴运动控制，多轴联动控制，以及精度控制的功能；……物理域{DP}DP1：微磨削系统;DP2：辅助装置;DP3：控制系统;……过程域{PV}设计微小型化磨床代替常规超精密磨床对进行微小机械和微机械零件加工，可以解决空间与微型零件不对称的问题数控微型磨床结构设计公理设计采用从产品抽象概括到具体组成结构或结构特征、自顶向下的分解方法以下四级设计矩阵第一级设计矩阵第二级设计矩阵数控微型磨床结构设计第三级设计矩阵第四级设计矩阵各级设计矩阵是下三角矩阵和或对角矩阵因此该微磨床结构设计是一个符合公理设计的解耦合关系的设计是可行性的设计五、机加夹具概念设计夹具概念设计的主要任务是设计出满足工件装夹要求的夹具结构，是后续机加夹具详细设计的基础，这一阶段的决策将对夹具的最终性能产生直接影响•机加夹具概念设计目前在大部分航空制造企业中，机加夹具概念设计主要依赖于设计者自身的设计经验和知识水平，设计规范性较差，设计效率低以AD理论为指导构建了机加夹具功能—结构分解与映射算法，将机加夹具概念设计过程转换为面向机加夹具多级功能需求的机加夹具实例检索过程，提高了机加夹具的设计效率和质量应用背景公理设计理论研究机加夹具概念设计机加夹具概念设计机加夹具多级实例库构建基于AD的机加夹具概念模型生成机加夹具概念设计夹具概念设计的主要内容是将用户需求分解为不同层次的夹具功能需求，并将其通过功能和结构之间的映射转变成合理的夹具结构。1.首先检索相应的夹具结构实例作为夹具功能需求FRs对应的结构DPs2.当没有现成的实例可实现该功能时，在AD框架下将该功能逐级分解为一系列子功能3.分解至分解级数达到预设值或所有子功能均有相应的实例满足为止，最终得到夹具概念模型。航空发动机压气机机匣夹具设计某航空发动机对开环形机匣材料为TC4，其外型面分布有大量的岛屿、凸台、安装边、凹槽等特征，属于典型的大尺寸多特征薄壁结构，在加工中易变形，因此，在设计夹具时，除基本的夹紧功能和定位功能外，应提供支承功能。航空发动机压气机机匣夹具设计航空发动机压气机机匣夹具设计航空发动机压气机机匣夹具设计采用同样的方法进行夹具其他功能的分解，并在夹具多级实例库中检索对应的夹具结构，最终得到的铣削机匣外型面夹具的概念模型。航空发动机压气机机匣夹具设计谢谢大家