基于F_B_S模型的SAM产品可重构模块设计

农业机械学报

第37卷第12期

基于F-B-S模型的SAM产品可重构模块设计

胥　芳　张立彬　蒋建东　张　宪

*

　　【摘要】　提出了一种小型农业作业机(SAM)产品可重构模块开发的新方法,将公理化设计技术(AD)应用于产品模块设计过程中,针对模块功能分解进行了F-B-S模型的构建和分析,以SAM产品核心模块变速箱为实例,进行了公理化设计和可重构模块的F-B-S模型验证。结果证明上述设计方法在SAM可重构模块开发中能实现模块的快速设计和重组,为产品的快速设计和建立SAM产品可重构模块资源提供了一种开发方法。

关键词:小型农业作业机　变速箱　公理化设计　F-B-S模型　可重构模块中图分类号:S220.2;TH122

文献标识码:A

SmallAgriculturalMachineryProductsReconfigurable

ModulesDesignBasedonF-B-SInformationModel

XuFang　ZhangLibin　JiangJiandong　ZhangXian

(ZhejiangUniversityofTechnology)

Abstract

Areconfigurablemodulesdesignmethodologyforsmallagriculturalmachinery(SAM)productwasproposed.AxiomaticdesigntheoryandF-B-Sinformationmodelwereemployedin

themodulesdesignprocess,andwerestudiedindetail.AcasestudyconductedintheSFseriesgearboxofSAMhelpedtoillustratetheproposedapproaches.ThegeneralfunctionofSFseriesgearboxmoduleswasdecomposedtoindependentfunctionalelementssequentiallyabidingbyaxiomatictheoriesofaxiomaticdesign,andSFseriesgearboxmodulehavebeendescribedwithF-B-Smodelingtechnology.TheresultsindicatedthattheproposedapproachesapplyinginSAMproductdevelopmentcouldmakethebestofproductrapiddesignandmodulesreconfiguration,andamodulesdevelopmentmethodwasprovidedforbuildingreconfigurationmodulesresourceofSAMproducts.

Keywords　Smallagriculturalmachinery,

Reconfigurationmodule

形成的经济批量进行分析,通过模块内部零件结构和配置的调整,重构出功能相似、形式和参数不同的模块族,以满足多种功能组合的要求,同时使得同一模块族内各模块大部分零件和部分个性强、生产成本高的核心零件实现批量生产,从而降低SAM产品

Gearbox,

Axiomaticdesign,

F-B-S,

　　引言

在进行小型农业作业机(smallagricultural

machinery,简称SAM)产品的可重构模块化设计时,必须对功能模块的可重构性、参数的相似性和可

收稿日期:2006-10-23

*国家自然科学基金资助项目(项目编号:50375146)、国家重大基础研究前期研究专项资助项目(项目编号:2004CCA05800)、科技部国际科技合作项目(项目编号:2005DFA70380)、高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(项目编号:20040337002)和浙江省自然科学基金资助项目(项目编号:Z503054)

胥　芳　浙江工业大学机电工程学院　教授,310014　杭州市张立彬　浙江工业大学机电工程学院　教授　博士生导师　通讯作者蒋建东　浙江工业大学机电工程学院　副教授　博士张　宪　浙江工业大学机电工程学院　教授级高级工程师　第12期

[1]

胥芳等:基于F-B-S模型的SAM产品可重构模块设计

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生产成本。本文以SAM产品核心模块变速箱为实例,研究基于F-B-S模型的SAM产品可重构模块设计新方法。

产品模块的功能和结构分析,对存在的功能不良、结构缺陷等问题根据上述两条设计公理去改进和解决,从而进行原有模块结构优化,进一步提高原模块结构组成。

针对上述第2种情况,采用TRIZ发明理论可以创新性地进行新模块的结构设计,从而不断补充原有产品的功能和结构模块。上述模块设计方法的流程如图1所示。

1　SAM产品可重构模块化设计

对一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,划分并设计出一系列可重构模块,通过模块的选择和组合可以构成不同的产品以满足市场的不同需求,这种设计方法称为产品的可重构模块设计。其特点是:󰀁同一种功能单元不是一种单一的部件,而是若干可互换的可重构模块,从而使所组成的可重构产品单元在结构上更为协调、合理。󰀂同一功能的可重构模块可以在基型、变型、跨系列中,具有较大范围内通用化的特征。 尽量将功能单元设计成较小型的标准可重构模块,并与其直接相关的模块之间的连接形式及结构要素一致,或使其标准化,以便产品的装配和互换。!可重构模块化设计能较为经济地用于多品种小批量产品的生产。

可重构模块化产品由基本型和变型产品模块单元构成,其数学表达式为

RM={RM0,RM1,RM2,…,RMn}(1)

其中,RM0代表产品可重构模块的基本型,RM为对基本型通过互换或增减部分可重构模块而形成的变型产品单元,它们具有基本相同的标准接口,满足产品可重构模块化系统的重新配置的需要。

根据产品功能的需要,基本型模块单元组合矩阵可以表示为

AAB

1Iba

B　M1Iab1

Ia1Ib11󰀁In1(i≠j)

…　Mn…Ian…

Ibn

(2)

󰀁1…I1n…

图1　可重构模块公理化设计流程图Fig.1　Axiomaticdesignprocessof

reconfigurationmodules

3　SAM产品可重构模块的F-B-S模型

模块的设计实际上是几个设计域之间的映射过程。在设计过程中,将每个域进行由抽象到具体,由简单到复杂的自顶向下(TOP-DOWN)的层级展开。每个域中的分解过程是独立的,而在相邻域之间是不断的Z字型折射过程。以功能域(FR)与物理域(DP)之间的映射为例,映射关系如图2所示。

RM0=M1I1aI1b

󰀁󰀁󰀁MnIn1I1b

其中

Iij=

Iij

图2　SAM产品可重构模块设计域之间的映射Fig.2　MappingbetweendesigndomainsofSAM

reconfigurationmodules

1(i=j)

式中　Iij——模块Mi和Mj之间的接口

根据Bogoni在描述产品能力时所制定的3个原则:唯一性、完全性和最小性,产品设计中的F-B-S建模方法就是在产品功能分解过程中,以人的认知模型为背景,采用逐层分解细化并求解,它的演化与人的设计原理创新思维过程非常相似。3.1　SF系列管理机变速箱的F-B-S模型定义

变速箱是小型农业作业机中的关键部件之一,以SAM产品的SF系列温室管理机的变速器设计为例,为其构建F-B-S模型。SF系列温室管理机的变速箱传动原理模型是一个传动齿轮系统,其基本构成包括箱体、传动轴、传动齿轮、蜗轮蜗杆、轴承、离2　SAM产品可重构模块的公理化设计

在SAM产品的模块设计中,针对用户提出的需求进行分析得到产品的功能需求后,然后在已有产

品模块中进行功能结构的匹配,这时会出现两种情况[3]:󰀁存在与功能对应的产品结构模块。󰀂不存在与功能对应的产品结构模块。

针对上述第1种情况,可以依据公理化设计理论的功能独立和信息量最小两条公理[2],进行原有60

农　业　机　械　学　报2006年　

合器、连接座等,如图3所示。图6为SF系列变速箱内部传动部分的结构。

图6　SF系列变速箱内部传动部分结构的定义

图3　SF系列管理机变速器模块传动原理图Fig.3　GearboxtransmissionprincipleofSAM　

Fig.6　StructuraldefinitionofSFseries

gearboxmodule

SF系列管理机变速箱的功能模型由不同层次

在F-B-S模型创建过程中,由行为模型到结构

的功能模块单元(FU)构成。部分具体功能定义模型如图4所示。

的映射中,一个原理解可以由不同的结构实现,而且一个结构也可以实现不同的原理解,因此行为-结构映射为多对多的关系,在SAM产品F-B-S模型中往往是多层的复杂网状映射关系,如图7所示。

图4　SF系列产品变速箱模块功能定义Fig.4　FunctionaldefinitionofSFseries

gearboxmodule

采用公理化设计方法对系列产品模块进行功

[2,4]

能设计,是基型模块定义和结构优化的基础。在

产品系列模块的功能划分和重组后,通过重构的方法进行产品模块的原理解和结构的映射,达到产品

模块结构可重组的目的。图5表示了SF系列变速箱基型的部分功能单元和行为单元之间的对应关系。

在进行可重构变速模块设计时,根据功能的重组和行为的映射,构建相应的模块结构与其对应,可以得到规范化、便于变型设计的可重构模块结构。

图7　SF系列变速箱的功能、行为、结构的映射关系Fig.7　Mappingamongfunction,behaviorsandstructuredefinitionofSFseriesgearboxmodule　

3.2　SAM产品核心变速模块箱体的公理化设计

(1)功能需求和设计参数分解

变速箱箱体的基本功能需求FR为:成本低、体

积小、作业灵活和适应性强,将其分解为3个功能需

图5　SF系列变速箱基型的部分功能单元和

行为单元的对应关系

Fig.5　Mappingfromfunctionaldomaintobehaviors

domainofSFseriesgearboxmodule　

求:FR1不同挡位需求;FR2换挡与机架功能的统一;FR3成本低。相应的设计参数为:DP1换挡结构设计;DP2箱体整体结构设计;DP3机器运行成本。系统的第一级设计矩阵如下

　第12期

胥芳等:基于F-B-S模型的SAM产品可重构模块设计

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FR1FR2=FR3X0X

0XX

00X

DP1DP2DP3(3)

　　FR3(变速箱箱体成本低)和DP3(运行成本低)主要与机器运行过程中的润滑、维护等相关,在箱体上主要设计润滑系统以及维护的方便性等。在此不作详细分析。

SAM变速箱模块的其他各种结构的具体设计还需继续分解,并对设计结果做进一步的分析,确定设计的变速箱箱体是否满足公理设计要求,并根据设计矩阵描述的设计参数和功能要求之间的关系提出符合公理化设计独立公理的设计参数和模块结构组合。

(2)公理化设计优化结果

图8所示为可重构变

速箱,其箱体可以适应图8　可重构变速箱箱体4种不同的换挡模式进行Fig.8　Caseofreconfig-工作而具有同一结构参urablegearboxmodule数,如图9所示。

基本功能需求中的成本低包括两部分:󰀁变速箱箱体的产品开发及制造成本低。󰀂产品运行过程中的运行成本低。因此,功能需求中的FR3成本低与3个设计参数都有关系。

FR1(不同挡位需求)和DP1(换挡结构设计)可以分解到第2层,如表1所示。

FR11FR12

=FR13FR14X000

0X00

00X0

000XDP11DP12DP13DP14(4)

表1　FR1和DP1的分解

Tab.1　DecompositionofFR1andDP1

功能需求

11121314

两进两退换挡结构设计两进一退换挡结构设计一进一退换挡结构设计

一进结构设计

设计参数

两进两退安装结构的设计两进一退安装结构的设计一进一退安装结构的设计一进安装结构的设计

FR2(换挡与机架功能的统一)和DP2(箱体整体结构设计)可以分解到第2层,如表2所示。

FR21X000DP21FR22FR23FR24=

000

X00

0X0

00XDP22DP23DP24(5)

图9　4种不同换挡模式下的装配结构图

Fig.9　3-DmodalofreconfigurableSFseriesgearboxes

(a)两进两退　(b)两进一退　(c)一进一退　(d)一进

4　结束语

提出了一种小型农业作业机产品可重构模块开发的方法,将公理化设计技术应用于产品模块设计过程中,并针对设计过程的功能分解提出建立模块的F-B-S模型实现模块快速设计和重构的目的,最后以SAM产品核心模块-变速箱为实例,进行了可重构模块的公理化设计优化和模块的F-B-S模型建

立实例研究。结果证明上述设计方法在SAM可重构模块开发中能实现模块的快速设计、功能和结构的优化以及实现模块可重构的目的。

参

考

文

献

表2　FR2和DP2的分解

Tab.2　DecompositionofFR2andDP2

功能需求

21222324

发动机的安装行走机构的安装操作部件的安装作业机的安装

设计参数

发动机安装结构的设计行走机构安装结构的设计操作部件安装结构的设计作业机安装结构的设计

1　蒋建东,叶永伟,张宪,等.基于CBR小型农业作业机的可重构设计[J].农业机械学报,2006,37(6):32～35.

2　NamPyoSuh.Axiomaticdesign-advancesandapplications[M].OxfordUniversityPress,Inc.2001.

3　ZhangLibin,JiangJiandong,XuFang,etal.DesignforsmallagriculturalmachinerybasedonreconfigurablefunctionalmodulesunderMC[C].ProceedingsoftheTMCE2006,Ljubljana,Slovenia,2006.

4　张立彬,叶永伟,蒋建东,等.基于可重构模块化方法的小型农业作业机方案的设计[J].农业机械学报,2005,36(4):

78～81.