模块化深孔加工机床

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1、目 录1 概述11.1 研究的背景21.2 模块化机床的基本特性41.3 模块化机床设计方法学62 可重构制造系统的基本理论72.1 可重构制造系统介绍72.1.1 可重构制造系统现状及前景72.1.2 可重构制造系统的特点72.2 可重构制造系统的研究内容82.2.1 系统设计与集成82.2.2 模块化的可重构软件92.2.3 可重构制造系统的控制与故障诊断102.2.4 产品与加工设备的模块化设计112.3 可重构制造系统的布局设计122.4 可重构制造系统的评价142.5 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段163 钻床设计173.1 深孔钻床总体方案分析173.1.1 课题要求1

2、73.1.2 性能指标173.1.3 方案分析173.2 卧式深孔机床可重构化思路183.2.1 深孔零件族分析183.2.2 深孔刀辅具分析193.2.3 成本最低，能迅速响应市场213.3 机床结构的功能模块化设计223.3.1 模块化的形成223.3.2 结构可行性方案及可重构性分析223.4 卧式深孔机床关键机械结构设计23参 考 文 献30致 谢311 概述全球化经济激发的市场激烈竞争和客户对产品需求的日益个性化趋势，引起产品品种增多及市场生命周期不断缩短。在这种环境下，制造企业的生产需求(产品品种和产量)将变化莫测，如何使现有制造系统快速、经济地响应生产需求的变化，是当今制造业面临

3、的一个巨大挑战。传统的大量流水生产系统具有批量生产的经济效益，但面对生产需求的变化不能快速地响应；而柔性制造系统虽能缩短产品的试制和生产周期，但投资巨大回收周期长。因此，迫切需要一种既具有规模生产的经济效益，又能快速适应动态多变的制造环境的新型制造系统。模块化制造系统正是适应这一需求的一条有效途径，它通过配置合适功能的机床，对给定范围的生产需求提供定制化柔性，当需求变化时，在最大化利用现有资源的基础上，通过对制造系统结构及组成单元的快速重组或更新，经济地转换成新的制造系统，来定制地响应新需求模块化制造系统的独特性在于其系统、机床和控制结构都能快速、经济地转换，以响应市场/客户需求的变化12。

4、当制造系统的生产需求变化时，相应地，其组成工作站(机床)的工序需求(加工特征和周期)也将发生波动。模块化机床及其控制器是实现模块化制造系统的主要组成部分，其系统的设计方法是构建模块化制造系统的基石。模块化机床对给定范围的工序需求能定制设计，当工序需求变化时，能快速、经济地转换其硬、软件来重新配置，从而定制地响应新需求，因而模块化机床是有成本效益的(cost-effective)。模块化机床的这种对变化的需求能够快速、经济地转换来重新配置的能力，称为模块化性。模块化性是模块化机床的一个本质特征，它不但有效地缩短了机床的设计前置期，更关键的是减少了机床的制造、安装、阋试时间和成本。这对应用该类机床

5、的制造企业，在频繁更换产品或改进产品时，缩短生产周期、提高生产率和降低生产成本等方面带来显著的经济效益345。模块化机床的另一个本质特征是定制化，包括定制化柔性和控制，它使得机床的冗余生产能力和，或功能最小化。本文以实现机床的模块化和定制化为目标，从：模块化机床设计基础原理及方法学体系；面向模块化机床设计的工艺规划中工序族的划分和识别；模块化机床机械系统与控制器的同粒度、模块化设计；模块化机床整个生命周期的配置设计几个方面，对模块化机床的设计理论与方法进行了系统的研究。模块化机床及其系统的设计方法学是构建模块化制造系统的基石。模块化机床设计不仅是对特定任务配置现有机床模块，而是设计一种能阐释模

6、块化科学理念。1.1 研究的背景 专用机床是适应早期大批量生产环境的一种具有规模经济效益的机床。它对某一种零件(或一组相似零件)的特定工序需求定制设计。除了一些标准件外，其余大部分零件都要单独地设计和制造，劳动量大，生产周期长，制造成本高。专用机床的主要问题是：一旦工序需求变化，难以实现经济地转换以适应新需求；当零件的生产量达不到机床的设计能力时，由于生产能力冗余而造成成本增加。因此，专用机床缺乏适应产品设计和加工过程变化的柔性，同时也不适合任何形式的产品混合加工。为了缩短专用机床的设计周期，便于组织机床功能零部件的专业化大规模生产，降低机床的制造成本，发展了组合机床。对于工序需求的变化，组合

7、机床能够利用已有的通用部件和改装部分专用部件组成满足新需求的机床。因此，组合机床既具有专用机床的高效率和结构简单的特点，又具有能够重新调整以适应新零件加工的特点。由于组合机床使用了大量的通用零部件，因此，在理论上它可以实现重构以适应加工对象的变化。但由于组合机床一开始并不是为模块化设计，当需求变化时，机床需要较长的改装时间和较高的改装成本，且会造成整个生产系统的停滞，因而在实际应用中组合机床并没有用于重构的目的，只作为一种高效的专用机床来使用。虽然，组合机床在很大程度上解决了专用机床的初始投资大的问题，但它仍然是一种刚性设计机床，对少品种(甚至单一品种)的大批量生产具有经济效益。因此，组合机床

8、存在与专用机床同样的问题，即难以经济地响应种多、批量小和生命周期短这类需求的变化。 为了提高单件和小批量生产的自动化水平从20世纪60年代起，人们开发了柔性的数控机床，并且很快在制造业中得到了广泛地应用。数控机床只需改变数控程序就可以加工一系列相似的产品而不需要改变机床主要的配置。因此，数控机床将其初始投资的风险分布在了机床的整个生命周期中，同时也极大地降低了由于生产模式改变所需的机床重新没计和调试时间。但是，数控机床也存在着难以克服的缺陷：由于数控机床是在工序需求未知的前提下设计的，因而通常具有不必要的复杂性(如冗余的功能)。这不但使数控机床的成本升高而且可靠性降低6。 由于全球化经济的激烈

9、竞争和市场客户需求变化的驱动，在一个产品族中以大批量生产的效率和成本，来提供满足不同客户需求的个性化定制产品的生产模式已经成为制造业的发展趋势，如大批量定制生产。为此，机床制造企业正在增加传统专用机床和组台机床78。模块化机床也是一种可重构机床，它集专用机床、组合机床和数控机床的优点于一身，同时避免了它们的不足。它具有以下一些基本特征：机床是由一些基本模块根据功能需求组合而成的；机床结构和布局可以根据产品的变化进行快速重组；机床的模块结构(硬件、软件、控制系统)是标准化的；模块之间具有统一的、标准化的界面；机床的设计是以产品族为基础的；机床的功能可以改变，但基本无功能冗余；机床与制造系统的接口

10、也是标准化的，以便于整个系统的重组。模块化机床的主要优点有：高柔性，可以极大地缩短产品的改型换代时间；与数控机床相比，在满足加工需求的条件下可以简化机床的功能和结构；模块化结构便于组织专业化的大规模生产；专业化生产可以提高产品的成熟度和质量，同时可以降低机床产品的成本和价格；机床便于维修，只需更换相应的模块即可；有利于通过计算机网络实现动态联盟；机床的功能零部件可以重复利用，提高了机床的环保性；多刀加工，可以有效提高生产效率9101112。如果不考虑时间和成本，任何机床都可以实现重构。而问题的关键是如何快速、经济地转换，以降低重构时间和成本。为此，所设计的模块化机床应体现如下基本原理：（1）模

11、块化机床为获得定制化柔性设计模块化制造系统的设计是为了获得定制化柔性，正如它对特定范围的生产需求设计。模块化生产系统（或生产线）是模块化制造系统的一种具体形式，它需要不同的组成要素包括：专用机床、柔性的通用数控机床和模块化机床。机床的选择需求根据特定工作站的工序需求（如加工特征和加工周期）来定。对于那些相对固定的工序需求（如典型的一个加工特性和固定的加工周期），选择专用机床是恰当。对于那些批量需求小且经常地以未知方式变化的工序需求，柔性的数控机床是台适的机床选择。对于在生产系统(生产线)的整个生命周期内，以未知方式在给定范周内变化的工序需求，可重掏机床是最经济可行的选择。因此，模块化机床应该为

12、获得定制化柔性设计，这样它对特定范围的工序需求就具有经济(有成本效益)的响应能力，模块化机床应该针对工序族定制设计。 模块化生产系统（或生产线）对特定的零件定制设计，零件族的所有加工工序由构成模块化生产系统（或生产线）的机床完成。工序组成机床之间的分配决定了每台机床的配置型式和功能需求。对于模块化机床来说，起本质特性决定了它需要完成一组加工工序，且这一组工序来自于零件族的不同零件，我们称之为工序族。零件族和工序族分别决定了模块化生产系统（或生产线）和模块化机床的重构。定制设计的含义是模块化机床从一开始就为完成一族（组）工序而设计。（2）工序族是一组相似的工序组合集合工序组合是一组以满足零件质量

13、或提高加工效率为目的而聚在同一机床上完成的工序，每一个工序组合来自于零件族的不同零件。工序族在模块化机床整个生命周期内将发生变化，这些变化需要根据设计者的知识、洞察力和市场调研事先预测。（3）模块化机床应该以模块化为出发点设计 为了对工序族的需求变化提供定制化柔性与控制，模块化机床从一开始就需要考虑其对不同工序需求的模块化性。工序族的需求变化范围决定了模块化机床的重构频率和成本(重构能力)。（4）模块化机床应该易于集成设计 模块化机床的机械系统和控制器应该都具有模块化结构且粒度相同，从而使模块化机床易于集成。模块化结构是指模块化机床的硬、软件都为模块，如模块化结构的主轴、模块化和开放式体系结构

14、控制器、模块化软件等等。（5）模块化机床应该为减少批量之间的转换时间和成本设计 模块化制造系统通过缩短批量之间的转换时间，来降低批量生产的周期；通过提高批量转换之间的资源利用率，来降低批量生产的成本。由于模块化机床是实现模块化制造系统基础设施，因此模块化机床应该为满足这些需求设计。（6）模块化机床必须在投资成本与模块化之间取得平衡 通常，机床模块度越大，模块化性越好。但是，这将增加用于机床模块功能上的投资成本：工序族的工序需求变化范围最大，模块化性越好。但是，在刀具和夹具系统上的投资成本也将提高。因此，应该在综合评价模块化机床经济性和模块化性的基础上，来最终确定其配置和重构配置。1.2 模块化

15、机床的基本特性 重构机床的关键特性是模块化性和定制化，这使得模块化机床有别于传统机床。此外，模块化机床还综合了一些传统机床的特点。模块化机床的基本特性如下：(1) 模块化性 对于变化的工序需求，模块化机床具有转换其硬、软件来重新配置机床，从而快速、经济地响应新需求的能力。机床的这种能力称为可熏构性。(2) 模快化 为了实现机床的模块化，模块化机床的机械系统和控制器均需采用模块化结构。这使得通过转换硬、软件来重新配置机床成为可能。另外，模块化也提高了机床的可维护性。(3) 可转换性模块化机床的一些机床模块具有改变其自身功能或拓扑结构的能力。使用这样的机床模块，可以不必替换模块而改变机床的功能(如主轴或运动轴模块的重定位或重定向)，从而实现机床的在线重构。(4) 可集成性模块化机床的机械和控制模块具有集成其它机床模块的标准接口设计，从而能够集成新技术和新功能以使机床在线升级。(5) 可控制性模块化机床的控制模块通过定义其端口语言而相对独立地设计和检验，当机床重构只需更改端口语言而不改变连结控制模块之间的可控制性。(6) 定制化定制化包括定制化柔性和定制化控制两个方面。由于模块化机床围绕给定的工序构建，它以低成本提供定制化柔性。模块化机床的柔性不仅仅在于