可重構機床模塊化設計技術研究

趙中敏

（淮海工學院東港學院實驗中心 江蘇 連云港 222069）

引言

可重構制造系統(tǒng)（Reconfigurable Manufacturing System，RCMS）是為了快速而準確地提供響應新的市場需求所需的生產能力和生產同一零件族內的新零件所需的制造功能，從一開始就設計成可面向系統(tǒng)級和生產資源級快速而又有競爭力的成本重構的制造系統(tǒng)。生產資源級的重構主要包括對可重構機床、可重構機器人、可重構傳送帶等的重構，而其中最重要、最基本的可重構生產資源是可重構模塊化機床?，F(xiàn)有的制造系統(tǒng)主要有二類：一是主要使用專用機床（Dedicated Machine Tool，DMT）的專用制造線（Dedicated Manufactueing Line，DML），生產線TL是DML的主要形式;二是主要設備是CNC機床的柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing Systems，F(xiàn)MS）。 因此，在現(xiàn)代制造業(yè)中，承擔車削、銑削、鉆削、磨削、切斷等操作的典型機器是DMT機床和CNC機床。

在生產線中，零件從原材料開始依次經(jīng)過一系列DMT被加工。在DMT中，多把切削刀具在零件上沿著固定的方向進行不同的操作，然后零件被送到下一DMT加工，直至加工過程完成為止。因此，在生產線中，DMT是面向專門的操作需求定制設計的，雖然它所需的資源少，成本低，而且其性能好；但一旦所加工的零件變化，DMT不能以有競爭力的成本轉換機床本身的功能以適應加工新零件的需求。這是生產線不適合于生產多種零件的主要原因。

在FMS中，主要加工設備是CNC機床。CNC機床控制一把可沿著幾個運動軸運動的刀具，因而它可加工多種零件；但由于CNC機床是在明確機床的操作需求之前就設計好的，因此在加工每一個零件的過程中，并非其所有的運動軸都被利用，這就使它包括了一些對某一操作需求是多余的功能，從而浪費了資源。這是FMS讓用戶承擔了某些他本身并不需要的制造能力的費用的重要原因之一。

DML和FMS的固有缺點都與其加工機床有關。正如可重構制造系統(tǒng)綜合了DML和FMS的優(yōu)點一樣，可重構機床必須具備DMT和CNC機床二者優(yōu)點。因此，利用模塊化的概念，采用DMT的方法、圍繞零件族設計機床并使用CNC技術驅動機床是設計可重構模塊化機床 (Reconfigurable Modular Machine Tool,RMMT)的可行方案。

一、可重構機床的模塊化設計特點

可重構機床與普通機床的主要區(qū)別在于其具有模塊化結構和可重構能力，即能夠通過對機床組成部件或模塊的重組與更替，調整其加工功能和某些性能，及時、高效地滿足被加工零件的各種變化需求。同時這也為機床部件在其壽命周期內反復重用，最大限度地實現(xiàn)設備改造、更新的節(jié)約化、高效化提供了一條有效途徑?？芍貥嫏C床的特點決定了它必須采用模塊化設計。模塊化機床的概念早已提出，并在組合機床等系列化通用機床的設計中得到應用。但與傳統(tǒng)的機床模塊化設計相比，可重構機床的模塊化從設計概念、設計原理到具體設計方法都有所區(qū)別、有所發(fā)展，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.模塊化概念更廣

2.設計原理有所拓展

傳統(tǒng)機床模塊化的本質是基于幾何相似性、物理相似性的成組性，模塊間的組合性表現(xiàn)為相對固定的拓撲結構；而可重構機床的可重構性是對傳統(tǒng)成組性的進一步拓展，不僅考慮了幾何、物理的相似性，而且考慮了幾何/物理相似性的拓撲性，以及基于組合拓撲概念的廣義相似性，而且引入了極為重要的模塊特性—接口 (界面)整合，以實現(xiàn)模塊集成的 “相乘效果”。

3.模塊化設計的目標定位不同

傳統(tǒng)的模塊化機床設計面向的對象是機床設備制造廠，目標是機床設計、制造中的系列化、組合化，以實現(xiàn)機床產品對市場的快速響應；而可重構機床模塊化設計服務的對象是機床的最終用戶，目標是使機床作為一種制造資源在其整個壽命周期內的使用功能與性能的組合化、柔性化，以實現(xiàn)整個制造過程對產品市場的快速響應和制造成本的節(jié)約化。

4.模塊化設計的方法不同，具體表現(xiàn)為

（1）模塊的劃分與功能設計方面 傳統(tǒng)機床的模塊設計追求機床產品的系列化、通用化，往往模塊化級別很低，造成模塊組裝復雜，這不利于可重構機床的重構操作性。通常，可重構機床模塊的劃分與功能設計應遵循 “特性原則、典型部件原則和獨立性原則”，即設計的模塊在功能上能反映機床的加工特性，如功率、行程、精度等級等，范圍應包括機床的典型結構部件，在此前提下，盡量減少模塊的功能分級，提高模塊的獨立性、自治性，以減少模塊之間的功能交叉，改善現(xiàn)場重構的操作性。

（2）模塊的結構設計與接口設計方面 模塊結構設計的一個重要內容是接口設計，它直接關系到模塊組合集成的操作性和可靠性。傳統(tǒng)的機床模塊化設計，由于其固定的拓撲結構，模塊間的接口往往是專用的、固定的，制約了模塊間的組合性?？芍貥嫏C床的模塊化要求機床結構的拓撲性和模塊全壽命周期的重用性，因此特別強調模塊集成的接口“相乘效應”，注重模塊接口的規(guī)范化設計與研究，包括各種接口形式 (機械接口、動力接口、控制接口)的標準化，機械接口界面的靜、動力學特性的分析與評價，以及基于接口的模塊裝配精度保證手段與方法等。

（3）模塊的綜合與集成方面 為提供客戶化的功能柔性，突出通過模塊的重構迅速滿足零件加工的某些變化需求，因此可重構機床的模塊重構與集成不僅包括基于傳統(tǒng)組合性的模塊集成方法，如通過調整運動模塊的大小規(guī)格以適應加工零件尺寸的變化;通過采用具有不同加工速度和加工能力的主軸模塊提高零件的生產率;還進一步拓展了基于組合拓撲性的模塊集成方法，特別是通過對機床運動模塊的重構調整機床的聯(lián)動軸數(shù)，以適應加工零件在幾何復雜性方面的變化需求。

5.控制系統(tǒng)的模塊化與開放化

與機床結構的模塊化、可重構相適應，可重構機床的控制系統(tǒng)也應采用模塊化硬、軟件并具備控制功能的可重構。控制系統(tǒng)的模塊化設計必須基于開放式系統(tǒng)體系結構，以標準化的操作系統(tǒng)為支持平臺，將系統(tǒng)的控制軟件組織成相應功能模塊，存放在模塊庫中。當系統(tǒng)控制功能需隨機床重構發(fā)生變更時，針對不同的要求，由系統(tǒng)集成工具選用相應的控制模塊，通過開放式控制系統(tǒng)平臺的通訊系統(tǒng)進行集成，形成具有特定功能的機床控制系統(tǒng)。這也是實現(xiàn)機床重構的關鍵技術之一。

二、可重構機床模塊化設計的關鍵技術

制造系統(tǒng)的重構，實際上就是功能、資源重新映射的過程，實現(xiàn)制造系統(tǒng)可重構性的關鍵技術，應從以下幾個方面考慮：

隨著年齡增長，自然老化或光老化都會造成皮膚生物黃色素的堆積，其中年齡與脂褐素含量的關系早有報道[20]。隨著年齡增長，脂褐素會在人體細胞內逐漸沉積，不僅影響皮膚顏色，而且能夠通過擠占細胞空間位置，影響細胞正常功能。隨著年齡增長，對脂褐素的清除能力降低，進一步造成脂褐素沉積。

1.硬件模塊化與界面標準化

硬件模塊化設計包括功能模塊的合理化分和模塊之間機械界面的通用化和標準化設計。正確合理的模塊劃分可簡化設備結構，降低設備重構頻率，提高模塊之間的精度匹配，減少重構操作的工作量，美化設備的外觀。另外，可重構功能模塊的標準化也極其重要，只有實現(xiàn)標準化，才便于組織專業(yè)化的大規(guī)模生產，實現(xiàn)不同廠家模塊的互換。

可重構制造系統(tǒng)要真正得到廣泛的應用，設計時必須考慮各種模塊的界面標準化。界面的標準化研究主要包括以下內容：界面結合精度、穩(wěn)定性和可靠性、界面的標準化、模塊更換的快速性和方便性，現(xiàn)存標準并不是建立在重構的基礎之上，因此，它們只能在界面標準化設計時提供一些基本的原則和策略，以供參考。

2.信息平臺重構集成技術

制造系統(tǒng)的可重構性需要信息平臺可重構的支持。如果信息平臺是僵化的結構，制造系統(tǒng)的可重構性是不能實現(xiàn)的。制造系統(tǒng)重構不但要求信息平臺本身能根據(jù)需要進行快速的重組，而且為了最大限度地利用已有的生產資源，還需要用科學的方法全面描述生產資源信息。

（1）基于軟構件的信息平臺

整個信息平臺應當用模塊化設計方法，并應用軟構件的思想支持軟件重構，允許應用模塊方便地在信息系統(tǒng)內插入和拔出軟構件。軟構件是可重用的軟件單元，可以用來構造其它軟件，軟構件相當于硬件系統(tǒng)中的零件或元器件，可以被靈活地重用。采用軟構件思想進行信息平臺的設計時，應嚴格按照CORBA規(guī)范和COM DCOM標準，并采用科學的軟件系統(tǒng)設計方法和軟件系統(tǒng)集成封裝方法。

（2）遺留系統(tǒng)的構件化封裝

企業(yè)在不同歷史時期積累的大量信息和現(xiàn)有應用系統(tǒng)，通常稱為遺留系統(tǒng)（legacysystem）；信息系統(tǒng)重構的一個重要問題就是集成。遺留系統(tǒng)、遺留系統(tǒng)的對象化分裝是實現(xiàn)企業(yè)可重構的信息集成的關鍵之一。其核心內容就是將遺留系統(tǒng)根據(jù)功能劃分，封裝為可重用重構的軟構件對象如組件、構件、功能體、自主體、智能代理等。當選用CORBA規(guī)范標準以及ORB對象總線，作為信息重構集成的規(guī)范標準時，基于CORBA的遺留系統(tǒng)的封裝能滿足任意現(xiàn)有的和將來的客戶要求，方便地進行系統(tǒng)的重構。

（3）層次資源信息模型

制造系統(tǒng)的重構，可以看成是任務的分解、資源的選取、任務的分配和資源的調度等問題的解決過程。因此，在制造系統(tǒng)的重構過程中，制造資源信息的表達是十分關鍵的。制造資源的分布、資源的拓撲結構、生產能力和狀態(tài)等信息都是系統(tǒng)進行重構的重要依據(jù)，資源信息模型的建立是實現(xiàn)制造系統(tǒng)快速重構的基礎;對此，可采用支持可重構的，基于面向對象方法OOM和STEP標準的制造資源信息模型表達方法。

3.過程診斷技術

可重構制造系統(tǒng)運行性能保障，比傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)要求更高，由于系統(tǒng)運行中的斜升效應、劣化效應和其他因素與效應的影響，使可重構系統(tǒng)的運行性能在壽命期內呈現(xiàn)復雜的狀況。為了保證可重構制造系統(tǒng)的可行性和效率，縮短斜升期和劣化期，必須研究系統(tǒng)運行性能的測度和評價，實施科學的過程診斷技術，即過程中的可診斷性問題。過程可診斷性定義為：對制造系統(tǒng)運行性能的跟蹤和為原因查找、診斷和控制提供有效信息的能力。過程診斷技術是實現(xiàn)系統(tǒng)重構的關鍵技術，它保證系統(tǒng)在運行過程中具有良好的缺陷和故障診斷能力；可重構制造系統(tǒng)的過程診斷技術，必須適應具體的制造活動。

四、可重構機床的關鍵技術研究

可重構機床的研究和應用與一般金屬切削機床和模塊化設計之間有相同之處，但在研究內容和研究方法上也有很多差異?？芍貥嫏C床的研究應集中在以下幾個方面：

1.機械界面研究及其標準化

模塊化設計主要包括兩項內容：模塊的劃分、設計和綜合;模塊之間機械界面的通用化和標準化設計。模塊化設計理論已經(jīng)出現(xiàn)了幾十年，但在實際中一直沒有得到廣泛應用。究其原因，主要是機械界面部分研究得很不夠，人們往往將注意力集中在模塊的劃分、設計和綜合方面。事實上，模塊化設計能否得到廣泛應用，與機械界面的設計和標準化關系極大。如果不同廠家生產的功能模塊不能快速互換，模塊化設計就只能局限在某一特定企業(yè)的產品上。對于可重構機床，由于重構的頻率極高，如果不能實現(xiàn)模塊之間的快速高精度互換，可重構機床就沒有任何實際意義?？芍貥嫏C床的機械界面主要分為兩大類：界面之間沒有相對運動，界面之間存在相對運動。界面的研究主要包括以下內容：界面結合的精度、穩(wěn)定性和可靠性;界面的標準化、模塊更換的快速性和方便性。此外，作為可重構制造系統(tǒng)的一個功能單元，還應研究可重構機床與可重構制造系統(tǒng)其他部分的界面及其快速互換性。

2.重構策略研究

雖然可重構機床的設計應該滿足頻繁重構的需求，但重構畢竟是個相當費時費力的過程，重構的精度和可靠性也或多或少會受到一些影響。因此，應采取一定的策略盡量減少重構次數(shù)，同時還應盡量避免對主要結構的重構?？芍貥嫴呗缘难芯靠梢詮囊韵聨讉€方面去著手：從可重構機床加工對象的設計和成族方面 (基于可重構機床的產品設計)、從功能模塊的劃分和綜合方面、從功能模塊的結構設計方面、從可重構制造系統(tǒng)的調度方面。

3.模塊的劃分、綜合及標準化

如何正確劃分功能模塊是可重構機床的主要研究內容之一。正確合理的模塊劃分可以簡化機床的結構，降低機床的重構頻率，提高模塊之間的精度匹配，減少重構操作的工作量，美化機床的外觀。另外，可重構機床功能模塊的標準化也極其重要，只有實現(xiàn)標準化，才便于組織專業(yè)化的大規(guī)模生產，實現(xiàn)不同廠家模塊的互換。

4.可重構機床的功能研究

可重構機床的主要特征之一是結構簡化并無冗余功能。因此應對其功能展開研究。目前的數(shù)控機床被設計成 “萬能型”，它的硬件和控制軟件功能非常齊全，造成大量的功能冗余，增加了系統(tǒng)的復雜性。對功能開展研究的目的就是通過模塊的合理劃分，使得機床只擁有必需的功能，這樣可以大大簡化機床的結構，提高系統(tǒng)的精度、可靠性和工作效率。在控制系統(tǒng)和軟件方面，需要突破目前數(shù)控系統(tǒng)大而全的概念，采用模塊化的結構，在重構時只配置必要的控制模塊。

5.可重構數(shù)控系統(tǒng)研究

與組合機床不同，可重構機床必須能夠適應不同的加工對象。為了提高機床的自動調整水平，可重構機床必須應用數(shù)控系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)中，為了廣泛適應不同的加工對象，它必須提供所有的功能，盡管有些功能可能從來沒有被使用過。相反，可重構機床在其工作狀態(tài)下不允許出現(xiàn)冗余功能。因此，必須對可重構數(shù)控系統(tǒng)進行研究，當機床被重組時，僅僅選擇必需的控制模塊即可。這樣的數(shù)控系統(tǒng)具有結構簡單、可靠性高、使用方便等特點。需要說明的是，可重構數(shù)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的模塊化數(shù)控系統(tǒng)并不是相同的概念，盡管可重構數(shù)控系統(tǒng)在系統(tǒng)結構上也是模塊化的。

6.新技術在可重構機床中的應用

在可重構機床中，必須引進各種新技術，例如直線電動機技術、滾動導軌技術等。這里需要特別強調直線電動機技術在可重構機床中的應用。利用直線電動機技術，取消了一切傳遞環(huán)節(jié) (即所謂的零傳動)，可以極大地簡化機床的結構，便于模塊的重新組合和調整，非常適合于可重構的特點。

7.可重構機床的計算機信息管理

與一般的模塊化機床不同，可重構機床在出廠時必須伴隨重構技術說明和一定數(shù)量的備用功能模塊，這些信息應該由計算機管理起來。另外，為了減少用戶的技術投入和資金占用，應該成立地區(qū)性的可重構機床功能模塊存儲中心，具體負責本地區(qū)所有可重構機床的管理工作，并協(xié)助企業(yè)完成機床的重構。因此，必須開發(fā)相應的計算機管理系統(tǒng) (包括模塊的倉儲管理、重構信息管理、用戶管理、重構過程中的仿真、可重構數(shù)控系統(tǒng)的管理等)，為制造企業(yè)提供周到的服務。

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