機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)

李志強(qiáng)　田劉平

摘? 要：文章首先研究并總結(jié)了模塊化設(shè)計(jì)原理及其核心思想，并在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)數(shù)控機(jī)床的具體的模塊劃分方法;其次通過對(duì)數(shù)控機(jī)床的模塊劃分建立了數(shù)控機(jī)床模塊數(shù)據(jù)庫。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計(jì);數(shù)控機(jī)床;模塊劃分

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）17-0091-02

Abstract： This paper first researches and summarizes the modular design principle and its core ideas， and then proposes a specific module division method for numerically controlled machine tools. Secondly， it establishes a CNC machine tool module database by dividing the numerically controlled machine tools.

Keywords： modular design; CNC machine tools; module division

1 模塊化

1.1 功能的模塊化

工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械加工是在工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大與機(jī)械化水平不斷提升下，為滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，逐漸在工業(yè)生產(chǎn)中引入機(jī)械化設(shè)備，從而不斷提高工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展。值得注意的是，機(jī)械的加工與生產(chǎn)是通過機(jī)械設(shè)備的切削運(yùn)動(dòng)與定位控制/進(jìn)給運(yùn)動(dòng)等實(shí)現(xiàn)的，其運(yùn)動(dòng)中不僅包含有直線運(yùn)動(dòng)，還包含回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。因此，在進(jìn)行機(jī)械生產(chǎn)中的數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，需要先進(jìn)性標(biāo)準(zhǔn)化部件實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)的具體操作和方法等進(jìn)行研究。結(jié)合機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，在機(jī)床的模塊化系統(tǒng)中，能量供給元件是機(jī)床的變速機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)裝置重要構(gòu)成原件，而立柱和床身則是機(jī)床的重要基礎(chǔ)部件，對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)定的全部控制裝置及其構(gòu)成部件則共同組成機(jī)床的最小功能模塊單元，對(duì)上述部件及其結(jié)構(gòu)單元，在具體設(shè)計(jì)中，可以通過對(duì)各模塊單元的組合設(shè)計(jì)，使其構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)床模塊系統(tǒng)，在機(jī)床加工與運(yùn)行中為其提供相應(yīng)的功能和結(jié)構(gòu)支持。

1.2 模塊化設(shè)計(jì)的主要方式

模塊化設(shè)計(jì)方法主要包含橫系列模塊化設(shè)計(jì)/縱系列模塊化設(shè)計(jì)/橫系列與跨系列模塊化設(shè)計(jì)/全系列模塊化設(shè)計(jì)/全系列與跨系列模塊化設(shè)計(jì)等多種不同的方法。

（1）橫系列模塊化設(shè)計(jì)。該模塊化設(shè)計(jì)方法在具體設(shè)計(jì)中不對(duì)產(chǎn)品的主參數(shù)進(jìn)行改變，是通過模塊發(fā)展促進(jìn)產(chǎn)品變形與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，即在基本的產(chǎn)品類型與模塊結(jié)構(gòu)上，通過增加或者是更換產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模塊，來促進(jìn)產(chǎn)品類型及品種改變。

（2）縱系列模塊化設(shè)計(jì)方法主要應(yīng)用于同一類型的不同規(guī)格基型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在這類產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，由于產(chǎn)品主參數(shù)不同，導(dǎo)致其動(dòng)力參數(shù)也存在差異，從而所形成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與尺寸必然不同。與橫系列模塊化設(shè)計(jì)相比，縱系列模塊化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性更加突出。采用縱系列模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)力參數(shù)有關(guān)的產(chǎn)品模塊設(shè)計(jì)，需要在合理進(jìn)行區(qū)段劃分基礎(chǔ)上，使其在同一區(qū)段內(nèi)的模塊化設(shè)計(jì)呈相互通用狀態(tài)。

（3）橫系列和跨系列模塊化設(shè)計(jì)在具體設(shè)計(jì)應(yīng)用中，

除橫系列模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品加工外，通過對(duì)某些模塊的改變能夠?qū)崿F(xiàn)其他系列的產(chǎn)品加工與獲取。

（4）全系列模塊化設(shè)計(jì)包括縱系列和橫系列的模塊化設(shè)計(jì)，比如，在工具銑的機(jī)床加工模塊設(shè)計(jì)中，通過對(duì)銑頭的改變能夠?qū)崿F(xiàn)橫系列模塊化產(chǎn)品加工，而通過對(duì)機(jī)床床身與橫梁高度/長(zhǎng)度等的改變，則能夠?qū)崿F(xiàn)不同的縱系列模塊化設(shè)計(jì)產(chǎn)品加工和獲取。

（5）全系列和跨系列模塊化設(shè)計(jì)是在全系列模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)較類似的跨產(chǎn)品加工機(jī)床進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。其中，全系列的龍門銑床，它的結(jié)構(gòu)和龍門刨、龍門刨床和龍門導(dǎo)軌磨床等基本相似，在具體加工設(shè)計(jì)中就可以發(fā)展成跨系列模塊化設(shè)計(jì)。

1.3 模塊的劃分

1.3.1 模塊劃分的原則

（1）獨(dú)立性原則。模塊劃分的獨(dú)立性原則包含功能獨(dú)立與結(jié)構(gòu)獨(dú)立兩個(gè)方面，其在促進(jìn)模塊系列化發(fā)展與實(shí)現(xiàn)縱系列模塊化設(shè)計(jì)方面有著非常積極的作用。（2）部件原

則。對(duì)組合機(jī)床的拆分需要遵循部件原則，從而對(duì)模塊劃分的獨(dú)立性原則進(jìn)行有效遵循與執(zhí)行。（3）組件原則。對(duì)功能綜合程度過高的部件進(jìn)一步進(jìn)行功能分解，將組件模塊化。（4）基礎(chǔ)件原則。基礎(chǔ)件的功能和結(jié)構(gòu)比較獨(dú)立，模塊劃分中，以同一類型的聯(lián)接為基礎(chǔ)，進(jìn)行接口標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的基礎(chǔ)件模塊建立，能夠獲取較高的模塊設(shè)計(jì)與加工經(jīng)濟(jì)效益。

1.3.2 功能模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

根據(jù)上述對(duì)功能模塊化的分析，結(jié)合功能模塊化設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)際情況，由于功能模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更新速度較快，并且進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工的周期明顯較短/成本較低/產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠等特征優(yōu)勢(shì)，再加上功能模塊化設(shè)計(jì)的機(jī)床加工與維護(hù)較為方便，在小批量生產(chǎn)中適用性尤為突出等，雖然功能模塊化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)復(fù)雜性較高，但在西方國(guó)家的機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來越多。

需要注意的是，模塊化設(shè)計(jì)的特征優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用必要性雖然比較明顯，但是，功能模塊化設(shè)計(jì)中，其功能分解并不是無限制的，對(duì)其功能分解的控制需要根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)對(duì)象的具體情況而定。同樣，數(shù)控機(jī)床的功能分解也要有利于其功能一結(jié)構(gòu)映射的求解，有利于其模塊劃分的實(shí)施。

1.4 機(jī)床模塊化劃分與設(shè)計(jì)方法

綜合上述分析內(nèi)容，本文在進(jìn)行機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)與劃分中，從面向設(shè)計(jì)的角度對(duì)機(jī)床模塊進(jìn)行分析，即在對(duì)數(shù)控機(jī)床的功能進(jìn)行分解基礎(chǔ)上，根據(jù)不同功能元之間的相關(guān)性定性的進(jìn)行模塊聚類，然后按照機(jī)床結(jié)構(gòu)將已經(jīng)聚類的功能模塊所對(duì)應(yīng)的零部件進(jìn)行分解，并根據(jù)各零部件的制造與裝配關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，最終，在對(duì)兩次分析結(jié)果綜合基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更加詳細(xì)與具備不同用途或性能的模塊劃分和設(shè)計(jì)。

以XK2850機(jī)床模塊劃分為例，通過功能模塊至結(jié)構(gòu)模塊的映射（如表1），完成模塊的劃分。

研究了數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在對(duì)模塊進(jìn)行分級(jí)隊(duì)列的基礎(chǔ)上，對(duì)多級(jí)模塊的屬性進(jìn)行了針對(duì)性的定義，并對(duì)屬性間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究，保證了功能、性能、結(jié)構(gòu)、特征、配置、管理等屬性的一致性與針對(duì)性。針對(duì)模塊在不同設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)作用，基于模塊的分級(jí)劃分方案，對(duì)于支持機(jī)床總體方案布局的一級(jí)模塊庫，定義其模塊信息包括管理信息、結(jié)構(gòu)信息、性能信息。各個(gè)信息之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響。對(duì)于支持?jǐn)?shù)控機(jī)床模塊化配置設(shè)計(jì)技術(shù)的二級(jí)模塊庫、標(biāo)準(zhǔn)件外購件庫，定義其包括管理、組成、性能、結(jié)構(gòu)、接口等多類屬性信息。

根據(jù)客戶需求的技術(shù)指標(biāo)自動(dòng)生成機(jī)床總體設(shè)計(jì)方案、機(jī)床模塊智能配置并輸出配置清單、機(jī)床模塊變形設(shè)計(jì)等的機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)支持系統(tǒng);初步構(gòu)造了符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的機(jī)床支撐件、主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、工作臺(tái)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、刀庫系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)等機(jī)床單元模塊庫及機(jī)床外購件、標(biāo)準(zhǔn)件庫;機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)，可縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)，提高機(jī)床零部件質(zhì)量，降低產(chǎn)品全生命周期成本，提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力及對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng)能力。

2 結(jié)束語

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展中，隨著產(chǎn)品更新速度加快與產(chǎn)品用戶需求的日益多樣化發(fā)展，為滿足工業(yè)生產(chǎn)的有關(guān)需求，在實(shí)際生產(chǎn)與加工中逐漸引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與模塊化/參數(shù)化設(shè)計(jì)理念，從而促進(jìn)數(shù)控機(jī)床加工的多樣化與個(gè)性化/小批量生產(chǎn)等需求得到滿足，有效縮短機(jī)床設(shè)備的生產(chǎn)與維護(hù)實(shí)踐，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展和綜合提升，具有十分突出的積極作用和重要意義。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外模塊化設(shè)計(jì)研究的有效綜合，以pore為平臺(tái)，結(jié)合數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床模塊庫建立基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)控機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和探討，不僅取得了較好的效果，而且在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中能夠有效滿足用戶的需求，實(shí)現(xiàn)機(jī)床生產(chǎn)制造成本節(jié)約，提高批量生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，縮短產(chǎn)品加工與生產(chǎn)的時(shí)間，機(jī)床故障維護(hù)與排除操作便利，值得在實(shí)踐中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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