多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床研究與開發(fā)*

王寶沛 翟 鵬 王麗霞 宋文平

(①山東濱州盟威數(shù)控機(jī)床有限公司，山東濱州256602;②山東大學(xué)威海分校，山東威海264209)

上世紀(jì)90年代，歐、美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家汽車零部件行業(yè)為了提高競爭力，以CIMS為主導(dǎo)，進(jìn)行大規(guī)模技術(shù)提升和設(shè)備更新。普遍采用以CNC控制為主要特征，以旋轉(zhuǎn)刀具做主切削運動的鏜、銑加工中心和以工件旋轉(zhuǎn)做主運動的車、銑加工中心組成的生產(chǎn)線。如活塞加工自動線，每條投資成本一般約為1000萬歐元，使用的狀況表明，其功能利用率很低。德國斯圖加特大學(xué)H.schulz教授調(diào)查了美、歐、亞22個國家370家企業(yè)，發(fā)現(xiàn)近80%的加工中心的實際功能利用率只有20%［1］，造成了很大的資源浪費。雖然這兩類加工中心在推進(jìn)機(jī)械加工工序集中工藝方法上發(fā)揮了重要的作用，但對于較復(fù)雜的零件，它們的功能范圍不足以完成從毛坯至成品的全部工序加工，因而不能充分提高單件和中小批量的生產(chǎn)效率，且由于工件在多臺機(jī)床間的轉(zhuǎn)移增加了安裝誤差，也不利于加工精度的穩(wěn)定性。從而無法實現(xiàn)高質(zhì)量、低成本的目標(biāo)。

高質(zhì)量、低成本是國內(nèi)外制造業(yè)的不斷追求的目標(biāo)［2～4］。上世紀(jì)90年代初，德國EMAG公司開發(fā)了立式多功能加工機(jī)床，采用了工件倒置式的加工方式，使機(jī)床主軸具備工件加工、傳送和檢測的功能，可在1臺或2臺機(jī)床上實現(xiàn)從毛坯至成品的全部加工。避免多工序周轉(zhuǎn)和裝夾誤差，具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。

本文根據(jù)可重構(gòu)自動化制造系統(tǒng)(RAMS，Reconfigurable Automatic Manufacturing System)［5］重構(gòu)的快速敏捷性的特點，以及重構(gòu)后精度和可靠性的基本要求，著重研究了重構(gòu)界面的屬性和特征，提出一種以基礎(chǔ)型模塊和功能型模塊為主要特征的多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床設(shè)計理論和方法，使可重構(gòu)自動化制造系統(tǒng)的設(shè)計和制造技術(shù)，在實際應(yīng)用上取得了重要進(jìn)展。

1 多功能可重構(gòu)機(jī)床的特點和設(shè)計

多功能可重構(gòu)機(jī)床采用工件倒置式的加工方式，機(jī)床主軸可實現(xiàn)工件加工、傳送和檢測“三位一體”的功能。多功能機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

機(jī)床分為工件輸送區(qū)、加工區(qū)和檢測區(qū)，主軸快速移動到工件輸送區(qū)夾持工件，到加工區(qū)進(jìn)行切削加工，加工完再到檢測區(qū)檢測，并進(jìn)行加工尺寸的自動補償。工件加工流程如圖2所示。

與鏜銑加工中心和車銑加工中心相比，不需額外投資就能實現(xiàn)自動上下料和自動檢測。同時，可按工藝要求在一臺機(jī)床上，實現(xiàn)除裝夾定位面以外的車、鏜、銑、鉆、磨等全部工序的切削加工，最大限度地擴(kuò)大了加工功能。多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床既適合單件和小批量生產(chǎn)，又適合中批和大批量生產(chǎn)，也可根據(jù)需要在用戶現(xiàn)場實現(xiàn)復(fù)合機(jī)床的快速重構(gòu)和生產(chǎn)線的重組。

重構(gòu)的快速敏捷性和重構(gòu)后的高精度和高可靠性，是可重構(gòu)(RAMS)的最基本的要求。由于重構(gòu)是在用戶現(xiàn)場進(jìn)行，時間短、頻次高，模塊之間的快速高精度互換，是可重構(gòu)機(jī)床研究開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。例如盤類和短軸類機(jī)械零件，屬于同一族群中的不同零件。針對此類產(chǎn)品族群的切削加工的可重構(gòu)復(fù)合數(shù)控機(jī)床的設(shè)計功能、結(jié)構(gòu)和布局，不僅要滿足零件族群加工的需求，同時還要適應(yīng)依據(jù)需要在用戶現(xiàn)場能完成快速重構(gòu)，并且重構(gòu)后能保持高精度、高效率、高可靠性。

根據(jù)數(shù)控機(jī)床可靠性系統(tǒng)分析的理論，影響可重構(gòu)的快速敏捷性、重構(gòu)后的高精度和高可靠性的主要因素，是可重構(gòu)機(jī)床的剛性、抗振性能、主軸的回轉(zhuǎn)精度、滑臺的動態(tài)精度。而可重構(gòu)機(jī)床的床身(包括底座)、主軸和進(jìn)給系統(tǒng)(導(dǎo)軌和滑臺)的關(guān)聯(lián)界面的靜態(tài)和動態(tài)結(jié)合精度的穩(wěn)定性和可靠性，則是影響機(jī)床的剛性、抗振性能、主軸和滑臺的動態(tài)精度的主要因素，也是可重構(gòu)機(jī)床結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

機(jī)床靜態(tài)部件的關(guān)聯(lián)界面的屬性特征:在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要有足夠穩(wěn)定的接觸強度和剛度，在制造精度上要確保關(guān)聯(lián)界面足夠的的實際結(jié)合面積，一般應(yīng)≥70%～80%，在裝配上要確保關(guān)聯(lián)部件的位置精度。而機(jī)床動態(tài)部件關(guān)聯(lián)界面，如導(dǎo)軌的屬性特征:在設(shè)計上要確保低速轉(zhuǎn)高速的瞬態(tài)精度及高速轉(zhuǎn)低速的穩(wěn)態(tài)精度(啟動和制動性能)。因此，要確保機(jī)床的關(guān)聯(lián)界面的靜態(tài)和動態(tài)精度，其精湛的裝配工藝和人的高超技能是不可缺少的?？紤]到要在用戶現(xiàn)場實現(xiàn)重構(gòu)，不僅費時費力，也會影響到重構(gòu)后的精度和可靠性。因此在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計上，要避免對主要結(jié)構(gòu)的重構(gòu)以減少重構(gòu)的次數(shù)。為此提出一種基礎(chǔ)模塊和功能模塊的設(shè)計方法:將機(jī)床的床身(包括底座)系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)(導(dǎo)軌和滑臺)，視為互為依存，且不可分割也不宜重構(gòu)，必須將這三部分，設(shè)計為整體型的基礎(chǔ)型模塊;其結(jié)構(gòu)要適應(yīng)產(chǎn)品組類的形狀和加工特點，其規(guī)格系列要依據(jù)同組類工件大小而劃分。功能型模塊的設(shè)計要根據(jù)工件加工工藝，包括車削、鏜削、銑削、鉆削、磨削裝置;工裝共性夾具和工件自動傳輸?shù)妊b置進(jìn)行。機(jī)床重構(gòu)時，只是功能模塊的選擇和重構(gòu)。這樣有利于實施在用戶現(xiàn)場快速重構(gòu)和生產(chǎn)線的重組。

2 多功能機(jī)床重構(gòu)后的精度和可靠性分析

多功能可重構(gòu)機(jī)床采用基礎(chǔ)型模塊和功能型模塊的設(shè)計方法，與一般意義上的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計方法的區(qū)別在于，整體型的基礎(chǔ)型模塊已包括機(jī)床床身(包括底座)系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)(導(dǎo)軌和滑臺)，重構(gòu)的部分只是根據(jù)工件的工藝流程和加工工藝，選擇不同切削模塊如車削、鏜削、銑削、鉆削、磨削等裝置。因此，重構(gòu)后不會影響到機(jī)床的主要精度，并可保持主軸箱體和導(dǎo)軌與床身的接觸剛度和位置精度以及滑臺和導(dǎo)軌與主軸的位置精度和運動精度。

在系統(tǒng)可靠性的經(jīng)典近似置信下限方法中，常用極大似然估計法(MLE)，修正似然法(MML)，序貫壓縮法(SR)，修正極大似然和序貫壓縮相結(jié)合的方法(CMSR)［6］。根據(jù)系統(tǒng)工程可靠性理論和單元串聯(lián)系統(tǒng)的CMSR數(shù)控機(jī)床可靠性評價方法，對基礎(chǔ)模塊的可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計方法與一般意義上的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計方法重構(gòu)后的可靠性相比較。

多功能可重構(gòu)機(jī)床一般是串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠性模型框圖如圖3所示。

式中:Rs為系統(tǒng)可靠性;Rn(t)為第n個元部件的可靠性，n∈N*={1，2，3，…，n}。根據(jù)文獻(xiàn)［6］提供的數(shù)據(jù)，數(shù)控機(jī)床各子系統(tǒng)可靠性置信下限值:

(1)一般可重構(gòu)機(jī)床的可靠性

一般可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計，是將機(jī)床床身子系統(tǒng)R1、滑臺子系統(tǒng)R2和主軸子系統(tǒng)R3作為獨立的模塊。取 R1=0.9226，R2=0.9227，R3=0.9228，將各子系統(tǒng)的可靠性值代入式(1)式，則有:

如果有一子系統(tǒng)失效，可靠性置信下限最小值Rn(t)為0，則會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效，即重構(gòu)后系統(tǒng)可靠性:

Rsmax置信下限最大值可視同數(shù)控機(jī)床各子系統(tǒng)可靠性置信下限最大值的乘積:

(2)多功能可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計可靠性分析

多功能可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計，是將機(jī)床床身系統(tǒng)、滑臺系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)作為整體的基礎(chǔ)模塊，不存在重構(gòu)問題，其系統(tǒng)可靠性，Rsmin置信下限可視三個子系統(tǒng)可靠性置信下限最小值的乘積:

因此，基礎(chǔ)模塊和功能模塊的可重構(gòu)復(fù)合機(jī)床的設(shè)計方法比一般意義上的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計方法，在重構(gòu)快速性和重構(gòu)后機(jī)床可靠性上，具有明顯的優(yōu)勢。

3 多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床的研制

盤類和短軸類零件的品種和數(shù)量占機(jī)械制造業(yè)60%以上。針對此類產(chǎn)品族群，依據(jù)可重構(gòu)自動化制造系統(tǒng)(RAMS，Reconfigurable Automatic Manufacturing System)的重構(gòu)的快速敏捷性，以及重構(gòu)后的精度和可靠性的要求，設(shè)計和開發(fā)了DLY系列多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床如圖4所示。

3.1 DLY系列多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床主要功能

DLY系列多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床具有自動上下料、自動加工和自動檢測功能;可按工藝要求在一臺機(jī)床上，實現(xiàn)除裝夾定位面以外的車、鏜、銑、鉆、磨等工序的切削加工;多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床既適合單件和小批量生產(chǎn)，又適合中批和大批量生產(chǎn)，也可根據(jù)需要在用戶現(xiàn)場實現(xiàn)復(fù)合機(jī)床的快速重構(gòu)和生產(chǎn)線的重組。

3.2 DLY系列多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床基本參數(shù)

加工范圍:φ70～120 mm;

加工長度:65～130 mm;

最高轉(zhuǎn)速:8000 r/min;

x/y/z軸行程:820 mm/140 mm/222 mm;

機(jī)床尺寸:2390 mm×1750 mm×2592 mm;

DLY系列多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床為山東省重大科技專項——“制造業(yè)信息化軟件、系統(tǒng)產(chǎn)品(先進(jìn)制造裝備)”(項目編號:2005GG1104002)。該項目于2007年11月通過山東省科技廳組織的專家鑒定，鑒定意見認(rèn)為:設(shè)計研制的可重構(gòu)自動化制造系統(tǒng)(RAMS)，在可重構(gòu)、高效自動化生產(chǎn)方面填補了國內(nèi)空白，整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。2009年7月15-18日，DLY系列多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床參加了上海第11屆國際機(jī)床展。在1000余名參展商中，由于其是唯一的一臺全自動加工單元成為展會的亮點。

4 多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床發(fā)展前景

高質(zhì)量、低成本是國內(nèi)外制造業(yè)不斷追求的目標(biāo)?？芍貥?gòu)自動化制造系統(tǒng)(RAMS)，是制造業(yè)實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量、低成本最有效的途徑，而采用以基礎(chǔ)型模塊和功能型模塊為主要特征的全功能數(shù)控機(jī)床的模塊化設(shè)計理論和方法，使得可重構(gòu)自動化制造系統(tǒng)的設(shè)計和制造，在理論和實踐應(yīng)用上都取得了重要進(jìn)展。

多功能可重構(gòu)數(shù)控加工機(jī)床，采用工件倒置式的加工工藝，使機(jī)床主軸可實現(xiàn)工件加工、傳送和檢測“三位一體”的功能，可在1臺機(jī)床上實現(xiàn)從毛坯至成品的全部加工。可有效減少工件加工過程工序間的周轉(zhuǎn)時間。在一般情況下工序間的周轉(zhuǎn)占工件整個生產(chǎn)周期的40% ～60%，即使在信息管理較良好的情況下，仍將占20%左右。因此，多功能數(shù)控機(jī)床具有明顯的技術(shù)生產(chǎn)效益。使用驗證表明，研究開發(fā)的全功能多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床的成套裝備，不僅達(dá)到了重構(gòu)的快速敏捷性以及重構(gòu)后精度和可靠性的要求，同時其功能的實用性相當(dāng)于幾套甚至十幾套傳統(tǒng)的單一產(chǎn)品自動化生產(chǎn)的成套裝備;而且還可根據(jù)產(chǎn)品及其工藝的變化，在用戶現(xiàn)場能快速重構(gòu)或布局新的生產(chǎn)線;投資少，維護(hù)費用低。

大力發(fā)展多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床自動化成套裝備的設(shè)計和制造技術(shù)，可使我國機(jī)械零件及零部件裝備制造業(yè)實現(xiàn)跨越式的發(fā)展，從制造大國到制造強國的轉(zhuǎn)變。我們要抓住機(jī)遇，依靠自己的力量，充分利用國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)和資源，自主創(chuàng)新，不斷探索和研究新的設(shè)計理論，構(gòu)建以高效率、高精度、高質(zhì)量、低成本為特征的自動化加工技術(shù)平臺。這對增強我國機(jī)械零部件及裝備制造業(yè)的國際競爭力，有著十分重要的意義。

1 Schulz.H.Neuer Vorstass In Denvolemenmarkt［J］.Werkstatt und Betrieb，1999，132(12):22-23

2 Hoda A.ElMaraghy.Flexible and reconfigurablemanufacturing systems paradigms.Int.J.Flex.Manuf.Syst.，2006，17:261-276

3 Ahmed M.Deif.Waguih ElMaraghy.Investigating optimal capacity scalability scheduling in a reconfigurablemanufacturing system.Int.J.Adv.Manuf.Technol，2007，32:557-562

4 LANDERSR G，MIN B K，Koren Y.Reconfigurablemachine tools［J］.CIRP Annals，2001，50(1):269-274

5 王寶沛，翟鵬，王麗霞等.汽車零部件可重構(gòu)自動化制造系統(tǒng)的研究.制造技術(shù)與機(jī)床，2007(3):31～35

6 于捷，申桂香，賈亞洲.數(shù)控機(jī)床可靠性評價方法的研究.機(jī)床與液壓，2007(11):174～176