小型可重组数控机床的设计
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技术综合
摘要:文章分析了当今市场变化趋势对制造业企业提出的挑战，指出了可重组制造设备的重要性。介绍了可重组机床的设计思想及模块化设计和开放式数控这两大使能技术，并结合我国装备制造企业存在的问题，以具体设计实例的方式给出一种解决问题的方法。
1 引言
- 模块化结构 在功能分析的基础上，将整机系统划分为功能模块，形成可装配的功能单元，如:X-Y滑台、立柱、机械手等，并由此根据不同的方案进行组合。大量使用高质量标准件，减少非标准件数量。这样不仅保证了机床机械性能的可靠性，结构的可重组性，设计制造的快速性，而且在使用结束后大多数零部件具有可回收性，适应我国走可持续发展道路的长远规划。
- 开放式控制器 采用基于PC的开放式控制器，具有多通道的混合控制功能。能根据用户的需求进行人机界面、控制轴数和伺服方式的配置。
- 与物流系统的连接和集成 机床的结构符合具体的物流设备和车间要求，且由此形成的生产线在线型和生产规模上具有可重组性。
2 可重组机床的设计
- 机床结构的模块化设计
- 所谓模块化设计就是在产品功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合来构成不同的产品。模块化设计使产品设计建立在模块的基础上，因此缩短了产品的设计和制造周期。其次在模块化后可以按模块组织生产，这样使大部分零部件由单件小批量生产转变为大批量生产，便于采用高效专用的工艺设备，有利于提高产品质量和降低生产成本，而且模块的即插即用性有利于产品的升级换代和维修。
图1 机床功能模块划分示意图
图2 直线运动模块组成示意图
图3 机床结构可行方案示意图
图4 带有一体化设计机械手的龙门式铣床结构示意图表1 机床主要性能纵向行程300mm转速10000r/min垂向行程123mmX进给速度19050mm/min横向行程384mmY进给速度19050mm/min主电动机功率900kWZ进给速度19050mm/min- 模块化的形成
- 根据小型数控机床的特点，按照功能分析的方法，可将机床分成以下功能模块(图1)。其中十字滑台模块由两个直线运动单元构成。直线运动单元与直线滑台模块的组成零件大部分完全相同，可将其统称为直线运动模块。该模块是机电结合的集成化运动模块，集驱动、传动、反馈、限位于一体，其组成如图2所示。
- 立柱模块由系列化的外框型材构成。主轴头可根据加工工艺要求配置不同装置，如铣刀、钻头、激光扫描头等。回转台可选不同品种系列，基座为钻有标准化通孔的钢板。为实现模块化设计，各模块具有标准化的接口，以便于机床的进一步扩展、改型以及集成。
- 结构可行性方案及可重组性分析
- 在上述模块的基础上可以得到多种可行方案，图3列举了其中4种框架结构。通过模块的选择和组合可实现任意一种方案。每一种可行方案又可根据被加工对象的大小、复杂程度和加工工艺的变化进行再次重组。
- 被加工件尺寸大小变化 可以通过改变部分直线运动模块和立柱模块中型材截面尺寸、截面类型以及型材长短和型材间距来满足要求。
- 被加工件几何复杂度变化 可考虑增减运动单元。例如若被加工件几何复杂度提高，可以在原有数控机床上增加数控转台来满足要求。而这只须更改数控系统的轴配置模块即可实现，无须更改控制系统硬件。
- 被加工件加工工艺变化 可改变加工刀具和加工装置。例如可选择铣刀、钻头、雕刻刀头和激光仿形扫描头等。
- 在上述模块的基础上可以得到多种可行方案，图3列举了其中4种框架结构。通过模块的选择和组合可实现任意一种方案。每一种可行方案又可根据被加工对象的大小、复杂程度和加工工艺的变化进行再次重组。
- 设计实例
- 我单位实验车间拥有一条BOSCH公司生产的自动化物流运输线。为与该运输线连接，设计机床的同时还需设计物料搬运机械手。此外由于实验室面积有限，故要求所设计的机床和机械手整体结构紧凑以缩小占地面积。鉴于此我们选用了龙门式结构，并对机床本体部分和机械手部分采用了一体化设计方法(图4)，希望能提高系统的整体性能。框架部分选用德国BOSCH公司生产的型材。该公司生产的型材及其附属连接传动件具有高度系列化、通用化、标准化的特点，再加上其与用户友好的标准化接口，使产品的设计、制造和装配时间减至最少，而且所有组件及零部件均可用于重构设计，有利于提高机床的可重组性。
- 机床 该龙门式铣床分为底座、立柱和横梁刀架三部分。底座部分的基座是由自行设计的一块整体钢板，通过螺栓与四个支脚相连接而形成的台式基座。机床的底座由一直线滑台模块(其框架为两根90×90L的型材)与台式基座紧固连接而成。在直线滑台模块的两根90×90L的型材上分别加装立柱，每根立柱由两根90×90L的型材并联连接而成，以使其具有足够大的抗弯弹性模量。横梁刀架部分由一十字滑台模块构成，机床主要性能见表1。
- 该龙门式铣床可根据被加工件的尺寸大小变化、几何复杂度变化、加工工艺变化进行重组。被加工件尺寸大小变化时可通过选择不同规格的立柱、横梁刀架十字滑台模块、底座直线滑台模块来满足要求。被加工件几何复杂度提高时可在加工平台上加装回转台。主轴头可根据不同工艺要求配置。
- 物料搬运机械手 机械手不但可以和上述铣床集成为一体组成柔性制造单元，还可以单独作为物料搬运设备使用。机械手采用龙门式结构，两个方向的运动采用齿轮齿条传动机构实现。齿条直接连接在型材的标准固定槽中，齿轮通过连轴器与伺服电动机相连并与齿条啮合。工件的夹取由气动卡爪完成。这种设计的特点是结构简单，行程范围大。其主要性能见表2。
- 我单位实验车间拥有一条BOSCH公司生产的自动化物流运输线。为与该运输线连接，设计机床的同时还需设计物料搬运机械手。此外由于实验室面积有限，故要求所设计的机床和机械手整体结构紧凑以缩小占地面积。鉴于此我们选用了龙门式结构，并对机床本体部分和机械手部分采用了一体化设计方法(图4)，希望能提高系统的整体性能。框架部分选用德国BOSCH公司生产的型材。该公司生产的型材及其附属连接传动件具有高度系列化、通用化、标准化的特点，再加上其与用户友好的标准化接口，使产品的设计、制造和装配时间减至最少，而且所有组件及零部件均可用于重构设计，有利于提高机床的可重组性。
- 所谓模块化设计就是在产品功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合来构成不同的产品。模块化设计使产品设计建立在模块的基础上，因此缩短了产品的设计和制造周期。其次在模块化后可以按模块组织生产，这样使大部分零部件由单件小批量生产转变为大批量生产，便于采用高效专用的工艺设备，有利于提高产品质量和降低生产成本，而且模块的即插即用性有利于产品的升级换代和维修。
- 开放式数控系统
- 开放式数控系统是实现机床可重组的另一项使能技术。传统的数控系统由于其系统封闭，使得系统功能固定、部分功能浪费、升级更新困难和人机界面不灵活，阻碍了机床的重组。开放式数控系统则解决了以上问题。数控系统的开放性可分为人机控制接口的开放、系统核心接口的开放、体系结构的开放3个层次。
表2 机械手性能参数 工作范围工作速度纵向544mm10mm/min横向755mm15mm/min
图5 系统配置人机界面
图6 NC系统硬件组成关系示意图
图7 设计实例- ①人机控制接口的开放 允许用户构造或集成自己的模块到人机控制接口，即允许用户配置人机控制界面。
- ②系统核心接口的开放 除了提供人机控制界面的开放性能外，还允许用户添加自己的控制模块到控制核心模块中去，但系统体系结构没有开放。
- ③体系结构的开放 从软件到硬件，从人机操作界面到底层控制内核的全方位开放。用户可以在开放体系结构的标准及规范的指导下，按需配置功能。
- 根据我国机床数控改造的国情，我们采用了基于PC的开放式控制器，该控制器由PC机和PMAC运动控制卡构成。能够实现上述层次1的开放和层次2的部分开放。PMAC卡是美国Delta Tau公司20世纪90年代推出的开放式多轴运动控制卡，其内部使用了一片Motorola DSP 56001数字信号处理器来完成实时处理，而将PC机用作非实时处理。PMAC卡有如下开放性:
- ①与各种伺服系统匹配:数字式和模拟式。
- ②与各种检测元件匹配:包括测速发电机、光电编码器、光栅和旋转变压器等。
- ③与PC机的通信方式:串行方式、并行方式、双口RAM方式。
- ④与不同的硬件平台的匹配:PC-XT和AT总线、VME总线、STD总线。
- ⑤数控功能对外开放性:PMAC提供了一套基本功能指令集合，用户可以在这些基本指令基础上定制出自己的G代码、M代码等数控功能。
- ⑥对人机界面的开放性:PMAC提供在高级编程语言环境下开发人机界面的功能。
- 基于PMAC的以上特点，我们开发了具有开放人机控制接口和允许用户自行配置控制轴数和伺服方式的开放式数控系统。其系统配置界面如图5所示，系统硬件组成关系如图6所示。
- 开放式数控系统是实现机床可重组的另一项使能技术。传统的数控系统由于其系统封闭，使得系统功能固定、部分功能浪费、升级更新困难和人机界面不灵活，阻碍了机床的重组。开放式数控系统则解决了以上问题。数控系统的开放性可分为人机控制接口的开放、系统核心接口的开放、体系结构的开放3个层次。
3 结语
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