模塊化深孔加工機床設計說明

1、目 錄1 概述11.1 研究的背景21.2 模塊化機床的基本特性41.3 模塊化機床設計方法學62 可重構制造系統(tǒng)的基本理論72.1 可重構制造系統(tǒng)介紹72.1.1 可重構制造系統(tǒng)現(xiàn)狀與前景72.1.2 可重構制造系統(tǒng)的特點72.2 可重構制造系統(tǒng)的研究容82.2.1 系統(tǒng)設計與集成82.2.2 模塊化的可重構軟件92.2.3 可重構制造系統(tǒng)的控制與故障診斷102.2.4 產(chǎn)品與加工設備的模塊化設計112.3 可重構制造系統(tǒng)的布局設計122.4 可重構制造系統(tǒng)的評價142.5 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段163 鉆床設計173.1 深孔鉆床總體方案分析173.1.1 課題要求17

2、3.1.2 性能指標173.1.3 方案分析173.2 臥式深孔機床可重構化思路183.2.1 深孔零件族分析183.2.2 深孔刀輔具分析193.2.3 成本最低，能迅速響應市場213.3 機床結構的功能模塊化設計223.3.1 模塊化的形成223.3.2 結構可行性方案與可重構性分析223.4 臥式深孔機床關鍵機械結構設計23參考文獻30致311 概述全球化經(jīng)濟激發(fā)的市場激烈競爭和客戶對產(chǎn)品需求的日益?zhèn)€性化趨勢，引起產(chǎn)品品種增多與市場生命周期不斷縮短。在這種環(huán)境下，制造企業(yè)的生產(chǎn)需求(產(chǎn)品品種和產(chǎn)量)將變化莫測，如何使現(xiàn)有制造系統(tǒng)快速、經(jīng)濟地響應生產(chǎn)需求的變化，是當今制造業(yè)面臨的一個巨大挑

3、戰(zhàn)。傳統(tǒng)的大量流水生產(chǎn)系統(tǒng)具有批量生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，但面對生產(chǎn)需求的變化不能快速地響應；而柔性制造系統(tǒng)雖能縮短產(chǎn)品的試制和生產(chǎn)周期，但投資巨大回收周期長。因此，迫切需要一種既具有規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，又能快速適應動態(tài)多變的制造環(huán)境的新型制造系統(tǒng)。模塊化制造系統(tǒng)正是適應這一需求的一條有效途徑，它通過配置合適功能的機床，對給定圍的生產(chǎn)需求提供定制化柔性，當需求變化時，在最大化利用現(xiàn)有資源的基礎上，通過對制造系統(tǒng)結構與組成單元的快速重組或更新，經(jīng)濟地轉(zhuǎn)換成新的制造系統(tǒng)，來定制地響應新需求模塊化制造系統(tǒng)的獨特性在于其系統(tǒng)、機床和控制結構都能快速、經(jīng)濟地轉(zhuǎn)換，以響應市場/客戶需求的變化12。 當制造系統(tǒng)的生

4、產(chǎn)需求變化時，相應地，其組成工作站(機床)的工序需求(加工特征和周期)也將發(fā)生波動。模塊化機床與其控制器是實現(xiàn)模塊化制造系統(tǒng)的主要組成部分，其系統(tǒng)的設計方法是構建模塊化制造系統(tǒng)的基石。模塊化機床對給定圍的工序需求能定制設計，當工序需求變化時，能快速、經(jīng)濟地轉(zhuǎn)換其硬、軟件來重新配置，從而定制地響應新需求，因而模塊化機床是有成本效益的(cost-effective)。模塊化機床的這種對變化的需求能夠快速、經(jīng)濟地轉(zhuǎn)換來重新配置的能力，稱為模塊化性。模塊化性是模塊化機床的一個本質(zhì)特征，它不但有效地縮短了機床的設計前置期，更關鍵的是減少了機床的制造、安裝、鬩試時間和成本。這對應用該類機床的制造企業(yè)，在頻

5、繁更換產(chǎn)品或改進產(chǎn)品時，縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本等方面帶來顯著的經(jīng)濟效益345。模塊化機床的另一個本質(zhì)特征是定制化，包括定制化柔性和控制，它使得機床的冗余生產(chǎn)能力和，或功能最小化。本文以實現(xiàn)機床的模塊化和定制化為目標，從：模塊化機床設計基礎原理與方法學體系；面向模塊化機床設計的工藝規(guī)劃中工序族的劃分和識別；模塊化機床機械系統(tǒng)與控制器的同粒度、模塊化設計；模塊化機床整個生命周期的配置設計幾個方面，對模塊化機床的設計理論與方法進行了系統(tǒng)的研究。模塊化機床與其系統(tǒng)的設計方法學是構建模塊化制造系統(tǒng)的基石。模塊化機床設計不僅是對特定任務配置現(xiàn)有機床模塊，而是設計一種能闡釋模塊化科學理念。1

6、.1 研究的背景 專用機床是適應早期大批量生產(chǎn)環(huán)境的一種具有規(guī)模經(jīng)濟效益的機床。它對某一種零件(或一組相似零件)的特定工序需求定制設計。除了一些標準件外，其余大部分零件都要單獨地設計和制造，勞動量大，生產(chǎn)周期長，制造成本高。專用機床的主要問題是：一旦工序需求變化，難以實現(xiàn)經(jīng)濟地轉(zhuǎn)換以適應新需求；當零件的生產(chǎn)量達不到機床的設計能力時，由于生產(chǎn)能力冗余而造成成本增加。因此，專用機床缺乏適應產(chǎn)品設計和加工過程變化的柔性，同時也不適合任何形式的產(chǎn)品混合加工。為了縮短專用機床的設計周期，便于組織機床功能零部件的專業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，降低機床的制造成本，發(fā)展了組合機床。對于工序需求的變化，組合機床能夠利用已有

7、的通用部件和改裝部分專用部件組成滿足新需求的機床。因此，組合機床既具有專用機床的高效率和結構簡單的特點，又具有能夠重新調(diào)整以適應新零件加工的特點。由于組合機床使用了大量的通用零部件，因此，在理論上它可以實現(xiàn)重構以適應加工對象的變化。但由于組合機床一開始并不是為模塊化設計，當需求變化時，機床需要較長的改裝時間和較高的改裝成本，且會造成整個生產(chǎn)系統(tǒng)的停滯，因而在實際應用中組合機床并沒有用于重構的目的，只作為一種高效的專用機床來使用。雖然，組合機床在很大程度上解決了專用機床的初始投資大的問題，但它仍然是一種剛性設計機床，對少品種(甚至單一品種)的大批量生產(chǎn)具有經(jīng)濟效益。因此，組合機床存在與專用機床同

8、樣的問題，即難以經(jīng)濟地響應種多、批量小和生命周期短這類需求的變化。 為了提高單件和小批量生產(chǎn)的自動化水平從20世紀60年代起，人們開發(fā)了柔性的數(shù)控機床，并且很快在制造業(yè)中得到了廣泛地應用。數(shù)控機床只需改變數(shù)控程序就可以加工一系列相似的產(chǎn)品而不需要改變機床主要的配置。因此，數(shù)控機床將其初始投資的風險分布在了機床的整個生命周期中，同時也極降低了由于生產(chǎn)模式改變所需的機床重新沒計和調(diào)試時間。但是，數(shù)控機床也存在著難以克服的缺陷：由于數(shù)控機床是在工序需求未知的前提下設計的，因而通常具有不必要的復雜性(如冗余的功能)。這不但使數(shù)控機床的成本升高而且可靠性降低6。 由于全球化經(jīng)濟的激烈競爭和市場客戶需求變

9、化的驅(qū)動，在一個產(chǎn)品族中以大批量生產(chǎn)的效率和成本，來提供滿足不同客戶需求的個性化定制產(chǎn)品的生產(chǎn)模式已經(jīng)成為制造業(yè)的發(fā)展趨勢，如大批量定制生產(chǎn)。為此，機床制造企業(yè)正在增加傳統(tǒng)專用機床和組臺機床78。模塊化機床也是一種可重構機床，它集專用機床、組合機床和數(shù)控機床的優(yōu)點于一身，同時避免了它們的不足。它具有以下一些基本特征：機床是由一些基本模塊根據(jù)功能需求組合而成的；機床結構和布局可以根據(jù)產(chǎn)品的變化進行快速重組；機床的模塊結構(硬件、軟件、控制系統(tǒng))是標準化的；模塊之間具有統(tǒng)一的、標準化的界面；機床的設計是以產(chǎn)品族為基礎的；機床的功能可以改變，但基本無功能冗余；機床與制造系統(tǒng)的接口也是標準化的，以便于

10、整個系統(tǒng)的重組。模塊化機床的主要優(yōu)點有：高柔性，可以極縮短產(chǎn)品的改型換代時間；與數(shù)控機床相比，在滿足加工需求的條件下可以簡化機床的功能和結構；模塊化結構便于組織專業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)；專業(yè)化生產(chǎn)可以提高產(chǎn)品的成熟度和質(zhì)量，同時可以降低機床產(chǎn)品的成本和價格；機床便于維修，只需更換相應的模塊即可；有利于通過計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟；機床的功能零部件可以重復利用，提高了機床的環(huán)保性；多刀加工，可以有效提高生產(chǎn)效率9101112。如果不考慮時間和成本，任何機床都可以實現(xiàn)重構。而問題的關鍵是如何快速、經(jīng)濟地轉(zhuǎn)換，以降低重構時間和成本。為此，所設計的模塊化機床應體現(xiàn)如下基本原理：（1）模塊化機床為獲得定制化柔性

11、設計模塊化制造系統(tǒng)的設計是為了獲得定制化柔性，正如它對特定圍的生產(chǎn)需求設計。模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)（或生產(chǎn)線）是模塊化制造系統(tǒng)的一種具體形式，它需要不同的組成要素包括：專用機床、柔性的通用數(shù)控機床和模塊化機床。機床的選擇需求根據(jù)特定工作站的工序需求（如加工特征和加工周期）來定。對于那些相對固定的工序需求（如典型的一個加工特性和固定的加工周期），選擇專用機床是恰當。對于那些批量需求小且經(jīng)常地以未知方式變化的工序需求，柔性的數(shù)控機床是臺適的機床選擇。對于在生產(chǎn)系統(tǒng)(生產(chǎn)線)的整個生命周期，以未知方式在給定周變化的工序需求，可重掏機床是最經(jīng)濟可行的選擇。因此，模塊化機床應該為獲得定制化柔性設計，這樣它對特定

12、圍的工序需求就具有經(jīng)濟(有成本效益)的響應能力，模塊化機床應該針對工序族定制設計。 模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)（或生產(chǎn)線）對特定的零件定制設計，零件族的所有加工工序由構成模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)（或生產(chǎn)線）的機床完成。工序組成機床之間的分配決定了每臺機床的配置型式和功能需求。對于模塊化機床來說，起本質(zhì)特性決定了它需要完成一組加工工序，且這一組工序來自于零件族的不同零件，我們稱之為工序族。零件族和工序族分別決定了模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)（或生產(chǎn)線）和模塊化機床的重構。定制設計的含義是模塊化機床從一開始就為完成一族（組）工序而設計。（2）工序族是一組相似的工序組合集合工序組合是一組以滿足零件質(zhì)量或提高加工效率為目的而聚在同一機床

13、上完成的工序，每一個工序組合來自于零件族的不同零件。工序族在模塊化機床整個生命周期將發(fā)生變化，這些變化需要根據(jù)設計者的知識、洞察力和市場調(diào)研事先預測。（3）模塊化機床應該以模塊化為出發(fā)點設計 為了對工序族的需求變化提供定制化柔性與控制，模塊化機床從一開始就需要考慮其對不同工序需求的模塊化性。工序族的需求變化圍決定了模塊化機床的重構頻率和成本(重構能力)。（4）模塊化機床應該易于集成設計 模塊化機床的機械系統(tǒng)和控制器應該都具有模塊化結構且粒度一樣，從而使模塊化機床易于集成。模塊化結構是指模塊化機床的硬、軟件都為模塊，如模塊化結構的主軸、模塊化和開放式體系結構控制器、模塊化軟件等等。（5）模塊化機

14、床應該為減少批量之間的轉(zhuǎn)換時間和成本設計 模塊化制造系統(tǒng)通過縮短批量之間的轉(zhuǎn)換時間，來降低批量生產(chǎn)的周期；通過提高批量轉(zhuǎn)換之間的資源利用率，來降低批量生產(chǎn)的成本。由于模塊化機床是實現(xiàn)模塊化制造系統(tǒng)基礎設施，因此模塊化機床應該為滿足這些需求設計。（6）模塊化機床必須在投資成本與模塊化之間取得平衡 通常，機床模塊度越大，模塊化性越好。但是，這將增加用于機床模塊功能上的投資成本：工序族的工序需求變化圍最大，模塊化性越好。但是，在刀具和夾具系統(tǒng)上的投資成本也將提高。因此，應該在綜合評價模塊化機床經(jīng)濟性和模塊化性的基礎上，來最終確定其配置和重構配置。1.2 模塊化機床的基本特性 重構機床的關鍵特性是模塊

15、化性和定制化，這使得模塊化機床有別于傳統(tǒng)機床。此外，模塊化機床還綜合了一些傳統(tǒng)機床的特點。模塊化機床的基本特性如下：(1) 模塊化性 對于變化的工序需求，模塊化機床具有轉(zhuǎn)換其硬、軟件來重新配置機床，從而快速、經(jīng)濟地響應新需求的能力。機床的這種能力稱為可熏構性。(2) ?？旎?為了實現(xiàn)機床的模塊化，模塊化機床的機械系統(tǒng)和控制器均需采用模塊化結構。這使得通過轉(zhuǎn)換硬、軟件來重新配置機床成為可能。另外，模塊化也提高了機床的可維護性。(3) 可轉(zhuǎn)換性模塊化機床的一些機床模塊具有改變其自身功能或拓撲結構的能力。使用這樣的機床模塊，可以不必替換模塊而改變機床的功能(如主軸或運動軸模塊的重定位或重定向)，從而

16、實現(xiàn)機床的在線重構。(4) 可集成性模塊化機床的機械和控制模塊具有集成其它機床模塊的標準接口設計，從而能夠集成新技術和新功能以使機床在線升級。(5) 可控制性模塊化機床的控制模塊通過定義其端口語言而相對獨立地設計和檢驗，當機床重構只需更改端口語言而不改變連結控制模塊之間的可控制性。(6) 定制化定制化包括定制化柔性和定制化控制兩個方面。由于模塊化機床圍繞給定的工序構建，它以低成本提供定制化柔性。模塊化機床的柔性不僅僅在于能夠加工多少品種的零件而關鍵在于可自身升級。定制化柔性使得機床資源利用率是大化。定制化控制通過集成與機械模塊同粒度的控制模塊來實現(xiàn)，提供當前機床所需的控功能。(7) 有成本效益

17、(costeffective)模塊化性和定制化決定了模塊化機床是有成本效益的機床。模塊化、可集成性和可控制性減少了模塊化機床的重構時間和重構工作量；可轉(zhuǎn)換性和定制化降低了模塊化機床的資源投資和重構成本13。1.3 模塊化機床設計方法學 模塊化機床與傳統(tǒng)機床的主要區(qū)別在于其具有可重構性、機械系統(tǒng)與控制器的同粒度模塊化結構和定制化柔性與控制。也就是說，模塊化機床能夠通過重組與更替機床的組成部件或模塊，來調(diào)整其生產(chǎn)能力和某些功能，從而快速、經(jīng)濟地提供整個生命周期各個階段所需的定制化柔性與控制。模塊化機床的基本原理和特性決定了它必須采用一種獨特的設計方法學，它是模塊化機床設計的科學基礎。模塊化機床設計

18、方法學將主要解決下面一些問題： (1) 工序族的劃分和識別； (2) 模塊化機床功能需求的表達方法； (3) 模塊化機床功能結構的設計； (4) 模塊化機床基本構件塊(或模塊包括機械和控制)的表達方法； (5) 模塊化(重用)機床模塊(包括機械和控制)的設計； (6) 可選擇的模塊化機床配置與重構配置的列舉； (7) 模塊化機床控制器的構建，重構方法； (8) 模塊化機床整個生命周期的配置經(jīng)濟性和模塊化性的評價；(9) 可選擇的可重構機床配置路徑的2 可重構制造系統(tǒng)的基本理論2.1 可重構制造系統(tǒng)介紹2.1.1 可重構制造系統(tǒng)現(xiàn)狀與前景現(xiàn)有各種制造技術的共同特點是都使用固定的硬件設備，并且其軟

19、件結構和控制算法也是不可變的。因此,它們都是靜態(tài)的，基本不具備可重構性。以這些技術形成的各類制造系統(tǒng)主要存在著生產(chǎn)效率與柔性間的矛盾，很難適應現(xiàn)代快速變化的市場需求。為了解決這一問題，20世紀90年代中期，國外學者和研究機構提出了可重構制造的概念1415。RMS的基本特征是可重組(可組態(tài))性,另外還包括可變性、可集成性、定貨化、模塊化、可診斷性、經(jīng)濟可承受性、敏捷性等。據(jù)此給RMS定義如下：可重構制造系統(tǒng)是一種基于現(xiàn)有的、可利用的或可獲得的新加工設備和其它組元，能按市場需求的變化，以重排、重復利用或更新元素的方式，實現(xiàn)以低成本快速地調(diào)整制造過程的功能和生產(chǎn)能力，具有足夠柔性和可適應性的新一代可

20、變制造系統(tǒng)?？芍貥嬛圃煜到y(tǒng)可定義為：能適應市場需求的產(chǎn)品的變化，按系統(tǒng)規(guī)劃的要求，以重排、重復利用、革新組元或子系統(tǒng)的方式，快速調(diào)整制造過程、制造功能和制造生產(chǎn)能力的一類新型可變制造系統(tǒng)。從上述資料給出的可重構制造系統(tǒng)的定義可以看出，目前人們對可重構制造系統(tǒng)的認識有一定的統(tǒng)一之處，強調(diào)的基本依據(jù)和方式一致。可重構制造系統(tǒng)代表了自動化制造系統(tǒng)的發(fā)展方向，是21世紀制造業(yè)的核心技術之一。2.1.2 可重構制造系統(tǒng)的特點盡管對于什么是可重構制造系統(tǒng)，說法不一，但它應體現(xiàn)出以下幾方面的特點：（1）制造系統(tǒng)的快速構造能力提出制造系統(tǒng)可重構思想的一個基本依據(jù)是期望制造系統(tǒng)能夠具有對激烈變化的市場需求做出與

21、時準確的響應，因此要求制造系統(tǒng)本身的構造能夠在短時期完成。如果一個制造系統(tǒng)可以被快速地構造出來，產(chǎn)品上市時間必將大縮短，企業(yè)也能夠獲得更大的市場競爭能力。相反，如果一個制造系統(tǒng)不能被迅速地建立起來，那么當該制造系統(tǒng)具備生產(chǎn)能力時，它所生產(chǎn)的產(chǎn)品也許已經(jīng)無法獲取合適的利潤價值，甚至該產(chǎn)品會被市場所淘汰。（2）制造系統(tǒng)的模塊化由于加工機器設備正在變得愈來愈貴重，其投資決策也愈來愈難。因此，模塊化可重構的硬件插件兼容式技術必然會降低制造系統(tǒng)的投資成本，提高柔性，縮短生產(chǎn)準備周期。采用模塊化部件構造機器設備，以便按生產(chǎn)要求的變化可以通過重構使用這些模塊化部件使生產(chǎn)系統(tǒng)升級、機器重新配置，而不必重新制造

22、和購買機器。例如，將加工中心設計成標準模塊工作臺、電機、控制器、換刀裝置等多種模塊化兼容性部件。采用這種設計方法的直接結果是節(jié)約制造資源與生產(chǎn)成本，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。當生產(chǎn)任務改變時，首先立足于現(xiàn)有資源，通過優(yōu)化配置現(xiàn)有的各種資源模塊來解決不確定性問題。當現(xiàn)有加工設備無法滿足生產(chǎn)需要時，則采購、定制新模塊，升級、擴充舊有的資源模塊，快速地集成各種生產(chǎn)模塊來獲取新的生產(chǎn)能力。（3）統(tǒng)一的集成環(huán)境隨著生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)模越來越大，不同部件間的耦合也越來越緊密，對整體管理系統(tǒng)的方法學需求也越來越明顯。目前的部件控制方法是單獨處理每一個單元，然后用一些并不妥當?shù)姆椒▽⑺械膯卧o緊地聯(lián)系在一起，使之成為

23、一體。這樣做的結果必然是設計、運行和集成導致了一個龐大的軟件控制系統(tǒng)，而且該控制系統(tǒng)在資源消耗和時間響應方面具有很大的不可預見性。目前的設計方法是將系統(tǒng)集成當作一次性的工作，而不是按任務的變化不斷改變的集成過程22。因此,它一旦建成則很難對其進行必要的修改與擴充。為適應激烈變化的市場需求有必要建立一個統(tǒng)一的系統(tǒng)集成環(huán)境。系統(tǒng)的控制被設計成與每個元素無關，每個模塊都避免受到其它模塊的影響，而系統(tǒng)的總體則是協(xié)同一致的。2.2 可重構制造系統(tǒng)的研究容為實現(xiàn)制造系統(tǒng)按照市場導向快速地重構這一目標需要進行大量的工作。特別需要對一些關鍵的使能技術與方法進行深入的研究與探討。這些關鍵技術的發(fā)展與成熟一方面將

24、有助于可重構制造系統(tǒng)的實施，同時也有利于帶動其他相關學科的發(fā)展。下面，從四個方面進行說明。2.2.1 系統(tǒng)設計與集成現(xiàn)代制造是一種社會化的生產(chǎn)與營銷活動。在這種制造活動中,不可避免地需要解決系統(tǒng)的集成與分散之間的關系。所謂集成就是對制造各種要素進行組合或綜合的過程。利用集成的手段可以統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)各種制造信息、各種制造資源、各種制造技術與各種制造功能模塊。在本質(zhì)上，集成體現(xiàn)了社會化協(xié)作，而分散或分解則體現(xiàn)了社會化的另一方面分工與專業(yè)化。它包括分布式制造、單元制造、各種軟硬件模塊化與標準化。顯然，無論集成與分散都是一種手段而不是目的。正確的做法應該是根據(jù)企業(yè)的實際情況，在其經(jīng)濟可承受性與技術支撐可能

25、性的約束下，應用集成與分散手段，促進企業(yè)提高產(chǎn)品與服務的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低成本，增強企業(yè)整體對市場需求的靈活快速反應能力，以良好的競爭力奪取市場。在制造系統(tǒng)中，集成的功能主要通過系統(tǒng)層實現(xiàn)。制造系統(tǒng)的系統(tǒng)層主要解決如何依據(jù)生產(chǎn)任務優(yōu)化配置制造資源，并保證各種制造信息在各子系統(tǒng)之間無縫流動并完成物料流的準確調(diào)度。它的任務主要包括：制造資源的布局設計并確定運輸路徑，依據(jù)加工零件的交貨期制定生產(chǎn)計劃，依據(jù)加工過程中的各種信息進行作業(yè)調(diào)度與負荷平衡等多項容。對于一個可重構的制造系統(tǒng)而言，更為重要的是系統(tǒng)層能夠依據(jù)不同的任務需求對制造系統(tǒng)的各個可重構的模塊進行配置并對配置的結果進行評估。由于評價系統(tǒng)配

26、置結果需要考慮產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本、交貨時間等多種因素，因此對這些評價指標模型的深入研究具有重要的意義。與此問題相關的一個問題是如何評價系統(tǒng)配置的變化對諸如系統(tǒng)生產(chǎn)率、系統(tǒng)可靠性等制造系統(tǒng)特征的影響，如果這一問題得到有效解決必將為模塊化的制造系統(tǒng)綜合問題提供理論指導。系統(tǒng)層對配置后的制造系統(tǒng)評估的一個例子是對布局重構的評估。例如：，美國的GM公司為縮短產(chǎn)品上市時間縮短了生產(chǎn)線的長度，有些企業(yè)設備布置變動已經(jīng)成為常事，甚至平均一年變動一次。然而，頻繁的設備布局變化會導致生產(chǎn)成本的增加。最終的結果必然是在二者中尋求平衡,為此系統(tǒng)層應該能夠幫助決策者制定合適的策略。2.2.2 模塊化的可重構軟件制造系

27、統(tǒng)的應用軟件設計是一項非常復雜的工作。由于制造系統(tǒng)中存在大量的制造資源，多種設備操縱方法，我們需要將這些信息與方法抽象出來并構造在一起使其成為一個可靠的應用程序。面向?qū)ο蟮木幊碳夹g是解決這一問題的有效手段。遺憾的是，面向?qū)ο蟮木幊碳夹g并不能解決制造系統(tǒng)中軟件設計的所有問題。制造系統(tǒng)中應用軟件的修改與升級就是其中之一。目前，一個應用程序通常由單個的二進制文件組成。當編譯器生成此應用程序之后，應用程序一般不會發(fā)生變化。這樣，客戶需求的改變必須等到整個應用程序被重新編譯之后才能得到認可。顯然，如果現(xiàn)有的這種情況不發(fā)生改變，客戶的需求將難以得到迅速的響應，這對于制造企業(yè)而言是一個非常嚴峻的問題?？芍貥?/p>

28、的制造系統(tǒng)模塊化的特性要求應用程序在發(fā)行之后不再保持靜止狀態(tài)，它應該隨著時代的發(fā)展與用戶需求的改變不斷地被注入新的活力。可喜的是，通過COM（組件模型），DCOM（分布式組件模型）等多項技術正在使現(xiàn)有的這種情況發(fā)生改變。COM的解決方案是將單個的應用程序分割成多個獨立的部分，也就是組件(Component)。利用新的組件不斷地取代舊的組件，再將現(xiàn)有的各種組件重新配置實現(xiàn)用戶定制。同時，組件構架最引人注目的優(yōu)點之一是快速應用程序開發(fā)。這一優(yōu)點可以使某個組件庫中取出所需的組件并將其快速地組裝到一起以構造所需的應用程序。同時，由于引入動態(tài)技術(DLL)并封裝了組件的部信息，可以動態(tài)地將各種組件插入與

29、卸出應用程序從而實現(xiàn)應用軟件的優(yōu)化與配置。借助于計算機網(wǎng)絡，更可將應用程序劃分為位于遠地的各種功能組件，并相應地創(chuàng)建專門與之通訊的組件實現(xiàn)分布式計算。這一點對于制造系統(tǒng)自動化而言有著重要的意義。由于制造系統(tǒng)設計眾多的數(shù)據(jù)信息，如果所有這些信息完全由一臺或幾臺主控計算機進行處理，必然導致計算成本增大，某些實時信息難以得到響應，更為嚴重的是一旦主控計算機出現(xiàn)問題制造系統(tǒng)將面臨全面的混亂。因此，有必要對制造系統(tǒng)中的各種信息進行分布式處理，使得計算量得到相應的平衡。2.2.3 可重構制造系統(tǒng)的控制與故障診斷顧客對產(chǎn)品品種與規(guī)格、功能與性能、外觀與色澤需求量的要求呈多樣化，促使制造企業(yè)減少產(chǎn)品批量，以定

30、單牽引生產(chǎn)。為適應這種多樣化、個性化需求，必然要求制造系統(tǒng)配置一些可完成多種加工任務的機床與機器人。然而遺憾的是目前大多數(shù)工業(yè)機器人并不具備這種能力。其中的一個重要原因在于工業(yè)機器人的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨立結構進行開發(fā)的，采用專用計算機，專用的機器人語言與專用的操作系統(tǒng)。這種“封閉”的控制器結構使其僅具有特定的功能、適應特定的環(huán)境、不便于進行系統(tǒng)擴展。針對這樣的問題，日本、歐美等一些國家近年來都在開發(fā)有開放式結構的控制器。具有開放式結構的控制器應具有以下的特點：采用標準的操作系統(tǒng)與總線結構 采用標準的操作系統(tǒng)與控制語言可以改變當前各種專用機器人語言并且互不兼容的局面。利用標準的總

31、線結構使得各種傳感器與硬件控制板的“即插即用”成為可能。利用網(wǎng)絡通訊，實現(xiàn)資源共享 可重構制造系統(tǒng)的一個重要特征是充分利用現(xiàn)有資源。當生產(chǎn)任務改變時，一個可重構的制造系統(tǒng)能夠合理有效地對現(xiàn)有制造資源進行優(yōu)化配置，使之迅速地適應新的市場需求。因此開放式控制系統(tǒng)也有網(wǎng)絡通訊的功能，以便于實現(xiàn)資源共享或多臺工業(yè)機器人與加工機床協(xié)同工作。通過有效地交換數(shù)據(jù)來支撐控制系統(tǒng)各設備的協(xié)同工作，以便預見潛在的問題，與時有效地解決已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的問題。制造系統(tǒng)中的另一重要研究容是故障診斷與過程監(jiān)控。在制造過程中，一方面由于制造過程本身相當復雜，制造任務多種多樣，另一方面制造環(huán)境會隨著制造系統(tǒng)的重構發(fā)生改變，特別的制造

32、環(huán)境會受到隨機的干擾。這些因素常使制造系統(tǒng)偏離所設置的最優(yōu)狀態(tài)。更為嚴重的是，由于制造設備長期飽和運行容易導致設備器件損壞，從而使得產(chǎn)品質(zhì)量難以得到保證，甚至會造成制造系統(tǒng)的癱瘓。為解決這樣的問題，一方面要加強制造系統(tǒng)的監(jiān)控，通過獲取和分析制造過程的實時信息保證制造過程安全，可靠與高效地運行。同時，要加強制造設備的容錯能力與適應能力。通過以下三種措施可以使得系統(tǒng)在誤差允許的圍維持系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)而不致影響完成主要任務： 系統(tǒng)重構：在系統(tǒng)某一部件發(fā)生故障時,其他部件可以部分代替其工作，使整個系統(tǒng)繼續(xù)運行。 解析容余：利用測量之間或控制之間的依賴關系，在某一部件發(fā)生故障時，其它部件的參數(shù)耦合可以代替失

33、效部件所負擔的任務。 設計預量：在設計中對影響系統(tǒng)性能指標的參數(shù)留有一定允許偏離設計值的預量，這樣系統(tǒng)在長期運行過程中，由于漸變退化等原因，使得有關參數(shù)漂移只要不超過其預期值或圍，則還能維持系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，不致影響生產(chǎn)。2.2.4 產(chǎn)品與加工設備的模塊化設計為開發(fā)具有多種功能的不同產(chǎn)品，不必對每種產(chǎn)品施以單獨的設計，而是精心設計出多種模塊，將其經(jīng)過不同的方式進行組合來構成不同的產(chǎn)品，以解決產(chǎn)品品種、規(guī)格和設計周期、成本之間的矛盾。在本世紀二十年代左右，模塊化的設計原理就開始用于機床設計。到本世紀五十年代，歐美一些國家正式提出“模塊化設計”的概念，把模塊化設計提高到理論高度來研究。目前，模塊化設計

34、的方式主要有以下幾種： 橫系列模塊化設計，不改變產(chǎn)品主要參數(shù)，利用模塊發(fā)展變型產(chǎn)品。這種方式最容易實現(xiàn)，應用的也最廣。常見的做法是在某型品種上更換與添加模塊，形成新的品種。 縱系列模塊化設計，也就是在同一類型中對不同規(guī)格的某型產(chǎn)品進行設計。由于產(chǎn)品主參數(shù)發(fā)生改變，會導致產(chǎn)品結構形式與尺寸不同，因此縱系列模塊化較橫系列模塊化更為復雜。加工設備的模塊化設計是可重構制造系統(tǒng)中另一個重要問題。由于可重構制造系統(tǒng)中的制造單元具有模塊化的特性，這使得設計制造系統(tǒng)中的加工設備具有相當?shù)膹碗s性。制造系統(tǒng)加工設備的傳統(tǒng)設計僅考慮了機床級的重構，而在可重構制造系統(tǒng)中，為完成新的加工任務整個制造系統(tǒng)有可能被重新配置

35、。為解決模塊化機器的系統(tǒng)優(yōu)化問題，需要發(fā)展可重構設計理論。其容包括對可重構機器的拓撲綜合，優(yōu)化機器的運動鏈與結構，分析機器磨損、結構振動與剛性等問題。這種理論能夠分析由不同模塊所構成的加工機器的系統(tǒng)指標，如加工精度與可靠性。產(chǎn)品與加工設備的模塊化設計中遇到的首要問題是制造模塊的圍問題。換句話說，對一個模塊化的產(chǎn)品與加工設備，如何科學與準確地劃分各種模塊。模塊化的設計原則是力求以少量的模塊來組成盡可能多的產(chǎn)品與加工設備，并盡量保證性能可靠，成本低廉。為此應在模塊設計時注意以下幾個問題： 保證模塊結構盡量簡單、規(guī)，模塊間的聯(lián)系盡可能的簡單。 模塊的接口應便于連接與分離，同時模塊的劃分不能影響系統(tǒng)的

36、主要功能。 模塊化設計應避免片面追求功能的實現(xiàn)，而應注重模塊化產(chǎn)品生命周期全周期多目標的權衡與綜合決策。如易于回收、裝配與維修，產(chǎn)品報廢后某些模塊仍可利用，模塊可以升級與重新配置。2.3 可重構制造系統(tǒng)的布局設計制造系統(tǒng)的最優(yōu)布局設計是一個需要在制造系統(tǒng)最初設計階段就必須解決的重要問題。如果一個制造系統(tǒng)最初的布局設計不合理，必然導致該系統(tǒng)實際運行時出現(xiàn)各種各樣的問題。Tompkins與White指出因布局不合理所產(chǎn)生的運行費用占制造系統(tǒng)整體運行費用的20-50%。因此對制造系統(tǒng)最優(yōu)布局問題進行深入研究具有重大的理論與實際意義。目前對這一問題研究已經(jīng)取得的很多良好的結果2,6,7。但是，目前眾多

37、算法的一個基本假設是制造系統(tǒng)的布局策略是一種長期的巨大投資策略的體現(xiàn)。在這種假設下，系統(tǒng)布局一旦設定基本上就不再改變。只有在大量的資本投入與長時期停產(chǎn)等情況下，制造布局才可能發(fā)生改變。因此目前大多數(shù)的系統(tǒng)布局方法多集中于將給定的機床分配到相應的工位以保證運送加工材料的時間(或代價)最小。然而，日益加劇的市場競爭會使得以上假定失效。迅速變化的市場需求要求制造系統(tǒng)具有快速調(diào)整生產(chǎn)能力與迅速加工新的生產(chǎn)對象的能力。這對制造系統(tǒng)本身提出了兩方面的要求：一方面制造系統(tǒng)本身應具有一定的魯棒性與適應能力，我們不需要對制造系統(tǒng)做出大的改變就能生產(chǎn)出新的產(chǎn)品。另一方面，制造系統(tǒng)應具有可擴展能力。如果制造系統(tǒng)的加

38、工設備、工件流支持系統(tǒng)、刀具流支持系統(tǒng)和信息流支持系統(tǒng)都由標準化的功能模塊構成，那么當目前的制造系統(tǒng)無法滿足生產(chǎn)需要時，就可通過采購、定制新模塊，升級、擴充舊設備，快速地集成各種生產(chǎn)模塊等方法來獲取新的生產(chǎn)能力。顯然，市場需求變化越激烈，對制造系統(tǒng)本身的可擴展、可重構的要求就越高。因此，在現(xiàn)有制造系統(tǒng)構型的基礎上，研究重構系統(tǒng)的新布局具有重要的理論與實際意義。首先，制造系統(tǒng)可重構布局研究的對象是各種模塊化的制造單元。幾十年制造自動化技術發(fā)展的實踐表明，集成化是建立在單元化的基礎上的，功能模塊標準化就是為發(fā)展制造系統(tǒng)提供高質(zhì)量的“預制構件”。功能模塊標準化的好處是非常巨大的。一方面，模塊化的制造

39、系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)的可靠性和降低系統(tǒng)的費用。如果某一生產(chǎn)過程的“瓶頸”設備完全與整個制造系統(tǒng)的其他部分“解耦”，就可以方便地將該設備剔除出生產(chǎn)系統(tǒng)而對制造系統(tǒng)的其余部分不造成影響。另一方面，制造系統(tǒng)模塊化有助于縮短系統(tǒng)的調(diào)試周期，便于系統(tǒng)優(yōu)化與擴展。當系統(tǒng)底層模塊的屬性已知，各個模塊之間的關系理順后，系統(tǒng)規(guī)劃層就可針對生產(chǎn)要求協(xié)調(diào)好各個模塊之間的關系，迅速地改變制造系統(tǒng)加工能力。應當注意到可重構布局的研究是建立在現(xiàn)有布局基礎上的研究。依賴現(xiàn)有的制造單元是可重構制造系統(tǒng)布局研究的出發(fā)點。為減少重新配置系統(tǒng)的代價，應盡量減少現(xiàn)有布局的改變。系統(tǒng)的重構配置不是完全推倒現(xiàn)有系統(tǒng)，而是盡量利用現(xiàn)有的制造資

40、源。不充分利用這些已購置的設備與儀器，僅僅依賴于重新添置新的加工設備必然會導致極大的浪費。同時，應該重視現(xiàn)有的各種加工技術與經(jīng)驗教訓并把它們集成到新的制造系統(tǒng)中去，這是因為只有對現(xiàn)有系統(tǒng)有了充分的認識才能正確發(fā)現(xiàn)滿足新的生產(chǎn)任務的方法。如何選取應該重新配置的模塊強烈地依賴于各種專家知識的提取，而現(xiàn)有的各種制造經(jīng)驗會成為將來重新構造系統(tǒng)的重要規(guī)則。因此，在研究可重構系統(tǒng)布局時首先應對現(xiàn)有系統(tǒng)有充分而全面的認識?？芍貥嫴季盅芯康囊粋€重要問題是研究如何提供一套綜合的、系統(tǒng)的方法實現(xiàn)制造系統(tǒng)的布局設計。目前的設計方法大都要求預先設定一個唯一并且已知的制造環(huán)境，同時現(xiàn)有的設計方法由幾個獨立的、互相之間缺

41、乏有效接口的部分組成。因此在系統(tǒng)設計層應提供一個有效的總體框架來快速地集成各種輔助工具。在這個框架之下，制造單元的劃分、構成與制造功能的封裝，制造系統(tǒng)部各制造單元之間的聚合、運行與分解等問題都可以得到有效的解決。如何評價已經(jīng)設計出的系統(tǒng)新布局是可重構布局研究的另一個問題。系統(tǒng)布局的評價應考慮多種因素，包括生產(chǎn)質(zhì)量，生產(chǎn)成本，零件加工時間等多種要素。顯然針對各種評價指標必然會得出各種不同的評價結果，而如何在這些評價結果中選取合適的結論又依賴于決策者的偏好。因此如何在眾多的評價標準與方法中選取合適的標準與方法是一個復雜而又重要的問題。與此問題相關的一個問題是如何確定布局的特定變化對諸如系統(tǒng)生產(chǎn)率，

42、系統(tǒng)可靠性等制造系統(tǒng)特征的影響。顯然這一問題對于由各種功能模塊單元構成的制造系統(tǒng)而言有著特殊的重要意義。另外，對可重構布局的研究應注意避免使其成為“自動化孤島”。它應與其他的計算機輔助制造軟件之間留有完整而有效的接口，確保各種設計信息“完整、無縫”地在系統(tǒng)的整體規(guī)劃層流動。同時，可重構布局系統(tǒng)本身應成為整個制造系統(tǒng)的一個“模塊”，可以方便升級，修改與維護。它本身的功能被封裝起來，而與制造系統(tǒng)的其他模塊相互之間耦合很小。當布局重構理論發(fā)展時，可重構布局系統(tǒng)能夠相應的發(fā)生改變，而這種改變不會造成整個制造系統(tǒng)全面重新設計16。2.4 可重構制造系統(tǒng)的評價 可重構制造系統(tǒng)的評價指標大致上可以分成四類：

43、柔性、生產(chǎn)節(jié)奏、經(jīng)濟性、可靠性。如圖2.1示?？芍貥嬛圃煜到y(tǒng)評價指標體系柔性生產(chǎn)節(jié)奏經(jīng)濟性可靠性加工精度加工功能配置生產(chǎn)率設備利用均衡度安裝功能冗余機床負荷可重用性可靠度系數(shù)MTBF圖2.1 可重構制造系統(tǒng)的綜合評價指標體系就具體的可重構制造系統(tǒng)而言，評價指標的選取應遵循以下原則： 完整性，指標應能反應可重構制造系統(tǒng)的主要特征； 可操作性，評判指標應易于計算與評估； 清晰性，評判指標應具有明確含義； 非冗余性，同一特性不應用多個指標來度量。 可比性，指標的確定應便于對不同的重構系統(tǒng)進行比較。重構的好壞應從幾個方面進行評價：a.低的生產(chǎn)成本和重組成本的綜合值 cost。重組成本包含設備移位、調(diào)試

44、、增添和重組停工損失等費用。b.短的設計建造時間和斜升時間 time。斜升時間，指新建或重組制造系統(tǒng)運行開始后達到規(guī)劃或設計規(guī)定的質(zhì)量，運轉(zhuǎn)時間和成本的過渡時間。它是制造系統(tǒng)重組可行性的一個重要性能測度指標。c.最大限度地利用已有的資源 resource?？芍貥嬛圃煜到y(tǒng)的一個主要特點就是要最大限度地利用已有的生產(chǎn)資源。d.在公共地基上達到物流最優(yōu) stream。現(xiàn)在傾向于利用變長、變寬和變深的物流河理論描述，研究變流理論的目的在于與時檢測、控制物流河，使物流系統(tǒng)新建、重組后快速達到和保持系統(tǒng)運行性能的技術經(jīng)濟指標。C、T、R、S是可重構制造的評價指標。當然,這4個評價指標是相互依存相互矛盾的，

45、在進行制造系統(tǒng)重構設計時可以運用計算機技術和仿真技術全面考慮，在它們之間取得和諧的平衡17。2.5 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（?。┰O計模塊化支撐部件，使機床具有模塊化形式； （2）設計整體機床，使機床具有可重構模式。3 鉆床設計3.1 深孔鉆床總體方案分析3.1.1 課題要求在原有的深孔機床上增加機構，便于拆裝，達到一機多用，提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本。3.1.2性能指標要求新設計的機床比原先使用的機床有較大的改進：生產(chǎn)率要有較大的提高，主軸功率提高；采用單一軸；要求采用最先進的深孔加工技術，保證順利排屑；采用數(shù)控技術，有較高的自動化控制功能；一機多用，有較廣的使用圍。 3.1.

46、3 方案分析針對上述項目要求，根據(jù)現(xiàn)有的深孔加工技術水平和先進的機床設計技術水平，我采用了以下方案：（1）采用最新的可重構設計理論，采用功能模塊化設計，大量采用標準件和設計標準接口，不僅大大提高了設計效率，而且使機床具有一定的可重構性，滿足當前客戶化生產(chǎn)的要求；在這里存在的一個問題是可重構機床的設計的標準并沒有行業(yè)級的標準，只能以簡單的標準來衡量。（2）主軸采用大功率直流無級調(diào)速電機，可提高主軸轉(zhuǎn)速，提高生產(chǎn)率；進給電機也采用無級調(diào)速。主軸電機和進給電機在市場均有出售。（3）為了解決排屑不暢的問題，我們采用了高效參數(shù)可調(diào)負壓抽屑器，有效的解決了堵屑的問題，而且大大降低了液壓系統(tǒng)的油路壓力，使液

47、壓系統(tǒng)的密封簡單化。（4）基于本設計是在深孔機床支撐部件的模塊化設計，所以在機床工作臺安裝便于拆卸的V型槽，用于加工非回轉(zhuǎn)體工件的支撐。在車床的動力頭（刀頭）平行放置小型電機，用于帶動刀桿轉(zhuǎn)動。當車床加工回轉(zhuǎn)體零件時，撤掉V型槽，工件固定在主軸上，工件旋轉(zhuǎn)，進行加工；當加工非回轉(zhuǎn)體零件時，安裝V型槽，電機工作，刀具轉(zhuǎn)動完成轉(zhuǎn)孔任務。我們按要求完成機床的設計、零部件加工和組裝。在滿足項目要求的前提下，我們進行了機床的可重構設計研究，希望對當前最新研究課題可重構機床的認識和研究進一步加深，這也是本論文選題的意義所在?；诂F(xiàn)有的技術條件和研究能力，3.2 臥式深孔機床可重構化思路 深孔機床的可重構化以加工對象和加工工具為切入點，分析深孔零件族和深孔刀輔具來確定深孔機床各功能模塊的劃分。以重構后功能冗余最小分析深孔機床可重構思路。