模塊化設(shè)計在復(fù)合型機床設(shè)計中的應(yīng)用
2023-7-6 來源：北京機科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司 作者：侯明鵬
一、引言
隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機床已經(jīng)從原有單功能型加工設(shè)備向多元化復(fù)合型加工設(shè)備轉(zhuǎn)變。車銑鏜磨多功能復(fù)合型機床是近年來機床設(shè)計制造的主流，主要分為 : 一、以中小型機床主機結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，復(fù)合車銑鏜磨多種加工類型的產(chǎn)品系列，此類產(chǎn)品的特點為加工效率高，配合自動送料機，可以實現(xiàn)黑燈工廠。二、以大型機床主機結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，車銑鏜磨齒輪加工兼?zhèn)涞膹?fù)合型加工設(shè)備，此類設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件多，復(fù)合性強，精度高，對設(shè)計制造都提出了很高的要求。國內(nèi)外主流廠商均采用模塊化設(shè)計理念，以滿足大型復(fù)合機床的設(shè)計制造要求
二、模塊化設(shè)計涵義
模塊化設(shè)計的涵義就是要劃分并設(shè)計一系列的模塊，通過模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，滿足市場的不同需求。所謂模塊就是 “一組具有同一功能和結(jié)合要素（指聯(lián)接部位的形狀、尺寸和聯(lián)接件之間的配合參數(shù)等），而有不同用途（或性能）和不同結(jié)構(gòu)且能互換的各個單元（零件、組件、部件或系統(tǒng)），或是能增加機床功能的單元”。模塊化設(shè)計方法不僅僅局限于金屬切削機床，還可以應(yīng)用于砂型件切削和晶圓切割等新興機械領(lǐng)域。
選用不同的模塊組合，可以組成不同要求的單臺機床，還可以在進一步組合成生產(chǎn)線，例如龍門類機床可以組合回轉(zhuǎn)工作臺模塊、車削頭模塊、立式磨頭模塊、滾齒頭模塊等實現(xiàn)車、磨、滾齒等多種加工。
三、模塊化設(shè)計的特點
模塊化設(shè)計區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計主要在于其具有模塊化結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)能力，即能夠通過對機床組成部件或模塊的重組與更替，調(diào)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，同時也為機床部件在其壽命周期內(nèi)反復(fù)重用，最大限度地實現(xiàn)設(shè)備改造、更新的節(jié)約化、高效化提供了一條有效途徑。機床模塊化的本質(zhì)是基于幾何、物理的相似性，同時考慮了幾何 / 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—接口整合理念，以實現(xiàn)模塊集成的 “相乘效果”。設(shè)計目標是使機床作為一種制造資源在其整個壽命周期內(nèi)的使用功能與性能的組合化、柔性化，設(shè)計制造綠色化、節(jié)約化。
接口整合理念的應(yīng)用是為了使模塊間更具互換性，因而要求模塊與聯(lián)接件之間的結(jié)構(gòu)要素應(yīng)有一致性。接口整合理念最易在機床橫系列（同類產(chǎn)品）的變型品種中加以實現(xiàn)，但是對于全系列產(chǎn)品（不同規(guī)格產(chǎn)品、復(fù)合機床）方面，只要基本功能相同，運動參數(shù)和動力參數(shù)相當，也可以實現(xiàn)模塊的接口整合，尤其是一些帶有獨立性的功能單元，如主軸系統(tǒng)或輔助系統(tǒng)的模塊，更易于實現(xiàn)各模塊間的接口整合。
四、模塊化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)
1、模塊的劃分
機床模塊的劃分是機床模塊化設(shè)計的關(guān)鍵問題，對于大型常規(guī)金屬切削機床（車、銑、磨、鏜、滾齒）及其他類似加工設(shè)備而言，模塊可以劃分為 : 常規(guī)機械模塊、通用智能模塊、電氣控制模塊、輔助功能模塊四大類。
常規(guī)機械模塊共分為 12 大類，包含 : 床身及進給模塊、直線運動工作臺模塊、滑座模塊、立式回轉(zhuǎn)運動工作臺模塊（轉(zhuǎn)臺或回轉(zhuǎn)工作臺）、臥式回轉(zhuǎn)運動工作臺模塊（主軸箱及尾座）、立柱模塊、橫梁及進給系統(tǒng)模塊、核心功能模塊。核心功能模塊包含溜板模塊及進給系統(tǒng)模塊、鏜銑削模塊、車削模塊、磨削模塊、滾齒加工模塊。通用智能模塊一般為目前較為先進的機器視覺、智能感應(yīng)、機床工作狀態(tài)監(jiān)控等模塊，此類模塊一般選用專業(yè)廠家生產(chǎn)的成熟產(chǎn)品，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)模塊共同使用。輔助模塊一般為排屑器、自動上料機等成熟輔助設(shè)備，按需求選用即可。
2、模塊的設(shè)計方法
常規(guī)機械模塊是模塊化設(shè)計的核心部分環(huán)節(jié)，各個模塊均有設(shè)計特點和難點。下文中著重論述典型模塊的設(shè)計方法。
床身及進給模塊主要為機床的床身部分，是整個機床的基礎(chǔ)，是機床主要部件運動及切削過程中使機床具有足夠的剛度和精度的重要保障。大型機床床身及進給模塊一般考慮三個基礎(chǔ)要素 : 第一為承載量，第二為單體零件的長度，第三為進給系統(tǒng)的選擇。承載量主要取決于床身模塊的導(dǎo)軌條數(shù)、導(dǎo)軌寬度和床身總體截面，在設(shè)計規(guī)劃時要具有現(xiàn)實性和前瞻性，綜合幾類大型機床床身的共同點進行統(tǒng)籌設(shè)計，例如 : 龍門移動式鏜銑床、單柱移動式立式車床、落地鏜銑床三類機床在床身模塊具有通用性，規(guī)劃設(shè)計時可以統(tǒng)籌進行。大型機床床身一般為分段式設(shè)計，單體零件長度滿足數(shù)列優(yōu)先級的同時，可根據(jù)毛坯鑄造能力和零件加工能力進行設(shè)計，并根據(jù)用戶要求組合成其需要的長度。進給系統(tǒng)方面，隨著行星齒輪減速機的廣泛應(yīng)用，雙電機消除間隙的齒輪齒條驅(qū)動技術(shù)簡化了直線軸進給運動的設(shè)計，為模塊化設(shè)計的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。床身模塊基本采用鑄鐵或鋼板焊接兩大類，鑄鐵床身一般采用灰鑄鐵 HT250，此類鑄鐵具有高的抗壓強度、優(yōu)良的耐磨性和消振性，低的缺口敏感性，適用于承受壓力及振動的機床床身。如圖 1、2、3 所示。
圖 1 小規(guī)格床身截面圖
圖 2 中規(guī)格床身截面圖
圖 3 大規(guī)格床身截面圖
立式回轉(zhuǎn)工作臺模塊可以分為主運動類和進給運動類兩種，主運動類一般為立式車床中應(yīng)用的回轉(zhuǎn)工作臺，其設(shè)計思路與床身模塊類似。進給運動類應(yīng)用于落地鏜銑床和滾齒機中，主要區(qū)別在于二者的工作臺面外形不同，落地鏜銑床為矩形，滾齒機為圓形。雖然外形不同，但是也可以應(yīng)用模塊化設(shè)計理念，對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、底座系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等采用模塊化設(shè)計。
立柱模塊主要應(yīng)用于龍門鏜銑床、立式車床、落地鏜銑床三類機床中，設(shè)計時參照床身模塊的設(shè)計思路，確定導(dǎo)軌形式、跨距、截面等要素，同時可以在鑄造或焊接毛坯時應(yīng)用模塊化設(shè)計理念，以 500mm長度為單位，制作鑄件模型和砂芯，保證用戶要求的零件長度快速實現(xiàn)。如圖 4、5 所示。
圖 4 小規(guī)格立柱截面圖 圖 5 中規(guī)格立柱截面圖
橫梁模塊是龍門鏜銑床和立式車床的核心部件，對于橫梁截面的模塊化設(shè)計規(guī)劃尤其重要，應(yīng)根據(jù)橫梁載荷不同，設(shè)計導(dǎo)軌形狀、跨距、進給系統(tǒng)位置等。如圖 6、7 所示
圖 6 小規(guī)格橫梁截面圖 圖 7 中規(guī)格橫梁截面圖
核心功能模塊是各類機床的重點設(shè)計環(huán)節(jié)。其中溜板模塊是橫梁與銑削模塊、車削模塊、磨削模塊的連接樞紐。溜板模塊設(shè)計主要考慮與各種功能模塊的連接，要根據(jù)實際需求進行調(diào)整。銑削、車削、磨削、滾齒模塊要根據(jù)機床核心功能要求設(shè)計。例如復(fù)合機床中，以銑功能為主車功能為輔的，可以在鏜銑頭模塊上增加車削附件頭模塊，以擴展車削功能。如果是車削為主銑削為輔，就是在車削頭增加銑削附件頭。此外近年來國際知名廠商開發(fā)了適應(yīng)龍門車銑復(fù)合機床使用的滾齒加工模塊，通過銑頭模塊、轉(zhuǎn)臺模塊、滾齒模塊完成超大齒圈加工的功能模塊。在核心功能模塊設(shè)計過程中要貫徹模塊化設(shè)計理念，例在銑削模塊的主軸組件設(shè)計中，在達到相同載荷和轉(zhuǎn)速的軸承配列形式中，要優(yōu)先選擇能夠適應(yīng)同系列銑削模塊的配列形式。
3、模塊化設(shè)計的應(yīng)用
模塊化設(shè)計的應(yīng)用主要分為橫系列應(yīng)用、全系列應(yīng)用、全生命周期應(yīng)用。
（1）模塊化設(shè)計橫系列應(yīng)用
橫系列模塊化設(shè)計是指在不改變機床主參數(shù)的條件下，利用模塊的變化和組合發(fā)展為變型機床。此方法應(yīng)用最為廣泛，它大都是在基型品種基礎(chǔ)上用更換或添加模塊的方法形成很多變型品種。例如較為常見的小型臥式車銑復(fù)合機床就是典型應(yīng)用。
（2）模塊化設(shè)計全系列應(yīng)用
這種模塊化設(shè)計涉及的因素較多，較為復(fù)雜，主要應(yīng)用于功能模塊根據(jù)用戶要求組合成跨系列產(chǎn)品上。例如轉(zhuǎn)子槽銑床，主要由臥式主軸箱、尾座箱、落地鏜銑床基本模塊和專用附件銑頭模塊組成，滿足車、銑、磨加工需求，特別是轉(zhuǎn)子圣誕樹槽的加工，專用附件銑頭模塊可以提高加工精度和效率。
（3）模塊化設(shè)計在機床全生命周期內(nèi)應(yīng)用
模塊化設(shè)計在機床全生命周期內(nèi)的應(yīng)用主要是近年來機床綠色再制造理念的提出，機床全生命周期內(nèi)的再制造是節(jié)約資源，促進生產(chǎn)的重要體現(xiàn)。再制造可以根據(jù)實際情況分為兩類。第一類為較大規(guī)模的機床再制造，是指通過更換機床主要功能模塊，使原有機床功能大大增加的再制造。例如整體更換溜板滑枕功能部件組、進給系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵核心模塊。第二類為一般規(guī)模機床再制造，此類機床再制造主要包括 : 一、根據(jù)機床的實際情況，更換主軸電動機、進給電動機、液壓站等完善機床已有功能的機床再制造。二、針對機床實際使用過程中表現(xiàn)出的突出問題進行改進并增加一些新功能的再制造，如給龍門鏜銑床橫梁進給系統(tǒng)增加雙邊電動機拖動、雙邊位置檢測、液壓站雙通道單獨過濾、冷卻等功能。
五、結(jié)語
本文以復(fù)合型數(shù)控機床產(chǎn)品為研究對象，對產(chǎn)品模塊化設(shè)計的理論、方式與一般過程、實現(xiàn)的方法和關(guān)鍵技術(shù)進行論述，特別是模塊化設(shè)計方法在具體功能模塊中的設(shè)計應(yīng)用和注意要點，有助于企業(yè)實現(xiàn)系統(tǒng)的產(chǎn)品模塊化戰(zhàn)略，快速響應(yīng)市場需求。
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