模块化深孔加工机床设计.doc

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1、目 录1 概述11.1 研究的背景21.2 模块化机床的基本特性41.3 模块化机床设计方法学62 可重构制造系统的基本理论72.1 可重构制造系统介绍72.1.1 可重构制造系统现状及前景72.1.2 可重构制造系统的特点72.2 可重构制造系统的研究内容82.2.1 系统设计与集成82.2.2 模块化的可重构软件92.2.3 可重构制造系统的控制与故障诊断102.2.4 产品与加工设备的模块化设计112.3 可重构制造系统的布局设计122.4 可重构制造系统的评价142.5 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段163 钻床设计173.1 深孔钻床总体方案分析173.1.1 课题要求1

2、73.1.2 性能指标173.1.3 方案分析173.2 卧式深孔机床可重构化思路183.2.1 深孔零件族分析183.2.2 深孔刀辅具分析193.2.3 成本最低，能迅速响应市场213.3 机床结构的功能模块化设计223.3.1 模块化的形成223.3.2 结构可行性方案及可重构性分析223.4 卧式深孔机床关键机械结构设计23参 考 文 献30致 谢311 概述全球化经济激发的市场激烈竞争和客户对产品需求的日益个性化趋势，引起产品品种增多及市场生命周期不断缩短。在这种环境下，制造企业的生产需求(产品品种和产量)将变化莫测，如何使现有制造系统快速、经济地响应生产需求的变化，是当今制造业面临

3、的一个巨大挑战。传统的大量流水生产系统具有批量生产的经济效益，但面对生产需求的变化不能快速地响应；而柔性制造系统虽能缩短产品的试制和生产周期，但投资巨大回收周期长。因此，迫切需要一种既具有规模生产的经济效益，又能快速适应动态多变的制造环境的新型制造系统。模块化制造系统正是适应这一需求的一条有效途径，它通过配置合适功能的机床，对给定范围的生产需求提供定制化柔性，当需求变化时，在最大化利用现有资源的基础上，通过对制造系统结构及组成单元的快速重组或更新，经济地转换成新的制造系统，来定制地响应新需求模块化制造系统的独特性在于其系统、机床和控制结构都能快速、经济地转换，以响应市场/客户需求的变化12。

4、当制造系统的生产需求变化时，相应地，其组成工作站(机床)的工序需求(加工特征和周期)也将发生波动。模块化机床及其控制器是实现模块化制造系统的主要组成部分，其系统的设计方法是构建模块化制造系统的基石。模块化机床对给定范围的工序需求能定制设计，当工序需求变化时，能快速、经济地转换其硬、软件来重新配置，从而定制地响应新需求，因而模块化机床是有成本效益的(cost-effective)。模块化机床的这种对变化的需求能够快速、经济地转换来重新配置的能力，称为模块化性。模块化性是模块化机床的一个本质特征，它不但有效地缩短了机床的设计前置期，更关键的是减少了机床的制造、安装、阋试时间和成本。这对应用该类机床

5、的制造企业，在频繁更换产品或改进产品时，缩短生产周期、提高生产率和降低生产成本等方面带来显著的经济效益345。模块化机床的另一个本质特征是定制化，包括定制化柔性和控制，它使得机床的冗余生产能力和，或功能最小化。本文以实现机床的模块化和定制化为目标，从：模块化机床设计基础原理及方法学体系；面向模块化机床设计的工艺规划中工序族的划分和识别；模块化机床机械系统与控制器的同粒度、模块化设计；模块化机床整个生命周期的配置设计几个方面，对模块化机床的设计理论与方法进行了系统的研究。模块化机床及其系统的设计方法学是构建模块化制造系统的基石。模块化机床设计不仅是对特定任务配置现有机床模块，而是设计一种能阐释模

6、块化科学理念。1.1 研究的背景 专用机床是适应早期大批量生产环境的一种具有规模经济效益的机床。它对某一种零件(或一组相似零件)的特定工序需求定制设计。除了一些标准件外，其余大部分零件都要单独地设计和制造，劳动量大，生产周期长，制造成本高。专用机床的主要问题是：一旦工序需求变化，难以实现经济地转换以适应新需求；当零件的生产量达不到机床的设计能力时，由于生产能力冗余而造成成本增加。因此，专用机床缺乏适应产品设计和加工过程变化的柔性，同时也不适合任何形式的产品混合加工。为了缩短专用机床的设计周期，便于组织机床功能零部件的专业化大规模生产，降低机床的制造成本，发展了组合机床。对于工序需求的变化，组合

7、机床能够利用已有的通用部件和改装部分专用部件组成满足新需求的机床。因此，组合机床既具有专用机床的高效率和结构简单的特点，又具有能够重新调整以适应新零件加工的特点。由于组合机床使用了大量的通用零部件，因此，在理论上它可以实现重构以适应加工对象的变化。但由于组合机床一开始并不是为模块化设计，当需求变化时，机床需要较长的改装时间和较高的改装成本，且会造成整个生产系统的停滞，因而在实际应用中组合机床并没有用于重构的目的，只作为一种高效的专用机床来使用。虽然，组合机床在很大程度上解决了专用机床的初始投资大的问题，但它仍然是一种刚性设计机床，对少品种(甚至单一品种)的大批量生产具有经济效益。因此，组合机床

8、存在与专用机床同样的问题，即难以经济地响应种多、批量小和生命周期短这类需求的变化。 为了提高单件和小批量生产的自动化水平从20世纪60年代起，人们开发了柔性的数控机床，并且很快在制造业中得到了广泛地应用。数控机床只需改变数控程序就可以加工一系列相似的产品而不需要改变机床主要的配置。因此，数控机床将其初始投资的风险分布在了机床的整个生命周期中，同时也极大地降低了由于生产模式改变所需的机床重新没计和调试时间。但是，数控机床也存在着难以克服的缺陷：由于数控机床是在工序需求未知的前提下设计的，因而通常具有不必要的复杂性(如冗余的功能)。这不但使数控机床的成本升高而且可靠性降低6。 由于全球化经济的激烈

9、竞争和市场客户需求变化的驱动，在一个产品族中以大批量生产的效率和成本，来提供满足不同客户需求的个性化定制产品的生产模式已经成为制造业的发展趋势，如大批量定制生产。为此，机床制造企业正在增加传统专用机床和组台机床78。模块化机床也是一种可重构机床，它集专用机床、组合机床和数控机床的优点于一身，同时避免了它们的不足。它具有以下一些基本特征：机床是由一些基本模块根据功能需求组合而成的；机床结构和布局可以根据产品的变化进行快速重组；机床的模块结构(硬件、软件、控制系统)是标准化的；模块之间具有统一的、标准化的界面；机床的设计是以产品族为基础的；机床的功能可以改变，但基本无功能冗余；机床与制造系统的接口

10、也是标准化的，以便于整个系统的重组。模块化机床的主要优点有：高柔性，可以极大地缩短产品的改型换代时间；与数控机床相比，在满足加工需求的条件下可以简化机床的功能和结构；模块化结构便于组织专业化的大规模生产；专业化生产可以提高产品的成熟度和质量，同时可以降低机床产品的成本和价格；机床便于维修，只需更换相应的模块即可；有利于通过计算机网络实现动态联盟；机床的功能零部件可以重复利用，提高了机床的环保性；多刀加工，可以有效提高生产效率9101112。如果不考虑时间和成本，任何机床都可以实现重构。而问题的关键是如何快速、经济地转换，以降低重构时间和成本。为此，所设计的模块化机床应体现如下基本原理：（1）模

11、块化机床为获得定制化柔性设计模块化制造系统的设计是为了获得定制化柔性，正如它对特定范围的生产需求设计。模块化生产系统（或生产线）是模块化制造系统的一种具体形式，它需要不同的组成要素包括：专用机床、柔性的通用数控机床和模块化机床。机床的选择需求根据特定工作站的工序需求（如加工特征和加工周期）来定。对于那些相对固定的工序需求（如典型的一个加工特性和固定的加工周期），选择专用机床是恰当。对于那些批量需求小且经常地以未知方式变化的工序需求，柔性的数控机床是台适的机床选择。对于在生产系统(生产线)的整个生命周期内，以未知方式在给定范周内变化的工序需求，可重掏机床是最经济可行的选择。因此，模块化机床应该为

12、获得定制化柔性设计，这样它对特定范围的工序需求就具有经济(有成本效益)的响应能力，模块化机床应该针对工序族定制设计。 模块化生产系统（或生产线）对特定的零件定制设计，零件族的所有加工工序由构成模块化生产系统（或生产线）的机床完成。工序组成机床之间的分配决定了每台机床的配置型式和功能需求。对于模块化机床来说，起本质特性决定了它需要完成一组加工工序，且这一组工序来自于零件族的不同零件，我们称之为工序族。零件族和工序族分别决定了模块化生产系统（或生产线）和模块化机床的重构。定制设计的含义是模块化机床从一开始就为完成一族（组）工序而设计。（2）工序族是一组相似的工序组合集合工序组合是一组以满足零件质量

13、或提高加工效率为目的而聚在同一机床上完成的工序，每一个工序组合来自于零件族的不同零件。工序族在模块化机床整个生命周期内将发生变化，这些变化需要根据设计者的知识、洞察力和市场调研事先预测。（3）模块化机床应该以模块化为出发点设计 为了对工序族的需求变化提供定制化柔性与控制，模块化机床从一开始就需要考虑其对不同工序需求的模块化性。工序族的需求变化范围决定了模块化机床的重构频率和成本(重构能力)。（4）模块化机床应该易于集成设计 模块化机床的机械系统和控制器应该都具有模块化结构且粒度相同，从而使模块化机床易于集成。模块化结构是指模块化机床的硬、软件都为模块，如模块化结构的主轴、模块化和开放式体系结构

14、控制器、模块化软件等等。（5）模块化机床应该为减少批量之间的转换时间和成本设计 模块化制造系统通过缩短批量之间的转换时间，来降低批量生产的周期；通过提高批量转换之间的资源利用率，来降低批量生产的成本。由于模块化机床是实现模块化制造系统基础设施，因此模块化机床应该为满足这些需求设计。（6）模块化机床必须在投资成本与模块化之间取得平衡 通常，机床模块度越大，模块化性越好。但是，这将增加用于机床模块功能上的投资成本：工序族的工序需求变化范围最大，模块化性越好。但是，在刀具和夹具系统上的投资成本也将提高。因此，应该在综合评价模块化机床经济性和模块化性的基础上，来最终确定其配置和重构配置。1.2 模块化

15、机床的基本特性 重构机床的关键特性是模块化性和定制化，这使得模块化机床有别于传统机床。此外，模块化机床还综合了一些传统机床的特点。模块化机床的基本特性如下：(1) 模块化性 对于变化的工序需求，模块化机床具有转换其硬、软件来重新配置机床，从而快速、经济地响应新需求的能力。机床的这种能力称为可熏构性。(2) 模快化 为了实现机床的模块化，模块化机床的机械系统和控制器均需采用模块化结构。这使得通过转换硬、软件来重新配置机床成为可能。另外，模块化也提高了机床的可维护性。(3) 可转换性模块化机床的一些机床模块具有改变其自身功能或拓扑结构的能力。使用这样的机床模块，可以不必替换模块而改变机床的功能(如

16、主轴或运动轴模块的重定位或重定向)，从而实现机床的在线重构。(4) 可集成性模块化机床的机械和控制模块具有集成其它机床模块的标准接口设计，从而能够集成新技术和新功能以使机床在线升级。(5) 可控制性模块化机床的控制模块通过定义其端口语言而相对独立地设计和检验，当机床重构只需更改端口语言而不改变连结控制模块之间的可控制性。(6) 定制化定制化包括定制化柔性和定制化控制两个方面。由于模块化机床围绕给定的工序构建，它以低成本提供定制化柔性。模块化机床的柔性不仅仅在于能够加工多少品种的零件而关键在于可自身升级。定制化柔性使得机床资源利用率是大化。定制化控制通过集成与机械模块同粒度的控制模块来实现，提供

17、当前机床所需的控功能。(7) 有成本效益(costeffective)模块化性和定制化决定了模块化机床是有成本效益的机床。模块化、可集成性和可控制性减少了模块化机床的重构时间和重构工作量；可转换性和定制化降低了模块化机床的资源投资和重构成本13。1.3 模块化机床设计方法学 模块化机床与传统机床的主要区别在于其具有可重构性、机械系统与控制器的同粒度模块化结构和定制化柔性与控制。也就是说，模块化机床能够通过重组与更替机床的组成部件或模块，来调整其生产能力和某些功能，从而快速、经济地提供整个生命周期各个阶段所需的定制化柔性与控制。模块化机床的基本原理和特性决定了它必须采用一种独特的设计方法学，它是

18、模块化机床设计的科学基础。模块化机床设计方法学将主要解决下面一些问题： (1) 工序族的划分和识别； (2) 模块化机床功能需求的表达方法； (3) 模块化机床功能结构的设计； (4) 模块化机床基本构件块(或模块包括机械和控制)的表达方法； (5) 模块化(重用)机床模块(包括机械和控制)的设计； (6) 可选择的模块化机床配置及重构配置的列举； (7) 模块化机床控制器的构建，重构方法； (8) 模块化机床整个生命周期的配置经济性和模块化性的评价；(9) 可选择的可重构机床配置路径的2 可重构制造系统的基本理论2.1 可重构制造系统介绍2.1.1 可重构制造系统现状及前景现有各种制造技术的

19、共同特点是都使用固定的硬件设备，并且其软件结构和控制算法也是不可变的。因此,它们都是静态的，基本不具备可重构性。以这些技术形成的各类制造系统主要存在着生产效率与柔性间的矛盾，很难适应现代快速变化的市场需求。为了解决这一问题，20世纪90年代中期，国外学者和研究机构提出了可重构制造的概念1415。RMS的基本特征是可重组(可组态)性,另外还包括可变性、可集成性、定货化、模块化、可诊断性、经济可承受性、敏捷性等。据此给RMS定义如下：可重构制造系统是一种基于现有的、可利用的或可获得的新加工设备和其它组元，能按市场需求的变化，以重排、重复利用或更新元素的方式，实现以低成本快速地调整制造过程的功能和生

20、产能力，具有足够柔性和可适应性的新一代可变制造系统。可重构制造系统可定义为：能适应市场需求的产品的变化，按系统规划的要求，以重排、重复利用、革新组元或子系统的方式，快速调整制造过程、制造功能和制造生产能力的一类新型可变制造系统。从上述资料给出的可重构制造系统的定义可以看出，目前人们对可重构制造系统的认识有一定的统一之处，强调的基本依据和方式一致。可重构制造系统代表了自动化制造系统的发展方向，是21世纪制造业的核心技术之一。2.1.2 可重构制造系统的特点尽管对于什么是可重构制造系统，说法不一，但它应体现出以下几方面的特点：（1）制造系统的快速构造能力提出制造系统可重构思想的一个基本依据是期望制

21、造系统能够具有对激烈变化的市场需求做出及时准确的响应，因此要求制造系统本身的构造能够在短时期内完成。如果一个制造系统可以被快速地构造出来，产品上市时间必将大大地缩短，企业也能够获得更大的市场竞争能力。相反，如果一个制造系统不能被迅速地建立起来，那么当该制造系统具备生产能力时，它所生产的产品也许已经无法获取合适的利润价值，甚至该产品会被市场所淘汰。（2）制造系统的模块化由于加工机器设备正在变得愈来愈贵重，其投资决策也愈来愈难。因此，模块化可重构的硬件插件兼容式技术必然会降低制造系统的投资成本，提高柔性，缩短生产准备周期。采用模块化部件构造机器设备，以便按生产要求的变化可以通过重构使用这些模块化部

22、件使生产系统升级、机器重新配置，而不必重新制造和购买机器。例如，将加工中心设计成标准模块工作台、电机、控制器、换刀装置等多种模块化兼容性部件。采用这种设计方法的直接结果是节约制造资源与生产成本，提高了系统运行的可靠性。当生产任务改变时，首先立足于现有资源，通过优化配置现有的各种资源模块来解决不确定性问题。当现有加工设备无法满足生产需要时，则采购、定制新模块，升级、扩充旧有的资源模块，快速地集成各种生产模块来获取新的生产能力。（3）统一的集成环境随着生产系统规模越来越大，不同部件间的耦合也越来越紧密，对整体管理系统的方法学需求也越来越明显。目前的部件控制方法是单独处理每一个单元，然后用一些并不妥

23、当的方法将所有的单元紧紧地联系在一起，使之成为一体。这样做的结果必然是设计、运行和集成导致了一个庞大的软件控制系统，而且该控制系统在资源消耗和时间响应方面具有很大的不可预见性。目前的设计方法是将系统集成当作一次性的工作，而不是按任务的变化不断改变的集成过程22。因此,它一旦建成则很难对其进行必要的修改与扩充。为适应激烈变化的市场需求有必要建立一个统一的系统集成环境。系统的控制被设计成与每个元素无关，每个模块都避免受到其它模块的影响，而系统的总体则是协同一致的。2.2 可重构制造系统的研究内容为实现制造系统按照市场导向快速地重构这一目标需要进行大量的工作。特别需要对一些关键的使能技术与方法进行深

24、入的研究与探讨。这些关键技术的发展与成熟一方面将有助于可重构制造系统的实施，同时也有利于带动其他相关学科的发展。下面，从四个方面进行说明。2.2.1 系统设计与集成现代制造是一种社会化的生产与营销活动。在这种制造活动中,不可避免地需要解决系统的集成与分散之间的关系。所谓集成就是对制造各种要素进行组合或综合的过程。利用集成的手段可以统筹与协调各种制造信息、各种制造资源、各种制造技术与各种制造功能模块。在本质上，集成体现了社会化协作，而分散或分解则体现了社会化的另一方面分工与专业化。它包括分布式制造、单元制造、各种软硬件模块化与标准化。显然，无论集成与分散都是一种手段而不是目的。正确的做法应该是根

25、据企业的实际情况，在其经济可承受性与技术支撑可能性的约束下，应用集成与分散手段，促进企业提高产品与服务的质量和生产效率，降低成本，增强企业整体对市场需求的灵活快速反应能力，以良好的竞争力夺取市场。在制造系统中，集成的功能主要通过系统层实现。制造系统的系统层主要解决如何依据生产任务优化配置制造资源，并保证各种制造信息在各子系统之间无缝流动并完成物料流的准确调度。它的任务主要包括：制造资源的布局设计并确定运输路径，依据加工零件的交货期制定生产计划，依据加工过程中的各种信息进行作业调度与负荷平衡等多项内容。对于一个可重构的制造系统而言，更为重要的是系统层能够依据不同的任务需求对制造系统的各个可重构的

26、模块进行配置并对配置的结果进行评估。由于评价系统配置结果需要考虑产品质量、生产成本、交货时间等多种因素，因此对这些评价指标模型的深入研究具有重要的意义。与此问题相关的一个问题是如何评价系统配置的变化对诸如系统生产率、系统可靠性等制造系统特征的影响，如果这一问题得到有效解决必将为模块化的制造系统综合问题提供理论指导。系统层对配置后的制造系统评估的一个例子是对布局重构的评估。例如：，美国的GM公司为缩短产品上市时间缩短了生产线的长度，有些企业设备布置变动已经成为常事，甚至平均一年变动一次。然而，频繁的设备布局变化会导致生产成本的增加。最终的结果必然是在二者中寻求平衡,为此系统层应该能够帮助决策者制

27、定合适的策略。2.2.2 模块化的可重构软件制造系统的应用软件设计是一项非常复杂的工作。由于制造系统中存在大量的制造资源，多种设备操纵方法，我们需要将这些信息与方法抽象出来并构造在一起使其成为一个可靠的应用程序。面向对象的编程技术是解决这一问题的有效手段。遗憾的是，面向对象的编程技术并不能解决制造系统中软件设计的所有问题。制造系统中应用软件的修改与升级就是其中之一。目前，一个应用程序通常由单个的二进制文件组成。当编译器生成此应用程序之后，应用程序一般不会发生变化。这样，客户需求的改变必须等到整个应用程序被重新编译之后才能得到认可。显然，如果现有的这种情况不发生改变，客户的需求将难以得到迅速的响

28、应，这对于制造企业而言是一个非常严峻的问题。可重构的制造系统模块化的特性要求应用程序在发行之后不再保持静止状态，它应该随着时代的发展与用户需求的改变不断地被注入新的活力。可喜的是，通过COM（组件模型），DCOM（分布式组件模型）等多项技术正在使现有的这种情况发生改变。COM的解决方案是将单个的应用程序分割成多个独立的部分，也就是组件(Component)。利用新的组件不断地取代旧的组件，再将现有的各种组件重新配置实现用户定制。同时，组件构架最引人注目的优点之一是快速应用程序开发。这一优点可以使某个组件库中取出所需的组件并将其快速地组装到一起以构造所需的应用程序。同时，由于引入动态链接技术(D

29、LL)并封装了组件的内部信息，可以动态地将各种组件插入与卸出应用程序从而实现应用软件的优化与配置。借助于计算机网络，更可将应用程序划分为位于远地的各种功能组件，并相应地创建专门与之通讯的组件实现分布式计算。这一点对于制造系统自动化而言有着重要的意义。由于制造系统设计众多的数据信息，如果所有这些信息完全由一台或几台主控计算机进行处理，必然导致计算成本增大，某些实时信息难以得到响应，更为严重的是一旦主控计算机出现问题制造系统将面临全面的混乱。因此，有必要对制造系统中的各种信息进行分布式处理，使得计算量得到相应的平衡。2.2.3 可重构制造系统的控制与故障诊断顾客对产品品种与规格、功能与性能、外观与

30、色泽需求量的要求呈多样化，促使制造企业减少产品批量，以定单牵引生产。为适应这种多样化、个性化需求，必然要求制造系统配置一些可完成多种加工任务的机床与机器人。然而遗憾的是目前大多数工业机器人并不具备这种能力。其中的一个重要原因在于工业机器人的控制器基本上都是开发者基于自己的独立结构进行开发的，采用专用计算机，专用的机器人语言与专用的操作系统。这种“封闭”的控制器结构使其仅具有特定的功能、适应特定的环境、不便于进行系统扩展。针对这样的问题，日本、欧美等一些国家近年来都在开发有开放式结构的控制器。具有开放式结构的控制器应具有以下的特点：采用标准的操作系统与总线结构 采用标准的操作系统与控制语言可以改

31、变当前各种专用机器人语言并且互不兼容的局面。利用标准的总线结构使得各种传感器与硬件控制板的“即插即用”成为可能。利用网络通讯，实现资源共享 可重构制造系统的一个重要特征是充分利用现有资源。当生产任务改变时，一个可重构的制造系统能够合理有效地对现有制造资源进行优化配置，使之迅速地适应新的市场需求。因此开放式控制系统也有网络通讯的功能，以便于实现资源共享或多台工业机器人与加工机床协同工作。通过有效地交换数据来支撑控制系统各设备的协同工作，以便预见潜在的问题，及时有效地解决已经发现的问题。制造系统中的另一重要研究内容是故障诊断与过程监控。在制造过程中，一方面由于制造过程本身相当复杂，制造任务多种多样

32、，另一方面制造环境会随着制造系统的重构发生改变，特别的制造环境会受到随机的干扰。这些因素常使制造系统偏离所设置的最优状态。更为严重的是，由于制造设备长期饱和运行容易导致设备器件损坏，从而使得产品质量难以得到保证，甚至会造成制造系统的瘫痪。为解决这样的问题，一方面要加强制造系统的监控，通过获取和分析制造过程的实时信息保证制造过程安全，可靠与高效地运行。同时，要加强制造设备的容错能力与适应能力。通过以下三种措施可以使得系统在误差允许的范围内维持系统正常运转而不致影响完成主要任务： 系统重构：在系统某一部件发生故障时,其他部件可以部分代替其工作，使整个系统继续运行。 解析容余：利用测量之间或控制之间

33、的依赖关系，在某一部件发生故障时，其它部件的参数耦合可以代替失效部件所负担的任务。 设计预量：在设计中对影响系统性能指标的参数留有一定允许偏离设计值的预量，这样系统在长期运行过程中，由于渐变退化等原因，使得有关参数漂移只要不超过其预期值或范围，则还能维持系统正常运转，不致影响生产。2.2.4 产品与加工设备的模块化设计为开发具有多种功能的不同产品，不必对每种产品施以单独的设计，而是精心设计出多种模块，将其经过不同的方式进行组合来构成不同的产品，以解决产品品种、规格和设计周期、成本之间的矛盾。在本世纪二十年代左右，模块化的设计原理就开始用于机床设计。到本世纪五十年代，欧美一些国家正式提出“模块化

34、设计”的概念，把模块化设计提高到理论高度来研究。目前，模块化设计的方式主要有以下几种： 横系列模块化设计，不改变产品主要参数，利用模块发展变型产品。这种方式最容易实现，应用的也最广。常见的做法是在某型品种上更换与添加模块，形成新的品种。 纵系列模块化设计，也就是在同一类型中对不同规格的某型产品进行设计。由于产品主参数发生改变，会导致产品结构形式与尺寸不同，因此纵系列模块化较横系列模块化更为复杂。加工设备的模块化设计是可重构制造系统中另一个重要问题。由于可重构制造系统中的制造单元具有模块化的特性，这使得设计制造系统中的加工设备具有相当的复杂性。制造系统加工设备的传统设计仅考虑了机床级的重构，而在

35、可重构制造系统中，为完成新的加工任务整个制造系统有可能被重新配置。为解决模块化机器的系统优化问题，需要发展可重构设计理论。其内容包括对可重构机器的拓扑综合，优化机器的运动链与结构，分析机器磨损、结构振动与刚性等问题。这种理论能够分析由不同模块所构成的加工机器的系统指标，如加工精度与可靠性。产品与加工设备的模块化设计中遇到的首要问题是制造模块的范围问题。换句话说，对一个模块化的产品与加工设备，如何科学与准确地划分各种模块。模块化的设计原则是力求以少量的模块来组成尽可能多的产品与加工设备，并尽量保证性能可靠，成本低廉。为此应在模块设计时注意以下几个问题： 保证模块结构尽量简单、规范，模块间的联系尽

36、可能的简单。 模块的接口应便于连接与分离，同时模块的划分不能影响系统的主要功能。 模块化设计应避免片面追求功能的实现，而应注重模块化产品生命周期全周期多目标的权衡与综合决策。如易于回收、装配与维修，产品报废后某些模块仍可利用，模块可以升级与重新配置。2.3 可重构制造系统的布局设计制造系统的最优布局设计是一个需要在制造系统最初设计阶段就必须解决的重要问题。如果一个制造系统最初的布局设计不合理，必然导致该系统实际运行时出现各种各样的问题。Tompkins与White指出因布局不合理所产生的运行费用占制造系统整体运行费用的20-50%。因此对制造系统最优布局问题进行深入研究具有重大的理论与实际意义

37、。目前对这一问题研究已经取得的很多良好的结果2,6,7。但是，目前众多算法的一个基本假设是制造系统的布局策略是一种长期的巨大投资策略的体现。在这种假设下，系统布局一旦设定基本上就不再改变。只有在大量的资本投入与长时期停产等情况下，制造布局才可能发生改变。因此目前大多数的系统布局方法多集中于将给定的机床分配到相应的工位以保证运送加工材料的时间(或代价)最小。然而，日益加剧的市场竞争会使得以上假定失效。迅速变化的市场需求要求制造系统具有快速调整生产能力与迅速加工新的生产对象的能力。这对制造系统本身提出了两方面的要求：一方面制造系统本身应具有一定的鲁棒性与适应能力，我们不需要对制造系统做出大的改变就

38、能生产出新的产品。另一方面，制造系统应具有可扩展能力。如果制造系统的加工设备、工件流支持系统、刀具流支持系统和信息流支持系统都由标准化的功能模块构成，那么当目前的制造系统无法满足生产需要时，就可通过采购、定制新模块，升级、扩充旧设备，快速地集成各种生产模块等方法来获取新的生产能力。显然，市场需求变化越激烈，对制造系统本身的可扩展、可重构的要求就越高。因此，在现有制造系统构型的基础上，研究重构系统的新布局具有重要的理论与实际意义。首先，制造系统可重构布局研究的对象是各种模块化的制造单元。几十年制造自动化技术发展的实践表明，集成化是建立在单元化的基础上的，功能模块标准化就是为发展制造系统提供高质量

39、的“预制构件”。功能模块标准化的好处是非常巨大的。一方面，模块化的制造系统可以保证系统的可靠性和降低系统的费用。如果某一生产过程的“瓶颈”设备完全与整个制造系统的其他部分“解耦”，就可以方便地将该设备剔除出生产系统而对制造系统的其余部分不造成影响。另一方面，制造系统模块化有助于缩短系统的调试周期，便于系统优化与扩展。当系统底层模块的属性已知，各个模块之间的关系理顺后，系统规划层就可针对生产要求协调好各个模块之间的关系，迅速地改变制造系统加工能力。应当注意到可重构布局的研究是建立在现有布局基础上的研究。依赖现有的制造单元是可重构制造系统布局研究的出发点。为减少重新配置系统的代价，应尽量减少现有布

40、局的改变。系统的重构配置不是完全推倒现有系统，而是尽量利用现有的制造资源。不充分利用这些已购置的设备与仪器，仅仅依赖于重新添置新的加工设备必然会导致极大的浪费。同时，应该重视现有的各种加工技术与经验教训并把它们集成到新的制造系统中去，这是因为只有对现有系统有了充分的认识才能正确发现满足新的生产任务的方法。如何选取应该重新配置的模块强烈地依赖于各种专家知识的提取，而现有的各种制造经验会成为将来重新构造系统的重要规则。因此，在研究可重构系统布局时首先应对现有系统有充分而全面的认识。可重构布局研究的一个重要问题是研究如何提供一套综合的、系统的方法实现制造系统的布局设计。目前的设计方法大都要求预先设定

41、一个唯一并且已知的制造环境，同时现有的设计方法由几个独立的、互相之间缺乏有效接口的部分组成。因此在系统设计层应提供一个有效的总体框架来快速地集成各种辅助工具。在这个框架之下，制造单元的划分、构成与制造功能的封装，制造系统内部各制造单元之间的聚合、运行与分解等问题都可以得到有效的解决。如何评价已经设计出的系统新布局是可重构布局研究的另一个问题。系统布局的评价应考虑多种因素，包括生产质量，生产成本，零件加工时间等多种要素。显然针对各种评价指标必然会得出各种不同的评价结果，而如何在这些评价结果中选取合适的结论又依赖于决策者的偏好。因此如何在众多的评价标准与方法中选取合适的标准与方法是一个复杂而又重要

42、的问题。与此问题相关的一个问题是如何确定布局的特定变化对诸如系统生产率，系统可靠性等制造系统特征的影响。显然这一问题对于由各种功能模块单元构成的制造系统而言有着特殊的重要意义。另外，对可重构布局的研究应注意避免使其成为“自动化孤岛”。它应与其他的计算机辅助制造软件之间留有完整而有效的接口，确保各种设计信息“完整、无缝”地在系统的整体规划层流动。同时，可重构布局系统本身应成为整个制造系统的一个“模块”，可以方便升级，修改与维护。它本身的功能被封装起来，而与制造系统的其他模块相互之间耦合很小。当布局重构理论发展时，可重构布局系统能够相应的发生改变，而这种改变不会造成整个制造系统全面重新设计16。2

43、.4 可重构制造系统的评价 可重构制造系统的评价指标大致上可以分成四类：柔性、生产节奏、经济性、可靠性。如图2.1示。可重构制造系统评价指标体系柔性生产节奏经济性可靠性加工精度加工功能配置生产率设备利用均衡度安装功能冗余机床负荷可重用性可靠度系数MTBF 图2.1 可重构制造系统的综合评价指标体系就具体的可重构制造系统而言，评价指标的选取应遵循以下原则： 完整性，指标应能反应可重构制造系统的主要特征； 可操作性，评判指标应易于计算及评估； 清晰性，评判指标应具有明确含义； 非冗余性，同一特性不应用多个指标来度量。 可比性，指标的确定应便于对不同的重构系统进行比较。重构的好坏应从几个方面进行评价

44、：a.低的生产成本和重组成本的综合值 cost。重组成本包含设备移位、调试、增添和重组停工损失等费用。b.短的设计建造时间和斜升时间 time。斜升时间，指新建或重组制造系统运行开始后达到规划或设计规定的质量，运转时间和成本的过渡时间。它是制造系统重组可行性的一个重要性能测度指标。c.最大限度地利用已有的资源 resource。可重构制造系统的一个主要特点就是要最大限度地利用已有的生产资源。d.在公共地基上达到物流最优 stream。现在倾向于利用变长、变宽和变深的物流河理论描述，研究变流理论的目的在于及时检测、控制物流河，使物流系统新建、重组后快速达到和保持系统运行性能的技术经济指标。C、T

45、、R、S是可重构制造的评价指标。当然,这4个评价指标是相互依存相互矛盾的，在进行制造系统重构设计时可以运用计算机技术和仿真技术全面考虑，在它们之间取得和谐的平衡17。2.5 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段 （！）设计模块化支撑部件，使机床具有模块化形式； （2）设计整体机床，使机床具有可重构模式。3 钻床设计3.1 深孔钻床总体方案分析3.1.1 课题要求在原有的深孔机床上增加机构，便于拆装，达到一机多用，提高生产效率和节约成本。3.1.2 性能指标要求新设计的机床比原先使用的机床有较大的改进：生产率要有较大的提高，主轴功率提高；采用单一轴；要求采用最先进的深孔加工技术，保证顺利排

46、屑；采用数控技术，有较高的自动化控制功能；一机多用，有较广的使用范围。 3.1.3 方案分析针对上述项目要求，根据现有的深孔加工技术水平和先进的机床设计技术水平，我采用了以下方案：（1）采用最新的可重构设计理论，采用功能模块化设计，大量采用标准件和设计标准接口，不仅大大提高了设计效率，而且使机床具有一定的可重构性，满足当前客户化生产的要求；在这里存在的一个问题是可重构机床的设计的标准并没有行业级的标准，只能以简单的标准来衡量。（2）主轴采用大功率直流无级调速电机，可提高主轴转速，提高生产率；进给电机也采用无级调速。主轴电机和进给电机在市场均有出售。（3）为了解决排屑不畅的问题，我们采用了高效参

47、数可调负压抽屑器，有效的解决了堵屑的问题，而且大大降低了液压系统的油路压力，使液压系统的密封简单化。（4）基于本设计是在深孔机床支撑部件的模块化设计，所以在机床工作台安装便于拆卸的V型槽，用于加工非回转体工件的支撑。在车床的动力头（刀头）平行放置小型电机，用于带动刀杆转动。当车床加工回转体零件时，撤掉V型槽，工件固定在主轴上，工件旋转，进行加工；当加工非回转体零件时，安装V型槽，电机工作，刀具转动完成转孔任务。我们按要求完成机床的设计、零部件加工和组装。在满足项目要求的前提下，我们进行了机床的可重构设计研究，希望对当前最新研究课题可重构机床的认识和研究进一步加深，这也是本论文选题的意义所在。基于现有的技术条件和研究能力，3.2 卧式深孔机床可重构化思路 深孔机床的可重构化以加工对象和加工工具为切入点，分析深孔零件族和深孔刀辅具来确定深孔机床各功能模块的划分。以重构后功能冗余最小分析深孔机床可重构思路。3.2.1 深孔零件族分析 深孔是与浅孔相比较而言的，通常以长径比（即孔深与孔径之比值，以L/D表示）来划分。国内多数人习惯把长径比大于10的孔称之为深孔，长径比小于10的孔称之为浅孔。深孔加工一般要采用特殊的孔加工刀