小型可重組數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)

小型可重組數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)1引言隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的多品種、小批量、個(gè)性化的要求日益增強(qiáng)。企業(yè)為保持其在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)地位，必須擁有能夠迅速響應(yīng)市場(chǎng)需求的制造設(shè)備，這是新的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境對(duì)企業(yè)提出的新的挑戰(zhàn)?？芍亟M制造設(shè)備能夠在其生命周期中縮短設(shè)計(jì)周期和制造時(shí)間，同時(shí)能夠根據(jù)不同的生產(chǎn)需求進(jìn)行有效的重新組合，降低設(shè)備投資成本，是解決成本問題的有效途徑。數(shù)控機(jī)床是典型的生產(chǎn)制造設(shè)備。然而我國(guó)機(jī)床設(shè)備制造企業(yè)卻存在一系列不足之處，主要表現(xiàn)在:設(shè)計(jì)周期和生產(chǎn)制造周期長(zhǎng)：機(jī)床結(jié)構(gòu)具有封閉性，不利于與其他設(shè)備連接集成：機(jī)床零部件回收再利用性差。針對(duì)以上這些問題，本文從以下三個(gè)角度設(shè)計(jì)機(jī)床，使其具有可重組性。模塊化結(jié)構(gòu)在功能分析的基礎(chǔ)上，將整機(jī)系統(tǒng)劃分為功能模塊，形成可裝配的功能單元，如:X-Y滑臺(tái)、立柱、機(jī)械手等，并由此根據(jù)不同的方案進(jìn)行組合。大量使用高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)件，減少非標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量。這樣不僅保證了機(jī)床機(jī)械性能的可靠性，結(jié)構(gòu)的可重組性，設(shè)計(jì)制造的快速性，而且在使用結(jié)束后大多數(shù)零部件具有可回收性，適應(yīng)我國(guó)走可持續(xù)發(fā)展道路的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。開放式控制器采用基于PC的開放式控制器，具有多通道的混合控制功能。能根據(jù)用戶的需求進(jìn)行人機(jī)界面、控制軸數(shù)和伺服方式的配置。與物流系統(tǒng)的連接和集成機(jī)床的結(jié)構(gòu)符合具體的物流設(shè)備和車間要求，且由此形成的生產(chǎn)線在線型和生產(chǎn)規(guī)模上具有可重組性。2可重組機(jī)床的設(shè)計(jì)機(jī)床的可重組強(qiáng)調(diào)在機(jī)床設(shè)計(jì)的開始階段就考慮如何使機(jī)床能夠根據(jù)今后一定的外部環(huán)境變化進(jìn)行相應(yīng)的重組。一般來說衡量一臺(tái)機(jī)床是否具有可重組性有3個(gè)準(zhǔn)則:（1）機(jī)床結(jié)構(gòu)是否采用模塊化設(shè)計(jì)：（2）機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)有無開放性：（3）機(jī)床是否易于與其他設(shè)備如物流系統(tǒng)集成，及由此形成的生產(chǎn)線能否重構(gòu)。機(jī)床結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)所謂模塊化設(shè)計(jì)就是在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合來構(gòu)成不同的產(chǎn)品。模塊化設(shè)計(jì)使產(chǎn)品設(shè)計(jì)建立在模塊的基礎(chǔ)上，因此縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期。其次在模塊化后可以按模塊組織生產(chǎn)，這樣使大部分零部件由單件小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笈可a(chǎn)，便于采用高效專用的工藝設(shè)備，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，而且模塊的即插即用性有利于產(chǎn)品的升級(jí)換代和維修?！割埂割笽It圖1機(jī)床功能模塊劃分示意圖測(cè)龍門式鐵原護(hù)飭如詢生工尬<M*武樺康測(cè)龍門式鐵原護(hù)飭如詢生工尬<M*武樺康（d>fl幹晤成的過盤旃圖3機(jī)床結(jié)構(gòu)可行方案示意圖圖4帶有一體化匕設(shè)計(jì)機(jī)械手的龍門式銑床結(jié)構(gòu)示意圖表1機(jī)床主要性能縱向行程300mm轉(zhuǎn)速10000r/min垂向行程123mmX進(jìn)給速度19050mm/min橫向行程384mmY進(jìn)給速度19050mm/min主電動(dòng)機(jī)功率900kWZ進(jìn)給速度19050mm/min模塊化的形成根據(jù)小型數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，按照功能分析的方法，可將機(jī)床分成以下功能模塊（圖1）。其中十字滑臺(tái)模塊由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)單元構(gòu)成。直線運(yùn)動(dòng)單元與直線滑臺(tái)模塊的組成零件大部分完全相同，可將其統(tǒng)稱為直線運(yùn)動(dòng)模塊。該模塊是機(jī)電結(jié)合的集成化運(yùn)動(dòng)模塊，集驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、反饋、限位于一體，其組成如圖2所示。立柱模塊由系列化的外框型材構(gòu)成。主軸頭可根據(jù)加工工藝要求配置不同裝置，如銃刀、鉆頭、激光掃描頭等?；剞D(zhuǎn)臺(tái)可選不同品種系列，基座為鉆有標(biāo)準(zhǔn)化通孔的鋼板。為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，各模塊具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口，以便于機(jī)床的進(jìn)一步擴(kuò)展、改型以及集成。結(jié)構(gòu)可行性方案及可重組性分析在上述模塊的基礎(chǔ)上可以得到多種可行方案，圖3列舉了其中4種框架結(jié)構(gòu)。通過模塊的選擇和組合可實(shí)現(xiàn)任意一種方案。每一種可行方案又可根據(jù)被加工對(duì)象的大小、復(fù)雜程度和加工工藝的變化進(jìn)行再次重組。被加工件尺寸大小變化可以通過改變部分直線運(yùn)動(dòng)模塊和立柱模塊中型材截面尺寸、截面類型以及型材長(zhǎng)短和型材間距來滿足要求。被加工件幾何復(fù)雜度變化可考慮增減運(yùn)動(dòng)單元。例如若被加工件幾何復(fù)雜度提高，可以在原有數(shù)控機(jī)床上增加數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)來滿足要求。而這只須更改數(shù)控系統(tǒng)的軸配置模塊即可實(shí)現(xiàn)，無須更改控制系統(tǒng)硬件。被加工件加工工藝變化可改變加工刀具和加工裝置。例如可選擇銃刀、鉆頭、雕刻刀頭和激光仿形掃描頭等。設(shè)計(jì)實(shí)例我單位實(shí)驗(yàn)車間擁有一條BOSCH公司生產(chǎn)的自動(dòng)化物流運(yùn)輸線。為與該運(yùn)輸線連接，設(shè)計(jì)機(jī)床的同時(shí)還需設(shè)計(jì)物料搬運(yùn)機(jī)械手。此外由于實(shí)驗(yàn)室面積有限，故要求所設(shè)計(jì)的機(jī)床和機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)緊湊以縮小占地面積。鑒于此我們選用了龍門式結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)床本體部分和機(jī)械手部分采用了一體化設(shè)計(jì)方法（圖4）,希望能提高系統(tǒng)的整體性能?？蚣懿糠诌x用德國(guó)BOSCH公司生產(chǎn)的型材。該公司生產(chǎn)的型材及其附屬連接傳動(dòng)件具有高度系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，再加上其與用戶友好的標(biāo)準(zhǔn)化接口，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和裝配時(shí)間減至最少，而且所有組件及零部件均可用于重構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于提高機(jī)床的可重組性。機(jī)床該龍門式銃床分為底座、立柱和橫梁刀架三部分。底座部分的基座是由自行設(shè)計(jì)的一塊整體鋼板，通過螺栓與四個(gè)支腳相連接而形成的臺(tái)式基座。機(jī)床的底座由一直線滑臺(tái)模塊（其框架為兩根90x90L的型材）與臺(tái)式基座緊固連接而成。在直線滑臺(tái)模塊的兩根90x90L的型材上分別加裝立柱，每根立柱由兩根90X90L的型材并聯(lián)連接而成，以使其具有足夠大的抗彎彈性模量。橫梁刀架部分由一十字滑臺(tái)模塊構(gòu)成，機(jī)床主要性能見表1。該龍門式銃床可根據(jù)被加工件的尺寸大小變化、幾何復(fù)雜度變化、加工工藝變化進(jìn)行重組。被加工件尺寸大小變化時(shí)可通過選擇不同規(guī)格的立柱、橫梁刀架十字滑臺(tái)模塊、底座直線滑臺(tái)模塊來滿足要求。被加工件幾何復(fù)雜度提高時(shí)可在加工平臺(tái)上加裝回轉(zhuǎn)臺(tái)。主軸頭可根據(jù)不同工藝要求配置。物料搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械手不但可以和上述銃床集成為一體組成柔性制造單元，還可以單獨(dú)作為物料搬運(yùn)設(shè)備使用。機(jī)械手采用龍門式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)采用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。齒條直接連接在型材的標(biāo)準(zhǔn)固定槽中，齒輪通過連軸器與伺服電動(dòng)機(jī)相連并與齒條嚙合。工件的夾取由氣動(dòng)卡爪完成。這種設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，行程范圍大。其主要性能見表2。開放式數(shù)控系統(tǒng)縱向544mm10mm/min橫向755mm15mm/min

圖5系統(tǒng)配置人機(jī)界面圖6NC系統(tǒng)硬件組成關(guān)系示意圖圖7設(shè)計(jì)實(shí)例人機(jī)控制接口的開放允許用戶構(gòu)造或集成自己的模塊到人機(jī)控制接口，即允許用戶配置人機(jī)控制界面。系統(tǒng)核心接口的開放除了提供人機(jī)控制界面的開放性能外，還允許用戶添加自己的控制模塊到控制核心模塊中去，但系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)沒有開放。體系結(jié)構(gòu)的開放從軟件到硬件，從人機(jī)操作界面到底層控制內(nèi)核的全方位開放。用戶可以在開放體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的指導(dǎo)下，按需配置功能。根據(jù)我國(guó)機(jī)床數(shù)控改造的國(guó)情，我們采用了基于PC的開放式控制器，該控制器由PC機(jī)和PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成。能夠?qū)崿F(xiàn)上述層次1的開放和層次2的部分開放。PMAC卡是美國(guó)DeltaTau公司20世紀(jì)90年代推出的開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，其內(nèi)部使用了一片MotorolaDSP56001數(shù)字信號(hào)處理器來完成實(shí)時(shí)處理，而將PC機(jī)用作非實(shí)時(shí)處理。PMAC卡有如下開放性：與各種伺服系統(tǒng)匹配:數(shù)字式和模擬式。與各種檢測(cè)元件匹配:包括測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、光柵和旋轉(zhuǎn)變壓器等。與PC機(jī)的通信方式:串行方式、并行方式、雙口RAM方式。與不同的硬件平臺(tái)的匹配:PC-XT和AT總線、VME總線、STD總線。數(shù)控功能對(duì)外開放性:PMAC提供了一套基本功能指令集合，用戶可以在這些基本指令基礎(chǔ)上定制出自己的G代碼、M代碼等數(shù)控功能。對(duì)人機(jī)界面的開放性:PMAC提供在高級(jí)編程語言環(huán)境下開發(fā)人機(jī)界面的功能?；赑MAC的以上特點(diǎn)，我們開發(fā)了具有開放人機(jī)控制接口和允許用戶自行配置控制軸數(shù)和伺服方式的開放式數(shù)控系統(tǒng)。其系統(tǒng)配置界面如圖5所示，系統(tǒng)硬件組成關(guān)系如圖6所示。根據(jù)系統(tǒng)各部分要求不同，采用不同的控制方式。機(jī)床坐標(biāo)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用交流伺服方式，以充分利用其調(diào)響能力、調(diào)速范圍和精度等方面的優(yōu)勢(shì)。機(jī)械手兩坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)伺服方式，這種方式成本低、控制簡(jiǎn)單。該開放式控制器具有多種伺服系統(tǒng)混合控制的能力。3結(jié)語本文介紹了可重組機(jī)床的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)過程。作為設(shè)計(jì)實(shí)例介紹的機(jī)床（圖7）曾