多功能可重構數控機床研究與開發*

王寶沛 翟 鵬 王麗霞 宋文平

(①山東濱州盟威數控機床有限公司，山東濱州256602;②山東大學威海分校，山東威海264209)

上世紀90年代，歐、美等工業發達國家汽車零部件行業為了提高競爭力，以CIMS為主導，進行大規模技術提升和設備更新。普遍采用以CNC控制為主要特征，以旋轉刀具做主切削運動的鏜、銑加工中心和以工件旋轉做主運動的車、銑加工中心組成的生產線。如活塞加工自動線，每條投資成本一般約為1000萬歐元，使用的狀況表明，其功能利用率很低。德國斯圖加特大學H.schulz教授調查了美、歐、亞22個國家370家企業，發現近80%的加工中心的實際功能利用率只有20%［1］，造成了很大的資源浪費。雖然這兩類加工中心在推進機械加工工序集中工藝方法上發揮了重要的作用，但對于較復雜的零件，它們的功能范圍不足以完成從毛坯至成品的全部工序加工，因而不能充分提高單件和中小批量的生產效率，且由于工件在多臺機床間的轉移增加了安裝誤差，也不利于加工精度的穩定性。從而無法實現高質量、低成本的目標。

高質量、低成本是國內外制造業的不斷追求的目標［2～4］。上世紀90年代初，德國EMAG公司開發了立式多功能加工機床，采用了工件倒置式的加工方式，使機床主軸具備工件加工、傳送和檢測的功能，可在1臺或2臺機床上實現從毛坯至成品的全部加工。避免多工序周轉和裝夾誤差，具有明顯的技術和經濟效果。

本文根據可重構自動化制造系統(RAMS，Reconfigurable Automatic Manufacturing System)［5］重構的快速敏捷性的特點，以及重構后精度和可靠性的基本要求，著重研究了重構界面的屬性和特征，提出一種以基礎型模塊和功能型模塊為主要特征的多功能可重構數控機床設計理論和方法，使可重構自動化制造系統的設計和制造技術，在實際應用上取得了重要進展。

1 多功能可重構機床的特點和設計

多功能可重構機床采用工件倒置式的加工方式，機床主軸可實現工件加工、傳送和檢測“三位一體”的功能。多功能機床結構示意圖如圖1所示。

機床分為工件輸送區、加工區和檢測區，主軸快速移動到工件輸送區夾持工件，到加工區進行切削加工，加工完再到檢測區檢測，并進行加工尺寸的自動補償。工件加工流程如圖2所示。

與鏜銑加工中心和車銑加工中心相比，不需額外投資就能實現自動上下料和自動檢測。同時，可按工藝要求在一臺機床上，實現除裝夾定位面以外的車、鏜、銑、鉆、磨等全部工序的切削加工，最大限度地擴大了加工功能。多功能可重構數控機床既適合單件和小批量生產，又適合中批和大批量生產，也可根據需要在用戶現場實現復合機床的快速重構和生產線的重組。

重構的快速敏捷性和重構后的高精度和高可靠性，是可重構(RAMS)的最基本的要求。由于重構是在用戶現場進行，時間短、頻次高，模塊之間的快速高精度互換，是可重構機床研究開發的關鍵技術。例如盤類和短軸類機械零件，屬于同一族群中的不同零件。針對此類產品族群的切削加工的可重構復合數控機床的設計功能、結構和布局，不僅要滿足零件族群加工的需求，同時還要適應依據需要在用戶現場能完成快速重構，并且重構后能保持高精度、高效率、高可靠性。

根據數控機床可靠性系統分析的理論，影響可重構的快速敏捷性、重構后的高精度和高可靠性的主要因素，是可重構機床的剛性、抗振性能、主軸的回轉精度、滑臺的動態精度。而可重構機床的床身(包括底座)、主軸和進給系統(導軌和滑臺)的關聯界面的靜態和動態結合精度的穩定性和可靠性，則是影響機床的剛性、抗振性能、主軸和滑臺的動態精度的主要因素，也是可重構機床結構和功能設計的關鍵技術。

機床靜態部件的關聯界面的屬性特征:在結構設計上要有足夠穩定的接觸強度和剛度，在制造精度上要確保關聯界面足夠的的實際結合面積，一般應≥70%～80%，在裝配上要確保關聯部件的位置精度。而機床動態部件關聯界面，如導軌的屬性特征:在設計上要確保低速轉高速的瞬態精度及高速轉低速的穩態精度(啟動和制動性能)。因此，要確保機床的關聯界面的靜態和動態精度，其精湛的裝配工藝和人的高超技能是不可缺少的。考慮到要在用戶現場實現重構，不僅費時費力，也會影響到重構后的精度和可靠性。因此在機床結構設計上，要避免對主要結構的重構以減少重構的次數。為此提出一種基礎模塊和功能模塊的設計方法:將機床的床身(包括底座)系統、主軸系統和進給系統(導軌和滑臺)，視為互為依存，且不可分割也不宜重構，必須將這三部分，設計為整體型的基礎型模塊;其結構要適應產品組類的形狀和加工特點，其規格系列要依據同組類工件大小而劃分。功能型模塊的設計要根據工件加工工藝，包括車削、鏜削、銑削、鉆削、磨削裝置;工裝共性夾具和工件自動傳輸等裝置進行。機床重構時，只是功能模塊的選擇和重構。這樣有利于實施在用戶現場快速重構和生產線的重組。

2 多功能機床重構后的精度和可靠性分析

多功能可重構機床采用基礎型模塊和功能型模塊的設計方法，與一般意義上的可重構機床設計方法的區別在于，整體型的基礎型模塊已包括機床床身(包括底座)系統、主軸系統和進給系統(導軌和滑臺)，重構的部分只是根據工件的工藝流程和加工工藝，選擇不同切削模塊如車削、鏜削、銑削、鉆削、磨削等裝置。因此，重構后不會影響到機床的主要精度，并可保持主軸箱體和導軌與床身的接觸剛度和位置精度以及滑臺和導軌與主軸的位置精度和運動精度。

在系統可靠性的經典近似置信下限方法中，常用極大似然估計法(MLE)，修正似然法(MML)，序貫壓縮法(SR)，修正極大似然和序貫壓縮相結合的方法(CMSR)［6］。根據系統工程可靠性理論和單元串聯系統的CMSR數控機床可靠性評價方法，對基礎模塊的可重構機床的設計方法與一般意義上的可重構機床設計方法重構后的可靠性相比較。

多功能可重構機床一般是串聯系統，其可靠性模型框圖如圖3所示。

式中:Rs為系統可靠性;Rn(t)為第n個元部件的可靠性，n∈N*={1，2，3，…，n}。根據文獻［6］提供的數據，數控機床各子系統可靠性置信下限值:

(1)一般可重構機床的可靠性

一般可重構機床的設計，是將機床床身子系統R1、滑臺子系統R2和主軸子系統R3作為獨立的模塊。取 R1=0.9226，R2=0.9227，R3=0.9228，將各子系統的可靠性值代入式(1)式，則有:

如果有一子系統失效，可靠性置信下限最小值Rn(t)為0，則會導致整個系統的失效，即重構后系統可靠性:

Rsmax置信下限最大值可視同數控機床各子系統可靠性置信下限最大值的乘積:

(2)多功能可重構機床的設計可靠性分析

多功能可重構機床的設計，是將機床床身系統、滑臺系統和主軸系統作為整體的基礎模塊，不存在重構問題，其系統可靠性，Rsmin置信下限可視三個子系統可靠性置信下限最小值的乘積:

因此，基礎模塊和功能模塊的可重構復合機床的設計方法比一般意義上的可重構機床設計方法，在重構快速性和重構后機床可靠性上，具有明顯的優勢。

3 多功能可重構數控機床的研制

盤類和短軸類零件的品種和數量占機械制造業60%以上。針對此類產品族群，依據可重構自動化制造系統(RAMS，Reconfigurable Automatic Manufacturing System)的重構的快速敏捷性，以及重構后的精度和可靠性的要求，設計和開發了DLY系列多功能可重構數控機床如圖4所示。

3.1 DLY系列多功能可重構數控機床主要功能

DLY系列多功能可重構數控機床具有自動上下料、自動加工和自動檢測功能;可按工藝要求在一臺機床上，實現除裝夾定位面以外的車、鏜、銑、鉆、磨等工序的切削加工;多功能可重構數控機床既適合單件和小批量生產，又適合中批和大批量生產，也可根據需要在用戶現場實現復合機床的快速重構和生產線的重組。

3.2 DLY系列多功能可重構數控機床基本參數

加工范圍:φ70～120 mm;

加工長度:65～130 mm;

最高轉速:8000 r/min;

x/y/z軸行程:820 mm/140 mm/222 mm;

機床尺寸:2390 mm×1750 mm×2592 mm;

DLY系列多功能可重構數控機床為山東省重大科技專項——“制造業信息化軟件、系統產品(先進制造裝備)”(項目編號:2005GG1104002)。該項目于2007年11月通過山東省科技廳組織的專家鑒定，鑒定意見認為:設計研制的可重構自動化制造系統(RAMS)，在可重構、高效自動化生產方面填補了國內空白，整體技術達到國際先進水平。2009年7月15-18日，DLY系列多功能可重構數控機床參加了上海第11屆國際機床展。在1000余名參展商中，由于其是唯一的一臺全自動加工單元成為展會的亮點。

4 多功能可重構數控機床發展前景

高質量、低成本是國內外制造業不斷追求的目標。可重構自動化制造系統(RAMS)，是制造業實現高效率、高質量、低成本最有效的途徑，而采用以基礎型模塊和功能型模塊為主要特征的全功能數控機床的模塊化設計理論和方法，使得可重構自動化制造系統的設計和制造，在理論和實踐應用上都取得了重要進展。

多功能可重構數控加工機床，采用工件倒置式的加工工藝，使機床主軸可實現工件加工、傳送和檢測“三位一體”的功能，可在1臺機床上實現從毛坯至成品的全部加工。可有效減少工件加工過程工序間的周轉時間。在一般情況下工序間的周轉占工件整個生產周期的40% ～60%，即使在信息管理較良好的情況下，仍將占20%左右。因此，多功能數控機床具有明顯的技術生產效益。使用驗證表明，研究開發的全功能多功能可重構數控機床的成套裝備，不僅達到了重構的快速敏捷性以及重構后精度和可靠性的要求，同時其功能的實用性相當于幾套甚至十幾套傳統的單一產品自動化生產的成套裝備;而且還可根據產品及其工藝的變化，在用戶現場能快速重構或布局新的生產線;投資少，維護費用低。

大力發展多功能可重構數控機床自動化成套裝備的設計和制造技術，可使我國機械零件及零部件裝備制造業實現跨越式的發展，從制造大國到制造強國的轉變。我們要抓住機遇，依靠自己的力量，充分利用國內外現有技術和資源，自主創新，不斷探索和研究新的設計理論，構建以高效率、高精度、高質量、低成本為特征的自動化加工技術平臺。這對增強我國機械零部件及裝備制造業的國際競爭力，有著十分重要的意義。

1 Schulz.H.Neuer Vorstass In Denvolemenmarkt［J］.Werkstatt und Betrieb，1999，132(12):22-23

2 Hoda A.ElMaraghy.Flexible and reconfigurablemanufacturing systems paradigms.Int.J.Flex.Manuf.Syst.，2006，17:261-276

3 Ahmed M.Deif.Waguih ElMaraghy.Investigating optimal capacity scalability scheduling in a reconfigurablemanufacturing system.Int.J.Adv.Manuf.Technol，2007，32:557-562

4 LANDERSR G，MIN B K，Koren Y.Reconfigurablemachine tools［J］.CIRP Annals，2001，50(1):269-274

5 王寶沛，翟鵬，王麗霞等.汽車零部件可重構自動化制造系統的研究.制造技術與機床，2007(3):31～35

6 于捷，申桂香，賈亞洲.數控機床可靠性評價方法的研究.機床與液壓，2007(11):174～176