可重構機床機械界面的設計探討

摘要：可重構機床能夠實現對新的市場需求進行快速而準確的響應，因此可重構機床是當前制造業中的一個實用的制造系統，在現實的生產實際中具有廣泛的應用。因此，可重構機床機械界面的設計就顯得尤為重要。可重構機床機械界面的設計主要是為了保證可重構機床在進行人機交互的過程中，能夠快速、準確、和無歧義的完成人機的交互。

關鍵詞：可重構；機床；機械界面；模塊化設計

1、可重構機床

1.1 可重構機床

制造業廣泛實用的三種機床是：專用機床、組合機床和數控機床等三種。依據某一具體工件的屬性而設計制造用于加工該（類）工件的機床是專用機床。此種機床的特點是單一功能，設計和制造比較簡單，其精度、生產效率以及自動化水平都非常的高。與此同時，它只能針對某一特定零件進行加工，一旦該類零件不再生產該機床也就基本宣告結束壽命。該類機床的設計制造周期長、成本高。因此，專用機床主要是早起進行早期的工件加工使用。為了縮短設計和制造周期，同時實現對于小批量多品種的適應，人們開始研究使用組合機床。組合機床不僅能夠完成專用機床的所有任務，并且能夠在短時間內利用已有機床的部件或功能模塊實現機床的改造，從而柔性化的生產需求。組合機床使用了大量的通用零部件，在一定意義上說實現了重構也就是通用件重復使用來滿足加工對象的變化。在此之后為了提高小批量生產的自動化水準，數控機床得到了廣泛的應用。但是數控機床的陳本高、技術復雜等缺點。可重構機床具有適應性強、價格低廉的機床，集眾多機床的優點于一體，同時有效的避免了它們的不足之處。

1.2 可重構機床的特征

可重機構床的機床是由一些基本模塊（零部件）根據功能的需求有機的結合到一起而成的；機床的結構布局可以根據所需要生產產品的具體要求進行變化和重組；組合機床的各個模塊如硬件、軟件等都是已經建立起統一的標準；機床各個模塊之間是具有統一風格的界面，各部分界面都是標準化的。可重構機床的功能是可以改變的，但是都是以產品族為基礎。可重構機床可以極大限度的縮短產品改型換代所需要的時間，能夠在滿足零件的加工要求下，簡化了機床的各部分功能和結構。可重構機床在提高產品加工質量的同時，極大地降低了生產企業的成本。可重構機床的維修性好，相應的模塊出現問題只需維修或更換相應的模塊就可以繼續工作。

2、可重構機床機械界面設計

2.1 界面的模塊化設計

模塊化設計是由模塊的劃分、設計和綜合；模塊之間界面的通用化和標準化設計兩個部分組成的。模塊化設計理論雖然在上個世紀就已經提出來，但是實際的生產中確是一直沒有應用開來。分析其主要原因在于人們常常將注意力關注到模塊的劃分、設計和組合方面對機械界面部分缺乏一定的研究。實際的使用中機械界面的設計好壞和標準化與否，都與模塊化設計息息相關。對于可重構機床，由于重構頻率極高，如果不能實現模塊之間的快速高精度互換，可重構機床就沒有任何實際意義。

可重構機床界面按照功能進行劃分包括機械界面（動態界面和固定界面）；動力界面；數據界面等。本文主要針對可重構機床的機械界面進行設計探討。可重構機床的機械界面主要分為兩大類：界面之間有相對運動和界面之間沒有相對運動。界面的研究主要包括以下內容：界面的結合精度、可靠性、穩定性和界面的標準化、模塊更換的快速性。此外，可重構機床的界面與可重構制造系統其他部分界面之間的快速互換也是一個研究熱點。

2.2 機械界面的設計

可重構機床系統中的機械界面強調快速可重構。機床系統由標準模塊通過標準界面裝配而成，并可以快速改裝以滿足不同的加工要求。所以，可重構機床系統中的機械界面設計應當包括機床本體、控制系統和軟件系統等。

因為可重構機床系統的設計是根據加工任務的運動分析一機床模塊庫中模塊匹配搜索一擬定可重構方案等步驟完成的，所以機床的主體、工作臺、立柱、主軸頭、換刀裝置、夾緊單元等都應設計成具有標準界面的標準模塊。同時，為了提高設備的效率及加工精度，還應考率機床所配置的各種檢測裝置的通用界面問題，如刀具磨損檢測裝置、機床精度檢測裝置、機床熱變形檢測裝置等。

可重構機床的控制系統也必須按照開放式結構的原則來設計。所謂的開放式結構是指系統具有讓應用程序在各供應商提供的各種軟件平臺上運行的能力。這就要求系統給應用軟件提供中性的通用界面，而這些界面應當是通用化的標準件，以囊括控制系統所有特定的部件，如計算機板、各種插卡或通過控制網絡連接的智能I/0節點。

可重構機床系統的控制軟件需要運行在獨立于特定的應用軟件和方便地使用特定硬件的中性系統平臺上，支持對應用軟件開放功能的系統軟件位于平臺的頂層。應用軟件需要在模塊化和柔性化的方式下運行，它們不能直接用來作為機器及過程的控制平臺，而需要設計一種特定的系統平臺，這一軟件模塊能夠很方便地載入不同的操作系統，并且能夠支持實時操作特征。所以，該軟件模塊必須具有很高的可重構性，同時要求它的界面要有可重構性。