基于模塊化的立式加工中心結構設計*

漫賢

(北京科技大學，北京 100083)

我國機床開發面臨著諸多問題，決定機床產品競爭力的指標是產品的開發時間、產品質量、成本、有效創新和服務。機床行業的設計任務不僅有新產品開發設計，而且生產過程中還有大量根據用戶要求的變型設計和系列設計任務。“設計—分析—再設計”的傳統設計方法需要相當長的周期，顯然已經不再適應今天高科技社會發展的需要[1]。在此背景下，快速設計體現出模塊化設計、參數化設計、智能化設計和綠色設計等發展趨勢。

模塊化設計的概念在20世紀50年代由歐美一些國家正式提出，隨后得到越來越廣泛的關注和研究[2]。模塊化設計使機床產品具備很大的適應性和靈活性，滿足了用戶多品種的要求，并且由于生產周期短、成本低，因此有很強的市場競爭能力，推動了整個機械工業的發展。模塊化設計的步驟大致包括模塊的劃分、模塊的創建、模塊的重組[3]。

1 立式加工中心的模塊劃分

模塊劃分是指在機床功能、結構分析的基礎上，合理劃分具有某一或某些功能的結構單元。

從功能方面分析，立式加工中心主要由床身、滑鞍、工作臺、立柱和主軸箱組成，5大基礎件功能各不相同：床身在最下方，起主要支撐作用；立柱部件安裝在床身右上方，其結構聯接著主軸箱和床身；滑鞍安裝在床身左上方，既能支撐其上部工作臺滑動，又能保證Y向精密進給；工作臺安裝在滑鞍上，為工件加工的主支撐臺面；主軸箱屬箱體類零件，安裝在立柱左側面，用于支撐、連接和承載，包容其它類屬零件。

從結構方面分析，立式加工中心導軌分為硬軌和線軌兩種類型：硬軌剛性好, 加工精度較低，適合低速重切削；線軌精度高，剛性較差，適合高速輕切削。立式加工中心根據導軌的類型分為全硬軌立式加工中心VMC6540，如圖1所示，兩線軌立式加工中心VMC6540L2，如圖2所示。

對比圖1和圖2可知，目前機床硬軌和線軌的安裝結構都是與機床加工為一體的，要實現從全硬軌立式加工中心到兩線軌立式加工中心到三線軌立式加工中心的變型設計，需要將機床劃分為5大模塊：床身模塊、滑鞍模塊、工作臺模塊、立柱模塊和主軸箱模塊。每個模塊再劃分兩個子模塊，一是硬軌形式，二是線軌形式，具體如圖3所示。

該方法需要創建的模塊較多，子模塊都是復雜件，導致模塊替換過程繁瑣，靈活性差。因此，本文提出了一種新的模塊劃分方法，即將各個基礎件的導軌特征劃分出來生成導軌模塊和導軌配合板模塊，再將余下的特征生成相應的基體模塊，如圖4所示。

新模塊劃分方法有以下優點：創建的模塊少且簡單，有效縮短了設計周期；避免了復雜件相同結構的重復設計，降低成本；同時替換模塊的過程比較靈活，便于實際操作。

2 立式加工中心模塊的創建

模塊創建的關鍵是要設計一組能滿足基型設計和變型設計要求的模塊，模塊應具有獨立的功能和一定的通用性[4]。

模塊之間定位連接的接口是實現模塊之間互換重組的關鍵所在。本文從模塊拆卸安裝過程中的定位、連接等實際問題出發，提出了新的接口定位方式，即一側邊基準面和底部基準面定位，在另一側邊用頂絲頂緊；底面連接方式采取螺釘連接，并間隔打入銷釘起到重復定位及加強固定的作用。

床身基體模塊、滑鞍基體模塊、工作臺基體模塊、立柱基體模塊及主軸箱基體模塊是在去掉導軌或導軌配合結構、新設置導軌模塊或導軌配合板模塊的接口后新生成的基體模塊。現重點介紹導軌模塊、導軌配合板模塊的創建過程。

2.1 導軌模塊的創建

根據機床導軌類型的不同，導軌模塊包含兩個子模塊——硬軌子模塊和線軌子模塊。

(1)硬軌子模塊的創建 硬軌子模塊一方面保留了原硬軌的功能結構，另一方面新設置了與其相應基體模塊定位連接的接口，接口包括側邊基準1和底部基準面2，在硬軌子模塊上還需配打兩排沉頭孔用于螺釘連接到相應的基體模塊上，為了便于加工與裝配，兩個安裝基準面的相交處加工出退刀槽。如圖5所示。

(2)線軌子模塊的創建 線軌子模塊是線軌滑塊副和線軌滑塊副連接板的裝配體，其中線軌滑塊副是標準件，線軌滑塊副連接板既能安裝線軌滑塊副，又能定位連接到基體模塊上，所以線軌滑塊副連接板上設置了兩個接口，其一是與線軌滑塊副定位連接的接口，包括側邊基準面1、底部基準面2和楔形壓塊安裝槽5；其二是與基體模塊定位連接的接口，包括側邊基準面3、底部基準面4，并在其上配打兩排沉頭孔用于與基體模塊連接。如圖6所示。

標準件線軌滑塊副以線軌連接板上的側邊基準面1和底部基準面2為安裝基準，安裝固定在線軌滑塊副連接板上，并在楔形壓塊安裝槽5中安裝楔形壓塊3調整線軌滑塊副的直線度，組成線軌子模塊(圖7)。

2.2 導軌配合板模塊的創建

同理，導軌配合板模塊包含硬軌配合板子模塊和線軌配合板子模塊。

(1)硬軌配合板子模塊的創建 硬軌配合板子模塊一方面保留了原執行部件與硬軌配合的結構，另一方面新設置了與相應基體模塊定位連接的接口。其中硬軌配合板子模塊包括左硬軌配合板和右硬軌配合板，左右硬軌配合板接口分別包含側邊基準面1、3和底部基準面2、4。如圖8所示。

(2)線軌配合板子模塊的創建 線軌配合板子模塊包括左線軌配合板和右線軌配合板：左線軌配合板上設置了側邊基準面1、底部基準面2和滑塊側邊定位面3，因為左線軌配合板與滑塊配合時需要安裝滑塊壓塊將滑塊與定位面壓緊，故左線軌配合板上又設置了滑塊壓塊安裝槽4；右線軌配合板上設置了側邊基準面5和底部基準面6。如圖9所示。

3 立式加工中心模塊的重組

(1)基型機床VMC6540的模塊重組 基型機床VMC6540是全硬軌立式加工中心，首先將X/Y/Z三向硬軌子模塊及硬軌配合板子模塊分別安裝到相應的5大基體模塊上，生成新型硬軌床身、新型硬軌滑鞍等，再將新生成的5大基礎件進行整體組合，最終形成基型機床VMC6540。如圖10所示。

(2)變型機床VMC6540L2的模塊重組 變型機床VMC6540L2是在基型機床VMC6540的基礎上發展而來。具體過程是不改變硬軌立柱、硬軌主軸箱，用X/Y向線軌子模塊及線軌配合板子模塊替換X/Y向的硬軌子模塊及硬軌配合板子模塊，生成新型線軌床身、線軌滑鞍、線軌工作臺，然后重新組合延伸出變型機床VMC6540L2。如圖11所示。

(3)變型機床VMC6540L3的模塊重組 變型機床VMC6540L3是在變型機床VMC6540L2的基礎上發展而來。具體過程是用Z向線軌子模塊及線軌配合板子模塊替換變型機床VMC6540L2的Z向硬軌子模塊及硬軌配合板子模塊，生成新型線軌立柱和線軌主軸箱，然后重新組合延伸出變型機床VMC6540L3。如圖12所示。

4 結語

通過對立式加工中心進行模塊化設計，實現了由基型機床VMC6540到變型機床VMC6540L2和VMC6540L3的橫向系列快速變型設計，有效地縮短了機床的設計、制造周期。創建了一種新的模塊接口結構，使模塊化設計在機床領域有了進一步的發展。

[1]王飛.組合機床設計和制造產品數據管理系統開發[D]：遼寧：大連輕工業學院，2005.

[2]Pahl Gand, Beitz W. Engineering Design-a systematic approach[M],London: pringer-Verlag, 1996.

[3]施進發，梁錫昌.機械模塊學理論[J].中國機械工程，1997(6).

[4]姜華，周濟，王春和，等.機械裝配設計的關鍵技術[J].華中理工大學學報，1997，25(4)；50-53.