機床模塊化設計

李志強　田劉平

摘? 要：文章首先研究并總結了模塊化設計原理及其核心思想，并在此基礎上提出了針對數控機床的具體的模塊劃分方法;其次通過對數控機床的模塊劃分建立了數控機床模塊數據庫。

關鍵詞：模塊化設計;數控機床;模塊劃分

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）17-0091-02

Abstract： This paper first researches and summarizes the modular design principle and its core ideas， and then proposes a specific module division method for numerically controlled machine tools. Secondly， it establishes a CNC machine tool module database by dividing the numerically controlled machine tools.

Keywords： modular design; CNC machine tools; module division

1 模塊化

1.1 功能的模塊化

工業生產中，機械加工是在工業生產規模不斷擴大與機械化水平不斷提升下，為滿足工業生產的需求，逐漸在工業生產中引入機械化設備，從而不斷提高工業生產的質量和效率，推動工業生產的快速發展。值得注意的是，機械的加工與生產是通過機械設備的切削運動與定位控制/進給運動等實現的，其運動中不僅包含有直線運動，還包含回轉運動等。因此，在進行機械生產中的數控機床模塊化設計時，需要先進性標準化部件實現上述運動的具體操作和方法等進行研究。結合機床模塊化設計的實際情況，在機床的模塊化系統中，能量供給元件是機床的變速機構與驅動裝置重要構成原件，而立柱和床身則是機床的重要基礎部件，對機床運動進行規定的全部控制裝置及其構成部件則共同組成機床的最小功能模塊單元，對上述部件及其結構單元，在具體設計中，可以通過對各模塊單元的組合設計，使其構成一個完整的機床模塊系統，在機床加工與運行中為其提供相應的功能和結構支持。

1.2 模塊化設計的主要方式

模塊化設計方法主要包含橫系列模塊化設計/縱系列模塊化設計/橫系列與跨系列模塊化設計/全系列模塊化設計/全系列與跨系列模塊化設計等多種不同的方法。

（1）橫系列模塊化設計。該模塊化設計方法在具體設計中不對產品的主參數進行改變，是通過模塊發展促進產品變形與設計實現，即在基本的產品類型與模塊結構上，通過增加或者是更換產品的結構模塊，來促進產品類型及品種改變。

（2）縱系列模塊化設計方法主要應用于同一類型的不同規格基型產品設計。在這類產品設計中，由于產品主參數不同，導致其動力參數也存在差異，從而所形成的產品結構與尺寸必然不同。與橫系列模塊化設計相比，縱系列模塊化設計的復雜性更加突出。采用縱系列模塊化設計進行動力參數有關的產品模塊設計，需要在合理進行區段劃分基礎上，使其在同一區段內的模塊化設計呈相互通用狀態。

（3）橫系列和跨系列模塊化設計在具體設計應用中，

除橫系列模塊化設計的產品加工外，通過對某些模塊的改變能夠實現其他系列的產品加工與獲取。

（4）全系列模塊化設計包括縱系列和橫系列的模塊化設計，比如，在工具銑的機床加工模塊設計中，通過對銑頭的改變能夠實現橫系列模塊化產品加工，而通過對機床床身與橫梁高度/長度等的改變，則能夠實現不同的縱系列模塊化設計產品加工和獲取。

（5）全系列和跨系列模塊化設計是在全系列模塊化設計基礎上，對結構較類似的跨產品加工機床進行模塊化設計實現。其中，全系列的龍門銑床，它的結構和龍門刨、龍門刨床和龍門導軌磨床等基本相似，在具體加工設計中就可以發展成跨系列模塊化設計。

1.3 模塊的劃分

1.3.1 模塊劃分的原則

（1）獨立性原則。模塊劃分的獨立性原則包含功能獨立與結構獨立兩個方面，其在促進模塊系列化發展與實現縱系列模塊化設計方面有著非常積極的作用。（2）部件原

則。對組合機床的拆分需要遵循部件原則，從而對模塊劃分的獨立性原則進行有效遵循與執行。（3）組件原則。對功能綜合程度過高的部件進一步進行功能分解，將組件模塊化。（4）基礎件原則。基礎件的功能和結構比較獨立，模塊劃分中，以同一類型的聯接為基礎，進行接口標準化、通用化的基礎件模塊建立，能夠獲取較高的模塊設計與加工經濟效益。

1.3.2 功能模塊化設計的特點

根據上述對功能模塊化的分析，結合功能模塊化設計與應用實際情況，由于功能模塊化設計的產品更新速度較快，并且進行產品設計與加工的周期明顯較短/成本較低/產品性能穩定可靠等特征優勢，再加上功能模塊化設計的機床加工與維護較為方便，在小批量生產中適用性尤為突出等，雖然功能模塊化設計的系統復雜性較高，但在西方國家的機床模塊化設計中應用越來越多。

需要注意的是，模塊化設計的特征優勢與應用必要性雖然比較明顯，但是，功能模塊化設計中，其功能分解并不是無限制的，對其功能分解的控制需要根據模塊化設計對象的具體情況而定。同樣，數控機床的功能分解也要有利于其功能一結構映射的求解，有利于其模塊劃分的實施。

1.4 機床模塊化劃分與設計方法

綜合上述分析內容，本文在進行機床模塊化設計與劃分中，從面向設計的角度對機床模塊進行分析，即在對數控機床的功能進行分解基礎上，根據不同功能元之間的相關性定性的進行模塊聚類，然后按照機床結構將已經聚類的功能模塊所對應的零部件進行分解，并根據各零部件的制造與裝配關聯進行分析，最終，在對兩次分析結果綜合基礎上，實現更加詳細與具備不同用途或性能的模塊劃分和設計。

以XK2850機床模塊劃分為例，通過功能模塊至結構模塊的映射（如表1），完成模塊的劃分。

研究了數控機床模塊化設計的特點，在對模塊進行分級隊列的基礎上，對多級模塊的屬性進行了針對性的定義，并對屬性間的關聯進行了研究，保證了功能、性能、結構、特征、配置、管理等屬性的一致性與針對性。針對模塊在不同設計階段的設計作用，基于模塊的分級劃分方案，對于支持機床總體方案布局的一級模塊庫，定義其模塊信息包括管理信息、結構信息、性能信息。各個信息之間相互關聯、相互影響。對于支持數控機床模塊化配置設計技術的二級模塊庫、標準件外購件庫，定義其包括管理、組成、性能、結構、接口等多類屬性信息。

根據客戶需求的技術指標自動生成機床總體設計方案、機床模塊智能配置并輸出配置清單、機床模塊變形設計等的機床模塊化設計支持系統;初步構造了符合相關標準要求的機床支撐件、主運動系統、工作臺、進給運動系統、冷卻系統、潤滑系統、刀庫系統、防護系統等機床單元模塊庫及機床外購件、標準件庫;機床的模塊化設計，可縮短產品設計周期，實現產品的快速設計，提高機床零部件質量，降低產品全生命周期成本，提高其市場競爭力及對市場的快速響應能力。

2 結束語

現代工業生產與發展中，隨著產品更新速度加快與產品用戶需求的日益多樣化發展，為滿足工業生產的有關需求，在實際生產與加工中逐漸引入計算機輔助設計與模塊化/參數化設計理念，從而促進數控機床加工的多樣化與個性化/小批量生產等需求得到滿足，有效縮短機床設備的生產與維護實踐，推動工業生產的快速發展和綜合提升，具有十分突出的積極作用和重要意義。本文通過對國內外模塊化設計研究的有效綜合，以pore為平臺，結合數控機床設計的特點，在實現數控機床模塊庫建立基礎上，對數控機床模塊化設計進行研究和探討，不僅取得了較好的效果，而且在實際生產應用中能夠有效滿足用戶的需求，實現機床生產制造成本節約，提高批量生產的質量和效率，縮短產品加工與生產的時間，機床故障維護與排除操作便利，值得在實踐中進行推廣應用。

參考文獻：

[1]童時中.模塊化設計原理、方法與應用[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]杜陶鈞.模塊化設計中模塊劃分的分級、層次特性的討論[J].機電產品開發與創新，2003（02）：50-53.

[3]宗鳴鏑，劉旭東，李湘媛.產品模塊化設計中模塊劃分的多角度、分級特性討論[J].CAD/CAM與制造業信息化，2003（01）：50-52.