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模塊化設計在複合型機床設計中的應用

2023-7-4 來源：北（běi）京機科國（guó）創輕（qīng）量化科（kē）學研究（jiū）院有限公司作者：侯明鵬

一、引言

隨著工業技術的快速發展（zhǎn），數控機床已經從原有單功能型加工設備向多元化複合型加工設備轉變。車銑鏜磨多功能複合（hé）型機床是近年來機（jī）床設計製造的主流，主（zhǔ）要分為 : 一、以中小型機床主機結（jié）構（gòu）為基礎，複合車銑鏜磨（mó）多種加工類型的產品係（xì）列，此類產品的特點為加工（gōng）效率高，配合自動送料（liào）機，可（kě）以實現黑（hēi）燈工廠。二、以大（dà）型機床主機結構（gòu）為基礎，車銑鏜磨齒輪加（jiā）工（gōng）兼備的複（fù）合型加工設備，此類設（shè）備結構複雜，部件多，複（fù）合性強，精度（dù）高，對設計製造都提出了很高的要求。國內外主流廠商均采用模塊化（huà）設計理念，以滿（mǎn）足大（dà）型複合機床的設計製造要（yào）求

二、模塊（kuài）化設計涵義

模塊化設計的涵義就是要劃分並設計一係列的模塊，通過模塊的選擇（zé）和組合構成不同的產（chǎn）品，滿足市場的（de）不同需求。所謂模塊就是 “一組具有同一（yī）功能和結合要素（指聯接部位的（de）形狀、尺寸和（hé）聯接件之間的配合參數等），而有不同用途（或（huò）性能）和不同結構且能互換的各個（gè）單元（零件、組件、部件或係統），或是能增加機（jī）床功能的單元”。模塊化設計方法不僅僅局限於金屬切削機床，還可以應用於砂型件切削（xuē）和晶圓切割等新興機械領域。

選用不同的模塊組合，可以組成不同要求的（de）單台機床（chuáng），還可以在進（jìn）一步組合成生（shēng）產（chǎn）線，例如龍門類機床可以組（zǔ）合回轉工作台模塊、車削頭模塊、立式磨頭（tóu）模（mó）塊、滾齒頭模塊等實現車、磨、滾齒（chǐ）等（děng）多種加工。

三、模塊化設計的特點（diǎn）

模塊（kuài）化（huà）設計區別（bié）於傳統（tǒng）設計主要在於其具有模塊化結構和可重構能力，即能夠（gòu）通過對機床組成部（bù）件或模塊的重組與更替，調整其加工功能和某些性能，及時、高效地滿足被加工零件的各種變化需求，同時也為機床部件在其壽命周期內反複重用（yòng），最大限度地實（shí）現設（shè）備改造、更新的節約（yuē）化、高效化（huà）提供了一條有效途（tú）徑。機床模塊化的本質是基於（yú）幾何、物理的相似性，同時考慮了幾何 / 物理相似性的拓撲性，以及基於組合（hé）拓撲概念的廣義相似性，而且引入了極為（wéi）重要的模塊特性（xìng）—接口整合理念，以實現模塊集成的 “相乘（chéng）效果”。設計目標是使機床作為一種製造資源在其整個壽命周期內的使用（yòng）功（gōng）能與性能的組合化、柔性化，設計製造綠色化、節約化。

接口整合理念的應用（yòng）是為了使模塊間更具互換性，因而要求模塊與（yǔ）聯接件之間的結構要素應有一致性。接口整合理念最易在機床橫係列（同類（lèi）產品）的變（biàn）型品種中加以實現，但（dàn）是對於全（quán）係（xì）列產品（不同規格產（chǎn）品（pǐn）、複合機（jī）床（chuáng））方（fāng）麵，隻要基本功能相同，運動參數和動力參數相當，也可以實（shí）現（xiàn）模塊的（de）接口整合，尤其是一些（xiē）帶有獨立性的功能單元（yuán），如主（zhǔ）軸（zhóu）係統或輔助（zhù）係統的模（mó）塊，更（gèng）易於（yú）實（shí）現各模塊間的接口整合。

四、模塊化設計關鍵技術

1、模塊的劃分

機床模塊的劃（huá）分是機床（chuáng）模塊化設（shè）計的關鍵問題，對於大型常規金屬切削機床（車、銑、磨、鏜、滾齒）及其他（tā）類似加工設（shè）備而言，模塊可（kě）以劃分為 : 常規機械模塊、通用智（zhì）能模塊（kuài）、電氣控（kòng）製模塊、輔助功能模塊四大類（lèi）。

常規機械模塊共（gòng）分為 12 大類，包含 : 床身及進給模（mó）塊、直線運動工作台模塊、滑座模（mó）塊、立（lì）式回轉運動工作台模塊（轉台或（huò）回轉工作台）、臥式回轉運動工（gōng）作台模塊（主軸箱及尾座）、立柱模塊、橫梁及進給係統（tǒng）模塊、核心功能模塊。核心功能模塊包含（hán）溜（liū）板模塊及進給係統模（mó）塊、鏜銑削模塊、車削模塊、磨削（xuē）模塊、滾（gǔn）齒加工模（mó）塊。通用智能模塊一般為目前較為先進的機器視覺、智能感應、機床工作狀態監控（kòng）等模塊，此類（lèi）模塊一般選用專（zhuān）業廠家生產的成熟產品，結合（hé）數控係統模塊共同使用。輔助模塊（kuài）一般（bān）為排屑器、自動上料機等成熟輔助設備，按需求選用即可。

2、模塊的設計方法

常規機械模塊是（shì）模塊化設計的核心部分環節，各個（gè）模（mó）塊均有設計特點和難點（diǎn）。下文（wén）中著重論述典型模塊的設計方法。

床身及（jí）進給模塊主要為機床的床身部（bù）分，是整個機床的基（jī）礎，是機床主要（yào）部件運動及切削過程中使機床具有足夠的剛度和精度的重要保障。大（dà）型（xíng）機床床身及進給模塊一般考慮三個基礎要素 : 第一為承載量，第（dì）二（èr）為單體（tǐ）零件的長度，第三為進給係統的選擇。承載量主要取決（jué）於床身模塊的導（dǎo）軌條數、導軌寬度和床身總體截麵，在設計規劃時要具有（yǒu）現實性和前瞻性，綜（zōng）合幾類大型機床床（chuáng）身的共同點進行統籌設（shè）計，例如 : 龍門移（yí）動（dòng）式鏜銑床、單柱移動式立式車床、落地鏜銑床三類機（jī）床在床身模塊具有通用性，規劃設計時可以統籌進行。大型機床床身一般為分段式設（shè）計，單體零件長度滿足數列優先級（jí）的同時，可根據毛（máo）坯（pī）鑄造能力和零件（jiàn）加工能力進行設計，並根據（jù）用戶要求組合成其需要的（de）長度。進給係統方（fāng）麵，隨（suí）著行星齒輪減速機的廣泛應用，雙電機消除間隙的齒輪齒條驅動技術簡化了直線軸進給（gěi）運（yùn）動（dòng）的設（shè）計，為模塊（kuài）化設（shè）計的應用創造了條件。床身模塊基本采（cǎi）用鑄鐵或鋼（gāng）板焊（hàn）接兩大類，鑄鐵床身一般采用灰鑄鐵 HT250，此類鑄鐵具有高的抗壓強度（dù）、優（yōu）良的耐磨性和消振性，低的缺口（kǒu）敏感性，適用於承受壓力及振動的（de）機床床身。如圖（tú） 1、2、3 所示。

圖 1 小規格床身截麵圖（tú）

圖 2 中規格床身截麵圖

圖 3 大規（guī）格床身截麵圖（tú）

立式回轉工作台模塊可以分為主運動類和進給運動類兩種，主運動類一般為立式車床中應用的回轉工作台，其設計思路與床身模塊類似。進給運動類應（yīng）用於落地鏜銑床和滾齒機中，主要區別在於二者的工作台麵外形不同，落地（dì）鏜銑床（chuáng）為矩形，滾齒機為圓形。雖然外形不同，但是（shì）也可以應用模塊化設計（jì）理念，對回轉係統、底座係統、定位（wèi）係統等采用模塊化設計。

立柱模（mó）塊主要應用（yòng）於龍門鏜銑床（chuáng）、立式車床、落地鏜銑床三類機床中，設計時參照床身（shēn）模塊的（de）設計思路，確定導軌形式、跨距（jù）、截麵等要素，同（tóng）時可（kě）以在鑄造或焊接毛坯時應用模塊化設計理念，以（yǐ） 500mm長度為（wéi）單位，製作鑄（zhù）件模型和砂芯，保證（zhèng）用（yòng）戶要求的零件（jiàn）長度快速實現。如圖 4、5 所示。

圖 4 小規格立柱截麵圖圖 5 中規格立柱截麵圖

橫梁模塊是龍門鏜（táng）銑床和立式車床的核心部件，對於橫梁截麵的模塊化設計規劃尤（yóu）其重要，應根據橫（héng）梁載荷不同，設計導軌形狀（zhuàng）、跨距、進給係統位置等。如圖 6、7 所示。

圖 6 小規格橫（héng）梁截麵圖圖 7 中（zhōng）規格橫梁截麵圖

核心功能（néng）模塊是各（gè）類機床的重點設計環節。其（qí）中溜板模塊是橫梁與銑（xǐ）削模塊、車削模塊（kuài）、磨削模塊的（de）連接（jiē）樞（shū）紐。溜板模塊設計主要（yào）考（kǎo）慮與各種（zhǒng）功能模塊的連接，要根據實際需求進行調整。

銑削（xuē）、車削、磨削、滾齒模塊要根據機床核心功能要求設計。例如複合機床中，以銑（xǐ）功能為主車功能為輔的（de），可以在鏜（táng）銑頭模（mó）塊上（shàng）增加車削附件頭模塊，以擴展車（chē）削功能。如果是車削為主銑削為輔，就（jiù）是在車削頭（tóu）增加銑削附件頭。此外近年來國際知名廠商（shāng）開發了適應龍門車銑複合機床使用的（de）滾齒加工模塊，通過（guò）銑頭模塊、轉台模塊（kuài）、滾齒模塊完成超大齒圈加工的功能模塊。在核心功能模塊設計過（guò）程（chéng）中要貫徹模塊化設（shè）計理（lǐ）念，例（lì）如（rú）在銑削模塊的主軸組件設計中，在達到相同載荷和轉速的軸承配列形式中，要優先選擇能（néng）夠適應同係（xì）列銑削模塊的配列形式。

3、模塊（kuài）化設計的（de）應用

模塊化設計的應用主要分為橫（héng）係列應用、全係列應用、全生（shēng）命周期應用。

（1）模（mó）塊化設計橫係列（liè）應用

橫係列（liè）模塊化設計是指在不改變機床主（zhǔ）參數的條件下，利用模塊的變化和組合發展為變型機床。此方法應用最為廣（guǎng）泛，它大都是在基型品種礎上用更換或添加模塊的方法形成很多變型品種。例如較為常見的小型臥式車（chē）銑複合（hé）機床就是典型應用。

（2）模塊化設計（jì）全（quán）係列應用

這（zhè）種模塊化設計涉及的因素較多，較為複雜，主要應用於功（gōng）能模塊根據用戶要求組合成跨係列產品上。例如轉子槽銑床，主要由臥式主（zhǔ）軸箱、尾座箱、落地鏜銑床基本模塊和專用附件銑頭（tóu）模（mó）塊組成，滿足車、銑、磨加工需求（qiú），特別（bié）是轉子聖誕樹槽的加工，專用附（fù）件銑頭模塊可以提高加工精度和效率（lǜ）。

（3）模塊化設計在機床全生命周期內應用

模塊化設計在機床全生命周（zhōu）期（qī）內（nèi）的（de）應用主要是（shì）近（jìn）年來機床綠色再製造理念的提出，機床全生命周期內的再製造是節約資源，促進生產（chǎn）的重要體現。再製造可（kě）以根據實際情況分為兩類。第一類為（wéi）較大規模（mó）的機（jī）床再製造，是指通過更換機床主（zhǔ）要（yào）功能模塊，使原有機床功（gōng）能大大增加的再製造。例如整（zhěng）體更換溜板滑枕（zhěn）功能部件組（zǔ）、進給係（xì）統、液壓係統等關鍵核心模塊。第（dì）二類為一般規模機床再製造，此類機床再製（zhì）造主要包括 : 一、根據（jù）機床的（de）實際情況，更換主軸（zhóu）電動機、進給電動機、液壓站等完善機床已有功（gōng）能（néng）的機床再製造。二、針對機床實際使用過程中表現出的突出問題進行改進並增（zēng）加一些新功能的再（zài）製造，如給龍門鏜銑床橫梁進給係統增加雙邊（biān）電動機拖動、雙邊位置檢測、液壓站雙通道（dào）單獨過濾、冷卻等功能。

五、結語

本文以複（fù）合型數控機床產品為研究對象，對產品模塊化設計的理論、方式與一般過程、實現（xiàn）的方法和關鍵技術進（jìn）行論（lùn）述（shù），特（tè）別是（shì）模塊（kuài）化設計方（fāng）法（fǎ）在具體功能模塊中的設計應用和注意要點，有助於企業（yè）實現係統的產品模塊化戰略，快速響應市場需求。

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