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模塊化設計在複合型機床設計中（zhōng）的應用

2023-7-4 來（lái）源：北京機科（kē）國創輕量化科學研究院有限公司作者：侯明鵬

一、引言

隨（suí）著工（gōng）業（yè）技術的快速發展，數控機床已經從原有單功能（néng）型加工設備向多（duō）元化複（fù）合型加工（gōng）設備轉變。車銑鏜磨多功（gōng）能複合型（xíng）機（jī）床是近（jìn）年（nián）來機床設計（jì）製造的主流，主要分為 : 一、以（yǐ）中小型機（jī）床主機結（jié）構為基礎，複（fù）合車銑鏜磨多種加工類（lèi）型的產品係列，此類產（chǎn）品的特點為加工效率高，配（pèi）合自（zì）動送料機，可以實現黑燈工廠。二、以大型機床主機結構為基礎，車銑鏜磨齒輪加工兼（jiān）備（bèi）的複（fù）合型加工（gōng）設備，此類設備（bèi）結（jié）構複雜（zá），部件多（duō），複（fù）合性強，精度高（gāo），對設計（jì）製造（zào）都提出了很高的要求。國內外主流廠商（shāng）均采用模塊化設計理念，以滿足大型複合機床的設計製造要求

二、模塊化設計涵義

模塊化設計的涵義（yì）就是要劃分並設計（jì）一係列的模塊，通過模塊的選擇和組合（hé）構成（chéng）不同的產品（pǐn），滿（mǎn）足市（shì）場的不同需求。所謂模塊就是 “一（yī）組具（jù）有同一功能和結合要素（指聯接部位的形狀、尺寸和聯（lián）接（jiē）件之間的配合參數等），而有不同用途（或（huò）性能）和不同結構（gòu）且能互換的（de）各個單元（零件、組件、部件或係統），或是能增加機（jī）床功能的單元”。模（mó）塊化（huà）設（shè）計方法不僅僅局限於金屬切削機床，還可（kě）以應用於砂型件切削和晶圓切割等新興機械領域。

選用（yòng）不同的模塊組合，可以組成不同要（yào）求的（de）單台機（jī）床（chuáng），還可以在進一步組合成（chéng）生產線，例如（rú）龍門類機床可以組合回轉工作（zuò）台模塊、車削頭模塊、立式磨頭模塊（kuài）、滾（gǔn）齒頭模塊等實現車、磨、滾齒（chǐ）等多種加工。

三、模塊化設計的特點

模塊化設（shè）計區別於傳（chuán）統設計主要在於（yú）其（qí）具有模塊化結構（gòu）和可重構能力，即能夠通過對機床組成部件或模塊的（de）重組與更替，調整其（qí）加工功能和某些性能（néng），及時、高效（xiào）地滿足被加（jiā）工零件的（de）各種（zhǒng）變化需求，同時（shí）也為機床部件在（zài）其壽命周期內反（fǎn）複重用，最大限度地實現設備改造、更新的節約化、高效化提供了一條有效途徑。機床模塊化（huà）的本質是基於幾何、物理（lǐ）的相似性，同時考慮了幾何 / 物理（lǐ）相似性的拓撲（pū）性，以及基於組合拓撲概念的廣義相似性（xìng），而（ér）且引入（rù）了極為重要的（de）模（mó）塊特性—接口整合理念，以實現模塊集成的 “相乘效果”。設（shè）計目（mù）標是使機床作為一種製造資源（yuán）在其整個壽命周期內的使用功能與性能的組合化、柔性（xìng）化，設計製造綠色化、節約化（huà）。

接口整合理念的應用是為了使模塊間更（gèng）具互（hù）換性，因而要求模塊與聯接件（jiàn）之間的結（jié）構要素應（yīng）有一致性。接口整合理念（niàn）最易在機床橫係列（同類產品）的（de）變型品種中加以實（shí）現，但是對於全（quán）係列產品（不同規格產品、複合機床）方麵，隻（zhī）要基本功（gōng）能相同，運動參數和動力參數相當，也可（kě）以實現模塊的接口（kǒu）整合（hé），尤其是一些帶有獨立性的功能單元，如主軸係統或輔助係統的模塊（kuài），更易於實現各模塊間的接口整合。

四、模塊化設（shè）計關鍵技術

1、模塊的劃分

機床模塊的（de）劃分是機床模塊化設計的關鍵問題，對於大型常規（guī）金屬切削機（jī）床（車、銑、磨、鏜、滾（gǔn）齒）及其他類似加工設備而言，模塊可以劃分為 : 常規機械模塊、通用智能模塊、電氣控製模塊（kuài）、輔助功能模塊四大類。

常規機械模塊共分為 12 大類，包含 : 床身及進給模塊、直線運動工作台模塊、滑座模塊、立（lì）式回轉（zhuǎn）運動工作台模塊（kuài）（轉台或回轉工作台）、臥式回（huí）轉運動工作台模（mó）塊（主軸箱及尾座）、立柱模塊、橫梁及進給係統模塊、核心功能模塊。核心功能模塊包含溜板模（mó）塊（kuài）及（jí）進給係統模塊、鏜銑（xǐ）削（xuē）模塊、車削模塊、磨削模塊、滾齒加工（gōng）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（jiān）控等模（mó）塊，此（cǐ）類模塊一般選用專業廠家生產的（de）成熟（shú）產品，結合數控係統模塊共同使用。輔助模塊一般為排屑器、自動上料機等成熟（shú）輔助設備，按需求選用即可。

2、模塊的（de）設計方法

常規機械模塊是模塊化設計的核心部分環節（jiē），各個模塊均有設（shè）計特點和難點。下文中著重論述典型模塊的設計方法。

床身（shēn）及進給模塊主要為機床的床身部分，是（shì）整個機床的基（jī）礎，是機（jī）床主要部件運動及切削過程中（zhōng）使機床具有足夠的剛度和精度的重（chóng）要保障。大型（xíng）機床床身及進給模塊一般考慮三個基礎要素 : 第一（yī）為承載量，第二為單體零件（jiàn）的長度，第三為進給係（xì）統的選擇。承載量（liàng）主要取決於床身（shēn）模塊（kuài）的導軌條數、導軌（guǐ）寬度（dù）和床身總體（tǐ）截麵，在設（shè）計規劃時要具（jù）有現實性和前瞻性，綜合幾類大型機床床身的共同點進行統（tǒng）籌設計，例（lì）如 : 龍門移動式鏜銑（xǐ）床（chuáng）、單（dān）柱移（yí）動式立式車床、落地鏜銑床三類（lèi）機床在床身模塊具有通用性，規劃設計時可以統籌進（jìn）行。大型機（jī）床床身一般為分段式設計，單體零件長度滿足數列優（yōu）先級的同時，可根據毛坯鑄造能力和（hé）零件加工能力進行設計，並（bìng）根據用戶要求組合成其需（xū）要的長度。進給係統方（fāng）麵，隨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（jì）術簡（jiǎn）化了直線軸進給運（yùn）動的設計（jì），為模塊（kuài）化設計的應用創造（zào）了條件。床身模塊基本采用鑄鐵或鋼板焊接兩大類，鑄（zhù）鐵床身一般采用灰鑄（zhù）鐵 HT250，此類鑄鐵具有高（gāo）的抗壓強度、優良的耐磨性和消振性，低的缺口敏感性，適用於承受壓力及（jí）振動的機床（chuáng）床身。如圖 1、2、3 所示。

圖 1 小規（guī）格床身截麵圖

圖 2 中規格床身截麵圖

圖（tú） 3 大規（guī）格（gé）床身（shēn）截麵圖

立（lì）式回轉工作台模塊（kuài）可以分為主運動類和進（jìn）給運動類兩種，主運動（dòng）類一般為立式（shì）車床中應（yīng）用的回轉工作台，其設計思路與（yǔ）床（chuáng）身模塊類似（sì）。進給運動類應用於落地鏜銑（xǐ）床和滾齒機中，主要區別（bié）在於二者的工作台麵外形（xíng）不同，落地鏜銑床為矩形（xíng），滾齒機為圓形。雖然外形不同，但是也（yě）可以（yǐ）應用模塊化設計理念，對回轉係統、底座係統、定位係統（tǒng）等采用模塊化設計（jì）。

立柱模塊主（zhǔ）要應用於龍門鏜銑床、立式（shì）車床、落地鏜銑床三類機床中，設計時參照床身模塊的設計（jì）思路（lù），確定導軌（guǐ）形式、跨距、截麵等要素，同時可以在鑄（zhù）造或焊接毛坯時應用（yòng）模塊化設計理念，以 500mm長度為單位，製作鑄件模型和砂芯，保證用戶要求的零（líng）件長（zhǎng）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（kuài）是龍門鏜（táng）銑床和立式車床的核（hé）心部（bù）件，對於（yú）橫梁截麵的模塊化設計規劃尤其重要，應根據橫梁載荷不同，設計導軌形（xíng）狀、跨距、進給係統位置等。如圖 6、7 所示。

圖（tú） 6 小規格橫梁截麵圖圖 7 中規格橫梁截麵圖

核心功能模（mó）塊是各類機床的重點設計環（huán）節。其（qí）中溜板模塊是橫梁與銑削模塊、車削模塊、磨削模塊的連接樞紐。溜（liū）板模塊設計主要考慮與各種功能（néng）模塊的（de）連接，要根據（jù）實際需求進行調整。

銑（xǐ）削、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（jī）床中（zhōng），以銑功能為主車功能為輔的，可以（yǐ）在鏜銑頭模塊上增加車削附件頭模塊，以擴展車削功能。如果是車削為主（zhǔ）銑削為輔，就是在車削頭增（zēng）加銑削附件頭。此外近年來國際知名廠商開發了適應龍門車銑複合機床使用的滾齒加工模塊（kuài），通過銑頭模塊、轉台模塊、滾齒模塊完成超（chāo）大齒圈加工的功（gōng）能模塊。在核心功能模塊（kuài）設計過程中要貫徹模塊化設計理念，例如（rú）在銑削模塊的主軸組件設計中（zhōng），在達到（dào）相同載荷和轉速的軸（zhóu）承配列形（xíng）式中，要優先選擇能（néng）夠（gòu）適應同係列銑（xǐ）削模塊的配列形式。

3、模塊化設計的應用

模塊化設計的應用主要分為橫係列應用（yòng）、全係列應（yīng）用、全生命（mìng）周（zhōu）期應用。

（1）模塊化設計橫係列應用

橫係列模塊化設計是指（zhǐ）在不改變機床主參（cān）數的條件下，利（lì）用模塊的（de）變化（huà）和組合發展為變型機床。此方法應用最為（wéi）廣泛，它大都是在基型品種礎上用更換或添加模塊（kuài）的方法形成很多變型品種。例如較為常見的小型臥式（shì）車銑複合機床就是典（diǎn）型（xíng）應用。

（2）模塊化設計全係列應用（yòng）

這種模塊化設計涉及的（de）因素較多，較（jiào）為複雜（zá），主要（yào）應用於功能模塊根據用戶要求組（zǔ）合成跨係列產（chǎn）品上。例如轉子槽銑床，主要由臥式主軸箱（xiāng）、尾（wěi）座箱、落地鏜銑床基本模塊和專用附（fù）件銑頭（tóu）模塊組成，滿足車、銑、磨加工需求，特別是轉子聖誕（dàn）樹槽的加工，專用附件銑頭模塊可以提高加工精（jīng）度（dù）和效率（lǜ）。

（3）模塊化設計在機床全生命周期內應（yīng）用

模塊化設（shè）計在機床（chuáng）全生命周期內的應用（yòng）主要是近年來機床綠色再製造理念的提出（chū），機床（chuáng）全生命（mìng）周期內的再製造是節約資源，促進（jìn）生產的重要體現。再製（zhì）造可以根據實際情況分為兩類。第一類為較大規模的機（jī）床再製造（zào），是（shì）指通過更換機床主要功（gōng）能模塊，使（shǐ）原有機床功能大大增加的再製造。例如整體更換溜板滑枕功能部件組、進給係（xì）統（tǒng）、液壓係統等關鍵核心模塊。第二類為一般規模（mó）機床再製造，此類機床再製造主要包括 : 一、根據機床的實際情況，更換主軸（zhóu）電動機、進給電動機（jī）、液壓站等完善機床已有功能的機床再製造。二、針對機床實際使用（yòng）過程中表現出的突出問題（tí）進行改進並增加一些新功能的再製造，如給（gěi）龍門鏜銑床橫梁進給係統增加雙邊電動機（jī）拖動、雙邊位（wèi）置檢測、液壓站雙通（tōng）道單獨過濾、冷卻等（děng）功能（néng）。

五、結（jié）語

本文（wén）以複合型數控機床（chuáng）產品為研（yán）究（jiū）對象，對產品模塊化設計的理論（lùn）、方式（shì）與一般過程、實現的方法和關鍵技術進行論述，特別是模塊化設計方法在具體功（gōng）能模塊中的設計應用和注意要點，有助於企業實現係（xì）統的產品模塊化戰略（luè），快速響應市場需求（qiú）。

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