可重构螺旋球窝加工机床研究.pdf

孛木交； 赢 理论 ， 研发 ， 设计 ， 制涟 可重构螺旋球窝 加工机床研究 高建国 常州机 电职业技术学 院 ， 江苏 常 州 2 1 3 1 6 4 S t u d y O i l Re c o n fig u r a bl e S p i r a l a nd S o c k e t M a c hi ne To o l s GAO J i a n g u o C h a n g z h o u I n s t i t u t e o f Me c h a t r o n i c T e c h n o l o g y ，C h a n g z h o u 2 1 3 1 6 4， C h i n a Ab s t r a c t Re c o n fig u r a b l e ma c h i n e t o o l s h a v e b e e n wi d e l y u s e d i n t h e a p p l i c a t i o n o f d i v e r s e t y p e s a n d s ma l l a n d me d i u m b a t c h e s o f p r o d u c t i o n ． T h i s a r t i c l e s t u d i e s t h e f e a t u r e s o f r e c o n fi g u r a b l e ma c h i n e t o o l s a n d i t s d e s i g n i n g ， b a s e d o n t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f r e c o n fi g u r a b l e s p i r a l b a l l a n d s o c k e t ma c h i n i n g t o o l s ．Du r i n g t h e d e s i g n i n g ， p a r t s f a mi l y v a r i a t i o n s h o u l d b e c o n s i d e r e d ．Me c h a n i c a l mo d u l e s a r e d e s i g n e d a c c o r d i n g t o r e c o n f i g u r a t i o n c a p a b i l i t y ．T h e c o mb i n a t i o n o f P L C a n d t o u c h p a d i s s e l e c t e d a s t h e c o n t r o l l i n g s y s t e m o f t h e ma c h i n e ． Ke y wo r d s r e c 0 n g u r a b l e ； s p i r a l b a l l a n d s o c k e t ； ma c h i n e t o o l s 1 引 言 全球化经济激 发的市场激 烈竞争和客户对产品需求 的 日益个性化趋势 ，引起产品品种增多及市场生命周期 不断缩短 n 。为此提供满足不同客户需求的个性化定制 产品的多品种 、 中小批量定制生产是 当前制造业 的需求 ， 而传统的生产制模式根本无法适应这种变化。 可重构制造系统通过配置合适功能的机床 ，对给定 范围的生产需求提供定制化柔性 ， 当需求变化时 ， 在最大 化利用现有 资源的基础上 ，通过对制造系统结构及组成 单元的快速重组或更新 ， 经济地转换成新的制造系统 ， 来 定制地响应新需求 。因而可重构制造系统迎合 了市场 的需求。 可重构机床可通过 自身结构 的变化 ，重新配置机床 功能 ； 当工序需求发生变化 时 ， 能通过快速 、 经 济地重新 配置其硬件 、 软件 ， 从而定制地响应新需求。可重构机床 是可重构系统实现的基石 。 2 可重构机床特点 从理论上来说 ， 只要时间和成本允许 ， 任何机床都可 以重构。可重构机床相对于其他机床而言是 可以快速经 济地重构 ， 它具有 以下特点 1 定制性 与数控机床 、 柔性制造单元不 同， 可重构 机床为了降低重构成本 ， 可重构机床的重构能力不是无限 的。可重构机床可围绕某一族零部件设计 ， 只需要对特殊 的零部件提供柔性 ， 因此降低 了成本 ， 提高了响应速度。 2 可重构性 可重构机床就是为重构而设计 的 ， 因 此这是其基本特性 ， 也是其区别 于其他机床 的主要方面。 5 0{ 机械工程师 2 0 1 0 年第9 期 可重构机床 的功能在用户手中是经常变化 的，用户通过 对机床组成部件或模块 的重组与更替 ，调整其加工功能 和某些性能， 及时 、 高效地满足工序需求的变化。要经常 对产品的功能 、结构和布局进行重组以适应 序需求的 变化。 3 模块性 可重构机床 的特点决定了它必须采用模 块化设计 。模块化结构使得在现有的机床配置中添加与 取消功能成 为可能 ，模块化结构 同时也提高了机床的可 维护性。模块化结构可使得机床部件在其寿命周期 内反 复重用 ， 最大 限度地 实现机床改造 、 更新的节约化 、 高效 化。可重构机床的模块性是通过硬件与软件的模块化结 构达到的。 4 可集成性 为了延伸可重构机床 的重构能 力 ， 可 重构机床的模块应具有友好的接 口设计 ，使得客户可根 据不同需要进行扩展。集成后 的性能根据模块的性能和 软件与硬件模块 的接 口预测。 3 可重构机床设计原则 1 针对工序族变化进行定制化设计 工序族指源于 不同零件族具有相似工序加工特征并可聚合在同一机床 上完成的工序组合的集合 ，可重构机床是为工序族定制 设计的 ， 首要任务是进行工序族划分 。 其划分特征参数有 零件类型 、 零件尺寸 、 材料硬度 、 刀具直径 、 安装基准及进 刀方向等， 划分方法有人工挑选和机器选择法。 2 从一开始就 为重构而设计 设计可重构机床的 目 的是重 构 ， 因此 ， 可重 构机床 的硬 、 软件结构从一开始就 应该为工序族的可能变化而设计。 工序族的变化范围、 各 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 零件生产周期决定 了可重构机床 的重构频率和成本 ， 即 重构能力 。 3 为易于集成设计 可重构机床与其他机床的区别 在于重构 ， 而且是一种频繁重构 ， 因此为了机床能经济 、 快 速重构 ， 其机械系统和控制系统都应该采用模块化结构且 粒度相同， 以使两者易于集成和同步重构。一旦机械模块 重构， 相应的控制模块也能同步重构 ， 不需要重新设计 。 4 平衡重构时 间、 可重构性与投 资成本 可重构机 床应该通过缩短重构时间来降低生产的周期 ；通过提高 可重构性与资源利用率来降低生产的成本。 通常 ， 重构 时 间的缩短 、可重构性的提高 与资源利用率 的提高又会增 加投资成本 包括设计成本与设备制造成本 ， 因此 ， 应该 在综合评价经济性 和可重构性 的基础上 ，确定 可重构机 床的模块粒度 。 4 可重构机床设计过程 可重构机床的设计必 需针对工序族的变化进行 定制化设计 ，其设计过程 如图 1 所示 。可重构机床 设计是一个反复优化 的过 程 ，可重构机床设计 的关 键是针对工序族的可重构 模块设计 。 模块的划分可根据加 工过程的运动方式来确定 ； 各模块的设计应该从零件 加工的工艺出发 ， 减少冗余 结构； 各功能模块应该可以 进行快速 、 可靠的重构 。为 了保证机床能够快速、 可靠 的进行重构， 一般可重构机 床可为两大部分 机械模块与控制模块 ， 两大模块又可分为 若干个子模块。 5 可重构螺旋球窝机床 1 工序族分析 如图 2 所示 ，工序族为加工各种规格的压盘螺纹球 窝 ， 工序族变化值为球窝分布直径 、 球窝大小 、 球窝升角 、 球窝深度 、 球窝数量。 理论 ， 研发 ， 设计 ， 制造 孛木交； 赢 采用球头铣 刀直接从螺旋球窝最浅处下刀 ，工件 围 绕中心线作旋转运动 ， 刀具沿主轴轴线向内运动 ， 直至螺 旋球窝最深处 ， 然后工件停止转动 ， 刀具沿轴线退刀 。 2 重构策略 首先根据工序族的变化分别分析其重构策略 ，分析 结果如表 1 所示。 表 1 序号 工序族变化 重构策略 由于球窝分布直径较小 ，所以通过增加 主轴数量来 满足工序族变化相对来说较难实现 ，所 以采用单刀方式 较合理。总体重 构策略为 主轴与工件中心距离可重构 ； 工件旋转与刀具直线进给联动可重构。 3 机械模块设计 根据重构策 略，机床机械部分 由主轴模块 、进给模 块 、 定位模块 、 夹具模块 、 支座模块 调整模块 、 床身模块 等六大模块所构成 。其 中主轴模块 、 进给模块 、 定位模块 需要有动力源。 为 了保证各动力模块具有 良好的重构性 、 模块之间具有联动能力 ， 因此动力源采用伺服电机。 4 控制模块设计 数控系统与 P L C都可 以用于可重构机床的控制 器。 数控系统 的特点是 终端使用简单 ， 多轴联动控制方便 ， 二次开发对人员的要求较高 ， 一次性投入较高 ； P L C的特 点是 编程方法简单易学 ， 可靠性高 ， 一次性投人较少等。 因此 ， 数控 系统更适用于大型的 、 需复杂运动轨迹的 、 具 有多轴联动要求较高 的、需 闭环控制等较复杂的可重构 机床或系统 ， P L C更适用于小型的 、运动轨迹较单一的 、 开环控制等较简单的可重构机床。 对于可重构螺旋球窝加工机床而言 ， 每一次重组后 ， 所需控制 的运动 比较单一 ， 主要为直线运动与旋转运动 ， 每一个运 动过程速度一样不需要变化 ，因此该机床 的控 制器可以采用 P L C控制 。 5 优化设计 图 3 可重构螺旋球窝加工机床机械模 块 1 庆 具模块2 ． 主轴模 块3 ． 进给模块4 ． 支座模块 5 ． 进给模块6 ． 床身模块 机械工程师 2 0 1 0 年第9 期j 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 字木交i j ； i 理论 ／ 研发 ／ 设计 ， 制造 平面四杆机构急回 特性分析 边巍 江苏财经职业 技术学院 ， 江 苏 淮 安 2 2 3 0 0 1 An a l y s i s o f t h e Qu i c k Re t u r n Ch a r a c t e r i s t i c i n F o u r - b a r Li n k a g e BI AN W e i J i a n g s u Vo c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e o f F i n a n c e E c o n o mi c s ， Hu a i a n 2 2 3 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e q u i c k～ r e t u r n c h a r a c t e r i s t i c s o f f o u r b a r l i n k a g e c o n c e p t i n t e x t b o o k ，t h e q u i c k r e t u r n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e o s c i l l a t i n g g u i d e - b a r me c h a n i s m，d o u b l e c r a n k me c h a n i s m，s l i d e r - c r a n k me c h a n i s m a r e a n a l y z e d ． T h e d i f f e r e n c e o f t h e q u i c k r e t u r n c h a r a c t e r i s t i c s o f d o u b l e c r a n k me c h a n i s m， s l i d e r - c r a n k me c h a n i s m a n d g u i d e - b a r me c h a n i s m a r e a n a l y z e d ， a n d t h e r e s u l t s a r e h e l p f u l t o u n d e r s t a n d q u i c k r e t u r n c h a r a c t e r i s t i c s b e t t e r ． Ke y wo r d s q u i c k - r e t u r n c h a r a c t e r i s t i c s t i me r a t i o ； f o u r - b a r l i n k a g e 急回特性是四杆机构的一个重要特性 ，在工程实际 中可 以应用急回特性缩短非生产 时间 ， 提高生产效率 。 在 教科书上研究连杆机构的急 回特性 时，都以曲柄摇杆机 构 为例讨 论机构急 回特性 ，对于其他 四杆机构 是否具有 急回特性 ， 本文分别对不同类型的四杆机构进行分析 。 1 平面 四杆机构分类 平面 四杆机构 根据是 否具有 曲柄分 为曲柄摇杆 机 构 、 双曲柄 机构 、 双摇 杆机构 ， 又可演 化为带有 滑块的 四 杆机构 ， 主要有 曲柄滑块机构 对心 和偏心 、 定块机构 、 导杆机构 摆动导杆和移动导杆 机构。 要分析急回特性 ， 根据急 回特性定义 ，所 以我们对含有曲柄 的几种机构分 别进行分析 。 2 摆动导杆机构急回特性分析 如 图 l 所示 为一摆 动导杆 机构 ，主要用于牛头刨床机构 中。运动原理 当 曲柄 A曰绕 A 点做等速转动时 ， 摆杆 BC以 G 点为基点做来 回摆动 。在 曲柄 转 一整周 的过 程中 ， 摇杆分 别有两个极限位置 A曰 和 AB 。 将各功能模块按图 3所示 ， 组装成一 台可重构螺旋球 窝加工机床。 该机床能根据加工需要快速 、 可靠地重构 。 但 由于主轴模块设计成单轴 ， 加工球窝数越多则机床的效率 越低 ， 但如果为 了提高生产效率 ， 将 主轴模块设计成多轴 模式 ， 也会造成可重构性差的问题。所以最终根据零件批 量 的大小 ，将批量较大 的工序的主轴模块设计成多轴模 块 ， 而批量较小的工序加工仍采用单轴主轴模块 。 6结语 可重构机床作为一种全新 的机床类 型， 具有定制性 、 可重构性 、 模块性 、 可集成性。可重构机床的特点决定 了 可重构机床设计必须针对工序族 的变化进行重构策略设 计 ， 在此基础上进行机床模块设计 ， 最后进行优化设计 。 可重构螺旋球窝加_丁机床的研制成功为可重构机床提供 了一种设计思路。 [ 参考文献 ] [ 1 ] 许 虹 ． 可重 构机 床设 计理 论 与方 法研 究 [ D] ． 杭 州 浙 江大 学 ， 5 2 l 机械工程师 2 0 1 0 年第9 期 2 0 03 1 - 5 ． [ 2 ] ME HR AB I M G， e t a l ， R e c o n fig u r a b l e Ma n u f a c t u r i n g S y s t e ms K e y t o F u t u r e M a n u f a c t u r i n g[ J 1 ． J o u r n a l o f I n t e l l i g e n t M a n u f a c t u r i n g ， 2 0 0 0 1 1 4 0 3 4 0 9 ． [ 3 ] L A N DE R S R G ． A N e w P a r a d i g m i n M a c h i n e T o o l s R e c o n fi g u r a b l e Ma c h i n e T o o l s [ C] ／ ／ 2 0 0 0 J a p a n - U S A S y mp o s i u m o n F l e x i b l e Au t o ma t i o n， Ann Ar b o r ， Mi c h i g a n， US A ， 7 2 3 2 6． 1 4j L AN DE R S R G， e t a 1 ． Re c o n fi g u r a b l e Ma c h i n e T o o l s l J j ．An n a l s o f t h e C I RP ． 2 0 0 1 ， 5 0 1 2 6 9 2 7 4 ． [ 5 j 许虹 ， 王庆 明． 可重构机床设计 基本理论研究 [ J ] 姐 合机床与 自 动化加工技术 ， 2 0 0 5 4 3 9 4 2 ． [ 6 ] 许虹， 王庆明． 可重构机床设计[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 5 ， 1 6 7 5 8 8 5 9 3 ． 编辑 黄获 作 者 简介 高建 国 1 9 7 3 一 ， 男， 讲 师／ 工程 师 ， 工程硕 士 ， 主要研 究方 向为机械 加工工 艺及设备 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m