可重构机床及其关键技术

  　　1概述

    　21世纪的制造企业面对的是动态多变的市场环境，用户要求在最短的时间内获得“个性化”的产品。因此，制造企业应该也必须发展多品种、小批量生产技术(或大规模客户化制造)，在“更快、更好、更便宜”的竞争中找到自己的最佳位置。敏捷制造是美国人于上世纪末提出的制造企业发展战略，敏捷制造企业的主要特征之一就是工艺过程和制造系统的可重构性。

    　1998年，美国国家研究委员会发表了一份研究报告:2020年制造业面临的挑战。在这个报告中，专家们确定了未来20年制造企业面临的六大挑战和必须优先解决的10项关键技术，可重构企业和可重构制造系统均名列其中，可重构制造系统甚至被列为10大关键技术的第一位。为此，美国国家自然科学基金委员会1996年投资密西根大学成立了可重构制造系统工程研究中心，每年投资300万美元，连续支持11年。美国的30多家知名制造企业也积极参加这一计划，来自这些企业的资金注入每年也达到300万美元以上。2001年5月在密西根大学召开了CIRP第一届柔性、可重构制造国际会议。从论文的来源、研究深度以及参加会议的人员看，可重构制造已经成为国际学术界和企业关注的重点。可重构制造系统涉及的内容很多，其中最重要的一项内容就是可重构机床(ReconfigurableMachineTools，RMT)的研究和开发，它的成功对实现可重构制造系统和敏捷制造具有决定性的意义。到目前，可重构机床的理论研究已取得一定的进展，并且取得一项发明专利，但整个研究工作还没有形成完整的体系，研究的深入程度不够，可重构机床的原型尚未制造出来。本文首先介绍可重构机床的基本概念，然后讨论可重构机床的几项关键技术，最后提出在我国开展可重构机床研究的几点建议。

   　 2可重构机床的基本概念可重构机床也是一种模块化机床，它集专用机床、组合机床和数控机床的优点于一身，同时避免了它们的不足。它具有以下一些基本特征:机床是由一些基本模块根据功能需求组合而成的：机床结构和布局可以根据产品的变化进行快速重组：机床的模块结构(硬件、软件、控制系统)是标准化的：模块之间具有统一的、标准化的界面：机床的设计是以产品族为基础的：机床的功能可以改变，但基本无功能冗余：机床与制造系统的接口也是标准化的，以便于整个系统的重组。

    　可重构机床的主要优点有:高柔性，可以极大地缩短产品的改型换代时间：与数控机床相比，在满足加工需求的条件下可以简化机床的功能和结构：模块化结构便于组织专业化的大规模生产：专业化生产可以提高产品的成熟度和质量，同时可以降低机床产品的成本和价格：机床便于维修，只需更换相应的模块即可：有利于通过计算机网络实现动态联盟：机床的功能零部件可以重复利用，提高了机床的环保性：多刀加工，可以有效提高生产效率。由此可见，可重构机床并不是个新概念，因为模块化设计的概念和组合机床已经存在了很多年。但是，可重构机床与一般的模块化产品和组合机床还是有着本质性的区别，主要体现在以下几个方面:使用中的可重构性一般模块化机械产品的着眼点都是在产品的出厂功能上，模块化的概念及实施只局限在制造企业内部，用户往往意识不到模块化，因为产品在用户手中一般不会改变使用功能，即使组合机床也是如此。但可重构机床的功能在用户手中却是经常变化的，用户要经常对产品的功能、结构和布局进行重组以适应市场需求的变化，这是可重构机床区别于其他模块化产品的主要方面。因此，可重构机床的设计和研究必须围绕这一特点来进行。

    　冗余问题

   　 用户在使用一般的模块化产品时，不需要储备大量的备用模块。但对于可重构机床，为了满足重构的需求，各个用户一般均需要储备比较多的功能模块，占用大量的资金和场地。这种冗余现象可能是可重构机床所面临的主要问题之一。事实上，这个问题并不难解决。只要通过计算机网络在全国建立若干个可重构机床功能模块仓储中心，这些仓储中心负责提供和回收(当然要收取一定的费用)机床和模块，以及负责本地区所有可重构机床的信息管理和重构工作，用户则仅仅是使用设备。这种方式可以实现资源的最大化利用。

    　模块的标准化

    　一般的模块化产品很难实现国家或行业级的标准化，因为产品的功能是制造厂家的特色，在使用过程中也不需要重构。因此，某一厂家生产的产品往往会排斥其他厂家的模块。可重构机床则正好相反，它的理论基础就是国家或行业级的标准化，只有这样才能方便用户，用不同厂家的零部件模块组合成具有不同功能和性能的机床，这一点跟组合机床相似。模块的专业化生产一般模块化产品的概念仅局限在制造企业内部，不同企业的产品模块之间没有互换性，因此无法组织模块的专业化生产。组合机床的出现使得通用部件的专业化生产成为可能。这种专业化的生产既可扩大生产规模，又可提高产品的质量。可重构机床继承了组合机床的这一特点，各种模块均可由专业厂组织研制和生产。实际上，目前的组合机床通用部件生产厂均可转去生产可重构机床的功能模块。对我国大多数中小型机床制造厂家来说，这是个千载难逢的发展机遇。

    　3可重构机床的关键技术可重构机床的研究和应用与一般金属切削机床和模块化设计之间有相同之处，但在研究内容和研究方法上也有很多差异。可重构机床的研究应集中在以下几个方面:机械界面研究及其标准化

    　模块化设计主要包括两项内容:模块的划分、设计和综合：模块之间机械界面的通用化和标准化设计。模块化设计理论已经出现了几十年，但在实际中一直没有得到广泛应用。究其原因，主要是机械界面部分研究得很不够，人们往往将注意力集中在模块的划分、设计和综合方面。事实上，模块化设计能否得到广泛应用，与机械界面的设计和标准化关系极大。如果不同厂家生产的功能模块不能快速互换，模块化设计就只能局限在某一特定企业的产品上。

   　 对于可重构机床，由于重构的频率极高，如果不能实现模块之间的快速高精度互换，可重构机床就没有任何实际意义。可重构机床的机械界面主要分为两大类:界面之间没有相对运动，界面之间存在相对运动。界面的研究主要包括以下内容:界面结合的精度、稳定性和可靠性：界面的标准化、模块更换的快速性和方便性。此外，作为可重构制造系统的一个功能单元，还应研究可重构机床与可重构制造系统其他部分的界面及其快速互换性。重构策略研究虽然可重构机床的设计应该满足频繁重构的需求，但重构毕竟是个相当费时费力的过程，重构的精度和可靠性也或多或少会受到一些影响。因此，应采取一定的策略尽量减少重构次数，同时还应尽量避免对主要结构的重构。可重构策略的研究可以从以下几个方面去着手:从可重构机床加工对象的设计和成族方面(基于可重构机床的产品设计)、从功能模块的划分和综合方面、从功能模块的结构设计方面、从可重构制造系统的调度方面。模块的划分、综合及标准化如何正确划分功能模块是可重构机床的主要研究内容之一。

    　正确合理的模块划分可以简化机床的结构，降低机床的重构频率，提高模块之间的精度匹配，减少重构操作的工作量，美化机床的外观。另外，可重构机床功能模块的标准化也极其重要，只有实现标准化，才便于组织专业化的大规模生产，实现不同厂家模块的互换。可重构机床的功能研究可重构机床的主要特征之一是结构简化并无冗余功能。因此应对其功能展开研究。目前的数控机床被设计成“万能型”，它的硬件和控制软件功能非常齐全，造成大量的功能冗余，增加了系统的复杂性。对功能开展研究的目的就是通过模块的合理划分，使得机床只拥有必需的功能，这样可以大大简化机床的结构，提高系统的精度、可靠性和工作效率。在控制系统和软件方面，需要突破目前数控系统大而全的概念，采用模块化的结构，在重构时只配置必要的控制模块。可重构数控系统研究与组合机床不同，可重构机床必须能够适应不同的加工对象。为了提高机床的自动调整水平，可重构机床必须应用数控系统。在传统的数控系统中，为了广泛适应不同的加工对象，它必须提供所有的功能，尽管有些功能可能从来没有被使用过。相反，可重构机床在其工作状态下不允许出现冗余功能。因此，必须对可重构数控系统进行研究，当机床被重组时，仅仅选择必需的控制模块即可。

    　这样的数控系统具有结构简单、可靠性高、使用方便等特点。需要说明的是，可重构数控系统与传统的模块化数控系统并不是相同的概念，尽管可重构数控系统在系统结构上也是模块化的。新技术在可重构机床中的应用在可重构机床中，必须引进各种新技术，例如直线电动机技术、滚动导轨技术等。这里需要特别强调直线电动机技术在可重构机床中的应用。利用直线电动机技术，取消了一切传递环节(即所谓的零传动)，可以极大地简化机床的结构，便于模块的重新组合和调整，非常适合于可重构的特点。可重构机床的计算机信息管理与一般的模块化机床不同，可重构机床在出厂时必须伴随重构技术说明和一定数量的备用功能模块，这些信息应该由计算机管理起来。另外，为了减少用户的技术投入和资金占用，应该成立地区性的可重构机床功能模块存储中心，具体负责本地区所有可重构机床的管理工作，并协助企业完成机床的重构。因此，必须开发相应的计算机管理系统(包括模块的仓储管理、重构信息管理、用户管理、重构过程中的仿真、可重构数控系统的管理等)，为制造企业提供周到的服务。

    　4建议可重构机床的出现为我国机床行业的发展带来一个大好机遇，希望我国从事机床教学和研究的人员以及机床生产企业能够抓住这一机遇，实现机床行业的跨越式发展。为此，特提出以下建议:国家组织有关高等院校、研究机构和机床生产企业联合开展可重构机床关键技术的攻关研究，密切注视国际研究动向，力争尽快赶超国际先进水平。

    　中小型机床厂应由整机生产转去生产功能模块。专业化生产在技术先进性、交货期和质量保证诸方面都具有独到优势，才能在激烈的市场竞争中取胜。实现可重构机床的核心是标准化，否则模块化只能局限在某一特定企业的产品上，根本无法组织专业化的大规模生产。为此，建议国家成立可重构机床标准化研究机构，负责研究制定有关标准，为功能模块的专业化生产打好基础。

   　 在全国建立若干个可重构机床功能模块仓储中心，由这些仓储中心负责根据用户提出的需求进行机床的组装和重构，用户则付费租用组装或重构的机床而无需购买这些机床和功能模块，这样既减轻了用户的负担，又可以实现资源的最大化利用。此外，仓储中心还应负责本地区所有可重构机床的信息管理。5结束语可重构机床作为实现敏捷制造的关键技术之一已受到国内外学术界的高度重视，我国有关研究机构和机床制造企业应立即开展可重构机床的研究。可重构机床不同于一般的模块化设计，其主要特征除模块化外，主要体现在可重构性和标准化上。可重构性意味着机床的功能模块可以被方便地重组以实现预定的功能。标准化则有助于实现可重构机床功能模块的专业化大规模制造。为此，提出了5大关键技术:机械界面研究、重构策略研究、模块的规划、机床及其功能模块的功能研究、信息管理系统研究：并对在我国开展可重构制造机床的研究提出了几点建议。

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