模塊化設計在複合型機床設計中的應用-加工中心網-數控機床市場網

您（nín）現在的位置：加工中心網> 企業動態> 模塊化設計（jì）在複合型機床設計中的應用

模（mó）塊化設計在複合型機床設計中的應用

2023-7-6 來（lái）源：北京機科國創輕量化科學研（yán）究（jiū）院有限公司作者：侯明鵬

一（yī）、引言

隨著工業技術的快速發展，數控機床已經從原有單功能型加工設備向多元化複（fù）合型加工設備轉變。車銑鏜磨多功能（néng）複合型機床是（shì）近年來機床設計製造的主流，主（zhǔ）要分為 : 一（yī）、以中小型（xíng）機床主機（jī）結構為基礎，複（fù）合車銑鏜磨多種加工類型的產（chǎn）品係列，此類產（chǎn）品的特點為加工效率高，配合自動送（sòng）料機，可以實現黑（hēi）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）備的複合型加工設備，此類（lèi）設備結構複雜，部（bù）件多，複合性強，精度高，對設計製造都提出了很高的（de）要求。國內（nèi）外主流廠商均采用模（mó）塊化設計理念，以滿足大型複合機床（chuáng）的設計製造要求

二、模塊化設計涵義

模塊化（huà）設計的涵義就是要劃（huá）分並設計一（yī）係列的模塊，通過模塊的（de）選擇和組（zǔ）合構成不同的產品，滿足市場的不同需求。所謂（wèi）模塊就是（shì） “一組具有（yǒu）同一功能和結合要素（指聯接部位的形（xíng）狀、尺寸和聯接件之間的配合參數等），而有不同用途（或性能）和不同結構且能互換（huàn）的各個單元（零件、組件、部件或係統），或是（shì）能增加機床功能的單元”。模塊化（huà）設計方法不僅僅局限於金（jīn）屬切削機（jī）床，還可以應用於砂型件切削和晶圓切割等新（xīn）興（xìng）機械領域。

選用不同的模塊組合，可以組成不同要求的單台機床，還可以（yǐ）在進一（yī）步組合成生產線，例如龍門類機床可以組合（hé）回轉工作台模（mó）塊、車削頭模塊、立式磨頭模塊、滾齒頭模塊等實現車、磨、滾（gǔn）齒等多種（zhǒng）加（jiā）工。

三（sān）、模塊化設計的特點

模塊化設計區別於傳（chuán）統設計主要在於其具有模塊化結（jié）構和可重構能力，即能夠通過對機床組成（chéng）部件或模塊的重組與更替，調（diào）整其加工功能和某些性能，及時、高（gāo）效地滿足被加工零件的各種變化需求，同時也（yě）為機床部件（jiàn）在其壽命周期內反複重用，最大限度地實現設備改造、更新的節約化、高效化（huà）提供了一條有效途徑。機床模塊化的本質是基於幾何（hé）、物（wù）理的相似性（xìng），同時考慮了（le）幾何 / 物理相似性的拓撲性，以（yǐ）及基於組合拓撲概念的廣義相似性，而且引（yǐn）入了極為重要的模塊特性—接口整合理（lǐ）念，以實現模塊集成的（de） “相乘效果”。設（shè）計目標（biāo）是使機床作為（wéi）一種製造資（zī）源在（zài）其整個壽命周期內的使用功能與性能的組合化、柔（róu）性（xìng）化，設計製造綠色化、節（jiē）約化。

接口整合理念的應用是為了使模塊間更具互（hù）換性，因而要（yào）求模塊與聯接件之間（jiān）的結構（gòu）要素應有一致（zhì）性。接口整合理念最易在機床橫係列（同類產品）的變型品種中（zhōng）加（jiā）以實現，但是對於全（quán）係列產品（不同規格（gé）產品（pǐn）、複合機床）方麵，隻要基本功能相同，運（yùn）動參數和（hé）動力參數相當，也可以實現模塊的接（jiē）口整合（hé），尤（yóu）其是一些帶有獨立性的功能單元，如（rú）主軸係（xì）統（tǒng）或輔（fǔ）助係統的模塊，更易於實（shí）現各（gè）模（mó）塊間的接口整合。

四（sì）、模塊化（huà）設計關鍵技術

1、模塊的劃分

機床模塊的劃分是機床模塊化設計的關鍵問題，對於大型常規金屬切削機床（chuáng）（車、銑、磨、鏜（táng）、滾齒）及其他類似加工設備而言，模（mó）塊可以劃分為 : 常規機械模（mó）塊、通（tōng）用智能模塊、電氣控製模塊、輔助功能模塊四大類。

常規機械（xiè）模塊（kuài）共分為（wéi） 12 大類，包含 : 床身及進給（gěi）模塊、直線運（yùn）動工作台模（mó）塊、滑（huá）座模塊、立式回轉運動工作台模塊（轉台或回轉工（gōng）作台）、臥式回轉運動工（gōng）作（zuò）台模塊（主軸箱及尾座）、立柱模（mó）塊、橫梁及進給係統模塊、核心功能（néng）模塊。核心功能模塊包含溜板模塊及進給係統模塊、鏜銑削模塊、車削模塊、磨削模塊、滾齒加工模塊。通用智能模塊一般為目（mù）前較為先進的（de）機器視覺、智能感應、機床工（gōng）作狀（zhuàng）態監（jiān）控等模塊，此類模塊一般選用專業廠家生產的成熟產品，結合數控係統模塊共同使用。輔助模塊一（yī）般為排屑器、自動上料機（jī）等（děng）成熟輔助（zhù）設備，按需求選用即可。

2、模塊的設（shè）計方法

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

床身及進給模塊主要為機床的床身部分，是整個機床的基礎，是機床主要部件運（yùn）動及切削（xuē）過程中（zhōng）使機床具有足夠的剛度和精度（dù）的重要保障。大型機床床身（shēn）及進給模塊一般考慮三（sān）個基礎要素 : 第一為承載量，第二為單體零件的長（zhǎng）度，第（dì）三為進給係統的選擇。承載量主要取決於（yú）床身（shēn）模塊的導軌條數、導軌（guǐ）寬度和床（chuáng）身總（zǒng）體截麵，在設計（jì）規（guī）劃時（shí）要具（jù）有現實性和前瞻性，綜合幾類大型機床床身的共（gòng）同點（diǎn）進行統籌設計，例（lì）如 : 龍門移動式（shì）鏜銑床、單（dān）柱移動式立式車床、落地鏜銑床三類機床在床身模塊具有通（tōng）用性，規劃設計時可以統籌進行。大型機床床身一般為（wéi）分段式設計，單體零件長度（dù）滿足數列優先級（jí）的同時，可根據毛（máo）坯鑄造能力和零件加工能力進行（háng）設計，並根（gēn）據用戶要求組合成其（qí）需要的長度。進給係統方麵，隨著行星齒輪減速機的（de）廣泛應用，雙電機消除間隙的（de）齒輪齒條驅動技術簡化了直線軸進給運動的設（shè）計，為模塊化設計的應用創造了條件（jiàn）。床（chuáng）身模塊基本采用鑄鐵或鋼板焊接兩大類，鑄鐵床身一般采用灰鑄鐵 HT250，此類鑄鐵（tiě）具有高的抗壓強度、優良的耐磨性和消振性，低的缺口敏感性（xìng），適用於承受（shòu）壓力及（jí）振動的（de）機床床身。如圖 1、2、3 所示。

圖 1 小規格床身截麵圖

圖 2 中規格床身截麵圖

圖 3 大（dà）規格（gé）床身截麵圖

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

立柱模塊主要（yào）應用於龍門鏜銑（xǐ）床、立式車床、落地鏜銑床三類機床中，設計時參照床身模塊的設（shè）計思路，確定導軌形式、跨距、截麵等要素，同（tóng）時可以在鑄造或焊接毛坯時應用模塊化設計理念，以 500mm長度（dù）為單位，製作鑄件（jiàn）模型和砂芯，保證用戶要求的零（líng）件長度快速實現。如圖 4、5 所示。

圖 4 小規格立柱截麵圖（tú）圖 5 中規格立柱截麵圖

橫梁模塊是龍（lóng）門鏜銑（xǐ）床和立式車床的核心部件，對於橫梁截麵的模塊化（huà）設計規劃尤其（qí）重要，應根據橫梁載荷不同，設（shè）計導軌形狀、跨距、進給係統位置等。如圖 6、7 所示

圖 6 小規格橫梁截麵（miàn）圖圖 7 中規格橫梁截麵圖

核心功能模塊是各類（lèi）機床的重點設計環節。其中溜板模塊是橫梁與銑削模塊、車削模塊（kuài）、磨削模塊的連（lián）接（jiē）樞紐。溜板模塊設計主要考慮與各種功能模（mó）塊的（de）連接，要根據實（shí）際需求進行調整。銑削、車削、磨削、滾齒模塊要根據機床核心功能要（yào）求設計。例如複合機床中，以（yǐ）銑功（gōng）能為主（zhǔ）車（chē）功能為輔的，可以在鏜銑頭模塊上增加（jiā）車削（xuē）附件頭模塊，以擴展車削（xuē）功能。如果是車削為主銑削為輔，就（jiù）是在車削頭增加銑削附（fù）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滾（gǔn）齒（chǐ）加工模塊，通過銑頭模塊、轉（zhuǎn）台（tái）模塊、滾齒模塊完成超大齒圈加工的功能模塊（kuài）。在核心功能模塊設計（jì）過程中要貫（guàn）徹模塊化設計理念，例在銑削模（mó）塊（kuài）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，要優先選擇能夠適應同係列銑削模塊的配列形式。

3、模塊化（huà）設計的應用

模塊化設計的應用主要分為（wéi）橫係列應用、全係列應用（yòng）、全生命周期應用。

（1）模塊化設計橫（héng）係列應用

橫係列模（mó）塊化設計是指在不改變機床主參（cān）數（shù）的條件下，利用模塊的變化和組合（hé）發展為變型機床。此方法應用最為廣泛（fàn），它大（dà）都是在基型品種基礎上用更換或添（tiān）加模塊的方法形成很多變型品種（zhǒng）。例如較為常見的小型臥（wò）式車銑複合機床就是典型應用。

（2）模塊化設計全係（xì）列應用

這種模塊化設計涉及的（de）因素較多，較為複雜，主要（yào）應用於功能模塊根據用戶要求組合成跨係（xì）列產品上。例如轉子槽銑床，主要由臥式（shì）主軸箱、尾座箱（xiāng）、落地鏜銑床基本模塊和專用附件銑頭模塊組成，滿足車、銑、磨加工需求，特別是轉子（zǐ）聖誕樹槽的加工，專用附件銑頭模塊可以提高加工精度和效率。

（3）模塊化設計在機床全生命周期內應用

模（mó）塊（kuài）化設計在（zài）機床全生命周期內的（de）應用主要是近年來機床綠（lǜ）色（sè）再製造理念的（de）提出，機床全生（shēng）命周期內的再製造是節約資源，促進生產的重要體現。再製（zhì）造可以（yǐ）根據實際情況分為兩類。第一類為較大規模的機床再製造，是指（zhǐ）通過更換機床主要功能模塊，使原有機床功能大大增加的再製（zhì）造。例如整（zhěng）體更換溜板滑枕功能部件（jiàn）組、進（jìn）給係統、液壓係統等關（guān）鍵（jiàn）核（hé）心模塊（kuài）。第二（èr）類為一般規模機（jī）床再製造（zào），此類機床再製（zhì）造主（zhǔ）要包括 : 一、根據機床的實際情況，更換主軸（zhóu）電動（dòng）機、進給（gěi）電動機、液壓站（zhàn）等完善機床已有功能的機床再製造（zào）。二、針（zhēn）對機床實際使用過程中表現出（chū）的突出問（wèn）題進行改進並增加一些新功能（néng）的再製造，如給龍門鏜銑床橫梁進給係統增加雙邊電動機拖動、雙邊位置（zhì）檢測、液壓站雙通道單獨過濾（lǜ）、冷卻等功能。

五、結語

本文以複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（chéng）、實現的方法和關鍵技（jì）術進（jìn）行論述，特別是模塊化設計方法在具體功能模塊中的（de）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，快速（sù）響應（yīng）市場需求。

投稿箱：
如果您有機床行業、企（qǐ）業（yè）相關新聞稿（gǎo）件（jiàn）發表，或進行資訊合作，歡迎聯（lián）係本（běn）網編（biān）輯部，郵（yóu）箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信（xìn）息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選（xuǎn）萃（cuì）

| 更多

數控（kòng）機床