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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：北京機科國創輕量化科學研究院（yuàn）有（yǒu）限公司作者：侯明鵬

一（yī）、引言

隨著工業技術的（de）快速發展，數控（kòng）機床已經從（cóng）原有單功能型加工設備向多元化複合型加工（gōng）設備轉變。車銑鏜磨多功能複合型機床是近年來機床設計製造的主流，主要分為 : 一、以中小型機床主機結構為基礎，複合車銑鏜磨多種加工類型（xíng）的產品係列，此類產品（pǐn）的特點為（wéi）加工效率高，配合自動（dòng）送（sòng）料機（jī），可以實現黑燈工廠（chǎng）。二、以大型機床主機結構為基礎，車銑鏜磨齒輪加工兼備的複合（hé）型加工設備，此類設備結構複雜，部件多，複合性強，精度高，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設計理念（niàn），以滿足大型複合機床的（de）設計製造要求

二（èr）、模塊（kuài）化設計涵（hán）義

模塊化（huà）設計的涵義就是（shì）要（yào）劃分並設計一係列（liè）的模塊（kuài），通過模塊的選擇和組合構成不同的產品，滿足市場的不同需求。所謂模塊就是 “一組具有同一功（gōng）能和結合（hé）要素（sù）（指聯接部位的（de）形狀、尺（chǐ）寸和聯（lián）接件之間的配合參數等），而有不（bú）同用途（或性能）和不（bú）同結構且能（néng）互換的各（gè）個單元（yuán）（零件、組件（jiàn）、部件或係統），或是能增加機（jī）床功能的單元”。模（mó）塊化設計方法不僅僅局限於金屬切削機床，還可以應用於（yú）砂型件切削和晶圓切割等新興機械領域。

選用不同的模塊組合，可以（yǐ）組成不同要（yào）求的（de）單台機床，還可以在（zài）進（jìn）一（yī）步組合成生（shēng）產線，例如龍門類機（jī）床可以（yǐ）組合回轉工作台模（mó）塊（kuài）、車削頭模塊、立式磨頭模塊、滾齒頭模塊等實現車、磨、滾齒等（děng）多種（zhǒng）加工。

三（sān）、模塊化設計的特點

模塊化設計區別於傳統設計主要在於其具有（yǒu）模塊化結構和可重構能力，即能夠通過對機床（chuáng）組成部件或模塊的重組與更替，調整（zhěng）其加（jiā）工功能和某些（xiē）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（zài）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、高效化提供了一條有（yǒu）效途徑。機床模塊化的本質是基於幾何、物理的相似（sì）性，同時考慮了幾何 / 物理相似性的（de）拓撲（pū）性，以及基於組合拓撲概念的廣義相（xiàng）似（sì）性，而且引入了極為重要（yào）的模塊特性—接口整合理念（niàn），以實現模塊集成的 “相乘效果（guǒ）”。設計（jì）目標是使機床作為一種製造資源（yuán）在其整個（gè）壽命周期內的使用功能與性能的組合化、柔性化，設計製造綠色化、節約化。

接口整合（hé）理念的應用是為了使模塊間更具互換性，因（yīn）而要求模塊與聯接件之間的結構要（yào）素應有一致性。接口整合理（lǐ）念最易（yì）在機床（chuáng）橫係列（同類產品）的變型品種中加以實現，但是對於全係列產品（不同（tóng）規格產品、複合機床）方麵，隻（zhī）要基本功能相同，運動參數和動力參（cān）數相當，也可以實現模塊的（de）接口整合，尤其是一（yī）些帶有獨立性的功能單元，如主軸（zhóu）係統或輔助係統（tǒng）的模塊，更易於（yú）實現各模塊間的接口整合（hé）。

四、模塊化設計關鍵技術

1、模塊的劃分

機床模塊的劃分是機（jī）床模塊化設計的（de）關鍵（jiàn）問題，對於大（dà）型常（cháng）規金屬（shǔ）切（qiē）削（xuē）機床（車、銑、磨、鏜、滾（gǔn）齒）及其他類似加工設備而言，模塊可（kě）以劃分（fèn）為（wéi） : 常規機械模塊、通用智能模塊、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 12 大類，包含（hán） : 床身及進給模塊、直線運動工作台模塊、滑座（zuò）模塊、立式回轉運動工作台模塊（轉台或回轉工作台）、臥式回轉運動工作台模塊（主軸箱及尾座）、立柱模塊、橫梁及進給係統（tǒng）模塊（kuài）、核心功能模塊。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（xuē）模塊、滾齒加工模塊。通用智能模塊（kuài）一般為目前較為先進的機器視覺、智（zhì）能感應、機床工作狀態（tài）監控等模塊（kuài），此類模塊一般選用專業廠家生產的（de）成熟產（chǎn）品，結合（hé）數控係統模塊共同（tóng）使（shǐ）用。輔助模塊一般為排屑器、自動上（shàng）料機等成熟輔（fǔ）助設備，按需求選用（yòng）即可。

2、模塊的設計方法

常規機械模塊是模塊化設計的（de）核心部分環節，各個模（mó）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（fǎ）。

床身及進給模塊主要為機床的床身部分，是整個機床的（de）基礎，是機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（dù）的重要保障。大型機（jī）床床身及進給模塊一般考慮三（sān）個（gè）基礎要素 : 第（dì）一為承載量，第二為單體零件的長（zhǎng）度，第三為進給（gěi）係統的選擇。承載量主要取決於床身（shēn）模（mó）塊的導軌（guǐ）條數、導軌（guǐ）寬度和（hé）床身總體截麵，在設計（jì）規劃時（shí）要具有現實性和前瞻性，綜合幾類大型（xíng）機床床身的共同點進行統籌設計，例如 : 龍門移動（dòng）式鏜銑床、單（dān）柱移動式（shì）立式（shì）車床、落地鏜（táng）銑床三類機床在床身模塊具有（yǒu）通用性，規劃設計時可以統籌進行。大（dà）型（xíng）機床床身（shēn）一（yī）般為分段式設計，單體（tǐ）零件（jiàn）長度滿足數列優先（xiān）級的同時，可根據毛坯鑄造能力和零（líng）件加工能力進行設（shè）計（jì），並根（gēn）據用戶要求組合成（chéng）其需要的長度。進給係（xì）統方（fāng）麵，隨著行星齒輪減（jiǎn）速機的（de）廣泛應用，雙電機消（xiāo）除間隙的齒輪齒條驅動技術簡化了直線軸進給運動的設計，為模（mó）塊化設計的應用創造了條件。床身模塊（kuài）基本采用（yòng）鑄鐵或鋼板焊接兩大類，鑄鐵床身一般采用（yòng）灰鑄鐵 HT250，此類鑄鐵具有高的抗壓強度、優良的（de）耐磨性和消振性，低的缺口敏感性（xìng），適用於承受壓力（lì）及振動的機床床身。如圖 1、2、3 所示。

圖 1 小規格床身截麵圖

圖（tú） 2 中規格（gé）床身（shēn）截麵圖

圖 3 大規格床身（shēn）截麵圖

立式回轉工作台模塊可以分（fèn）為主運動類和進給運動類兩種，主運動（dòng）類一（yī）般為立式車床中（zhōng）應用的回轉（zhuǎn）工作（zuò）台（tái），其設計思路（lù）與床身模塊類（lèi）似。進給運動類應（yīng）用於落地（dì）鏜銑床和滾齒機中（zhōng），主要區別在（zài）於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（bú）同，但是也可（kě）以（yǐ）應用（yòng）模塊化設計理（lǐ）念，對回轉係（xì）統、底座係統、定位係統等采用模塊化設計。

立柱模塊主要（yào）應用於龍門鏜銑床、立式車床、落地（dì）鏜（táng）銑床三類機床中，設計時參照床身模塊的設計（jì）思路，確定（dìng）導軌形式、跨距、截麵等要素，同時可以在鑄造或焊接毛坯時應用模塊化設計（jì）理念，以 500mm長度為（wéi）單位，製作鑄件模型和（hé）砂芯，保證用（yòng）戶要求的零件長度快速實現。如圖 4、5 所示。

圖 4 小規格立柱截麵圖圖 5 中規（guī）格立柱截麵圖

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

圖 6 小規格橫梁截（jié）麵圖圖 7 中規格橫梁截麵（miàn）圖

核心功能模塊是各類機床的重點設計環節。其中溜板模塊是橫梁與銑削（xuē）模塊、車削模塊、磨削模塊的連接樞紐。溜板模塊設（shè）計主要考慮與各種功能模塊的連（lián）接，要根據實際需求進行調整。

銑削、車削、磨削、滾齒模塊要根（gēn）據機床核心功能要求（qiú）設計。例如複合機床中，以銑功（gōng）能為主車功能為輔的，可以在鏜銑（xǐ）頭模塊上增加車削附件頭模塊，以擴（kuò）展（zhǎn）車削（xuē）功能。如果是（shì）車削為主銑削（xuē）為輔，就是在車削頭增加銑削附件頭。此外近年來國（guó）際知名廠商開發了適應龍門車銑複合機床使用的（de）滾齒加工模（mó）塊，通過銑頭模塊（kuài）、轉台模塊（kuài）、滾齒模塊完（wán）成超大齒圈加工（gōng）的功能模塊。在核心功能模塊設計過程中要貫徹模塊化設計理念，例如在銑削模塊的主軸組件設計中，在達到（dào）相同載荷和轉速的軸承配列形式中，要優（yōu）先（xiān）選擇能夠適應同係列銑削模塊的配列形式。

3、模塊化設計的應（yīng）用（yòng）

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

（1）模塊化設計橫（héng）係（xì）列應用（yòng）

橫係列模塊化設計是指在不改變機床主參數（shù）的條（tiáo）件下，利用模塊的變化和組合（hé）發展（zhǎn）為變型（xíng）機床。此方法應用最（zuì）為（wéi）廣泛，它大都是在基（jī）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（lì）如較（jiào）為常見（jiàn）的小型臥式車（chē）銑（xǐ）複合機床就是典型應用。

（2）模塊化設（shè）計全（quán）係列應用

這種模塊化設計涉及的因（yīn）素較多，較為複雜，主要應用於功能（néng）模塊根據用戶要求組合成跨係列產品（pǐn）上（shàng）。例如轉子槽銑床，主要由臥式主軸（zhóu）箱、尾座箱、落地（dì）鏜銑床基本模塊和專用附件銑頭模塊組成，滿足車、銑、磨加（jiā）工需求，特別是轉子聖誕樹槽的（de）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（yòng）

模塊（kuài）化設計在機床全生命周期內的應用主要是近年來機床綠色（sè）再製造理念的提出，機床全生命周（zhōu）期內（nèi）的再製（zhì）造是節約資源，促進生（shēng）產的重要體現。再製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（zhì）造，是指通過更換機（jī）床主要功能模塊，使原有機床功能大大增加的再製造。例如整體更換溜板（bǎn）滑枕功能部件組、進給係統、液壓係統等關鍵核心模（mó）塊。第二（èr）類為一（yī）般規模機床再製（zhì）造，此（cǐ）類機床再製造主要包括 : 一、根據機床的實際情況，更換主軸電動機、進（jìn）給電動機、液壓站（zhàn）等（děng）完善機床已有功能的機床再製（zhì）造（zào）。二、針對機（jī）床實際使用過程中表（biǎo）現出的突出問題進行改進並（bìng）增加一些新功能的再製造（zào），如給龍門鏜銑床橫梁（liáng）進給係統增加雙邊電動機拖動、雙邊位置檢（jiǎn）測、液壓站雙通道單獨過濾、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、實現的（de）方法和關鍵技術進行論（lùn）述，特別（bié）是模塊化設計方法在具體功能模塊中的設（shè）計應用和注意要點，有助於（yú）企業實現係（xì）統的產品模塊化戰略（luè），快速響應市場需求。

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