模塊化設計在復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有限公司 作者：侯明鵬
一、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復合型加工設備轉變。車銑鏜磨多功能復合型機床是近年來機床設計制造的主流，主要分為 : 一、以中小型機床主機結構為基礎，復合車銑鏜磨多種加工類型的產品系列，此類產品的特點為加工效率高，配合自動送料機，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備的復合型加工設備，此類設備結構復雜，部件多，復合性強，精度高，對設計制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，以滿足大型復合機床的設計制造要求
二、模塊化設計涵義
模塊化設計的涵義就是要劃分并設計一系列的模塊，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 “一組具有同一功能和結合要素（指聯接部位的形狀、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的各個單元（零件、組件、部件或系統），或是能增加機床功能的單元”。模塊化設計方法不僅僅局限于金屬切削機床，還可以應用于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，可以組成不同要求的單臺機床，還可以在進一步組合成生產線，例如龍門類機床可以組合回轉工作臺模塊、車削頭模塊、立式磨頭模塊、滾齒頭模塊等實現車、磨、滾齒等多種加工。
三、模塊化設計的特點
模塊化設計區別于傳統設計主要在于其具有模塊化結構和可重構能力，即能夠通過對機床組成部件或模塊的重組與更替，調整其加工功能和某些性能，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其壽命周期內反復重用，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。機床模塊化的本質是基于幾何、物理的相似性，同時考慮了幾何 / 物理相似性的拓撲性，以及基于組合拓撲概念的廣義相似性，而且引入了極為重要的模塊特性—接口整合理念，以實現模塊集成的 “相乘效果”。設計目標是使機床作為一種制造資源在其整個壽命周期內的使用功能與性能的組合化、柔性化，設計制造綠色化、節約化。
接口整合理念的應用是為了使模塊間更具互換性，因而要求模塊與聯接件之間的結構要素應有一致性。接口整合理念最易在機床橫系列（同類產品）的變型品種中加以實現，但是對于全系列產品（不同規格產品、復合機床）方面，只要基本功能相同，運動參數和動力參數相當，也可以實現模塊的接口整合，尤其是一些帶有獨立性的功能單元，如主軸系統或輔助系統的模塊，更易于實現各模塊間的接口整合。
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床模塊化設計的關鍵問題，對于大型常規金屬切削機床（車、銑、磨、鏜、滾齒）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、電氣控制模塊、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、直線運動工作臺模塊、滑座模塊、立式回轉運動工作臺模塊（轉臺或回轉工作臺）、臥式回轉運動工作臺模塊（主軸箱及尾座）、立柱模塊、橫梁及進給系統模塊、核心功能模塊。核心功能模塊包含溜板模塊及進給系統模塊、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前較為先進的機器視覺、智能感應、機床工作狀態監控等模塊，此類模塊一般選用專業廠家生產的成熟產品，結合數控系統模塊共同使用。輔助模塊一般為排屑器、自動上料機等成熟輔助設備，按需求選用即可。
2、模塊的設計方法
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，是機床主要部件運動及切削過程中使機床具有足夠的剛度和精度的重要保障。大型機床床身及進給模塊一般考慮三個基礎要素 : 第一為承載量，第二為單體零件的長度，第三為進給系統的選擇。承載量主要取決于床身模塊的導軌條數、導軌寬度和床身總體截面，在設計規劃時要具有現實性和前瞻性，綜合幾類大型機床床身的共同點進行統籌設計，例如 : 龍門移動式鏜銑床、單柱移動式立式車床、落地鏜銑床三類機床在床身模塊具有通用性，規劃設計時可以統籌進行。大型機床床身一般為分段式設計，單體零件長度滿足數列優先級的同時，可根據毛坯鑄造能力和零件加工能力進行設計，并根據用戶要求組合成其需要的長度。進給系統方面，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術簡化了直線軸進給運動的設計，為模塊化設計的應用創造了條件。床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，適用于承受壓力及振動的機床床身。如圖 1、2、3 所示。
圖 1 小規格床身截面圖
圖 2 中規格床身截面圖
圖 3 大規格床身截面圖
立式回轉工作臺模塊可以分為主運動類和進給運動類兩種，主運動類一般為立式車床中應用的回轉工作臺，其設計思路與床身模塊類似。進給運動類應用于落地鏜銑床和滾齒機中，主要區別在于二者的工作臺面外形不同，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，對回轉系統、底座系統、定位系統等采用模塊化設計。
立柱模塊主要應用于龍門鏜銑床、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計思路，確定導軌形式、跨距、截面等要素，同時可以在鑄造或焊接毛坯時應用模塊化設計理念，以 500mm長度為單位，制作鑄件模型和砂芯，保證用戶要求的零件長度快速實現。如圖 4、5 所示。
圖 4 小規格立柱截面圖 圖 5 中規格立柱截面圖
橫梁模塊是龍門鏜銑床和立式車床的核心部件，對于橫梁截面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、進給系統位置等。如圖 6、7 所示。
圖 6 小規格橫梁截面圖 圖 7 中規格橫梁截面圖
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模塊、車削模塊、磨削模塊的連接樞紐。溜板模塊設計主要考慮與各種功能模塊的連接，要根據實際需求進行調整。
銑削、車削、磨削、滾齒模塊要根據機床核心功能要求設計。例如復合機床中，以銑功能為主車功能為輔的，可以在鏜銑頭模塊上增加車削附件頭模塊，以擴展車削功能。如果是車削為主銑削為輔，就是在車削頭增加銑削附件頭。此外近年來國際知名廠商開發了適應龍門車銑復合機床使用的滾齒加工模塊，通過銑頭模塊、轉臺模塊、滾齒模塊完成超大齒圈加工的功能模塊。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系列銑削模塊的配列形式。
3、模塊化設計的應用
模塊化設計的應用主要分為橫系列應用、全系列應用、全生命周期應用。
（1）模塊化設計橫系列應用
橫系列模塊化設計是指在不改變機床主參數的條件下，利用模塊的變化和組合發展為變型機床。此方法應用最為廣泛，它大都是在基型品種礎上用更換或添加模塊的方法形成很多變型品種。例如較為常見的小型臥式車銑復合機床就是典型應用。
（2）模塊化設計全系列應用
這種模塊化設計涉及的因素較多，較為復雜，主要應用于功能模塊根據用戶要求組合成跨系列產品上。例如轉子槽銑床，主要由臥式主軸箱、尾座箱、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，特別是轉子圣誕樹槽的加工，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
模塊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再制造理念的提出，機床全生命周期內的再制造是節約資源，促進生產的重要體現。再制造可以根據實際情況分為兩類。第一類為較大規模的機床再制造，是指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制造。例如整體更換溜板滑枕功能部件組、進給系統、液壓系統等關鍵核心模塊。第二類為一般規模機床再制造，此類機床再制造主要包括 : 一、根據機床的實際情況，更換主軸電動機、進給電動機、液壓站等完善機床已有功能的機床再制造。二、針對機床實際使用過程中表現出的突出問題進行改進并增加一些新功能的再制造，如給龍門鏜銑床橫梁進給系統增加雙邊電動機拖動、雙邊位置檢測、液壓站雙通道單獨過濾、冷卻等功能。
五、結語
本文以復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能模塊中的設計應用和注意要點，有助于企業實現系統的產品模塊化戰略，快速響應市場需求。
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