多功能可重构数控机床研究与开发
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［ 2 ～ 4］
* 山东省重大科技专项—制造业信息化软件、 系统产品（ 先进制造装备） （ 2005GG1104002 ） · 83 ·
础型模块和功能型模块为主要特征的多功能可重构数 控机床设计理论和方法， 使可重构自动化制造系统的 设计和制造技术， 在实际应用上取得了重要进展。
抗振性能、 主轴和滑台的动态精度的主要因 的刚性、 也是可重构机床结构和功能设计的关键技术 。 素， 机床静态部件的关联界面的属性特征： 在结构设 计上要有足够稳定的接触强度和刚度， 在制造精度上 一般 应 ≥ 要确保关联界面足够的的实际结合面积， 70% ～ 80% ， 在装配上要确保关联部件的位置精度。 而机床动态部件关联界面， 如导轨的属性特征： 在设计 上要确保低速转高速的瞬态精度及高速转低速的稳态 精度 （ 启动和制动性能） 。因此， 要确保机床的关联界 面的静态和动态精度， 其精湛的装配工艺和人的高超 技能是不可缺少的。 考虑到要在用户现场实现重构， 不仅费时费力， 也会影响到重构后的精度和可靠性。 因此在机床结构设计上， 要避免对主要结构的重构以 减少重构的次数。为此提出一种基础模块和功能模块 的设计方法： 将机床的床身 （ 包括底座 ） 系统、 主轴系 统和进给系统 （ 导轨和滑台 ） ， 视为互为依存， 且不可 分割也不宜重构， 必须将这三部分， 设计为整体型的基 础型模块； 其结构要适应产品组类的形状和加工特点 ， 其规格系列要依据同组类工件大小而划分 。功能型模 块的设计要根据工件加工工艺， 包括车削、 镗削、 铣削、 钻削、 磨削装置； 工装共性夹具和工件自动传输等装置 进行。机床重构时， 只是功能模块的选择和重构。 这 样有利于实施在用户现场快速重构和生产线的重组 。
多功能可重构数控机床研究与开发
王宝沛 ① 翟 鹏② 王丽霞 ① 宋文平 ①
（ ①山东滨州盟威数控机床有限公司 ， 山东 滨州 256602 ； ②山东大学威海分校， 山东 威海 264209 ） 摘
*
要： 针对可重构自动化制造系统 （ RAMS，Reconfigurable Automatic Manufacturing System ） 对重构的 快速敏捷性以及重构后精度和可靠性的要求 ， 通过对机床重构界面的属性和特征以及机械零件切削 加工特点的研究和探讨， 提出了一种新的多功能可重构数控机床的基础型模块和功能型模块的设计 方法。并以此为技术平台， 设计制造了用于短轴类、 盘类组群的机械零件切削加工的多功能、 可重 构、 短流程、 柔性化成套设备， 实现了短轴类、 盘类组群零件加工的高效率、 高精度、 高质量、 低成本的 生产， 达到了多功能数控机床重构的快速敏捷性以及重构后精度和可靠性的要求 。
关键词： 多功能
可重构自动化制造系统
可靠性
Research on Multifunctional Reconfigurable Machine Tool and Its Realization
WANG Baopei ① ，ZHAI Peng ② ，WANG Lixia ① ，SONG Wenping ① （ ①Shandong Binzhou Movever CNC Machine Tool Co. ，Ltd. ，Binzhou 256602 ，CHN； ②Shandong University at Weihai，Weihai 264209 ，CHN） Abstract： To meet the needs of rapid convertibility，high precision and reliability for Reconfigurable Automatic Manufacturing System（ RAMS） ，new design methodology of basic machine module and functional module was presented，based on the study of interfaces for reconfigurable machine tools and the part attribute. New RAMS was built according to the“new design methodology”for short － shaft parts and pan － shaped parts，characterized by Multi － function，reconfiguration，short － process and flexibility. Short － shaft and pan － shaped parts were machined on the new type of RAMS rapidly and cost － effectively. It is demonstrated that the new type of RAMS is important to the national competition. Keywords： Multifunction； Reconfigurable Automatic Manufacturing System（ RAMS） ； Reliability 上世纪 90 年代， 欧、 美等工业发达国家汽车零部 以 CIMS 为主导， 进行大规模 件行业为了提高竞争力， 技术提升和设备更新。 普遍采用以 CNC 控制为主要 特征， 以旋转刀具做主切削运动的镗、 铣加工中心和以 工件旋转做主运动的车、 铣加工中心组成的生产线。 ， 如活塞加工自动线 每条投资成本一般约为 1 000 万 欧元， 使用的状况表明， 其功能利用率很低。德国斯图 加特大学 H. schulz 教授调查 了 美、 欧、 亚 22 个 国 家 370 家企业， 发现近 80% 的加工中心的实际功能利用 ［ 1］ 率只有 20% ， 造成了很大的资源浪费。虽然这两类 加工中心在推进机械加工工序集中工艺方法上发挥了 重要的作用， 但对于较复杂的零件， 它们的功能范围不 因而不能充 足以完成从毛坯至成品的全部工序加工 ， 且由于工件在多 分提高单件和中小批量的生产效率， 也不利于加工精度 台机床间的转移增加了安装误差， 的稳定性。从而无法实现高质量、 低成本的目标 。 高质量、 低成本是国内外制造业的不断追求的目 。上世纪 90 年代初， 德国 EMAG 公司开发了立 ， 式多功能加工机床 采用了工件倒置式的加工方式， 使 标 机床主轴具备工件加工、 传送和检测的功能， 可在 1 台 或 2 台机床上实现从毛坯至成品的全部加工 。避免多 工序周转和装夹误差， 具有明显的技术和经济效果。 本文根据可重构自动化制造系统 （ RAMS，Reconfigurable Automatic Manufacturing System ） ［5］重 构 的 快 速敏捷性的特点， 以及重构后精度和可靠性的基本要 着重研究了重构界面的属性和特征 ， 提出一种以基 求，
与镗铣加工中心和车铣加工中心相比， 不需额外 投资就能实现自动上下料和自动检测。 同时， 可按工 实现除装夹定位面以外的车、 艺要求在一台机床上， 、 、 、 镗 铣 钻 磨等全部工序的切削加工， 最大限度地扩大 了加工功能。多功能可重构数控机床既适合单件和小 批量生产， 又适合中批和大批量生产， 也可根据需要在 用户现场实现复合机床的快速重构和生产线的重组 。 重构的快速敏捷性和重构后的高精度和高可靠 是可重构 （ RAMS ） 的最基本的要求。 由于重构是 性， 在用户现场进行， 时间短、 频次高， 模块之间的快速高 精度互换， 是可重构机床研究开发的关键技术。 例如 盘类和短轴类机械零件， 属于同一族群中的不同零件。 针对此类产品族群的切削加工的可重构复合数控机床 的设计功能、 结构和布局， 不仅要满足零件族群加工的 同时还要适应依据需要在用户现场能完成快速 需求， 重构， 并且重构后能保持高精度、 高效率、 高可靠性。 根据数控机床可靠性系统分析的理论， 影响可重 重构后的高精度和高可靠性的主要 构的快速敏捷性、 因素， 是可重构机床的刚性、 抗振性能、 主轴的回转精 度、 滑台的动态精度。 而可重构机床的床身 （ 包括底 座） 、 主轴和进给系统 （ 导轨和滑台 ） 的关联界面的静 态和动态结合精度的稳定性和可靠性， 则是影响机床
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多功能可重构机床的特点和设计
来自百度文库
多功能可重构机床采用工件倒置式的加工方式 ， 机床主轴可实现工件加工、 “三位一体 ” 传送和检测 的 功能。 多功能机床结构示 意图如图 1 所示。 机床分为工件输送区、 加工区和检测区， 主轴快速 移动到工件输送区夹持工 到加工区进行切削加 件， 工， 加工完再到检测区检测， 并进行加工尺寸的自动补 。 2 偿 工件加工流程如图 所示。
式中： R s 为系统可靠性； R n （ t ） 为第 n 个元部件的可靠 n ∈N * = ｛ 1 ， 2， 3， …， n ｝ 。 根据文献［ 6］ 性， 提供的数 据， 数控机床各子系统可靠性置信下限值 ： R n （ t） = 0 . 922 0 ～ 0 . 922 9 （ 1 ） 一般可重构机床的可靠性 一般 可 重 构 机 床 的 设 计， 是将机床床身子系统 R1 、 滑台子系统 R2 和主轴子系统 R3 作为独立的模块。 R2 = 0. 922 7 ， R3 = 0. 922 8 ， 取 R1 = 0. 922 6 ， 将各子系 统的可靠性值代入式（ 1 ） 式， 则有： R s = R1 ·R2 ·R3 = 0 . 785 6 （ 2） 如果有一子系统失效， 可靠性置信下限最小值 R n （ t） 为 0 ， 则会导致整个系统的失效， 即重构后系统可 靠性： R smin = 0 靠性置信下限最大值的乘积： R smax = R1max ·R2max ·R3max = 0. 786 1 （ 3） R smax 置信下限最大值可视同数控机床各子系统可 （ 4）
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多功能机床重构后的精度和可靠性分析
多功能可重构机床采用基础型模块和功能型模块
的设计方法， 与一般意义上的可重构机床设计方法的 区别在于， 整体型的基础型模块已包括机床床身 （ 包 括底座） 系统、 主轴系统和进给系统 （ 导轨和滑台 ） ， 重 选择 构的部分只是根据工件的工艺流程和加工工艺 ， 不同切削模块如车削、 镗削、 铣削、 钻削、 磨削等装置。 因此， 重构后不会影响到机床的主要精度 ， 并可保持主 轴箱体和导轨与床身的接触刚度和位置精度以及滑台 和导轨与主轴的位置精度和运动精度 。 在系统可靠性的经典近似置信下限方法中 ， 常用 修正似然法 （ MML ） ， 序贯压 极大似然估计法 （ MLE ） ， 缩法（ SR） ， 修正极大似然和序贯压缩相结合的方法 （ CMSR） ［6］。根据系统工程可靠性理论和单元串联系 统的 CMSR 数控机床可靠性评价方法， 对基础模块的 可重构机床的设计方法与一般意义上的可重构机床设 计方法重构后的可靠性相比较。 多功能可重构机床一般是串联系统， 其可靠性模 型框图如图 3 所示。
R s = R1 （ t） ·R2 （ t） ·R3 （ t） ·…·R n （ t） = R i （ t）
i =1
n
（ 1）
床上， 实现除装夹定位面以外的车、 镗、 铣、 钻、 磨等工 序的切削加工； 多功能可重构数控机床既适合单件和 小批量生产， 又适合中批和大批量生产， 也可根据需要 在用户现场实现复合机床的快速重构和生产线的重 组。 3. 2 DLY 系列多功能可重构数控机床基本参数 加工范围： 70 ～ 120 mm； 加工长度： 65 ～ 130 mm； 最高转速： 8 000 r / min； x / y / z 轴行程： 820 mm /140 mm /222 mm； 机床尺寸： 2 390 mm × 1 750 mm × 2 592 mm； DLY 系列多功能可重 构数控机床为山东省重大 — — —“制 造 业 信 科技专项 息化软件、 系统产品 （ 先进 制造 装 备 ） ”（ 项 目 编 号： 2005GG1104002 ） 。 该项目 于 2007 年 11 月通过山东 省科技厅组织的专家鉴定， 鉴定意见认为： 设计研制的 在可重构、 高效自动 可重构自动化制造系统 （ RAMS ） ， 化生产方面填补了国内空白， 整体技术达到国际先进 DLY 系列多功能可重 水平。2009 年 7 月 15 － 18 日， 构数控机床参加了上海第 11 届国际机床展。在 1 000 余名参展商中， 由于其是唯一的一台全自动加工单元 成为展会的亮点。
* 山东省重大科技专项—制造业信息化软件、 系统产品（ 先进制造装备） （ 2005GG1104002 ） · 83 ·
础型模块和功能型模块为主要特征的多功能可重构数 控机床设计理论和方法， 使可重构自动化制造系统的 设计和制造技术， 在实际应用上取得了重要进展。
抗振性能、 主轴和滑台的动态精度的主要因 的刚性、 也是可重构机床结构和功能设计的关键技术 。 素， 机床静态部件的关联界面的属性特征： 在结构设 计上要有足够稳定的接触强度和刚度， 在制造精度上 一般 应 ≥ 要确保关联界面足够的的实际结合面积， 70% ～ 80% ， 在装配上要确保关联部件的位置精度。 而机床动态部件关联界面， 如导轨的属性特征： 在设计 上要确保低速转高速的瞬态精度及高速转低速的稳态 精度 （ 启动和制动性能） 。因此， 要确保机床的关联界 面的静态和动态精度， 其精湛的装配工艺和人的高超 技能是不可缺少的。 考虑到要在用户现场实现重构， 不仅费时费力， 也会影响到重构后的精度和可靠性。 因此在机床结构设计上， 要避免对主要结构的重构以 减少重构的次数。为此提出一种基础模块和功能模块 的设计方法： 将机床的床身 （ 包括底座 ） 系统、 主轴系 统和进给系统 （ 导轨和滑台 ） ， 视为互为依存， 且不可 分割也不宜重构， 必须将这三部分， 设计为整体型的基 础型模块； 其结构要适应产品组类的形状和加工特点 ， 其规格系列要依据同组类工件大小而划分 。功能型模 块的设计要根据工件加工工艺， 包括车削、 镗削、 铣削、 钻削、 磨削装置； 工装共性夹具和工件自动传输等装置 进行。机床重构时， 只是功能模块的选择和重构。 这 样有利于实施在用户现场快速重构和生产线的重组 。
多功能可重构数控机床研究与开发
王宝沛 ① 翟 鹏② 王丽霞 ① 宋文平 ①
（ ①山东滨州盟威数控机床有限公司 ， 山东 滨州 256602 ； ②山东大学威海分校， 山东 威海 264209 ） 摘
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要： 针对可重构自动化制造系统 （ RAMS，Reconfigurable Automatic Manufacturing System ） 对重构的 快速敏捷性以及重构后精度和可靠性的要求 ， 通过对机床重构界面的属性和特征以及机械零件切削 加工特点的研究和探讨， 提出了一种新的多功能可重构数控机床的基础型模块和功能型模块的设计 方法。并以此为技术平台， 设计制造了用于短轴类、 盘类组群的机械零件切削加工的多功能、 可重 构、 短流程、 柔性化成套设备， 实现了短轴类、 盘类组群零件加工的高效率、 高精度、 高质量、 低成本的 生产， 达到了多功能数控机床重构的快速敏捷性以及重构后精度和可靠性的要求 。
关键词： 多功能
可重构自动化制造系统
可靠性
Research on Multifunctional Reconfigurable Machine Tool and Its Realization
WANG Baopei ① ，ZHAI Peng ② ，WANG Lixia ① ，SONG Wenping ① （ ①Shandong Binzhou Movever CNC Machine Tool Co. ，Ltd. ，Binzhou 256602 ，CHN； ②Shandong University at Weihai，Weihai 264209 ，CHN） Abstract： To meet the needs of rapid convertibility，high precision and reliability for Reconfigurable Automatic Manufacturing System（ RAMS） ，new design methodology of basic machine module and functional module was presented，based on the study of interfaces for reconfigurable machine tools and the part attribute. New RAMS was built according to the“new design methodology”for short － shaft parts and pan － shaped parts，characterized by Multi － function，reconfiguration，short － process and flexibility. Short － shaft and pan － shaped parts were machined on the new type of RAMS rapidly and cost － effectively. It is demonstrated that the new type of RAMS is important to the national competition. Keywords： Multifunction； Reconfigurable Automatic Manufacturing System（ RAMS） ； Reliability 上世纪 90 年代， 欧、 美等工业发达国家汽车零部 以 CIMS 为主导， 进行大规模 件行业为了提高竞争力， 技术提升和设备更新。 普遍采用以 CNC 控制为主要 特征， 以旋转刀具做主切削运动的镗、 铣加工中心和以 工件旋转做主运动的车、 铣加工中心组成的生产线。 ， 如活塞加工自动线 每条投资成本一般约为 1 000 万 欧元， 使用的状况表明， 其功能利用率很低。德国斯图 加特大学 H. schulz 教授调查 了 美、 欧、 亚 22 个 国 家 370 家企业， 发现近 80% 的加工中心的实际功能利用 ［ 1］ 率只有 20% ， 造成了很大的资源浪费。虽然这两类 加工中心在推进机械加工工序集中工艺方法上发挥了 重要的作用， 但对于较复杂的零件， 它们的功能范围不 因而不能充 足以完成从毛坯至成品的全部工序加工 ， 且由于工件在多 分提高单件和中小批量的生产效率， 也不利于加工精度 台机床间的转移增加了安装误差， 的稳定性。从而无法实现高质量、 低成本的目标 。 高质量、 低成本是国内外制造业的不断追求的目 。上世纪 90 年代初， 德国 EMAG 公司开发了立 ， 式多功能加工机床 采用了工件倒置式的加工方式， 使 标 机床主轴具备工件加工、 传送和检测的功能， 可在 1 台 或 2 台机床上实现从毛坯至成品的全部加工 。避免多 工序周转和装夹误差， 具有明显的技术和经济效果。 本文根据可重构自动化制造系统 （ RAMS，Reconfigurable Automatic Manufacturing System ） ［5］重 构 的 快 速敏捷性的特点， 以及重构后精度和可靠性的基本要 着重研究了重构界面的属性和特征 ， 提出一种以基 求，
与镗铣加工中心和车铣加工中心相比， 不需额外 投资就能实现自动上下料和自动检测。 同时， 可按工 实现除装夹定位面以外的车、 艺要求在一台机床上， 、 、 、 镗 铣 钻 磨等全部工序的切削加工， 最大限度地扩大 了加工功能。多功能可重构数控机床既适合单件和小 批量生产， 又适合中批和大批量生产， 也可根据需要在 用户现场实现复合机床的快速重构和生产线的重组 。 重构的快速敏捷性和重构后的高精度和高可靠 是可重构 （ RAMS ） 的最基本的要求。 由于重构是 性， 在用户现场进行， 时间短、 频次高， 模块之间的快速高 精度互换， 是可重构机床研究开发的关键技术。 例如 盘类和短轴类机械零件， 属于同一族群中的不同零件。 针对此类产品族群的切削加工的可重构复合数控机床 的设计功能、 结构和布局， 不仅要满足零件族群加工的 同时还要适应依据需要在用户现场能完成快速 需求， 重构， 并且重构后能保持高精度、 高效率、 高可靠性。 根据数控机床可靠性系统分析的理论， 影响可重 重构后的高精度和高可靠性的主要 构的快速敏捷性、 因素， 是可重构机床的刚性、 抗振性能、 主轴的回转精 度、 滑台的动态精度。 而可重构机床的床身 （ 包括底 座） 、 主轴和进给系统 （ 导轨和滑台 ） 的关联界面的静 态和动态结合精度的稳定性和可靠性， 则是影响机床
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多功能可重构机床的特点和设计
来自百度文库
多功能可重构机床采用工件倒置式的加工方式 ， 机床主轴可实现工件加工、 “三位一体 ” 传送和检测 的 功能。 多功能机床结构示 意图如图 1 所示。 机床分为工件输送区、 加工区和检测区， 主轴快速 移动到工件输送区夹持工 到加工区进行切削加 件， 工， 加工完再到检测区检测， 并进行加工尺寸的自动补 。 2 偿 工件加工流程如图 所示。
式中： R s 为系统可靠性； R n （ t ） 为第 n 个元部件的可靠 n ∈N * = ｛ 1 ， 2， 3， …， n ｝ 。 根据文献［ 6］ 性， 提供的数 据， 数控机床各子系统可靠性置信下限值 ： R n （ t） = 0 . 922 0 ～ 0 . 922 9 （ 1 ） 一般可重构机床的可靠性 一般 可 重 构 机 床 的 设 计， 是将机床床身子系统 R1 、 滑台子系统 R2 和主轴子系统 R3 作为独立的模块。 R2 = 0. 922 7 ， R3 = 0. 922 8 ， 取 R1 = 0. 922 6 ， 将各子系 统的可靠性值代入式（ 1 ） 式， 则有： R s = R1 ·R2 ·R3 = 0 . 785 6 （ 2） 如果有一子系统失效， 可靠性置信下限最小值 R n （ t） 为 0 ， 则会导致整个系统的失效， 即重构后系统可 靠性： R smin = 0 靠性置信下限最大值的乘积： R smax = R1max ·R2max ·R3max = 0. 786 1 （ 3） R smax 置信下限最大值可视同数控机床各子系统可 （ 4）
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多功能机床重构后的精度和可靠性分析
多功能可重构机床采用基础型模块和功能型模块
的设计方法， 与一般意义上的可重构机床设计方法的 区别在于， 整体型的基础型模块已包括机床床身 （ 包 括底座） 系统、 主轴系统和进给系统 （ 导轨和滑台 ） ， 重 选择 构的部分只是根据工件的工艺流程和加工工艺 ， 不同切削模块如车削、 镗削、 铣削、 钻削、 磨削等装置。 因此， 重构后不会影响到机床的主要精度 ， 并可保持主 轴箱体和导轨与床身的接触刚度和位置精度以及滑台 和导轨与主轴的位置精度和运动精度 。 在系统可靠性的经典近似置信下限方法中 ， 常用 修正似然法 （ MML ） ， 序贯压 极大似然估计法 （ MLE ） ， 缩法（ SR） ， 修正极大似然和序贯压缩相结合的方法 （ CMSR） ［6］。根据系统工程可靠性理论和单元串联系 统的 CMSR 数控机床可靠性评价方法， 对基础模块的 可重构机床的设计方法与一般意义上的可重构机床设 计方法重构后的可靠性相比较。 多功能可重构机床一般是串联系统， 其可靠性模 型框图如图 3 所示。
R s = R1 （ t） ·R2 （ t） ·R3 （ t） ·…·R n （ t） = R i （ t）
i =1
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（ 1）
床上， 实现除装夹定位面以外的车、 镗、 铣、 钻、 磨等工 序的切削加工； 多功能可重构数控机床既适合单件和 小批量生产， 又适合中批和大批量生产， 也可根据需要 在用户现场实现复合机床的快速重构和生产线的重 组。 3. 2 DLY 系列多功能可重构数控机床基本参数 加工范围： 70 ～ 120 mm； 加工长度： 65 ～ 130 mm； 最高转速： 8 000 r / min； x / y / z 轴行程： 820 mm /140 mm /222 mm； 机床尺寸： 2 390 mm × 1 750 mm × 2 592 mm； DLY 系列多功能可重 构数控机床为山东省重大 — — —“制 造 业 信 科技专项 息化软件、 系统产品 （ 先进 制造 装 备 ） ”（ 项 目 编 号： 2005GG1104002 ） 。 该项目 于 2007 年 11 月通过山东 省科技厅组织的专家鉴定， 鉴定意见认为： 设计研制的 在可重构、 高效自动 可重构自动化制造系统 （ RAMS ） ， 化生产方面填补了国内空白， 整体技术达到国际先进 DLY 系列多功能可重 水平。2009 年 7 月 15 － 18 日， 构数控机床参加了上海第 11 届国际机床展。在 1 000 余名参展商中， 由于其是唯一的一台全自动加工单元 成为展会的亮点。