可重构机床模块化设计技术研究

赵中敏

（淮海工学院东港学院实验中心 江苏 连云港 222069）

引言

可重构制造系统（Reconfigurable Manufacturing System，RCMS）是为了快速而准确地提供响应新的市场需求所需的生产能力和生产同一零件族内的新零件所需的制造功能，从一开始就设计成可面向系统级和生产资源级快速而又有竞争力的成本重构的制造系统。生产资源级的重构主要包括对可重构机床、可重构机器人、可重构传送带等的重构，而其中最重要、最基本的可重构生产资源是可重构模块化机床。现有的制造系统主要有二类：一是主要使用专用机床（Dedicated Machine Tool，DMT）的专用制造线（Dedicated Manufactueing Line，DML），生产线TL是DML的主要形式;二是主要设备是CNC机床的柔性制造系统（Flexible Manufacturing Systems，FMS）。 因此，在现代制造业中，承担车削、铣削、钻削、磨削、切断等操作的典型机器是DMT机床和CNC机床。

在生产线中，零件从原材料开始依次经过一系列DMT被加工。在DMT中，多把切削刀具在零件上沿着固定的方向进行不同的操作，然后零件被送到下一DMT加工，直至加工过程完成为止。因此，在生产线中，DMT是面向专门的操作需求定制设计的，虽然它所需的资源少，成本低，而且其性能好；但一旦所加工的零件变化，DMT不能以有竞争力的成本转换机床本身的功能以适应加工新零件的需求。这是生产线不适合于生产多种零件的主要原因。

在FMS中，主要加工设备是CNC机床。CNC机床控制一把可沿着几个运动轴运动的刀具，因而它可加工多种零件；但由于CNC机床是在明确机床的操作需求之前就设计好的，因此在加工每一个零件的过程中，并非其所有的运动轴都被利用，这就使它包括了一些对某一操作需求是多余的功能，从而浪费了资源。这是FMS让用户承担了某些他本身并不需要的制造能力的费用的重要原因之一。

DML和FMS的固有缺点都与其加工机床有关。正如可重构制造系统综合了DML和FMS的优点一样，可重构机床必须具备DMT和CNC机床二者优点。因此，利用模块化的概念，采用DMT的方法、围绕零件族设计机床并使用CNC技术驱动机床是设计可重构模块化机床 (Reconfigurable Modular Machine Tool,RMMT)的可行方案。

一、可重构机床的模块化设计特点

可重构机床与普通机床的主要区别在于其具有模块化结构和可重构能力，即能够通过对机床组成部件或模块的重组与更替，调整其加工功能和某些性能，及时、高效地满足被加工零件的各种变化需求。同时这也为机床部件在其寿命周期内反复重用，最大限度地实现设备改造、更新的节约化、高效化提供了一条有效途径。可重构机床的特点决定了它必须采用模块化设计。模块化机床的概念早已提出，并在组合机床等系列化通用机床的设计中得到应用。但与传统的机床模块化设计相比，可重构机床的模块化从设计概念、设计原理到具体设计方法都有所区别、有所发展，具体体现在以下几个方面：

1.模块化概念更广

2.设计原理有所拓展

传统机床模块化的本质是基于几何相似性、物理相似性的成组性，模块间的组合性表现为相对固定的拓扑结构；而可重构机床的可重构性是对传统成组性的进一步拓展，不仅考虑了几何、物理的相似性，而且考虑了几何/物理相似性的拓扑性，以及基于组合拓扑概念的广义相似性，而且引入了极为重要的模块特性—接口 (界面)整合，以实现模块集成的 “相乘效果”。

3.模块化设计的目标定位不同

传统的模块化机床设计面向的对象是机床设备制造厂，目标是机床设计、制造中的系列化、组合化，以实现机床产品对市场的快速响应；而可重构机床模块化设计服务的对象是机床的最终用户，目标是使机床作为一种制造资源在其整个寿命周期内的使用功能与性能的组合化、柔性化，以实现整个制造过程对产品市场的快速响应和制造成本的节约化。

4.模块化设计的方法不同，具体表现为

（1）模块的划分与功能设计方面 传统机床的模块设计追求机床产品的系列化、通用化，往往模块化级别很低，造成模块组装复杂，这不利于可重构机床的重构操作性。通常，可重构机床模块的划分与功能设计应遵循 “特性原则、典型部件原则和独立性原则”，即设计的模块在功能上能反映机床的加工特性，如功率、行程、精度等级等，范围应包括机床的典型结构部件，在此前提下，尽量减少模块的功能分级，提高模块的独立性、自治性，以减少模块之间的功能交叉，改善现场重构的操作性。

（2）模块的结构设计与接口设计方面 模块结构设计的一个重要内容是接口设计，它直接关系到模块组合集成的操作性和可靠性。传统的机床模块化设计，由于其固定的拓扑结构，模块间的接口往往是专用的、固定的，制约了模块间的组合性。可重构机床的模块化要求机床结构的拓扑性和模块全寿命周期的重用性，因此特别强调模块集成的接口“相乘效应”，注重模块接口的规范化设计与研究，包括各种接口形式 (机械接口、动力接口、控制接口)的标准化，机械接口界面的静、动力学特性的分析与评价，以及基于接口的模块装配精度保证手段与方法等。

（3）模块的综合与集成方面 为提供客户化的功能柔性，突出通过模块的重构迅速满足零件加工的某些变化需求，因此可重构机床的模块重构与集成不仅包括基于传统组合性的模块集成方法，如通过调整运动模块的大小规格以适应加工零件尺寸的变化;通过采用具有不同加工速度和加工能力的主轴模块提高零件的生产率;还进一步拓展了基于组合拓扑性的模块集成方法，特别是通过对机床运动模块的重构调整机床的联动轴数，以适应加工零件在几何复杂性方面的变化需求。

5.控制系统的模块化与开放化

与机床结构的模块化、可重构相适应，可重构机床的控制系统也应采用模块化硬、软件并具备控制功能的可重构。控制系统的模块化设计必须基于开放式系统体系结构，以标准化的操作系统为支持平台，将系统的控制软件组织成相应功能模块，存放在模块库中。当系统控制功能需随机床重构发生变更时，针对不同的要求，由系统集成工具选用相应的控制模块，通过开放式控制系统平台的通讯系统进行集成，形成具有特定功能的机床控制系统。这也是实现机床重构的关键技术之一。

二、可重构机床模块化设计的关键技术

制造系统的重构，实际上就是功能、资源重新映射的过程，实现制造系统可重构性的关键技术，应从以下几个方面考虑：

随着年龄增长，自然老化或光老化都会造成皮肤生物黄色素的堆积，其中年龄与脂褐素含量的关系早有报道[20]。随着年龄增长，脂褐素会在人体细胞内逐渐沉积，不仅影响皮肤颜色，而且能够通过挤占细胞空间位置，影响细胞正常功能。随着年龄增长，对脂褐素的清除能力降低，进一步造成脂褐素沉积。

1.硬件模块化与界面标准化

硬件模块化设计包括功能模块的合理化分和模块之间机械界面的通用化和标准化设计。正确合理的模块划分可简化设备结构，降低设备重构频率，提高模块之间的精度匹配，减少重构操作的工作量，美化设备的外观。另外，可重构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。

可重构制造系统要真正得到广泛的应用，设计时必须考虑各种模块的界面标准化。界面的标准化研究主要包括以下内容：界面结合精度、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，现存标准并不是建立在重构的基础之上，因此，它们只能在界面标准化设计时提供一些基本的原则和策略，以供参考。

2.信息平台重构集成技术

制造系统的可重构性需要信息平台可重构的支持。如果信息平台是僵化的结构，制造系统的可重构性是不能实现的。制造系统重构不但要求信息平台本身能根据需要进行快速的重组，而且为了最大限度地利用已有的生产资源，还需要用科学的方法全面描述生产资源信息。

（1）基于软构件的信息平台

整个信息平台应当用模块化设计方法，并应用软构件的思想支持软件重构，允许应用模块方便地在信息系统内插入和拔出软构件。软构件是可重用的软件单元，可以用来构造其它软件，软构件相当于硬件系统中的零件或元器件，可以被灵活地重用。采用软构件思想进行信息平台的设计时，应严格按照CORBA规范和COM DCOM标准，并采用科学的软件系统设计方法和软件系统集成封装方法。

（2）遗留系统的构件化封装

企业在不同历史时期积累的大量信息和现有应用系统，通常称为遗留系统（legacysystem）；信息系统重构的一个重要问题就是集成。遗留系统、遗留系统的对象化分装是实现企业可重构的信息集成的关键之一。其核心内容就是将遗留系统根据功能划分，封装为可重用重构的软构件对象如组件、构件、功能体、自主体、智能代理等。当选用CORBA规范标准以及ORB对象总线，作为信息重构集成的规范标准时，基于CORBA的遗留系统的封装能满足任意现有的和将来的客户要求，方便地进行系统的重构。

（3）层次资源信息模型

制造系统的重构，可以看成是任务的分解、资源的选取、任务的分配和资源的调度等问题的解决过程。因此，在制造系统的重构过程中，制造资源信息的表达是十分关键的。制造资源的分布、资源的拓扑结构、生产能力和状态等信息都是系统进行重构的重要依据，资源信息模型的建立是实现制造系统快速重构的基础;对此，可采用支持可重构的，基于面向对象方法OOM和STEP标准的制造资源信息模型表达方法。

3.过程诊断技术

可重构制造系统运行性能保障，比传统的制造系统要求更高，由于系统运行中的斜升效应、劣化效应和其他因素与效应的影响，使可重构系统的运行性能在寿命期内呈现复杂的状况。为了保证可重构制造系统的可行性和效率，缩短斜升期和劣化期，必须研究系统运行性能的测度和评价，实施科学的过程诊断技术，即过程中的可诊断性问题。过程可诊断性定义为：对制造系统运行性能的跟踪和为原因查找、诊断和控制提供有效信息的能力。过程诊断技术是实现系统重构的关键技术，它保证系统在运行过程中具有良好的缺陷和故障诊断能力；可重构制造系统的过程诊断技术，必须适应具体的制造活动。

四、可重构机床的关键技术研究

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：

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。

6.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。

7.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。

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