机床的灵活重构

bozai

未来生产设备的趋势
生产过程改变和工艺创新往往需要更换成套的设备，因为旧设备已不适合经济型生产。促使了高生产率的刚性生产线发展成可生产多品种零件族的柔性加工单元，能够在较少人工干预的情况下无次序地进行加工。但是，由于加工单元的一些部件大多数情况下利用率不高，由此导致了很高的机床使用费用。因此，对于工件数量较多的加工情况采用这种设备模式进行加工仍然是不经挤的。
集生产线和加工单元的优点于一体
5 O9 L* T) ?  j; Y- L- y* E可重构的机床系统可以使生产线和加工单元的优点集于一体。在进行重构时，可重构性是涉及到改变机床或机床系统运动坐标轴的结构配置和(或)改变加工的结构。这种柔性化的加工模式能显著降低机床的使用费用，因为，在这里只需要花费买际使用的设备费用。一个加工任务在开始时，制造厂家只要购置直接为解决其加工任务所需的模块，这样，就能保持较低的投资总额和机床的小时使用费用。当每一次重构机床时，人们只要购买附加需要的模块，所以可明显减少后续投资。可以通过租借的方式来使用模块，当要租借时，从联营的某一公司处取得机床的模块，可以按比例结算的方式来分摊费用。能以快捷方式使备用模块投入使用的这种公司内部合伙经营，缩短了新产品生产的启动时间、同样也缩短了修理或维护的停机时间。
0 R+ j' Q1 C. [* m0 v& r可重构的系统，从一开始就必须作为模块化结构来进行开发，此外，为了系统的可改装性肯定要做比迄今传统机床还要多的附加工作、并且要包含符合目前机床调试的所有功能。为此，新的辅助设备和新的控制结构模式是不可缺少的。
  w( t/ @8 E: H- {7 ?4 M以具有一定接口的独立模块作为目标
( ?4 a5 R  k: L6 \. l* H2 t# V/ L3 G; d在构造上，可重构的机床与传统机床有根本上的区别。首先，传统的机床是按刚性来进行设计的。少量不可缺少的接口(例如导轨或驱动装置)形成实体的系统界限(在滑台和导轨上)，这个系统界限是与功能的系统界限(例如驱动的直线轴)是不一致的。
要快速和简单地重构机床，各个部件功能界限和实体界限绝大部分必须要重合，目标是要为有限的、明确确定的任务范围设计出具有一定接口的独立模块，到时就可利用这些模块严格根据加工任务来组装专用的机床系统，而今后可以通过添加、更换或去掉某些模块来适应变化的加工要求。

图1 利用初床构建所必需的数据块和模型，从模型到控制系统的机床构建流程图
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9 B- g1 E% K" w% C7 ?5 H图2 串扰效应：驱动的重心和质量中心不一致，使被加速的运动轴倾斜，使工具中心垂直于轴方向发全编移(苏黎世瑞士联邦技术大学机床和生产技术研究所)
为了满足不断提高的精度要求，当今的传统机床对其一流的机械装置已采用附加的电子补偿技术。对于情密加工来说，在所有机床配置中，由于必须要具有在运动、动态和热变形方而的良好特性，未来将采用基于模型的控制方案，通过控制系统同时对这些机床模型进行分析处理，以便对机床的状态进行调整。
; s+ }/ b1 ^5 w' w2 T只需要与进行加工时一样多的同步运动的轴
% H2 _( r- G2 R* J! ~可重构分为系统级和机床级。目前，生产线的运行往往要经历产量从低到连续增加，达到预定产量，最后又下降直到设备停运的过程，为这种生产方式设计的加工设备大约只能工作其寿命时间的一半。在产品和技术创新周期愈来愈短，产品品种不断增多的情况下，这样的生产线就愈来愈不能获利。而可重构的系统，可随着产品需求量的增加，扩充其加工能力。当需加工新的变型品种，可重构的系统通过改变或添加加工工序来实现。
* _$ P% B/ m/ S  D# k6 }4 _! W在机床级的层面上可以对加工任务进行类似的调整。通过改变运动使机床的加工区适应不同规格的工件。不需把加工进行转移或购买新机床，理想的情况下，可重构机床只需增加必要的运动长度。
与5轴加工中心相比较，可重构机床操作更为简单。其只使用加工所需的多个同步运动的轴。并可以变换加工工艺，快速地把铣削主轴变为磨削主轴或者更换激光装置，以便一旦必要将其余机床进行调整。从用户的咨询可看出，当今的机床，对工艺变换、加工区的适应或可调整性的改善并非尽如人意。
可重构机床特别适合加工多变型品种的工件族，尤其是已有好几代的产品还在继续进行开发的工件族。以较高数量的同一个坯件在一台总是能适合各种不同成品件加工的机床上进行。例如，为了加工与缸盖接合表面有着不同倾度的缸体，开发一台能在几分钟内可重新进行配置的机床。采用具有多个主轴的铣床或者把车床改装成的车—铣中心，加工大型工件时可以采用具有相应运动坐标轴和刀具的多个加工装置同时进行加上。在多年后需要保证供应备件的成批生产中，在生产结束后只需要保留部分模块。
: W, V" }! y+ [. g1 }6 s7 [轴配置的定义
: U+ E6 o8 P7 g0 }; a在配置时，用模块化的标准部件组成一台新的机床。用户从带有模块数据说明的实体模块库中选择合适的并将其进行组合。在机床几何关系数据块中反映了模块的堆叠和装配的位置。利用几何关系数据块，通过同模块敬据块的组合产生具有完整地描述机床构建数据块(图1)。
  _; ^: p8 m% d% v% j. a' r模块数据块与所要实现机床构建的机床几何关系数据块一样是集中储存在机床构建用的计算机内。可重构机床每一个控制系统可以包含整个的模块数据库，可以直接以这个模块数据库进行机床的构建。
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图3 机床配置的构建流程应用虚拟模块(右)使机床模型化。生成必需的软件(下)和利用模块库中的模块(上)实现实体机床(左)的组台。
5 c6 J& |1 D) {+ o. W在特征数据表上，列出了在一个模块数据块里全部实体模块的特征信息。这些信息主要包括几何尺寸、功率数据和接口等数据。从最后的信息中肯定可以看出，每个模块是在哪些条件下使用。在拟订方案时，对不能实现的机床配置会作出应答。
从机床构建数据得到的机床模型可以用来检验机床的性能。在进行检验时，用户毫不费劲利用仿真的多种特性，而获得已整理好的检验结果：有关加工精度、工件表面质盘或运行的限制，如加速度的范围。如果所加工的工件公差超出规定公差，机床可以重新进行构建，并重新进行仿真和借助于自动测试程序进行检测。
集成机床仿真
: q- k, m% I+ |4 J/ k" T) q通过生产过程仿真，对诸如节拍时间和工件通过通等表征加工能力的要求进行评估，在对变型品种进行评价时也可以考虑加工规划人员的观点。
, s" O* j  n+ H. }由标准模块配置(构建)成的机床，由于模块要适应多方面的可应用性，这种机床的动态性能和热特性品质是有限的。需要由控制系统、调节器、驱动装置和机械装置进行不可缺少的机电方面的相互协调，以实施优化，以便达到较高的动态性能和极高的生产效率。目标是，为了进行运动轨迹运行和速度的预调整更要注意机床的实体构建，以消除决定性的误差特性(如串扰效应，图2)调节器还必需确实地能抵消出现的随机干扰，为此，使控制系统和调节器始终要相应地适应实际定位的机械性能。
构建控制系统所需要的驱动参数和调节参数可以从由机床构建的数据块产生的机床模型中查到。随后，这些模型在控制系统中还可以用来补偿不良的机械性能。在模块进行组合时，机床重构的原则必须是能自动地用来构成机床模型(图3)。
  r& H$ ~7 j1 Y( W( u' T* s9 h在工作运行时，为了减弱热变形过程，控制系统可以对热态模型进行分析处理。补偿是通过存在的运动轴或借助于较短的补偿轴来实现。例如，压电组件，为进行补偿所需的传感器和致动器应集成到模块上。
8 e8 ~, o. f2 ^+ D如果已有了NC程序，那么就可以来研究有关可能发生碰撞的运动轨迹变化和检验工件的轮廓。在一台单独的PC 控制装置上的轨迹优化程序，首先对机床和控制系统的相互作用进行分析，然后对NC程序进行优化。安排在前面的轨迹优化程序加速了新机床的启动，并对从首次切削开始就达到高生产效率作出了贡献。
构建工具帮助机床进行调试
当重构的机床进行调试时，用户可以利用机床构建工具来进行帮助，把所有事先已准备好的数据传送给控制系统。控制系统则通过数据电缆或网络同负责机床构建的计算机进行连接，计算机从控制系统的机床构建数据中挑选出确定机床构建的数值，并将这些数值写入控制系统的存储器里，随后在机床控制系统上进行精确校准或通过机床构建工具来进行精确校正。
% m0 T' h+ |; F/ A$ `在这时，独立模块在机械上和电气上要相互进行连接，为此，必须要有简单、牢固和可靠的接口。例如，用来供电和传递信号的标准电气总线。影响机床精度最关键的部位是机械接口。建立在存在磨损隐患的定位孔基础上的纯粹机械解决方案，由于其安装位置是固定的，这就导致限制了机床结构配置的自由度。按照在模块上规定的定位基准而来进行自动定位，就会大大提高机床配置的灵活性，定位是通过一个专门的触发式测头来进行的。当测头接通时，控制系统就会检验机床的实体形态配置与寄存在控制系统里的配置是否一致，否则可能会对人和机床产生严重的损害。为此，每一个模块会有一个装有标识号码的存储芯片，该标识号码还储存在控制系统里、并当启动时由控制系统进行应答，并且把同储存在控制系统内所有不一致的配置显示出来。因此，对于这种机床的配置不需要设备的调试专家，所有列述的工作会自动地运行或者表明这些工作是明确的并简单可行。
* n: R* i1 \; ]2 z图3所示是用独立模块来构建机床的流程图。如果，首先是通过提供的机床模块能够满足各种加工任务，其次是机床构造上存在的不足之处可以通过基于模型的调整来进行弥补，那么这种可重构机床才可以可靠地和有利可图地投人使用。
9 x& s/ Z8 E2 P1 }控制系统应能自动构建
可重构机床也对控制系统提出了特殊的要求，因为，通过控制系统的接口还必须要与不同厂家制造的机床模块进行连接。这就需要一个共同认可的电气装置的接口标准．这个标准接口大多数是通过一个总线系统进行连接。模块可以根据其功能的集成程度直接地或者经过一个内部的母线同中央总线或与专门为其设计的机床母线进行连接。分散集成到模块中的智能化程度愈高，通过总线传送的数据母就愈少。当阔试时，也就明显减少花费和繁琐的工作量。
" A( k) i4 |7 N4 {2 }  u对机床控制系统的核心要求是数据接口，通过数据接口控制系统可以自动进行配置。或者从外部计算机把参数值装在控制系统里或者把预先为相应控制系统编制的成套存储模型装入控制系统、在近几年来，在开放式结构的控制器(OAC)领域日益加强的研究活动导致产生了诸如Osaca(开放式控制系统的结构)或Omac(开放式模块化结构控制器)的研究计划，开放式结构的控制器，其控制系统的结构可以在控制系统上实现与硬件无关的标准化的存取。硬件方面给现场可编程门电路数阵列(FPGA)每次配置以简便的方式提供转接控制逻辑的可能性。
配置首先应该通过独立的计算机来实现、因此，控制系统只要准备好提供操纵的可能性。然而，对于真正的组合式机床来说，这种操作需要转移到机床控制系统上，并需要把分配到模块上的独立控制考虑进来。
* V9 ]8 ?* [/ Q在将来，会有较多的软件工具支持用户。例如，根据一个己知的加工任务，为形成基于决策的配置建议，把各个机床模块的应用可能性与由CAD数据分析产生的必需的加工顺序进行比较。
文章关键词： 机床