模块化深孔加工机床设计(编辑修改稿)

模块化深孔加工机床设计(编辑修改稿)内容摘要：

题， 20 世纪 90 年代中期，国外学者和研究机构提出了可重构制造的概念 [14][15]。 RMS 的基本特征 是可重组 (可组态 )性 ,另外还包括可变性、可集成性、定货化、模块化、可诊断性、经济可承受性、敏捷性等。 据此给 RMS 定义如下：可重构制造系统是一种基于现有的、可利用的或可获得的新加工设备和其它组元，能按市场需求的变化，以重排、重复利用或更新元素的方式，实现以低成本快速 地调整制造过程的功能和生产能力，具有足够柔性和可适应性的新一代可变制造系统。 可重构制造系统可定义为：能适应市场需求的产品的变化，按系统规划的要求，以重排、重复利用、革新组元或子系统的方式，快速调整制造过程、制造功能和制造生产能力的一类新型可变制造 系统。 从上述资料给出的可重构制造系统的定义可以看出，目前人们对可重构制造系统的认识有一定的统一之处，强调的基本依据和方式一致。 可重构制造系统代表了自动化制造系统的发展方向，是 21 世纪制造业的核心技术之一。 可重构制造系统的特点 尽管对于什么是可重构制造系统，说法不一，但它应体现出以下几方面的特点： （ 1）制造系统的快速构造能力 提出制造系统可重构思想的一个基本依据是期望制造系统能够具有对激烈变化的市场需求做出及时准确的响应，因此要求制造系统本身的构造能够在短时期内完成。 如果一个制造系统 可以被快速地构造出来，产品上市时间必将大大地缩短，企业也能够获得更大的市场竞争能力。 相反，如果一个制造系统不能被迅速地建立起来，那么当该制造系统具备生产能力时，它所生产的产品也许已经无法获取合适的利润价值，甚至该产品会被市场所淘汰。 （ 2）制造系统的模块化 由于加工机器设备正在变得愈来愈贵重，其投资决策也愈来愈难。 因此，模块化可重构的硬件插件兼容式技术必然会降低制造系统的投资成本，提高柔性，缩短生产准备周期。 采用模块化部件构造机器设备，以便按生产要求的变化可以通过重构使用这些模块化部件使生产系统升级、机器重 新配置，而不必重新制造和购买机器。 例如，将加工中心设计成标准模块 —— 工作台、电机、控制器、换刀装置等多种模块化兼容性部件。 采用这种设计方法的直接结果是节约制造资源与生产成本，提高了系统运行的可靠性。 当生产任务改变时，首先立足于现有资源，通过优化配置现有的各种资源模块来解决不确定性问题。 当现有加工设备无法满足生产需要时，则采购、定制新模块，升级、扩充旧有的资源模块，快速地集成各种生产模块来获取新的生产能力。 （ 3）统一的集成环境 随着生产系统规模越来越大，不同部件间的耦合也越来越紧密，对整体管理系统的方法 学需求也越来越明显。 目前的部件控制方法是单独处理每一个单元，然后用一些并不妥当的方法将所有的单元紧紧地联系在一起，使之成为一体。 这样做的结果必然是设计、运行和集成导致了一个庞大的软件控制系统，而且该控制系统在资源消耗和时间响应方面具有很大的不可预见性。 目前的设计方法是将系统集成当作一次性的工作，而不是按任务的变化不断改变的集成过程 [22]。 因此 ,它一旦建成则很难对其进行必要的修改与扩充。 为适应激烈变化的市场需求有必要建立一个统一的系统集成环境。 系统的控制被设计成与每个元素无关，每个模块都避免受到其它模块的影 响，而系统的总体则是协同一致的。 可重构制造系统的研究内容 为实现制造系统按照市场导向快速地重构这一目标需要进行大量的工作。 特别需要对一些关键的使能技术与方法进行深入的研究与探讨。 这些关键技术的发展与成熟一方面将有助于可重构制造系统的实施，同时也有利于带动其他相关学科的发展。 下面，从四个方面进行说明。 系统设计与集成 现代制造是一种社会化的生产与营销活动。 在这种制造活动中 ,不可避免地需要解决系统的集成与分散之间的关系。 所谓集成就是对制造各种要素进行组合或综合的过程。 利用集成的手段 可以统筹与协调各种制造信息、各种制造资源、各种制造技术与各种制造功能模块。 在本质上，集成体现了社会化协作，而分散或分解则体现了社会化的另一方面 —— 分工与专业化。 它包括分布式制造、单元制造、各种软硬件模块化与标准化。 显然，无论集成与分散都是一种手段而不是目的。 正确的做法应该是根据企业的实际情况，在其经济可承受性与技术支撑可能性的约束下，应用集成与分散手段，促进企业提高产品与服务的质量和生产效率，降低成本，增强企业整体对市场需求的灵活快速反应能力，以良好的竞争力夺取市场。 在制造系统中，集成的功能主要通过系 统层实现。 制造系统的系统层主要解决如何依据生产任务优化配置制造资源，并保证各种制造信息在各子系统之间无缝流动并完成物料流的准确调度。 它的任务主要包括：制造资源的布局设计并确定运输路径，依据加工零件的交货期制定生产计划，依据加工过程中 的各种信息进行作业调度与负荷平衡等多项内容。 对于一个可重构的制造系统而言，更为重要的是系统层能够依据不同的任务需求对制造系统的各个可重构的模块进行配置并对配置的结果进行评估。 由于评价系统配置结果需要考虑产品质量、生产成本、交货时间等多种因素，因此对这些评价指标模型的深入研究具有重要的意义。 与此问题相关的一个问题是如何评价系统配置的变化对诸如系统生产率、系统可靠性等制造系统特征的影响，如果这一问题得到有效解决必将为模块化的制造系统综合问题提供理论指导。 系统层对配置后的制造系统评估的一个例子是对布局重构的评估。 例如：，美国的 GM 公司为缩短产品上市时间缩短了生产线的长度，有些企业设备布置变动已经成为常事，甚至平均一年变动一次。 然而，频繁的设备布局变化会导致生产成本的增加。 最终的结果必然是在二者中寻求平衡 ,为此系统层应该能够帮助决策者制定合适的策略。 模块化的可重构软件 制造系统的应用软件设计是一项非常复杂的工作。 由于制造系统中存在大量的制造资源，多种设备操纵方法，我们需要将这些信息与方法抽象出来并构造在一起使其成为一个可靠的应用程序。 面向对象的编程技术是解决这一问题的有效手段。 遗憾的是，面向对象的 编程技术并不能解决制造系统中软件设计的所有问题。 制造系统中应用软件的修改与升级就是其中之一。 目前，一个应用程序通常由单个的二进制文件组成。 当编译器生成此应用程序之后，应用程序一般不会发生变化。 这样，客户需求的改变必须等到整个应用程序被重新编译之后才能得到认可。 显然，如果现有的这种情况不发生改变，客户的需求将难以得到迅速的响应，这对于制造企业而言是一个非常严峻的问题。 可重构的制造系统模块化的特性要求应用程序在发行之后不再保持静止状态，它应该随着时代的发展与用户需求的改变不断地被注入新的活力。 可喜的是，通过 COM（组件模型）， DCOM（分布式组件模型）等多项技术正在使现有的这种情况发生改变。 COM 的解决方案是将单个的应用程序分割成多个独立的部分，也就是组件(Component)。 利用新的组件不断地取代旧的组件，再将现有的各种组件重新配置实现用户定制。 同时，组件构架最引人注目的优点之一是快速应用程序开发。 这一优点可以使某个组件库中取出所需的组件并将其快速地组装到一起以构造所需的应用程序。 同时，由于引入动态链接技术 (DLL)并封装了组件的内部信息，可以动态地将各种组件插入与卸出应用程序从而实现应用软件的优化与配 置。 借助于计算机网络，更可将应用程序划分为位于远地的各种功能组件，并相应地创建专门与之通讯的组件实现分布式计算。 这一点对于制造系统自动化而言有着重要的意义。 由于制造系统设计众多的数据信息，如果所有这些信息完全由一台或几台主控计算机进行处理，必然导致计算成本增大，某些实时信息难以得到响应，更为严重的是一旦主控计算机出现问题制造系统将面临全面的混乱。 因此，有必要对制造系统中的各种信息进行分布式处理，使得计算量得到相应的平衡。 可重构制造系统的控制与故障诊断 顾客对产品品种与规格、功能与性能、外 观与色泽需求量的要求呈多样化，促使制造企业减少产品批量，以定单牵引生产。 为适应这种多样化、个性化需求，必然要求制造系统配置一些可完成多种加工任务的机床与机器人。 然而遗憾的是目前大多数工 业机器人并不具备这种能力。 其中的一个重要原因在于工业机器人的控制器基本上都是开发者基于自己的独立结构进行开发的，采用专用计算机，专用的机器人语言与专用的操作系统。 这种“封闭”的控制器结构使其仅具有特定的功能、适应特定的环境、不便于进行系统扩展。 针对这样的问题，日本、欧美等一些国家近年来都在开发有开放式结构的控制器。 具有开放式结 构的控制器应具有以下的特点： ① 采用标准的操作系统与总线结构 采用标准的操作系统与控制语言可以改变当前各种专用机器人语言并且互不兼容的局面。 利用标准的总线结构使得各种传感器与硬件控制板的“即插即用”成为可能。 ② 利用网络通讯，实现资源共享 可重构制造系。