可重構(gòu)機(jī)床機(jī)械界面的設(shè)計(jì)探討

摘要：可重構(gòu)機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)新的市場(chǎng)需求進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的響應(yīng)，因此可重構(gòu)機(jī)床是當(dāng)前制造業(yè)中的一個(gè)實(shí)用的制造系統(tǒng)，在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)實(shí)際中具有廣泛的應(yīng)用。因此，可重構(gòu)機(jī)床機(jī)械界面的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。可重構(gòu)機(jī)床機(jī)械界面的設(shè)計(jì)主要是為了保證可重構(gòu)機(jī)床在進(jìn)行人機(jī)交互的過程中，能夠快速、準(zhǔn)確、和無(wú)歧義的完成人機(jī)的交互。

關(guān)鍵詞：可重構(gòu)；機(jī)床；機(jī)械界面；模塊化設(shè)計(jì)

1、可重構(gòu)機(jī)床

1.1 可重構(gòu)機(jī)床

制造業(yè)廣泛實(shí)用的三種機(jī)床是：專用機(jī)床、組合機(jī)床和數(shù)控機(jī)床等三種。依據(jù)某一具體工件的屬性而設(shè)計(jì)制造用于加工該（類）工件的機(jī)床是專用機(jī)床。此種機(jī)床的特點(diǎn)是單一功能，設(shè)計(jì)和制造比較簡(jiǎn)單，其精度、生產(chǎn)效率以及自動(dòng)化水平都非常的高。與此同時(shí)，它只能針對(duì)某一特定零件進(jìn)行加工，一旦該類零件不再生產(chǎn)該機(jī)床也就基本宣告結(jié)束壽命。該類機(jī)床的設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、成本高。因此，專用機(jī)床主要是早起進(jìn)行早期的工件加工使用。為了縮短設(shè)計(jì)和制造周期，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于小批量多品種的適應(yīng)，人們開始研究使用組合機(jī)床。組合機(jī)床不僅能夠完成專用機(jī)床的所有任務(wù)，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)利用已有機(jī)床的部件或功能模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)床的改造，從而柔性化的生產(chǎn)需求。組合機(jī)床使用了大量的通用零部件，在一定意義上說實(shí)現(xiàn)了重構(gòu)也就是通用件重復(fù)使用來滿足加工對(duì)象的變化。在此之后為了提高小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化水準(zhǔn)，數(shù)控機(jī)床得到了廣泛的應(yīng)用。但是數(shù)控機(jī)床的陳本高、技術(shù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。可重構(gòu)機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格低廉的機(jī)床，集眾多機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)于一體，同時(shí)有效的避免了它們的不足之處。

1.2 可重構(gòu)機(jī)床的特征

可重機(jī)構(gòu)床的機(jī)床是由一些基本模塊（零部件）根據(jù)功能的需求有機(jī)的結(jié)合到一起而成的；機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局可以根據(jù)所需要生產(chǎn)產(chǎn)品的具體要求進(jìn)行變化和重組；組合機(jī)床的各個(gè)模塊如硬件、軟件等都是已經(jīng)建立起統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；機(jī)床各個(gè)模塊之間是具有統(tǒng)一風(fēng)格的界面，各部分界面都是標(biāo)準(zhǔn)化的。可重構(gòu)機(jī)床的功能是可以改變的，但是都是以產(chǎn)品族為基礎(chǔ)。可重構(gòu)機(jī)床可以極大限度的縮短產(chǎn)品改型換代所需要的時(shí)間，能夠在滿足零件的加工要求下，簡(jiǎn)化了機(jī)床的各部分功能和結(jié)構(gòu)。可重構(gòu)機(jī)床在提高產(chǎn)品加工質(zhì)量的同時(shí)，極大地降低了生產(chǎn)企業(yè)的成本。可重構(gòu)機(jī)床的維修性好，相應(yīng)的模塊出現(xiàn)問題只需維修或更換相應(yīng)的模塊就可以繼續(xù)工作。

2、可重構(gòu)機(jī)床機(jī)械界面設(shè)計(jì)

2.1 界面的模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是由模塊的劃分、設(shè)計(jì)和綜合；模塊之間界面的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)兩個(gè)部分組成的。模塊化設(shè)計(jì)理論雖然在上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)提出來，但是實(shí)際的生產(chǎn)中確是一直沒有應(yīng)用開來。分析其主要原因在于人們常常將注意力關(guān)注到模塊的劃分、設(shè)計(jì)和組合方面對(duì)機(jī)械界面部分缺乏一定的研究。實(shí)際的使用中機(jī)械界面的設(shè)計(jì)好壞和標(biāo)準(zhǔn)化與否，都與模塊化設(shè)計(jì)息息相關(guān)。對(duì)于可重構(gòu)機(jī)床，由于重構(gòu)頻率極高，如果不能實(shí)現(xiàn)模塊之間的快速高精度互換，可重構(gòu)機(jī)床就沒有任何實(shí)際意義。

可重構(gòu)機(jī)床界面按照功能進(jìn)行劃分包括機(jī)械界面（動(dòng)態(tài)界面和固定界面）；動(dòng)力界面；數(shù)據(jù)界面等。本文主要針對(duì)可重構(gòu)機(jī)床的機(jī)械界面進(jìn)行設(shè)計(jì)探討。可重構(gòu)機(jī)床的機(jī)械界面主要分為兩大類：界面之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)和界面之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。界面的研究主要包括以下內(nèi)容：界面的結(jié)合精度、可靠性、穩(wěn)定性和界面的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊更換的快速性。此外，可重構(gòu)機(jī)床的界面與可重構(gòu)制造系統(tǒng)其他部分界面之間的快速互換也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。

2.2 機(jī)械界面的設(shè)計(jì)

可重構(gòu)機(jī)床系統(tǒng)中的機(jī)械界面強(qiáng)調(diào)快速可重構(gòu)。機(jī)床系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)模塊通過標(biāo)準(zhǔn)界面裝配而成，并可以快速改裝以滿足不同的加工要求。所以，可重構(gòu)機(jī)床系統(tǒng)中的機(jī)械界面設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包括機(jī)床本體、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等。

因?yàn)榭芍貥?gòu)機(jī)床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)加工任務(wù)的運(yùn)動(dòng)分析一機(jī)床模塊庫(kù)中模塊匹配搜索一擬定可重構(gòu)方案等步驟完成的，所以機(jī)床的主體、工作臺(tái)、立柱、主軸頭、換刀裝置、夾緊單元等都應(yīng)設(shè)計(jì)成具有標(biāo)準(zhǔn)界面的標(biāo)準(zhǔn)模塊。同時(shí)，為了提高設(shè)備的效率及加工精度，還應(yīng)考率機(jī)床所配置的各種檢測(cè)裝置的通用界面問題，如刀具磨損檢測(cè)裝置、機(jī)床精度檢測(cè)裝置、機(jī)床熱變形檢測(cè)裝置等。

可重構(gòu)機(jī)床的控制系統(tǒng)也必須按照開放式結(jié)構(gòu)的原則來設(shè)計(jì)。所謂的開放式結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)具有讓應(yīng)用程序在各供應(yīng)商提供的各種軟件平臺(tái)上運(yùn)行的能力。這就要求系統(tǒng)給應(yīng)用軟件提供中性的通用界面，而這些界面應(yīng)當(dāng)是通用化的標(biāo)準(zhǔn)件，以囊括控制系統(tǒng)所有特定的部件，如計(jì)算機(jī)板、各種插卡或通過控制網(wǎng)絡(luò)連接的智能I/0節(jié)點(diǎn)。

可重構(gòu)機(jī)床系統(tǒng)的控制軟件需要運(yùn)行在獨(dú)立于特定的應(yīng)用軟件和方便地使用特定硬件的中性系統(tǒng)平臺(tái)上，支持對(duì)應(yīng)用軟件開放功能的系統(tǒng)軟件位于平臺(tái)的頂層。應(yīng)用軟件需要在模塊化和柔性化的方式下運(yùn)行，它們不能直接用來作為機(jī)器及過程的控制平臺(tái)，而需要設(shè)計(jì)一種特定的系統(tǒng)平臺(tái)，這一軟件模塊能夠很方便地載入不同的操作系統(tǒng)，并且能夠支持實(shí)時(shí)操作特征。所以，該軟件模塊必須具有很高的可重構(gòu)性，同時(shí)要求它的界面要有可重構(gòu)性。