6110连杆钻小头孔组合机床设计【含12张CAD图纸、说明书】
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设计【说明书
钻连杆小头孔
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外文翻译专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 班 级 学 号 指 导 教 师 外文资料名称： 可重构机床机械模块接口 外文资料出处： German Academic Society for Production Engineering (WGP) 2007 附 件： 1.外文资料翻译译文 2.外文原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日可重构机床机械模块接口埃伯哈德阿伯尔勒.阿诺沃纳尤尔根弗莱舍.简维塞尔帕特里克马丁.罗伯特克罗普尔XX 译摘要：可重构制造系统（RMS）是工业公司为适应频繁的生产要求做出变化，提出的符合成本效益的方法。RMS是由组合机床构成，这种机床能提供添加，删除，重新排列和部分单位变量以及整体替换等功能。这些机床的性能比如模块工件的高质量，快速灵活反应，都由机械模块接口的属性而定。在本文中，主要对机械模块接口性能参数的定义及其对机床的性能影响进行讨论，对一个能够快速灵活反应的接口的组装方案进行了分析。最后，介绍对于那些工具接口的准确性能参数所需要技术测试。 关键词：机床，重构，机械接口1简介近年来，市场不断提高步伐，并以难以预料方式发生变化。在这种情况下，为了保持竞争力，工业企业必须获得一种按照市场上的新产品的需求数量波动迅速和有效地作出反应的能力。因此，开发这样一个有可扩展输出和可调功能相结合的以最小时间筹备的高可用性和高生产力的制造系统1很有必要性。而可重构制造系统（RMS）就是一种有希望来迎接这一挑战的方式。模块化系统实现了机床与各种不同的组件组合的整体功能。这些构建块或模块，被一对一的映射系统的子功能，使其本身保持类似的架构和功能3，4。各模块间的相互作用被最小化，这样可以避免它对其他模块的变化影响到整个系统的正常工作 埃伯哈德阿伯尔勒.阿诺沃纳. 德国, 达姆施塔特工业大学, 工业机器生产管理研究所.尤尔根弗莱舍.简维塞尔. 德国, 卡斯鲁厄大学, 生产科学研究院, 电子邮件：wieserwbk.uka.de.帕特里克马丁.罗伯特克罗普尔. 法国, 国立高等工程技术学院, 工业工程生产机制实验室.4。随着能够添加，删除，重新排列和部分单位变量以及整体替换等功能的面世，模块化方法允许RMS来提供可调节的功能和能力。在何种程度上制造系统的可重构可以在快速整合模块（可积性）、修改系统的功能（可兑换性）、适应系统的容量（可伸缩性）以及限制一个给定的零件组的灵活性（标准化性）等性能能方面被衡量。自定义有助于避免不必要的器件和功能，这使得RMS显得很有经济性2，5。它可以随时购买或租用新的RMS模块，增加生产程序所需要的额外不同的功能，它没有固定的模式6。同样，RMS可以很容易的用新的模块进行升级，这使得制造商能够跟上技术进步的步伐而无需更换整个生产系统。RMS的结构层次架构可以的如图1所示。可重构机床（RMT）连接成连续的或并行制造系统，每个RMT组成的模块可以安排一个平台，这代表着最高系统水平（图2）。模块功能包括：机械加工操作（如铣床，钻床，车削）和磨削加工的操作（如焊接，激光淬火，工具）和工件装卸作业以及质量控制工作6。模块可以进一步细分，如主轴系统或工具系统。在这一平台上的模块的安装与执行加工，即加工功能，可同时执行，这使得初级加工处理时间大大缩短。图1 一个RMS结构层次架例子 5图2 一个RMT的结构例子一个RMT的可模块化性，快速可积性，可兑换性，可扩展性和标准化性取决于它的模块接口的属性。这些接口可分为机械接口和数据、能源和辅助材料的传输接口2。机械接口是特别重要的，和传输接口不同，他们不仅决定哪些模块被方便迅速连接，而且也影响整个系统的运行模式中的表现。这是由于他们的能力精确地和传播力及力矩的因素对应。这是正是本文所讨论的RMT的性能不同层面的机械接口影响的目的。第2部分介绍机械RMT的接口性能参数的定义及其对整体系统性能的影响。第3部分以圆柱型快速耦合接口为例分析模块组装方式。最后，在第4部分，介绍这些接口的性能评估测试工具。2机械RMT的模块接口的性能标准2.1影响工件质量的参数RMT模块之间相互准确定位的机械接口的性能对工具与工件的定位误差有影响。这个工具定位误差由一个静态组件X和动态组件x（t）组成。静态组件对工件的尺寸偏差的产生影响，此为主要误差，而动态组件影响工件的表面质量，这是次要误差。2.2主要参数误差几何定位的精度是第一个接口参数，即影响工件的首要误差，它比较平均和分散7。以几何定位精度为代表的定位错误不取决于力的强度或热度等外部因素，而取决于由组成参数误差引起的夹紧力而造成的变形，因此，它不能准确地从零件公差推导。在一个正在运行的RMT系统中，静态载荷造成切削力，重力和机械接口变形引起的惯性力。因而，接口弹性特性是不能够的单独推测它对工件质量的影响。因为接口导致的压力集中在接触面附近的模块，这进而导致应力集中的模块变形。即使接口组件它本身刚度很大，模块装配仍然会比整体结构弱。因此，代表接口刚度性能参数的是接口残余应力，这个残余应力作用在模块di（图3中的整体模块）和dm（图3中的装配模块）之间。图3 结构上的一个接口：接口造成的接口弹性和模块弹性因而，把d定义为弹性的变形率和负载，则有：参数d受到接口变形和模块上的变形的两方面影响。其中，模块上的变形对d的影响取决于模块的材料和形状，因此对于d不能一概而论。在下一章中，我们将提出了一个可以解决一些特定类型的接口问题的方法。这个工具对工件的静态定位精度进一步受到接口的热性能的影响。首先，这个接口在一个给定的温度变化下引起的膨胀系数是主要误差参数。热膨胀系数是一个相对的系数。一般情况下，热膨胀只影响接触表面的自由度（DOF），这使得我们可以很容易地利用它计算出材料的性质。然而，由于一般接口组件的表面比较平坦，在表面发生的热膨胀的效果相比是微不足道的，但是模块接口的热膨胀会影响模块的导电性 。2.3次要参数误差工件的次要误差一般情况下是由机床的振动造成的。机床的振动程度取决于机床的有关刚度，质量分布和阻尼特性。其中，相对于组件质量，接口的刚度和阻尼特性对于整个系统运行有着的明显影响，接口质量的影响几乎可以忽略不计。机床必须有一个良好的阻尼特性，因为它增加了与周围共振的的机床动态刚度，从而降低振动程度。以上讨论的每个参数对整体的效果取决于机床的模块使用哪种接口，因而不同参数的重要性并不能用一个固定的方法来进行评估。（图4）图4 接口参数在静态和动态的工具定位误差的作用2.4模块重构可以对接口参数特性进行描述在重构的过程中，模块最重要的性能标准是的接口装配时间（由离散度和平均值表示），装配的缓冲能力，以及兼容性7。装配时间的最小化是一般一个RMT系统最关注的东西，这些取决于模块的重构频率，而重构频率对于不同的模块类型和应用程序是有非常大的悬殊。图5指出不同类型的模块的置换时间是根据他的平均操作时间而定的。RMT重构机床和一些必要技能能够方便模块的装配。无论在公用或者专用的情况下，我们都必须有标准化接口来保证接口的兼容性。标准化它既是一个策略性的问题又是一个技术性问题。图5 模块的置换时间取决于它的平均操作时间接口的工艺稳定性必须能够持续较长时间，因此，不同于其他科技产品，接口技术不会是一个永久性的创新主题8, 9。兼容性也需要在一定意义上的灵活性，一个接口应该能够解决多样性的模块组装方案。2.5其他参数疲劳极限和接口最大负载量一般都很少被人关注，因为高的刚度要求决定了他的高强度。由于安全技术方面的要求，使得接口设计无法被省略，我们不能单单依靠外部力的作用来维持连接。接口在锁定模式下是不会发生故障的，因此它只在装配的工程中有工艺要求，例如该锁定机制的灵敏度。接口对污垢的灵敏度就决定了它的维护需求，而同时要方便装备的重新装配，高消耗超出了他们限定的设计要求。2.6 讨论下面表1总结了被认为是最重要的性能参数。得到参数的方式有三种。第一组参数需要运用特定的工具进行物理检测，第二组参数的检测则不需要特定的工具，第三组参数则需要在没有物理作用下进行检测。这些性能参数是确定组合机床正确选择接口的前提。因为兼容性方面的考虑，这个接口需要最大限额的考虑到整套可能用到的模块因素，包括工件质量，置换时间，模块成本以及最初投资成本等等。因此，它必须有很高的灵活性。 表1 主要接口性能的确定运用特定工具检测原位检测无物理作用下的检测刚度精度阻尼导电性可重构时间装配缓和可靠性保养必要技能兼容性所需工具检测地点灵活性失败补偿设计便利性2.7 RMT模块组装紧凑型快速耦合适配器的接口机械接口类型的范围包括从简单的螺栓组件到复杂的快速耦合解决方案。螺栓连接已经在文献中广泛讨论（例如，定位精度和装配精度7、刚度方面的考虑8和阻尼性能的要求10）。螺栓连接的接口需要较长的装配时间，而且经常必须在现场调整来达到足够的定位精度。我们可以在快速变化托盘系统发现类似接口类型的实例。图6说明了这些接口对于不同类型的模块装配的基本装配原则的两个例子。图6 多元圆柱接口在RMT模块组装的应用由于其体积小，圆柱形接口组件有一个低的抗弯曲强度，它至少需要三个单元来保证模块组装有足够的刚度。因此，每个接口都可以被看做没受到任何弯曲与扭曲的一个整体，它控制着3个平移自由度但不控制转动自由度。“（3+i）个接口则表示它有3*（3+i）-6个自由度”这种观点是不正确的，当然自由度也不能够随意的选择，因为自由度的选择会影响到装配的刚度。因此，在接口部分安装到模块上之前，我们需要通过调节机制来把接口放置到正确的位置上以保证它在各个自由度方向上的运动都是确定的。图7显示了如果3个接口被运用在装配中，那么它的自由度就需要加以调整。相对于螺栓连接，接口只需要在它第一次调配之前加以调整。当调节精度很高的时候，自由度的确定是通过模块和接口间不产生明显的残余应力来进行补偿的。图7调整接口位置来进行接口自由度的确定图8显示的是专为RMT的模块组装设计的SST- 60接口。HSK A-63刀柄接口导出的圆锥面使得接口的两部分很容易就能够对齐。接口的锁定和释放是通过一个空心的长柄机制来控制的，而这个机制可以用液压或者螺杆来驱动。两个接口各自用螺栓固定在一个模块上，在模块第一次使用之前要进行调整来保证固定的精确度。由于主要消耗发生在轴上，所以传统的螺栓连接他的初始投资成本比较高。它对SST- 60接口最大18KN的夹紧力构成了12KM的加紧力矩，而它的位置精度5m。图8 sst型 圆柱快速耦合接口2.8圆柱型RMT接口性能评价的测量工具我们需要测量接口的刚度来判断圆柱适配器的接口是否能够满足RMT模块和接口之间连接要求。2.9 刚度的测量正如上文第3部分所说在至少有3个接口的组件中，我们对于弯曲刚度和扭曲刚度忽略不计，我们只需要考虑3个平移自由度方向上的刚度。接口是对称旋转结构的，因而它所有的径向刚度都完全相同，相关的刚度参数可以简化为一个切向方向和一个正常方向。接口和装配组建的弹性性能可以表示为如图9所示。 图9 圆柱型RMT接口的弹性特性模型这个概念是根据一个刚性框架和两个同类型的对称布置的接口确定的（图10）。专用执行件和通用元件的安装在切向方向和正常方向是可以改变的。测量曲线载荷位移得到刚度，它的负荷是由气动装置产生的，我们常采用隔膜来避免粘滑对它的影响，并通过一个特殊的环状组件把剪切力均匀分布在接口的周边，同时我们还要避免滑动表面的摩擦对测量的干扰。图10 刚度测量装置的测量原理我们设计了一个测量弹性特性的物理测量装置（图11）。接口造成了系统整体刚度的下降，而下降的幅度取决于模块的几何形状和他的材料，同时我们也要把模块的弹性性能考虑进去。测量模块和接口的组合弹性特性是不切合实际的，因为这个时间必须重复组合的每一种可能性。因此，我们提出一种方案，通用对有限个模块接口的弹性特性的一次性测量推测出组合件整体的弹性特性。（图12）1支架式传感器 5 拉杆2 支架式远程感测器 6 EU05型远程感测器 分辨率0.05m3 电压表 7 HBM C9B 型负荷传感器 额定负荷101KN4 气动开关 8 远程传感器支架图11 刚性特性测量装置的技术实现图12 有限元分析法测量模块接口刚度的原理首先，切向和正常方向上的弹性参数ds和dn是通过测量负荷位移的比例获得的。ds = Xs / Fs and dn = Xn / Fn这两个参数可以整合为虚拟弹簧模块的有限元模型，虚拟弹簧被连接在真实接口和模块的接触面上，我们把他它定义为刚性。事实上，接触表面的变形时可以显现出来，从而刚性的设想是不准确的。一方面，这会将限制了上述方法的精度，另一方面，接触变形也使得测量接口刚度测试设置变得很复杂，因为没有表示测量整个构件负载变形的参照点。我们建议测量接口变形时不要直接测量接触面而是测量接口被连接部分的两个边缘点（图13）。在接下来的步骤中，这些连接部件有限元分析是为了获得在一个刚性接触面上两个相同的表面状况的点的弹性特性。从而我们得知我们可以用图12所示的方法对接口弹性参数d进行预测。图13由组合刚度测量和有限元分析组成的测试设置2.10 测试结果按照上述图8所示的方法我们对SST-60接口进行了测试，测量了位移值，模拟计算了切向和正常方向的负荷及力的变化范围为1-10KN时的接口弹性（图14）。并在该方法的基础上，我们进行了接口弹性参数d的计算（图15）。图14 按照图13中描述的方法测量，有限元分析与计算位移值图15 SST- 60接口在切向和正常方向上的弹性参数3总结和结论本文提供了机械RMT接口解决方案的性能评价基本要素。首先，对性能参数进行了讨论和分类。然后，用具体的RMT快速耦合接口为例，通过其中一些需要物理测试对这些参数的确定方法进行证明。模块上接口的刚度被确定为刚度参数分配的主要因素。模拟测量模块的变形和接口刚度组合法被作为一种可能的解决方案而提出来。随后该方法应用于新开发的接口概念。致谢这是一个的“METEOR”的研究和开发项目的研究成果，它是由德国联邦教育与研究部（BMBF）赞助的，并作为“研究未来的生产”框架概念的一部分，由卡尔斯鲁厄研究中心BMBF生产和制造技术项目执行组织（PFT- PTKA）进行监督。参考文献1. 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