（机械制造及其自动化专业论文）新型花岗石平台与构件制品加工设备模块化设计研究.pdf

摘要 于两要 花岗石平台是一种精密的基准测量工具，对仪器仪表、精密工具、机械制件的检 验，都是理想的基准面；花岗石构件主要为精密测量、集成电路加工等精密机械或特 种加工机械的工作台、导轨、滑板、立柱、横梁、底座等基础支承部分。花岗石平台 表面的平面度要求高，也有部分沟槽、侧面及定位孔的加工等；花岗石构件制品除表 面平面度要求高之外，用于导向、支承的各表面间的相互位置精度高，有些构件制品 还包含镶嵌会属件等的异型加工。随着社会对精密机械发展的要求愈来愈高、应用范 围越来越广，花岗石平台与构件制品的需求趋势主要是平面度及尺寸n i 的精度要求 越来越高，多品种、小批量、艺术化、个性化需求日益突出，需求的品种越来越多、 规格尺寸需求越来越大，市场需求量越来越大，交货期要求越来越短。 课题针对花岗石平台与构件制品的结构特点、加工特点和市场需求特点，通过功 能分析，提出了一种集花岗石平台与构件制品粗、精与孔、槽加工于一体的加工设备。 设备采用工序集中的方法，将制品五个面的铣磨、磨抛、开槽、钻孔等工序集中在一 台设备上完成，实现了集成工艺，避免了工件重复装夹带来的不便和误差，提高了工 件的加工精度，降低了后续工序的劳动强度，提高了生产效率。设备采用桥式结构， 移动式横梁，集成动力头，可按照功能模块进行设计、生产组织。设备划分为机械模 块、冷却润滑模块、辅助模块、控制模块等；机械部分又划分为运动模块、动力模块、 支承模块和扩展模块等四大功能模块。各功能模块可根据加工制品的结构要求进行拼 接、重构组合成相应功能的加工设备。采用集成及模块化设计技术对新型多功能设备 进行开发，设计周期短、制造投产快，投资较小、适应面广、实用性强。 分析了新型设备的关键零部件移动横梁对设备性能和加工质量的影响；创建 了新型设备移动横梁的数学模型，并结合现代计算机技术和数学方法，利用有限元软 件a n s y s 对移动横梁进行了力学分析及优化，使设备的性能参数达到最佳状态。 应用集成及模块化设计技术开发新型花岗石平台与构件制品加工设备的课题符 合当前该产业发展的要求，其实施和推广，将为花岗石平台与构件制品的加工提供可 靠的保障，将显著提高该产业的技术和装备水平。 关键词：花岗石；平台；构件；加工设备；集成；模块化 山东大学硕+ 学伸论文 a b s t r a c t g r a n i t es u r f a c ep l a t e sw o u l db eu s e da st h ep r e c i s i o nm e a s u r i n gb a s i sf o ra p p a r a t u s p r e c i s i o nt o o l s ，m a c h i n e r yp a r t sa n ds oo n g r a n i t em a c h i n e r yc o m p o n e n t sw o u l db eu s e d a st h et a b l e ，s l i d e ，h o u s i n g ，b e a ma n db a s eo ft h ep r e c i s i o nm a c h i n eo ru n - t r a d i t i o n a l m a c h i n i n ge q u i p m e n t t h es u r f a c e so fg r a n i t ep l a t e sr e q u i r eh i g hf l a t n e s s ，a n ds o m e g r a n i t ep l a t e sn e e dt h em a n u f a c t u r eo fd i t c h s ，s i d e sa n dl o c a t i n gb o r e s b e s i d e st h er e q u e s t o fh i g hf l a t n e s s ，e a c hs u r f a c eo fg r a n i t ec o m p o n e n t s ，w h i c hi su s e df o rg u i d ea n ds u p p o r t , n e e d sh i g hm u t u a lp o s i t i o np r e c i s i o n , a n ds o m ec o m p o n e n t sn e e d ss p e c i a l s h a p e d m a n u f a c t u r eo fm e t a lp a r t so fi n s e t t h er e q u e s to fp r e c i s em a c h i n e s d e v e l o p m e n ti s h i g h e ra n dh i g h e r , a n dt h ea p p l i c a t i o no fp r e c i s i o nm a c h i n e si s w i d e ra n dw i d e r , a c c o r d i n g l y , t h ed e m a n d i n gt r e n do fg r a n i t es u r f a c ep l a t e sa n dc o m p o n e n t sm a i n l ys h o w s e v e r a la s p e c t s ：f i r s t ，r e q u e s to ff l a t n e s sa n dm a n u f a c t u r i n ga c c u r a c ya r ch i g h e ra n dh i g h e r ； s e c o n d r e q u e s to f a r t ya n di n d i v i d u a t i o nw i t hm o r es p e c i f i c a t i o n sa n dl i t t l eb a t c hb e c o m e s i n c r e a s i n g l yo u t s t a n d i n g ；t h i r d ，d e m a n d i n gs p e c i f i c a t i o n sb e c o m em o r ea n dm o r e ，、v i t l lt h e s i z eo fn e e d sb e c o m i n gg r e a t e ra n dg r e a t e r ；l a s t ，t h en e e d so fm a r k e tb e c o m e sw i d e ra n d w i d e r , t o g e t h e rw i t hm a n u f a c t u r i n gp e r i o db e c o m i n gs h o r t e ra n ds h o r t e r a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，m a n u f a c t u r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dn e e d i n g c h a r a c t e r i s t i c so f t h ep r o d u c t s ，b a s e do nt h ef u n c t i o n a la n a l y s i s ，an e w - t y p ee q u i p m e n tt h a t c a nm a k eh o l e sa n dd i t c h e sp r e c i s e l yo rr o u g h l yo nt h ep r o d u c t sh a sb e e nd e s i g n e d b e i n g a p p l i e dc o l l e c t e dw o r k i n gp r o c e d u r e s ；t h ea c t i o n so fm i l l i n g ，g r i n d i n g ，p o l i s h i n g ，d i t c h i n g a n dd r i l l i n go nf i v es u r f a c e so ft h ep r o d u c tc a nb ef i n i s h e db yo n ee q u i p m e n t s o ，t h e p r e c i s i o no ft h ep r o d u c t sa n de f f i c i e n c yo fp r o d u c ec a nb er a i s e da n dt h ei n t e g r a t e d p r o c e s s i n gc r a f tc a n t ei n t ob e i n g t h ee q u i p m e n th a sb r i d g e - t y p es t r u c t u r e ，am o v a b l e b e a ma n dac o m b i n e dp o w e r i tc a nb em a d ea n dm a n a g e db yt h ef u n c t i o n a lm o d u l e s t h e e q u i p m e n tc o n s i s t so fm a c h i n e r ym o d u l e s ，c o o l i n ga n dl u b r i c a t i n gm o d u l e s ，a s s i s t a n t m o d u l e s ，c o n t r o l l i n gm o d u l e sa n ds oo n t h em a c h i n e r ym o d u l ei sd i v i d e d i n t of o u r f u n c t i o n a lm o d u l e s ：t h em o v a b l em o d u l e ，t h ep o w e rm o d u l e ，t h es u p p o a i n gm o d u l ea n d t h ee x t e n d i n gm o d u l e t h ef u n c t i o n a lm o d u l e so ft h ee q u i p m e n tc a nb ea s s e m b l e da n d r e c o n s t r u c t e di n t oan e w - t y p eo n ea c c o r d i n gt ot h es t n j e t u r eo ft h ep r o d u c t s a p p l i e dt h e i n t e g r a t e dt e c h n o l o g ya n dt h em o d u l a rt e c h n o l o g y , t h en e w - t y p ee q u i p m e n ti sd e s i g n e d w i t hl e s st i m ea n df u n d , b o u n d l e s su s i n gs i t u a t i o na n ds t r o n g e rp r a c t i c a b i l i t y 摘要 1 1 1 em o v a b l eb e a mi st h ek e yp a r to ft h en e we q u i p m e n t b yb e i n ga n a l y z e di t s e f f e c t i o nt ot h ee q u i p m e n t sp e r f o r m a n c ea n dm a n u f a c t u r i n gq u a l i t y , t h em a t h e m a t i c s m o d e lo fi ti se s t a b l i s h e d b e s i d e s ，w i t ht h em o d e mc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dm a t h e m a t i c s m e t h o d ，u s e da n s y s ，af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，t h em e c h a n i c sa n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o na r ep r o c e s s e dt ot h em o v a b l eb e a mi no r d e rt om a k et h ee q u i p m e n t s p e r f o r m a n c ea n dp a r a m e t e ra t t a i nt h eb e s ts t a t e a p p l i e dt h ei n t e g r a t e dt e c h n o l o g ya n dt h em o d u l a rd e s i g nt e c h n o l o g yt od e v e l o pa n e w t y p ee q u i p m e n tf b rt i l em a n u f a c t u r eo fg r a n i t es u r f a c ep l a t e sa n dc o m p o n e n t s t h e s u b j e c tm e e tt h er e q u e s to ft h i si n d u s t r y sd e v e l o p m e n t 1 r t 把i m p l e m e n to ft h en e w - t y p e e q u i p m e n tw i l lr e l i a b l ye n s o x et h em a n u f a c t u r eo fg r a n i t ep l a t e sa n dc o m p o n e n t t sa n d r e m a r k a b l ye n h a n c et h el e v e lo f t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t si nt h i si n d u s t r y k e yw o r d s ：g r a n i t e ，s u r f a c ep l a t e ，c o m p o n e n t ，m a c h i n i n ge q u i p m e n t ，i n t e g r a t e d ，m o d u l a r l i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：丑数 日期：力塑笸：工丛 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趁导师签名；越 日期：型 第1 章绪论 第1 章绪论 现代的产品开发是面向用户、面向市场的开发，更短的生命周期、更低的单位成 本、更高的质量，成为产品需求的趋势。产品开发在思维、方法、手段等方面也发生 了很大的变化，形成了不同于以往的开发模式。模块化设计方法从解决产品品种、规 格多样化与设计周期及成本之间的矛盾出发，通过模块的划分与集成，使产品设计与 制造趋于合理化。增加了设计的柔性和适应性以及对市场的快速响应能力；用集成理 论来指导新产品的开发并将集成技术应用于新产品的具体设计，开发出刚性好、结构 紧凑、集成度高、性价比高、实用性强、通用性好的产品，己成为企业快速适应市场 需求变化和提高产品竞争力的重要手段。 1 1 课题的来源与背景 近年来，由于石材普通板材的利润率越来越低，国内外石材加工企业都在寻求和 开发高附加值的石材异型制品加工技术和装备，以获取更大经济效益，从而使得高附 加值、高档次石材异型制品的市场非常广阔。随着社会对精密机械发展的要求愈来愈 高、应用范围越来越广，国内外对花岗石平台与构件制品的市场需求量越来越大。花 岗石平台与构件制品的旺盛需求必然推动相关产业的发展，花岗石平台与构件制品加 工设备作为该产业中最重要的一个环节，也必然有着很大的发展。 随着花岗石平台与构件制品应用的日趋广泛、加工质量要求的不断提高，制品的 加工不能再靠生产率低、能耗及生产成本高的落后设备，也不能依赖进口，只能以自 己的质优、价廉的设备赢得市场因此，生产新型的、适合我国国情的、高效率的 花岗石平台与构件制品专用加工设备已迫在眉睫。 现有的石材i j i - r 设备基本上可以分成三大类：( 1 ) 功能齐全的全自动多维数加工 中心：( 2 ) 单一功能的加工设备；( 3 ) 简单的机械或者手动工具。多功能加工中心具 有功能多、适应范围广的特点，但成本高，且对操作人员要求较高；简单机械或者手 工作业成本低，但效率低、周期长，产品的质量也不能保证，引不起企业的兴趣；单 一功能的加工设备自动化程度较高，成本较低，效率也基本能满足需求，成为企业的 首选。但单一功能的加工设备只能加工有限的一类或者几类制品，而花岗石平台与构 件制品的规格品种很多，从而导致设备种类的繁多，生产企业为了满足市场的需求势 山东大学硕十学付论文 必购买各种各样的设备，这样产品的成本会大幅提高，使其在竞争中处于不利的地位。 为使企业在激烈地市场竞争中取胜，就必须将功能过于单一的设备进行功能集成，开 发出适合我国国情的投资小，见效快、实用性强、通用性好、质量稳定的加工设备。 此外，随着市场产品供应由短缺逐步走向过剩，消费需求也由被动接受向个性化方向 发展，企业的生产也由少品种、大批量的方式向多品种、小批量、按订单组织生产的 方式过渡。且花岗石平台与构件制品一般是根据需要定做的，种类繁多、单种产品的 数量少，交货期短。花岗石平台与构件制品加工企业现有的设备如果不能满足要求， 就必须寻找能以最短的时间提供满足需要的设备生产厂家，在这样的环境下，要求加 工设备的生产厂家能够根据用户的需求变化快速设计、制造出能满足市场需要的加工 设备f 2 1 1 3 1 。 要解决好上述问题，应在借鉴传统设计理论的基础上，结合当今技术的最新成果， 建立和完善一种新的设计方法，使之能在短时间内有效地设计出用户所需的设备。解 决这一问题的有效途径是用模块化、集成化的思想来设计、制造设备，通过功能模块 的重构达到设备的功能集成，实现设备功能的多样化和设计、制造的快速化。 1 2 模块化设计的基本概念 1 2 1 模块化设计的定义和内涵 模块化设计作为一种思想，其应用日益广泛。随着人们研究的深入，对模块化设 计的理解也不断加深。但到目前为止，对模块化设计的概念还没有形成一个统一的认 识，不同学者从不同的角度和深度对其进行了研究。 ( 1 ) 模块的概念 模块是一组具有同一功能和结合要素，但性能和结构不同，却能互换或能增加产 品功能的单元【4 1 。 一般认为，模块是组成系统( 产品) 的通用单元，是模块化设计和制造的功能单元， 必须具有相对独立的功能、标准接口和互换性等特性。 ( 2 ) 模块化设计的概念 机床的模块化是根据用户提出的各种要求，在功能分析的基础上，设计出具有用 途( 或性能) 、结构各异，而功能相同的一系列可互换的功能单元( 包括组件、部件、装 2 第1 章绪论 置或系统等) 和一些专用、独立部件，然后将其装配形成一个加工设备【4 】。 根据模块化与设计中功能域与结构域的对应程度和结构间相互影响的最小化对产 品模块化程度产生的影响，u l r i c h t m 从设计的角度提出了影响模块化设计的基本要素。 从功能一设计参数映射的角度，s u h 6 1 定义了模块化设计。认为模块化是选择适 当的设计参数( d p s ) 完成从功能需求域( f r ss p a c e ) 到设计参数域( d p ss p a c e ) 的 映射，1 1 0 f r = a 【d p ，其中【a 】是设计矩阵。 p a h l 和b e i t z 7 1 将s u h 的观点进一步细化，认为模块化设计是完成从产品功能需 求域到模块功能域的映射，然后在考虑模块性能( 如尺寸、重量等) 基础上完成从模 块功能域到模块结构域的映射。 从系统论的角度看，模块化设计是为取得最佳效益，研究产品( 或系统) 的构成 形式，用分解和组合的方法，建立模块系统，并运用模块组合成产品( 或系统) 的全 过程i s 。模块化设计是综合考虑系统对象，把系统按功能分解成不同用途和性能的模 块，并使之接口标准化，选择不同的模块( 必要时设计部分专用模块) 迅速组成满足： 各种要求的系统的一种方法【9 l 。 另外还有其它关于模块化的定义和研究i m l s 】。综上所述，虽然对模块化设计的 定义和描述不尽相同，但是可以发现，主要围绕产品的功能域和结构域之间的定 义和映射关系展开对模块化设计的研究。 1 2 2 模块化设计的分类 按模块化设计产品在产品系列中所覆盖的形式和程度，人们常把模块化设计分为 横系列模块化、纵系列模块化、跨系列与全系列模块化等类别，不同类别模块化在设 计时有不同考虑和特点。 ( 1 ) 横系列模块化 横系列模块化是指在同一规格的基础上在变型产品范围内进行模块化设计，也就 是在基型产品的基础上。通过变更、增加或减少某些特定模块而形成变型产品。其特 点是同一规格产品主要参数，特别是动力参数是相同的，产品的不同主要反映在某些 功能、结构、布局、控制系统或工作方式等方面，因而模块通用化程度比较高。 作为模块化设计中最容易实现的一种，实现关键是在结构上采出措施，如留出足 够空间、设计合理接口、预先加工出连接的定位面、定位孔等，以便于顺利增加和更 山身、人学硕十学伊论文 换模块部件 ( 2 ) 纵系列模块化 纵系列模块化是对同类型中不同规格的基型产品进行模块化设计。其特点是主参 数不同，而主参数不同产品的动力参数往往是不同的。动力参数的不同势必导致产品 结构和尺寸都会产生变化，要满足这种变化必须有相应模块相对应，可见纵系列模块 化设计比横系列模块化的难度大些。 与动力参数有关的模块是实现纵系列模块化设计的关键，对其的设计常采用分段 通用原则，即在某一段中采用同一种规格尺寸的模块来满足本段内的主参数变化。需 要注意的是由于在各分段内采用同一种规格尺寸的模块，因此对本段内主参数较小的 产品必然会产生超性能设计，批量越大造成的损失也就越大，所以对大批量产品，在 纵系列模块化设计时，必须比较由模块化设计所产生的经济效益与由此而造成超性能 设计所引起经济损失的利弊关系。 ( 3 ) 跨系列模块化 跨系列模块化是对横系列和纵系列的深化和补充，是在横系列模块化基础上兼顾 纵系列，形成了既有横系列又有纵系列的模块化。跨系列的产品特点是它们主要基础 件结构是相同的。实现跨系列模块化的条件是产品具有相近的动力参数，设计时有两 种模块化方式可供选择：一种是在基本相同的基础件结构上选用不同模块而构成跨系 列产品；另一种是在基础件不同的跨系列产品上，对具有同一功能的单元选用相同的 模块组。 ( 4 ) 全系列模块化 当跨系列模块化覆盖了整个该类产品时，称为全系列模块化。从这个意义上来讲， 跨系列模块化设计是全系列模块化设计的特例。全系列模块化设计的复杂程度和难度 都较大，所需的模块种类也将更多。当产品系列规格范围较大时，模块在全系列通用 很难实现，和纵系列模块化一样，通常采取分段通用方法。 1 2 3 模块化设计的实现方法 关于模块化设计的实现方法主要有两个方向的研究n 粥，一个是从普遍意义上进行 产品模块化的实现方法研究，另一种是针对特定产品和产品族的模块化实现方法研究。 第l 章绪论 ( 1 ) 从普遍意义上的模块化实现方法研究 对传统模块化的设计过程，按实施进展来看，可分为三个层次进行：系统分析准 备阶段、模块化设计阶段和模块组合应用阶段。 产品模块化主要目的之一就是以尽可能少的种类和数量的模块组成尽可能多种 类、规格的产品，即以最小成本满足市场的各种不同需求。因此，在进行产品的模块 化设计之前，必须在市场调查基础上进行充分准备和周密规划，合理确定产品系列型 谱和产品主要参数，这就是系统分析准备阶段需要做的工作。概括起来就是市场调查 与分析、产品系列型谱拟定和产品参数范围分析与主参数确定。 在上述基础上，通过对几种草拟方案进行综合评估，得出定论方案，然后便开始 产品的模块化设计即进入了模块化设计阶段。主要包括模块划分、模块设计和创建、 模块编码和模块接口标准化。 在模块设计完成和接口标准化后，为了得到完整设备，需要将各模块集成即模块 组合应用阶段。这阶段工作是通过选择具有不同分功能的模块，评价它们集成的可能 性和合理性，进而集成具有特定总功能及某些特殊功能或特性的系统或产品。 ( 2 ) 针对特定产品和产品族的模块化实现方法研究 现代的产品开发多数以基型产品为基础，将主要参数变化排成系列，设计出同一 系列内各种规格的产品族。产品族开发模式有两种：1 ) 产品族在设计的功能域、技术 域、物理域中具有标准的内部接口r 1 3 使产品部件能够完全互换。这种模式开发的 产品族往往为固定结构尺寸系列。2 ) 当固定尺寸系列不能满足需要时，则进行参数化 设计开发，赋予参数一个确定值，即能唯一确定一个产品c 1 7 。产品族是与模块化紧 密联系的，模块化就是通过组合模块实现产品族。模块系统与产品族的关系n 引如图 卜1 所示。 模块 系统 通用模块 图卜i 模块系统与产品族的关系 族 山东夫学硕十学何论文 1 2 4 模块化设计的关键技术 目前，国内外对模块化设计主要集中在模块划分和创建研究、模块编码研究、模 块接口研究和模块集成研究。 ( 1 ) 模块划分和建模研究 在国外，同本学者0 1 提出了分级模块的思想，认为：在一定级别上的模块是由 于分级模块中低一级模块所组成。g u n n a re r i x o n 倥们和p 6 u m 2 1 等学者从产品生 命周期角度进行了模块划分方法的研究。其中g u n n a re r i x o n 提出用m i m 矩阵 ( m o d u l a ri n d i c a t i o nm a t r i x ) 来进行模块划分的方法；p g u 则首次将模糊数学中 权重引入，使模块划分从定性分析转到了定量分析。r o b e r tbs t o n e 1 2 4 1 提出了功 能模型定量化方法，将功能与需求关系定量化，由此作为模块划分的主要依据。 y o u - t e r nt s a i 盼钉根据设计过程中接口关系将模块划分为不同类型。 在国内，支j 1 4 , 鹏等强引根掘功能与模块结构的映射关系提出了数控立式车床较为 通用的模块划分。天津大学的姜慧啪3 等提出通过计算子功能之间相关度来进行模块 划分，这种方法是一种定性与定量相结合的划分方法。韩硐等阻8 1 通过功能分解一分 功能求解一原理解组合一原理解综合的过程得到各种功能模块。 ( 2 ) 模块编码研究 模块编码的合理与否对模块选择、模块集成以及企业生产管理等诸多方面具有重 要的影响，是实现模块化设计的关键技术之一。因而，模块编码研究开展比较早。 ( 3 ) 模块接口和模块集成研究 模块接口在模块设计中起到一个连接作用，是模块集成直接影响因素。模块集成 即模块组合应用，是通过选择具有不同分功能的模块，集成具有特定总功能及某些特 殊功能或特性的系统或产品。 1 2 5 模块化设计的特点及意义 模块化设计己经在许多行业广泛采用，并针对各自产品的特点，形成了相应的模 块化设计制造体系。就机械行业而言，机床结构模块化设计在国外应用十分普遍，已 使企业从产品设计、工艺到制造形成一整套模块化管理体系。我国自7 0 年代末也有 不少机床厂开始了模块化设计的尝试，到现在已有大量企业自行或采用产、学、研相 结合的方式对产品进行了模块化设计或模块化改造，取得了一定的成绩。可以说模块 6 第1 章绪论 化设计在机床行业的研究发展比较深入【矧。 将模块化思想用于机床设计，与传统设计方法相比，具有如下特点和优势： ( 1 ) 同一种功能的单元是若干可互换的模块，而不是单一的部件，从而使得所 组装的机床在结构、性能上更为协调合理；同一种功能的模块在较大范围内具有通用 化特性，可在基型、变型甚至跨系列、跨类机床中使用【2 2 3 0 1 。 ( 2 ) 缩短设计周期，加快产品的更新换代。开发新产品可以利用系统提供的大 量通用模块，通过增加、改进少量模块组装新产品1 3 1 1 。 ( 3 ) 降低成本，提高产品的竞争能力。用模块化的概念构造整个生产系统，使 大多数零部件由单件、小批量生产转为大批量生产，便于采用先进的工艺和专用设备， 从而提高劳动生产率，降低废品率和制造成本。 ( 4 ) 提高新产品质量。模块为相对独立的单元，将新技术用于模块的设计，并 进行试验考核，用结构可靠、性能稳定的新模块代替老的模块结构。 ( 5 ) 建立合理的产品族结构，用大批量生产的成本实现产品的多品种、小批量 个性化生产，适应市场需求的快速变化和用户的个性需求【3 2 1 【3 3 1 。 1 3 集成技术的基本概念 1 3 1 集成的内涵 集成一词早已有之，按照一般的理解就是聚集、综合之意。集成现象早已存在于 自然及社会之中，如社会组织是人的集成、机器设备是零部件的集成等。在我国，常 有集大成之说，其意是指将某类事物中各个好的方面、精华部分集中起来组合在一起， 从而达到整体最优的效果。集成的英语表达为i n t e g r a t i o n 。作为一个普通词语， i n t e g r a t i o n 的主要含义是综合、融合、集成、成为整体、一体化等意思。作为术语， i n t e g r a t i o n 先后被用在数学、物理学，生物学、人类学、社会学、心理学和哲学等 众多学科中。 集成是一种思想、观念和哲理。是一种指导新产品开发的总体规划、分步实施的 方法和策略。集成是集成主体将两个或两个以上的集成要素( 单元) 集合成一个有机 整体的过程、行为和结果：是使成为整体、综合、一体化；是使一个整体的各部分之 间能彼此有机地、协调地工作，以发挥整体效益，达到整体优化之目的。它不是简单 7 山东大学硕十学伊论文 地叠加汇聚，也绝非是各系统或部件的简单拼接，而是融入创造性的因素在其中，从 而使各项集成要素之删能互补匹配，形成更加高级有序的整体结构，使集成以后的整 体功能发生质的跃变，形成独特的竞争优势，达到i + i 2 的效果 3 4 1 ”】。 1 3 2 集成理论的研究 在国内，关于集成的研究始于系统理论研究的不断深化。著名科学家钱学森是 集成思想的倡导者和奠基人，其通过对系统理论和实践的长期深入研究，全面总结 了开放的复杂巨系统的内涵结构，指出定性与定量的集成是解决复杂问题的关键1 3 6 1 。 由于其站的高度和角度都是在哲学层次之上，因而所提出的集成思想显然更属于一 种具有普适性的哲理。由于钱学森等人的努力，引导了众多学者开展有关综合集成 的研究。近年来，由于综合集成的思想同益引起广泛的重视和注意，不少学者从不 同角度对集成作了探索，并按照自己的理解对集成进行了界定。中国科学院自动化 所的戴汝为教授认为集成就是把一个非常复杂的事物的各个方面综合起来，集其大 成p ”，其结合人工智能与系统科学的研究成果，进一步提出了“智能系统的综合集 成” 3 8 1 方法体系：清华大学的刘晓强教授将集成理解为一些事物集中在一起构成一 个整体口9 】；华中理工大学的龚建桥教授认为：集成的本意是指将独立的若干部分加 在一起或者结合在一起成为个整体1 4 0 】：上海交通大学的王洗尘教授则从方法论角 度，详细探讨了系统集成的内在机制”“，为集成运作提供了初步的方法操作指导。 钱学森以及其他众多系统工程专家学者们所做的工作，为具有中国特色的集成理论 研究丌启了大门。 在国外，最早也最能明显地体现集成思想的研究应该首推系统管理学派。这一学 派的代表人物是切斯特巴纳德( c h e s t e rb a m a r d ) 。他提出，应把企业当做一个由物 理的、生物的、个人的和社会的等几方面要素组成的“协作系统”。巴纳德的研究成 果产生了巨大影响。他将系统思想引入管理之中，可以说，这是一个具有重大意义的 进步，它开创了将系统思想与管理实践相结合的先河。集成体现了系统思想的指导， 但集成理论又不仅仅是系统思想的简单运用。它和社会发展的背景紧密相关。从这一 点来看，真正接近于我们所说的集成理论含义的研究则应始于科技管理理论的演化。 随着计算机技术的飞速发展以及在经济生活中的应用越来越广泛，尤其在制造性 企业中，计算机技术已经渗透到从产品设计、组织生产、工艺、设备选配到备料、监 第1 章绪论 控等一系列生产环节之中，并对传统的制造领域产生了巨大影响，改变了人们对于制 造业运作模式的认识。基于这一背景，美国的哈灵顿博士首次提出了具有时代意义的 计算机集成制造系统( c i m s ) 概念，从而揭开了大规模研究管理集成化的序幕。虽然 c i m s 存在一些有待进一步完善之处，但c i m s 中所蕴含的集成却为集成理论的研究 提供了极其重要的思想源泉，也为集成理论的进一步研究指出了方向。特别是c i m s 中有关集成理念的诸多概念和原理，如并行工程、工作小组等，更为集成理论的研究 提供了有益的借鉴和启迪纠“。 1 3 3 集成技术 集成技术 3 s j t 是以集成理论为指导，将零散的、孤立的、烦琐的、无秩序的、不 系统的、联系不紧密的和运行不协调的事物、部件、方法和过程进行融合、统合、整 合、综合、一体化，使其成为整体的、联合的、简捷的、系统的、有秩序的、紧密联 系的、有机的和运行协调的、一体化的集成事物、部件、方法和过程的技术。 集成技术已经被广泛采用。如电路中的大规模集成电路、软件制作中的集成软件、 数据管理中的数据系统集合、光学中的光学集成、工作流程中的联合作业、大系统控 制集成化、计算机集成制造等，都属于集成技术。 二十世纪八十年代起，机械工业江河日下，传统的机械制造技术由于其生产运行 成本高，劳动力密集、生产效率低、附加值低等缺点，使机械工业似乎走到了尽头， 一度被称为“夕阳产业”。近年来，高新技术的发展与急剧变革使机械工业发生了巨 大的变化，并以始料不及的速度改变着机械工业的面貌和地位，使其重新焕发了生机， 成为充满活力的“朝阳产业”。 作为高新技术的一种，集成技术是使机械设备达到结构紧凑、运行可靠、成本低、 功能强、节省能源、低消耗等目的的新型技术。运用集成技术设计制造的机电产品已 不再是单纯的机械构件，而是由机、电、光、液、气等集成的一体化产品。集成技术 体现着知识经济的要求，用集成技术发展传统的机械制造业是使机械工业振兴的有效 途径。 集成技术应用于机械设备主要可分为系统集成、功能集成和结构集成等，是使设 备达到成本低、功能强、设计制造快速、功能多样化、节省能源、结构紧凑、运行可 9 山东大学硕十学何论文 靠、低消耗等目的的新型技术。 所谓系统集成通常是指根掘新产品开发需要，优选各种技术( 如机、电、光、液、 气等) ，将设备中的各个分离子系统( 或部分) 以最佳化原则连接成为一个完整、可 靠经济和有效的系统的过程：它强调的是产品价值的最大化，而不仅仅使个别分系统 最优。所谓功能集成是指用模块化的思想来设计、制造设备，通过模块的重构实现设 备功能的多样化和设计、制造的快速化。所谓结构集成则是以减小设备的空间尺寸为 主要目的，使整机结构紧凑、外形更加美观。 集成的理论和实践意义在于它能够最大限度地提高设备的有机构成、设备的效 率、设备的完整性、设备的灵活性等，简化设备的复杂性，并最终为企业提供一套切 实可行的完整的解决方案。 集成技术可用于整个机械系统，也适用于某一特定的产品，应用领域涉及轻工机 械、纺织机械、石材机械、医疗机械、电子设备、起重运输设备、矿山冶金设备等。 集成技术可对传统设计思想带来变革，使机械系统设计更趋合理，适合产品发展 潮流，促使机械产品更新换代。集成技术可以使生产企业减少投资金额、缩小工厂规 模、降低生产成本、缩短产品丌发和生产的周期，使企业更加机动灵活地面向市场。 。1 3 4 集成技术的特点及意义 应用集成技术开发新产品有不同的层次和灵活的自由度。在机械技术中恰当地 引入电子技术、光技术、液压气动技术等先进技术，产品面貌和行业面貌就可以迅速 发生巨大变化。产品一旦实现集成化，便具有很高的功能水平和附加价值，将给开发 生产者和用户带来巨大的社会经济效益。 集成技术的特点及意义体现在以下几个方面【4 6 l ： ( 1 ) 综合性与系统性 集成技术是微电子技术、光技术、液压气动技术、计算机技术、信息技术等与 机械技术结合而成的综合性高技术。这种多种技术的综合及多个部分的组合，使得集 成设备更具有系统性、完整性和科学性。 ( 2 ) 多层次，覆盖面广 集成技术是一个总的技术指导思想，它不仅体现在一些单机产品之中，而且贯 穿于工程系统设计之中。 o 第1 章绪论 ( 3 ) 结构简化，方便操作 集成技术可把过去靠机械传动链连接的各个相关动作部分，改用几台电机分别 驱动，或用电力电子器件，或用电子电控装置进行相关动作控制来实现。因此，使机 械结构大大简化，甚至使有些机械结构“脱胎换骨”，产生了质的变化。集成技术使 得操作人员摆脱了以往必须按规定操作程序或节拍频繁紧张地进行单调重复操作地 工作方式，能以灵活方便地按需控制和改变生产操作程序。 ( 4 ) 精度提高，功能增加 集成技术使机械传动部件减少，因而使机械磨损及配合间隙等所引起的动作误 差大大减小，同时由于采用了电子技术，反馈控制水平提高并能进行高速处理，可通 过电自动控制系统精确地按预设量使相应机构动作，因各种干扰因素造成地误差，又 可通过自控系统自行诊断、校正、补偿去达到靠单纯机械方式所不能实现地工作精度。 因而集成化产品应用领域宽，适用面广，易于满足各种需要。 ( 5 ) 高可靠性，高稳定性和高使用寿命 传统的机械装置的运动部分，一般都伴随着磨损及运动部件配合日j 隙所引起的 动作误差，而发出由于可动摩擦、撞击、振动等引起的声响( 噪声) ，这显然影响装 置的寿命、稳定性和可靠性。而集成技术的应用，使装置的可动部件减少，磨损也大 为减少，像集成化接近开关甚至无可动部件、无机械磨损。因此，装置的寿命提高， 故障率降低，从而提高了产品的可靠性和稳定性。 ( 6 ) 开发上的知识密集性 研制开发集成化产品往往要涉及许多学科和专业知识，如数学、物理学、化学、 声学、机械工程学、电力电子学、电工学、系统工程学、光学，控制论、信息论和计 算机科学等多门学科以及各门类的专业知识。设计这类产品的工程技术人员需对自身 的知识结构提出更新更高的要求。现代化的技术需要现代化的人才来掌握和开发它。 需要发挥多种功能的先进设备、必然要赋予它多种知识和智慧。 1 3 5 集成技术的研究热点及发展趋势 具体到机械工业，集成技术的研究热点当属机电一体化技术 4 7 5 t 】。机电一体化 是微电子技术向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是机械技术、微电 子技术相互融合的产物。机电一体化打破了传统的机械工程、电子工程、化学工程、 山东大学硕十学付论文 建筑工程、信息工程、控制工程等旧模块的划分，形成了融机械技术，微电子技术、 信息技术等多种技术为一体的_ j , - j 新兴的交叉学科，它代表了现代机械系统的发展方 向。 机电一体化的目的是使系统( 产品) 多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能 源化，并使产品结构向轻、薄、短、小、巧方向发展，不断满足人们生活的多样化需 求和生产的省力化、自动化需求。因此，机电一体化的研究方法应该改变过去那种拼 拼凑凑的“混合”设计法，应该从系统的角度出发，采用现代设计分析方法，充分发 挥边缘学科技术的优势。 一般认为机电一体化系统由机械系统( 机构) 、电子系统( 动力源) 、传感检测系统 ( 传感器) 、执行元件系统( 如电机) 等五个子系统组成，如图i 2 。机电一体化系统通常 是通过传感器直接检测目标运动，并进行反馈控制的全闭环或半闭环系统，其基本特 征是给“机械”增添了头脑( 计算机信息处理与控制) ，因此是一个要求传感器技术、 控制用机械结构、接口元件、控制软件水平较高的系统。其运动控制不仅仅有线性控 制，还有非线性控制、最优控制、学习控制等各种各样的控制方式。 图1 - 2 机电一体化系统基本构成 2 0 世纪中叶以来，光技术的突飞猛进给机械工业注入了新的活力，使其进入了以 机电光一体化为标志的新时代。机电光一体化技术是由机械技术、微电子技术与光技 术等糅合融汇在一起的新的集成技术。近年来，液压、气动等技术的飞速发展，又使 得机、电、光、液、气等技术的集成一体化成为可能。总体而言，集成技术的发展趋 势是向着集成度高、集成范围广、高精度、高自动化、高智能化、高可靠性的方向发 展f 4 7 5 1 1 。 1 2 第l 章绪论 与集成技术在各机械行业中的广泛应用一样，石材机械也正朝着实现集成化的方 向发展，涌现出一大批应用和发展集成技术的产品，如石材异型制品加工设