模块化深孔加工机床设计.doc

1 绪论11.1 可重构技术的发展前景及研究现状21.2深孔加工技术综述31.3 深孔加工面临的难题51.4深孔机床的发展前景51.5论文选题的意义61.6本课题的重点研究内容、研究方法及预期达到的目标62 可重构制造系统的基本理论92.1可重构制造系统介绍92.1.1什么是可重构制造系统?(what is the RMS)92.1.2可重构制造系统的特点92.1.3可重构制造系统的研究内容(Research fields of RMS)102.1.4可重构制造系统的控制结构152.1.4可重构制造系统（RMS）的实现技术162.2可重构制造系统的合弄结构192.2.1 RMS合弄框架192.2.2RMS合弄结构的运行212.2.3可重构制造系统的布局设计232.2.4 可重构制造系统集成设计的流程263深孔机床模块化设计思路273.1 结构分析273.1.1深孔零件族分析273.1.2深孔刀辅具分析283.1.3成本最低，能迅速响应市场323.2机床结构的功能模块化设计333.2.1模块化设计特点333.2.2模块化的形成353.2.3结构可行性方案及可重构性分析363.3卧式深孔机床授油器及负压抽屑器结构设计363.4 中心架414 结论42参考文献43致 谢451 绪论制造业是国民经济的基础，发达国家70%左右的社会财富是由制造业创造的。21世纪的制造业面对的市场和社会经济环境已发生了根本变化。为了适应这种变化，人们提出了可重构制造模式。因而可重构制造系统产生的根本原因有两个：一是市场发展的需求；一是科学技术发展的必然结果。未来的制造系统本身必须具有可重构的特性，制造系统通过内部的变化来适应外部环境的变化才能提高在激烈的市场竞争中的生存能力，增强制造系统适应市场的变化能力是21世纪制造策略的目标。1998年，美国国家研究委员会发表了一份研究报告：:2020年制造业面临的挑战18。在这个报告中，专家们确定了未来20年制造企业面临的六大挑战和必须优先解决的10项关键技术，可重构企业和可重构制造系统均名列其中，可重构制造系统甚至被列为10大关键技术的第一位。为此，美国国家自然科学基金委员会1996年投资密西根大学成立了可重构制造系统工程研究中心，每年投资300万美元，连续支持11年。美国的30多家知名制造企业也积极参加这一计划，来自这些企业的资金注入每年也达到300万美元以上，可重构制造已经成为国际学术界和企业关注的重点。可重构制造系统涉及的内容很多，其中最重要的一项内容就是可重构机床(Reconfigurable Machine Tools，RMT)的研究和开发，它的成功对实现可重构制造系统和敏捷制造具有决定性的意义。到目前，可重构机床的理论研究已取得一定的进展，并且取得一项发明专利，但整个研究工作还没有形成完整的体系，研究的深入程度不够，可重构机床的原型尚未制造出来。深孔加工技术产生于对枪炮管的制造过程。二战结束前的几个世纪中，深孔加工技术的发展和应用一直被局限于相对封闭的军工领域，并以其高难度、高成本和神秘性而闻名于创造业。20世纪50年代，世界格局进入以和平建设为主基调的时代，深孔加工技术随之脱颖而出，发展成为“军转民”的高新技术，迅速被扩展应用于能源采掘、航空航天、发动机制造、机床汽车制造、石化及轻重化工、纺织机械、饲料机械、冶金、仪器仪表等广泛的产业领域。欧、日、美等先进工业国，早在20世纪50年代就纷纷开展了深孔加工技术的学术和应用研究，六七十年代形成专业化的深孔刀具和深孔机床装备制造体系，少数跨国公司迄今仍垄断着世界深孔加工装备市场，使深孔加工技术成为制造技术门类中成本最昂贵的技术之一1。阻碍深孔加工技术成为“大众化”制造技术的另一个深层次原因在于深孔加工技术研究工作的滞后。自20世纪30年代枪钻问世到40年代BTA钻推出，深孔加工刀具及其排屑技术在半个多世纪中鲜有突破性的发展。虽然枪钻和BTA钻各自有它们的固有缺陷，尽管为改进BTA钻而推出了双管喷吸钻和DF系统，但在实体深孔钻领域中至今仍然存在着“钻小深孔靠枪钻、钻大深孔靠BTA钻、用不起深孔钻就靠麻花钻”的现实。尽管如此，随着机械工业的发展，硬质合金在深孔钻头上的广泛应用，使得深孔技术发展很快。目前，钻深孔的表面粗糙度、尺寸精度以及走偏量等都达到较好的水平，而且生产效率较高。因此，用深孔钻头钻孔已不仅用于粗加工，还可用来得到较高精度的孔。并且正超出“深孔”的范围，在一般的孔加工中也得到应用2。现代的深孔加工技术已经成为推动国民经济发展的新兴力量。而我国由于机械工业技术基础不足，自改革开放以来，机械兵工企业一度处于发展低谷。20世纪80年代后期经济进入快速发展阶段，各行业对深孔加工技术和先进深孔加工装备提出了广泛需求。但由于大多数企业无法承受进口装备昂贵的价格和深孔刀具的高售价和高使用成本，同时又没有自己的专业化深孔加工装备生产体系，致使需求与供给之间的矛盾不断扩大。不难看出，先进深孔加工技术和高性价比的深孔加工装备的短缺，已成为制约我国装备制造业高速发展的瓶颈之一。这一瓶颈如不能得到有效解决，将会严重制约我国经济的持续快速发展。解决这一现状的关键之一就是加大在深孔钻方面的研究，加大在这一方面的投入。而我国切削加工水平低于国外的主要原因之一是刀具水平的落后3，因此，我们必须推出自己的原创性深孔加工技术，建立专业化、现代化的配套深孔加工装备产业，引进国外先进深孔加工装备设计生产体系并实现国产化，创建以先进技术武装的深孔零件制造行业，以满足广大中小企业开发新装备的迫切需求，以加快我们的现代化进程，这也就是我们研究深孔钻的目的和意义。1.1 可重构技术的发展前景及研究现状21世纪的制造业面对的是全球化的竞争，我们的制造业必须具有适应全球市场竞争的快速响应能力，也就是企业的生产能力可以随市场的需求变化而调节；同时生产制造系统本身也可以随时更新，以适应新的生产工艺要求或满足更高的产品质量要求。目前的生产制造系统不具备上述性能。以经济效益为目标，由可重构机床、可重构控制器和相应的系统设计和诊断技术所组成的可重构生产系统(Reconfiguration Manufacturing System-RMS)，是面向21世纪的新型生产模式，它将同大规模生产、精良生产一样,对制造业产生重大的影响。有一个例子可以很好地说明可重构生产系统的应用前景。1996年冬天，由于市场对豪华型轿车的需求减少，美国通用汽车公司卡迪拉克轿车(Cadil-lac)生产线近一半处于停产状态；而在同一时期，市场对通用汽车公司轻型卡车(Pick-UpTruck)的需求却意外地增加了20%。若投资建一条新的生产线来生产轻型卡车则有较大的风险，因为这样耗资巨大，需要相当的时间，而且对市场的估计信心不足。最好的解决办法是有限度地重新组合、配置现有的轿车生产线来生产轻型卡车。然而，目前的技术还无法做到这点。另一个办法是提高已有卡车生产线的制造能力，可是现有的生产线设计能力不允许有20%的增长，否则就是浪费。结果，通用汽车公司只能眼看着大好的市场机遇白白错过。如果当时通用公司有采用可重构生产技术的轿车生产线，将会赢得这次机会。因此，可重构生产技术将有巨大的经济潜力和可观的经济效益。国内外已有很多单位对此正在进行积极的研究，如美国密西根大学(The University of Michigan)工程研究中心(Engi-neering Research Center)在这方面作了较多的工作，美国国家自然科学基金对这一项目给予极大的资助。国内如清华大学，浙江大学，南京航空航天大学，中国科学院自动化研究所等多家单位也正在开展攻关研究，密切关注国际研究方向。1.2深孔加工技术综述 深孔加工技术是深孔刀具、辅具（输油器、排屑器、刀杆支架等）和机床（含液压系统）的总称。其中，深孔刀具及其排屑技术是决定整个技术发展的关键。 深孔加工技术最初是在国防军工生产部门运用，用来加工枪管和炮筒。随着技术的进步，工业的发展，应用越来越广泛，几乎在所有机器制造部门都运用，如石油化工机械、航空工业、造船、冶金、发电设备、橡胶机械，木材加工设备等等制造部门都应用，而成为普遍采用的一种工艺方法。因为孔加工是机械加工中所占比例较大的一种重要的加工方法，约占整个机械加工工作量的1/4，而深孔加工又在孔加工中占有很大比例。所以，深孔加工问题是否解决好，将会直接影响机器产品的生产进度和产品质量。特别是在重型机器制造业中，能否掌握它，运用自如，将对生产有着决定性的影响，也影响到机器产品的质量。深孔加工技术及装备有很高的技术附加值，目前还缺少专门化的生产企业。目前该项技术及产品在许多企业中都属于“瓶颈”问题，如果该项技术能够得到有效推广，必将大大提高我国复杂加工及制造业的技术水平，产生巨大的社会及经济效益。并且由于该项技术在全国具有无可匹敌的技术优势，市场前景非常乐观。兵器制造中，深孔加工应用比较普遍,如枪炮管深孔加工,枪械的枪机击针孔、活塞筒，火炮制退复进机的活塞筒、液压缸等，发动机输水孔、活塞销、曲轴通油孔，车辆的齿轮轴、减振器筒、液压缸等，火箭发射装置的精密高强度导管，航空仪表的测流、测压精密管，核电站的不锈钢管的加工等等，这是一项具有代表性既关系到产品性能质量，又关系到工艺成本和生产周期的关键技术。如能以最少的投入，最快的速度使我国深孔加工技术提高到国际先进水平，对于兵器行业的技术改造将有巨大促进。 深孔加工技术经过长期的发展，在实体钻削中逐步形成和完善了五种加工体系：（1）、枪钻外排屑加工系统；（2）、BTA内排屑加工系统；（3）、喷吸钻加工系统；（4）、DF加工系统；（5）SIED加工系统。这五种系统在钻杆结构、供油方式、刀具及制造使用成本等方面具有各自的特点，所适用的加工孔径、加工精度、表面质量不同，在选用时，应根据具体情况而定。从目前看，深孔钻削加工的方法以比较完善，今后的任务主要是在现有的基础上不断完善各种加工系统，提高它们的加工能力和切削质量。随着技术的进步，科学的发展，新型刀具材料的出现，可以预见，它们的切削性能将会在现有的基础上大幅度提高，当然，也不能排除将会有新的加工系统出现。再者，随着电解加工技术的出现，深孔电解加工已得到应用，这在深孔加工技术上也是一个大变革。目前，国外已有利用激光技术来严格控制镗深孔的误差，这是深孔镗削技术的一个新发展。1.3 深孔加工面临的难题在机械制造业中，一般将孔深超过孔径5倍的圆柱孔称为深孔。而孔深与孔径的比值称之为“长径比”或“深径比”。相对而言，长径比不大于5倍的圆柱孔，可称为“浅孔”。对于浅孔，一般用麻花钻来钻孔。麻花钻是一种形状较复杂的双刃孔加工刀具4，而深孔钻头都是单刃、端部切削的刃具。钻孔加工属于封闭式切削，造成孔加工技术的几大矛盾是：连续自动排屑、自动冷却润滑和刀具自导向问题，在深孔钻削过程中显得更加尖锐。主要是：1）钻孔时不能直接观察刀具的切削情况，工作过程中只能凭听声音、看切屑、观仪表、摸振动等外观现象，来判断切削过程是否正常。2）孔的深径比大，钻杆细而长，刚性低，易振动，钻孔易走偏，因此，支撑导向极为重要5。3）切屑排除困难，必须要保证可靠的断屑。切屑的长短和形状要加以控制，如果切屑堵塞则会引起刀具损坏。由于排屑空间受到钻杆的限制，套料钻钻孔有料芯的干扰，排屑条件更为恶劣，因此需要强制排屑。这中间关键是排屑槽，因为它的形状主要影响所生成切削的形状、切削力和刀具性能6。4）切削热不易散出，工作条件恶劣，必须采用有效的冷却方式。这些都是深孔加工所面临的难题。1.4深孔机床的发展前景 专用于枪炮管制造的深孔机床，由于其加工对象（孔径、工件全长）是确定不变的，且造价昂贵，完全不适应于不同行业、不同加工对象和不同批量生产的要求。20世纪60年代以来，深孔加工技术已转向通用化、模块化方向发展，并融合了数控、程控、变频调速、滚珠丝杠、耐磨导轨等机床制造新技术，专用的机床已被淘汰。从模块化的意义上讲，深孔加工装备的机床部分，在整个装备系统中只是刀具和辅具的载体和后勤支援（提供动力、液压和切屑处理），其设计十分灵活。当设计技术指标确定后，可将机床分为床身、主轴（动力头）和液压系统三大模块，各模块尽可能选用标准化部件进行组合，使设计制造周期缩短、成本降低、机床通用化程度提高，新产品开发周期加快并适应各种特定用户的不同需求。近年，深孔机床的形式规格十分多样化，其特征有：（1）以卧式为主；（2）单坐标进给；（3）与车床相比，主轴转速高，进给量小；（4）有功能完善的液压系统，要求严格的密封。结合SIED刀具系统的出现，深孔机床发展的新趋势为：（1） 同一机床兼有钻、扩、铰（镗）多功能；（2） 辅具设计及机床设计走向标准化：辅具按钻孔直径尺寸范围分段；床身标准化，按可加工长度范围进行床身的加长组合；液压系统同此；（3） 主电机和进给电机无级调速化；（4） 大幅度降低深孔机床的造价以促进其普及应用。我国深孔机床的售价约为同吨位普通车床的3倍以上，进口机床同比为国产机床的3倍以上。根据发展的趋势，深孔机床与同吨位车床的比价，以降低到1.82.2为合理。1.5论文选题的意义可重构理论作为一门新兴的科学，其研究正处于起步阶段，许多问题有待深入研究，它的理论意义和使用价值已得到初步的认可，它的研究和发展正受到越来越多学者的关注。可重构制造作为一种新的制造哲理，是可重构思想在制造业中的应用，它是人们对现代制造业的又一次重新思考，是针对21世纪制造业的特点而进行的划时代的革新。是满足大规模客户化生产的唯一有效的制造模式。可重构机床是可重构制造系统的基础，研究和开发可重构机床具有重要的理论价值和实践意义。华北工学院机械制造工艺研究所自1983年开始深孔加工技术的研究，经过20来年的研究，在深孔加工技术方面具有一定的优势，结合本所的研究特点和现有课题：先进深孔机床的研制，我的论文题目定为：深孔机床可重构化研究。将可重构理论和深孔机床相结合，一方面使我们对可重构制造有更深入的认识和研究，另一方面使深孔机床的发展更进一步，满足当前和今后生产的需要。 1.6本课题的重点研究内容、研究方法及预期达到的目标本课题的研究可分为两个部分：可重构制造系统的基本理论研究和可重构机床的研究和设计。在可重构制造系统的基本理论研究这一部分，论文着重研究了以下几个问题：可重构制造系统的内涵、特点及其研究内容，重点研究可重构制造系统的控制结构和实现技术。通过对可重构理论的研究，为下面具体的实例设计提供理论指导。可重构机床是可重构制造系统的重要组成部分，是实施先进制造模式和技术的基础，研究和开发可重构机床具有重要的理论和实际意义。可重构机床的提出源于模块化机床和开放式体系结构控制器两种技术的日臻成熟。研制可重构机床试图解决目前机床普遍存在的能力和效率、柔性和成本之间的矛盾。在可重构机床的研究和设计这一部分，论文基于可重构理论的思想，结合深孔机床的特点，着重研究以下6大问题：一.机床可重构化研究的关键技术1） 机械界面研究及其标准化模块化设计2） 重构策略研究3） 模块的划分、综合及标准化4） 可重构机床的功能研究5） 可重构数控系统研究6） 新技术在可重构机床中的应用7） 可重构机床的计算机信息管理二.可重构机床的机械模块化研究可重构机床的模块化设计包括机床本体和控制系统两个方面，其中机床本体的模块化设计方法是一个基本而首要的问题。可重构机床以完成给定的加工任务为设计目标，包括完成加工任务所需的各种运动功能,和相应的功率、刚度、精度、生产率等性能要求。可见，与传统的模块化机床相比，可重构机床的模块化综合设计主要应解决2个问题：一是设计目标的任务驱动，即设计的机床应满足给定的加工任务所需的功能与性能，而且对给定的模块集，其重构方案应是最优设计，具有的冗余功能与性能最少，成本最低。显然，这是一个多目标最优设计问题；二是设计方法上必须突破传统的基于成组性的模块化设计思想，应提供基于组合拓扑的模块化综合方法，尤其表现在机床的运动学结构应可重构。三卧式深孔机床可重构设计1设计方案分析根据现有的深孔加工技术水平和先进的机床设计技术水平，拟采用了以下方案：（1）采用最新的可重构设计理论，采用功能模块化设计，大量采用标准件和设计标准接口，不仅大大提高了设计效率，而且使机床具有一定的可重构性，满足当前客户化生产的要求。（2）主轴采用大功率直流无级调速电机，可提高主轴转速，提高生产率；进给电机也采用无级调速。主轴电机和进给电机在市场均有出售。（3）采用双轴和双套数控系统，使双轴加工互不影响，提高了工效，又方便了操作。（4）为了解决排屑不畅的问题，采用本工艺所研制的高效参数可调负压抽屑器，能有效的解决了堵屑的问题。（5）深孔加工专用刀辅具按钻孔直径尺寸范围分段，形成系列化设计；床身标准化，按可加工长度范围进行床身的加长组合。2卧式深孔机床可重构化思路深孔机床的可重构化以加工对象和加工工具为切入点，分析深孔零件族和深孔刀辅具来确定深孔机床各功能模块的划分。以重构后功能冗余最小分析深孔机床可重构思路。四机床结构的功能模块化设计按照可重构的要求进行模块化划分，根据卧式深孔数控机床的特点，按照功能分析的方法，可将机床分成以下功能模块：床身（基座）、 主轴（动力头）、 液压系统、控制系统、数控系统。各个模块又可以继续划分功能模块。五结构可行性方案及可重构性分析根据深孔零件族中被加工工件的大小、复杂程度和加工工艺进行重构。（1）被加工件尺寸大小变化 可以通过改变直线运动模块来满足要求，或者改变床身的长度来满足要求。（2）被加工件几何复杂度变化 例如深孔件由回转体改变为非回转体，可通过改变机床运动模式来适应，如将机床由原来的主轴旋转，刀具直线进给改为工件不动，刀具边进给边旋转。主要结构改变在刀具后装置上，刀座卡盘和负压抽屑器由固定不动式改为旋转式的。（3）被加工件加工工艺变化 可改变加工刀具和加工装置。例如可选择枪钻、BTA钻、喷吸钻、SIED钻、枪铰刀或镗刀等及其配套的辅具。六卧式深孔机床关键机械结构设计根据前述的分析，按照可重构的设计思想，对卧式深孔机床的关键部件进行设计。如果时间允许，可对其进行实验验证。2 可重构制造系统的基本理论2.1可重构制造系统介绍2.1.1什么是可重构制造系统?(what is the RMS)现有各种制造技术的共同特点是都使用固定的硬件设备，并且其软件结构和控制算法也是不可变的。因此,它们都是静态的，基本不具备可重构性。以这些技术形成的各类制造系统主要存在着生产效率与柔性间的矛盾，很难适应现代快速变化的市场需求。为了解决这一问题，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。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。据此资料给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。据资料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。2.1.2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。2.1.3可重构制造系统的研究内容(Research fields of RMS)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。（1）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6,7。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8。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：文献9指出，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。（2）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。文献10指出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。（3）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11。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 可重构制造系统的一个重要特征是充分利用现有资源。当生产任务改变时，一个可重构的制造系统能够合理有效地对现有制造资源进行优化配置，使之迅速地适应新的市场需求。因此开放式控制系统也有网络通讯的功能，以便于实现资源共享或多台工业机器人与加工机床协同工作。通过有效地交换数据来支撑控制系统各设备的协同工作，以便预见潜在的问题，及时有效地解决已经发现的问题。制造系统中的另一重要研究内容是故障诊断与过程监控。在制造过程中，一方面由于制造过程本身相当复杂，制造任务多种多样，另一方面制造环境会随着制造系统的重构发生改变，特别的制造环境会受到随机的干扰。这些因素常使制造系统偏离所设置的最优状态。更为严重的是，由于制造设备长期饱和运行容易导致设备器件损坏，从而使得产品质量难以得到保证，甚至会造成制造系统的瘫痪。为解决这样的问题，一方面要加强制造系统的监控，通过获取和分析制造过程的实时信息保证制造过程安全，可靠与高效地运行。同时，要加强制造设备的容错能力与适应能力。文献12指出通过以下三种措施可以使得系统在误差允许的范围内维持系统正常运转而不致影响完成主要任务。1）系统重构：在系统某一部件发生故障时,其他部件可以部分代替其工作，使整个系统继续运行。2）解析容余：利用测量之间或控制之间的依赖关系，在某一部件发生故障时，其它部件的参数耦合可以代替失效部件所负担的任务。3）设计预量：在设计中对影响系统性能指标的参数留有一定允许偏离设计值的预量，这样系统在长期运行过程中，由于渐变退化等原因，使得有关参数漂移只要不超过其预期值或范围，则还能维持系统正常运转，不致影响生产。（4）产品与加工设备的模块化设计为开发具有多种功能的不同产品，不必对每种产品施以单独的设计，而是精心设计出多种模块，将其经过不同的方式进行组合来构成不同的产品，以解决产品品种、规格和设计周期、成本之间的矛盾。在本世纪二十年代左右，模块化的设计原理就开始用于机床设计。到本世纪五十年代，欧美一些国家正式提出“模块化设计”的概念，把模块化设计提高到理论高度来研究。目前，模块化设计的方式主要有以下几种：1）横系列模块化设计，不改变产品主要参数，利用模块发展变型产品。这种方式最容易实现，应用的也最广。常见的做法是在某型品种上更换与添加模块，形成新的品种。2）纵系列模块化设计，也就是在同一类型中对不同规格的某型产品进行设计。由于产品主参数发生改变，会导致产品结构形式与尺寸不同，因此纵系列模块化较横系列模块化更为复杂。加工设备的模块化设计是可重构制造系统中另一个重要问题。由于可重构制造系统中的制造单元具有模块化的特性，这使得设计制造系统中的加工设备具有相当的复杂性。制造系统加工设备的传统设计仅考虑了机床级的重构，而在可重构制造系统中，为完成新的加工任务整个制造系统有可能被重新配置。为解决模块化机器的系统优化问题，需要发展可重构设计理论。其内容包括对可重构机器的拓扑综合，优化机器的运动链与结构，分析机器磨损、结构振动与刚性等问题。这种理论能够分析由不同模块所构成的加工机器的系统指标，如加工精度与可靠性。产品与加工设备的模块化设计中遇到的首要问题是制造模块的范围问题。换句话说，对一个模块化的产品与加工设备，如何科学与准确地划分各种模块。模块化的设计原则是力求以少量的模块来组成尽可能多的产品与加工设备，并尽量保证性能可靠，成本低廉。为此应在模块设计时注意以下几个问题：1）保证模块结构尽量简单、规范，模块间的联系尽可能的简单。2）模块的接口应便于连接与分离，同时模块的划分不能影响系统的主要功能。3）模块化设计应避免片面追求功能的实现，而应注重模块化产品生命周期全周期多目标的权衡与综合决策。如易于回收、装配与维修，产品报废后某些模块仍可利用，模块可以升级与重新配置。2.1.4可重构制造系统的控制结构制造系统主要有3种基本的控制结构形式23:集中控制结构(centralizedform)、分层递阶控制结构(properhierarchicalform)和协同控制结构(heterarchicalform),见下图。 (a)集中控制结构 (b)分层递阶控制结构 (c)协同控制结构图2.1基本的控制结构形式集中控制结构具有设备投资少、易于全局优化等优点，所以早期的制造系统大多采用这种结构；但它同时也存在着可靠性低、响应速度慢和可扩展性不好等缺点。目前的制造系统普遍采用分层递阶结构，在实现方法上采用自顶向下的结构化实现技术。用这种结构开发的系统大多为定制系统，当系统的需求发生变化时，这种系统大多必须重新开发。当前的CIMS、FMS大多采用这种结构，这是目前FMS和CIMS在推广应用和进一步研究开发遇到的主要问题之一。另外一种协同控制结构，在实现方法上大多采用面向对象或代理(Agent)技术来实现，虽然具有巨大的灵活性和可重组性，但它仅适用于需求变化大、具有足够同构资源的制造环境。由于这种控制结构在这方面的限制，所以很少在制造系统中应用。由此可见，上述各种控制结构很难实现RMS的性能指标。为了实现RMS，必须采用新的控制结构。据资料引入一种合弄控制结构(holarchy)。所谓合弄(holon)，它是指一种系统构造单元，相对于其上层组织具有协作特性的部分，相对于其下层组织具有自律特性的整体；一个合弄可以是另一个合弄的一部分，同时又可以是由其它一些合弄组成的。合弄结构将分层递阶结构和协同结构的优点很好地结合在一起，体现在其控制的相对分散性和集中性上。集中控制或递阶控制方式过于刚性，很容易突然失灵；而协同控制方式控制过于分散，缺少整体优化性。在合弄控制中，由于合弄的相对自律性以及对整个系统负责的系统协调机制的存在，控制既是相对分散的，又是相对集中的,由所有合弄共享，在系统的每一层上都存在有管理控制功能。因此，以这种控制结构形成的制造系统就象一个“魔方”，其功能组成单元就好像是魔方的一个个不同颜色的方块，市场对制造系统的需求就像人们要求的魔方的目标，人们可以按市场需求重组制造系统各组成单元。制造系统中的每一个功能模块既具有相对独立性又和系统其它部分具有合作性，可随时按市场需求构成所需的结构形式，实现可重构制造系统的目标。2.1.4可重构制造系统（RMS）的实现技术RMS的实现技术可分为2个层次，即RMS的设备层实现和系统层实现。其中，设备层实现主要研究加工设备的动态变化能力，即未来机床应能通过改变自身结构，灵活地完成多种任务；系统层实现主要研究如何保证加工系统能在不产生较大扰动的情况下允许添加或减少设备，使系统具有动态重构能力，满足不同产品生产的需求。1. 可重构制造系统的设备层实现可重构机床是可重构制造系统的重要组成部分，其主要目的是如何使加工设备能快速适应被加工零件的各种变化，如尺寸大小变化、几何形状变化、产品批量变化、加工工艺变化、精度要求变化和材料属性变化等。要实现机床的可重构，最有效的途径是进行机床模块化设计5,6。如何使模块化机床在设计上保证对加工零件上述变化的快速响应，实现加工过程的重构性,通常可以采用如下一些原则：(1)外形尺寸变化对于不同外形尺寸的零件，可相应准备具有不同尺寸大小的机床模块库，如导轨库、工作台库、主轴库等，通过改变机床模块实现机床的可重构性。(2)几何形状变化对于具有不同几何复杂性的零件，可通过添加新的运动单元或将现有某一运动单元替换为具有多自由度的运动单元来增加机床的联动轴数，从而实现机床的可重构。(3)产品批量变化为了提高产品生产率，机床的主轴单元可由单主轴变成双主轴或多主轴单元。多主轴单元是提高产品生产率的有力工具,具有不同加工速度和加工能力的模块化主轴单元是可重构机床响应产品批量变化的最佳途径。(4)加工工艺变化由于加工工艺的变化，不仅刀具需要改变，有时机床的配置也要作相应的变化。但由于模块化机床可实现动态重构，故在同1台加工中心上利用同1个主轴单元可进行多种加工。必要时可将1个铣削单元或磨削单元装配到1台车削中心上，从而实现在1台加工中心上进行多种加工操作，满足不同零件工艺变化的需求。(5)加工精度变化可重构机床由模块组成，其中每一个模块都具有特定的接口。在这种情况下，机床重构后会引起迭加误差，影响机床精度。由于机床精度由刀具和工件的相对运动以及机床模块和接口的精度所决定，所以并非将组成机床的模块简单地用精度更高的模块代替就能提高机床的精度。机床的精度同时还受其本身的静态刚度、动态刚度和热变形的影响。模块化机床到目前为止在实际生产中并未得到广泛采用，究其原因主要有以下几方面：可重构机床设计方法论：开发出一套适用于可重构机床模块表示与集成的理论框架是一个主要的难题。目前，美国密歇根大学的工程研究中心正在进行这方面的工作，其主要内容包括开发一种统一的机床模块机械特性的表示方法；构建机床模块库；可重构机床系统集成方法。接口：将一些制造得足够精确的机床模块装配起来并不一定能得到预期的机床精度，这一点意味着机床模块间的接口必须标准化，同时还必须开发出一套用于迅速测量和调整机床模块组合的方法学。另外，如何降低机床模块接口的静态刚度和动态刚度也是一个亟待解决的问题。模块自治性：许多运动和驱动单元都采用电动并通过导线与控制器相连，但有些也采用液压或气动驱动方式。如何布置其动力源如液压泵、压缩气体等，也是实现加工单元可重构的一大障碍。因此保证每个模块能够独立工作，即具有自治性是一个必须解决的问题。2. RMS的系统层实现制造系统由若干台加工设备组成，这些设备可以被设计成多种组织结构形式。如由4台加工设备构成的系统可以有10种不同的组合方式，而由5台机床构成的系统其组合方式达24种之多。不同的设备组织结构形式对制造系统的生产率、产品质量、功能柔性、生产成本以及可靠性等均有很大的影响。如何对各种组织结构形式进行综合性能评价，并根据具体加工任务为制造系统选择一种最合适的设备组织方式,是RMS设计中面临的主要任务之一。下图是包含6台机床的部分设备布置图。其中，图（a）为串行结构，具有成本低、适合于产品品种相对固定的大中批量加工等特点；但这种结构可靠性低、功能柔性较差，已不能满足当今快速变化的市场需求。图（f）为并行结构，具有极高的功能柔性，可以很方便地添加或减少设备；但这种结构设备投资较大，尤其是在这种结构中，每台机床必须完成零件的所有加工任务，所以必须配备更多的刀具数量，因此所加工零件的单件成本也较高。相对来说，图（c）、图（e）最为合理，也最适合RMS采用(我们称之为阵列式混合结构)。因为它们具有以下优点：3深孔机床模块化设计思路3.1 结构分析深孔机床的可重构化以加工对象和加工工具为切入点，分析深孔零件族和深孔刀辅具来确定深孔机床各功能模块的划分。以重构后功能冗余最小分析深孔机床可重构思路。3.1.1深孔零件族分析 深孔是与浅孔相比较而言的，通常以长径比（即孔深与孔径之比值，以L/D表示）来划分。国内多数人习惯把长径比大于10的孔称之为深孔，长径比小于10的孔称之为浅孔。深孔加工一般要采用特殊的孔加工刀具、技术和装备来实现。（1）深孔零件的分类深孔零件按结构特征可分回转体零件和非回转体零件。其中比较常见的是回转体深孔件。本机床的设计仅以回转体零件为准。深孔零件按尺寸大小可分为：特小直径深孔件、小直径深孔件、中直径深孔件、大直径深孔件和超大直径深孔件。特小直径深孔件是指直径在3mm以下的深孔，这类小孔的加工目前在现有的技术条件下是比较困难的；小直径深孔件指直径在3mm18mm的深孔，这类深孔的加工常采用枪钻进行加工，枪钻加工出来的孔精度较高；中直径深孔件指直径在18mm65mm的深孔，常采用BTA钻进行加工；大直径深孔件指直径在65mm180mm的深孔,常常采用机夹式BTA钻或者采用扩孔钻，BTA钻加工效率比枪钻高，加工精度能满足一般精一般不采用度要求；超大直径深孔件指直径大于180mm的深孔，机械加工方式来切除金属。深孔零件按精度等级可分为：精密级、普通精度级、一般精度级。零件要求的精度等级与采用的加工工具密切相关。（2）深孔件加工成形运动工艺分析深孔零件加工不同于一般的内孔加工，一般内孔加工常采用工件固定不动，刀具作进给加旋转运动的方式进行加工；深孔零件常常是采用工件旋转，刀具进给的方式作成形运动。一般的深孔钻削运动形式有下列几种： 工件旋转，刀具作进给运动。 工件不动，刀具旋转且作进给运动，如加热板钻孔。 工件旋转，刀具旋转且作进给运动，如管料钻孔。 工件作旋转与进给运动，刀具不动，这种形式采用的不多，只在特殊情况下采用。3.1.2深孔刀辅具分析 狭义上讲的深孔刀辅具是指在深孔机床上专用的刀具和辅具。专用深孔刀具特指枪钻、BTA钻、喷吸钻、DF钻、SIED钻、深孔扩钻和深孔精加工刀具等。下面我们分述各种深孔刀具的加工特点和使用范围，以及各自在加工时需要配置的专用辅具。（1） 枪钻枪钻属于外排屑深孔钻，它是历史上最早用于生产的具有连续供油排屑、有自导功能，能钻出尺寸、形位精度很高的深孔而且生产率较高的深孔钻头。共包括钻头、钻杆和钻柄三个部分，贯穿于钻柄、钻杆和钻头的内部空腔，为进油通路。钻头和钻杆的大部，有一条贯通的V形出屑槽，为排屑通道。加工回转体工件时的典型配置有输油器、排屑器和导向套等。枪钻可加工的孔径范围一般为1.3537mm，加工孔的长径比可达甚至超过100。其加工对象包括碳钢、合金钢（含调质钢）、铸铁、有色金属及合金，以及塑料、玻璃、有机合成材料等非金属材料。枪钻的应用范围很广。既可在回转体零件上钻孔，也能在非回转体零件上钻孔。如辅以相应的措施，还可加工平行孔、麻标孔、周边孔、交叉孔、贯穿孔、断隔孔、阶级孔等。近年已开始用于成批加工精密短孔，常能取得比传统工艺方法更高的综合效益。（2） BTA 钻 (单管内排屑深孔钻)BTA钻有三种，实体钻、套料钻、扩孔钻。BTA钻头切削部分的后部为空心圆柱体，使切削液能经由外部空隙通向切削刃，推动切屑进入钻头喉部的出屑口和钻杆内腔，向后排出；钻杆为厚壁圆管；钻头与钻杆可分离，二者常用方牙螺纹连接，装拆方便快速。钻杆可重复使用。由于钻杆的质心与中轴重合，使BTA钻特别适合于“工件固定，钻头旋转”的钻深孔方式。BTA钻直径尺寸范围15.665mm. 图3.1内排屑深孔钻（3） 喷射钻(Ejector Drill) 由于BTA钻容易产生堵屑、操作难度大。瑞典SANDVIK公司推出一种利用高速流体负压效应，从钻杆后部抽吸切屑的“喷射钻”。喷射钻钻头的切削部分和柄部设