机床模块化设计

李志强　田刘平

摘  要：文章首先研究并总结了模块化设计原理及其核心思想，并在此基础上提出了针对数控机床的具体的模块划分方法;其次通过对数控机床的模块划分建立了数控机床模块数据库。

关键词：模块化设计;数控机床;模块划分

中图分类号：TH122 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）17-0091-02

Abstract： This paper first researches and summarizes the modular design principle and its core ideas， and then proposes a specific module division method for numerically controlled machine tools. Secondly， it establishes a CNC machine tool module database by dividing the numerically controlled machine tools.

Keywords： modular design; CNC machine tools; module division

1 模块化

1.1 功能的模块化

工业生产中，机械加工是在工业生产规模不断扩大与机械化水平不断提升下，为满足工业生产的需求，逐渐在工业生产中引入机械化设备，从而不断提高工业生产的质量和效率，推动工业生产的快速发展。值得注意的是，机械的加工与生产是通过机械设备的切削运动与定位控制/进给运动等实现的，其运动中不仅包含有直线运动，还包含回转运动等。因此，在进行机械生产中的数控机床模块化设计时，需要先进性标准化部件实现上述运动的具体操作和方法等进行研究。结合机床模块化设计的实际情况，在机床的模块化系统中，能量供给元件是机床的变速机构与驱动装置重要构成原件，而立柱和床身则是机床的重要基础部件，对机床运动进行规定的全部控制装置及其构成部件则共同组成机床的最小功能模块单元，对上述部件及其结构单元，在具体设计中，可以通过对各模块单元的组合设计，使其构成一个完整的机床模块系统，在机床加工与运行中为其提供相应的功能和结构支持。

1.2 模块化设计的主要方式

模块化设计方法主要包含横系列模块化设计/纵系列模块化设计/横系列与跨系列模块化设计/全系列模块化设计/全系列与跨系列模块化设计等多种不同的方法。

（1）横系列模块化设计。该模块化设计方法在具体设计中不对产品的主参数进行改变，是通过模块发展促进产品变形与设计实现，即在基本的产品类型与模块结构上，通过增加或者是更换产品的结构模块，来促进产品类型及品种改变。

（2）纵系列模块化设计方法主要应用于同一类型的不同规格基型产品设计。在这类产品设计中，由于产品主参数不同，导致其动力参数也存在差异，从而所形成的产品结构与尺寸必然不同。与横系列模块化设计相比，纵系列模块化设计的复杂性更加突出。采用纵系列模块化设计进行动力参数有关的产品模块设计，需要在合理进行区段划分基础上，使其在同一区段内的模块化设计呈相互通用状态。

（3）横系列和跨系列模块化设计在具体设计应用中，

除横系列模块化设计的产品加工外，通过对某些模块的改变能够实现其他系列的产品加工与获取。

（4）全系列模块化设计包括纵系列和横系列的模块化设计，比如，在工具铣的机床加工模块设计中，通过对铣头的改变能够实现横系列模块化产品加工，而通过对机床床身与横梁高度/长度等的改变，则能够实现不同的纵系列模块化设计产品加工和获取。

（5）全系列和跨系列模块化设计是在全系列模块化设计基础上，对结构较类似的跨产品加工机床进行模块化设计实现。其中，全系列的龙门铣床，它的结构和龙门刨、龙门刨床和龙门导轨磨床等基本相似，在具体加工设计中就可以发展成跨系列模块化设计。

1.3 模块的划分

1.3.1 模块划分的原则

（1）独立性原则。模块划分的独立性原则包含功能独立与结构独立两个方面，其在促进模块系列化发展与实现纵系列模块化设计方面有着非常积极的作用。（2）部件原

则。对组合机床的拆分需要遵循部件原则，从而对模块划分的独立性原则进行有效遵循与执行。（3）组件原则。对功能综合程度过高的部件进一步进行功能分解，將组件模块化。（4）基础件原则。基础件的功能和结构比较独立，模块划分中，以同一类型的联接为基础，进行接口标准化、通用化的基础件模块建立，能够获取较高的模块设计与加工经济效益。

1.3.2 功能模块化设计的特点

根据上述对功能模块化的分析，结合功能模块化设计与应用实际情况，由于功能模块化设计的产品更新速度较快，并且进行产品设计与加工的周期明显较短/成本较低/产品性能稳定可靠等特征优势，再加上功能模块化设计的机床加工与维护较为方便，在小批量生产中适用性尤为突出等，虽然功能模块化设计的系统复杂性较高，但在西方国家的机床模块化设计中应用越来越多。

需要注意的是，模块化设计的特征优势与应用必要性虽然比较明显，但是，功能模块化设计中，其功能分解并不是无限制的，对其功能分解的控制需要根据模块化设计对象的具体情况而定。同样，数控机床的功能分解也要有利于其功能一结构映射的求解，有利于其模块划分的实施。

1.4 机床模块化划分与设计方法

综合上述分析内容，本文在进行机床模块化设计与划分中，从面向设计的角度对机床模块进行分析，即在对数控机床的功能进行分解基础上，根据不同功能元之间的相关性定性的进行模块聚类，然后按照机床结构将已经聚类的功能模块所对应的零部件进行分解，并根据各零部件的制造与装配关联进行分析，最终，在对两次分析结果综合基础上，实现更加详细与具备不同用途或性能的模块划分和设计。

以XK2850机床模块划分为例，通过功能模块至结构模块的映射（如表1），完成模块的划分。

研究了数控机床模块化设计的特点，在对模块进行分级队列的基础上，对多级模块的属性进行了针对性的定义，并对属性间的关联进行了研究，保证了功能、性能、结构、特征、配置、管理等属性的一致性与针对性。针对模块在不同设计阶段的设计作用，基于模块的分级划分方案，对于支持机床总体方案布局的一级模块库，定义其模块信息包括管理信息、结构信息、性能信息。各个信息之间相互关联、相互影响。对于支持数控机床模块化配置设计技术的二级模块库、标准件外购件库，定义其包括管理、组成、性能、结构、接口等多类属性信息。

根据客户需求的技术指标自动生成机床总体设计方案、机床模块智能配置并输出配置清单、机床模块变形设计等的机床模块化设计支持系统;初步构造了符合相关标准要求的机床支撑件、主运动系统、工作台、进给运动系统、冷却系统、润滑系统、刀库系统、防护系统等机床单元模块库及机床外购件、标准件库;机床的模块化设计，可缩短产品设计周期，实现产品的快速设计，提高机床零部件质量，降低产品全生命周期成本，提高其市场竞争力及对市场的快速响应能力。

2 结束语

现代工业生产与发展中，随着产品更新速度加快与产品用户需求的日益多样化发展，为满足工业生产的有关需求，在实际生产与加工中逐渐引入计算机辅助设计与模块化/参数化设计理念，从而促进数控机床加工的多样化与个性化/小批量生产等需求得到满足，有效缩短机床设备的生产与维护实践，推动工业生产的快速发展和综合提升，具有十分突出的积极作用和重要意义。本文通过对国内外模块化设计研究的有效综合，以pore为平台，结合数控机床设计的特点，在实现数控机床模块库建立基础上，对数控机床模块化设计进行研究和探讨，不仅取得了较好的效果，而且在实际生产应用中能够有效满足用户的需求，实现机床生产制造成本節约，提高批量生产的质量和效率，缩短产品加工与生产的时间，机床故障维护与排除操作便利，值得在实践中进行推广应用。

参考文献：

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