CN108296883B - 一种基于可重构性的可重构机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可重构性的可重构机床，结构为：床身模块上包括位于中央的工作台模块安装区域以及位于两侧的第一功能臂模块安装区域和第二功能臂模块安装区域；三个区域上均开设螺纹孔对；功能臂模块包括立柱和功能组件；立柱侧面具有导轨，相对的侧面上固定一个凸块，凸块开设螺纹孔；立柱的上下端面均具备凸台，凸台的四角均开设螺纹孔；功能组件为用于进行代加工工件加工的定制件、滑动连接于导轨上；工作台模块包括基座和夹具；连接关系为：第一功能臂模块安装区域或者第二功能臂模块安装区域上螺纹孔与功能臂模块的下端面凸台开设的四个螺纹孔匹配安装；工作台模块安装区域上螺纹孔与工作台模块的基座四角的螺纹孔匹配安装。

Description

一种基于可重构性的可重构机床

技术领域

本发明涉及先进制造技术领域，具体涉及一种基于可重构性的可重构机床。

背景技术

可重构制造***Reconfigurable Manufacturing System(RMS)可以根据客户要求以低成本、快响应的方式提供精确的加工功能和加工能力来满足多变的市场需求，逐渐成为了研究的热点。

可重构机床Reconfigurable machine tools(RMT)是RMS的关键设备。RMT的相关研究是RMS实现的关键环节，而RMT的原型设计则是RMT的基础性研究，RMT的设计原则为原型设计提供原则性和方向性指导。

RMS在设计之初就确定了是为了快速响应某个工件族需求的突然变化，并设计或选择相应的机床(CNC机床和/或RMT)来加工特定的工件族中的工件。与RMS类似，RMT的设计也可以围绕某个特定的零件族。基于这种设计思想，Katz(2007)提出了一系列设计原则：RMT设计的必须围绕特定的工件族，主要原则包括柔性定制(customization)、快速转换(convertibility)和伸缩(scalability)等。

目前的RMT经典设计方式包括模块结构和整体结构，分别关注机床模块的设计和机床主轴运动，如图2所示，其中图2(a)示出了目前的RMT经典设计方式中的模块结构，图2(b)示出了目前的RMT经典设计方式中的整体结构。

目前的RMT原型设计中存在着如下问题：

(1)基于传统围绕特定工件族的RMT/RMS设计原则(比如Katz的设计原则)的设计很难通过重构的方式来满足另一个工件族的加工需求，造成了设备等资源的浪费，背离了可重构提出的初衷(低成本)。

(2)整体结构的RMT是传统设计原则的实践，其中拱形结构(arch-type)是整体结构RMT的巅峰，但是还是没有办法避免只能应对单一工件族加工需求和机床构形丰富程度不足的缺陷。

(3)基于模块结构的RMT相比于整体结构更具灵活性，但是多样的模块划分方法，模块组合过于复杂，RMT重构难度大。另外，模块重用率低也是模块结构RMT需要解决的问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于可重构性的可重构机床，实现了加工机床的可重构性，该机床构型丰富、模块组合简单灵活且模块重用率高，能够应对多种工件的加工需求，具有重构成本低、稳定性高的特性。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于可重构性的可重构机床，包括床身模块、功能臂模块以及工作台模块。

床身模块为长方形平板状结构，其上由两条平行界线分为三个区域，分别为位于中央的工作台模块安装区域以及位于两侧的第一功能臂模块安装区域和第二功能臂模块安装区域。

三个区域上均开设以距离l单位等距分布的螺纹孔对，每个螺纹孔对由两个距离l单位的螺纹孔组成。

功能臂模块包括立柱和功能组件。

立柱为长方体结构，立柱其中一个侧面为功能组件安装面，功能组件安装面上开设导轨；立柱上与功能组件安装面相对的侧面上固定一个凸块，凸块上沿与立柱轴线垂直的方向开设螺纹孔；立柱的上下端面均具备凸台，凸台的四角均开设螺纹孔，上端面凸台的四个螺纹孔其中一对与立柱轴线平行，另一对与立柱轴线垂直；下端面凸台开设的四个螺纹孔与立柱轴线平行，且下端面凸台开设的四个螺纹孔围成边长l单位的正方形。

功能组件为用于进行待加工工件加工的定制件，功能组件滑动连接于导轨上。

工作台模块包括基座和夹具。

基座为正方形平板状结构，基座的四角开设螺纹孔，基座四角的螺纹孔围成边长l单位的正方形。

夹具为用于固定待加工工件的定制件。

连接关系为：

第一功能臂模块安装区域或者第二功能臂模块安装区域上螺纹孔与功能臂模块的下端面凸台开设的四个螺纹孔匹配安装。

工作台模块安装区域上螺纹孔与工作台模块的基座四角的螺纹孔匹配安装。

进一步地，机床包括一个以上的功能臂模块。

其中两个功能臂模块一个竖直、另一个水平组合成倒L型功能臂模块。

功能臂模块上与立柱轴线垂直的螺纹孔记为A型螺纹孔，与立柱轴线平行的螺纹孔记为B型螺纹孔。

其中倒L型功能臂模块中，水平功能臂模块下端面凸台上的B型螺纹孔与竖直功能臂模块上端面凸台上的A型螺纹孔通过螺栓固定连接，水平功能臂模块的凸块上的A型螺纹孔与竖直功能臂模块上端面凸台上的B型螺纹孔通过螺栓固定连接。

倒L型功能臂模块中的竖直功能臂模块的下端面的B型螺纹孔匹配安装于第一功能臂模块安装区域或者第二功能臂模块安装区域的螺纹孔上。

进一步地，位于中央的工作台模块安装区域高于位于两侧的第一功能臂模块安装区域和第二功能臂模块安装区域。

有益效果：

本发明实施例提供的一种基于可重构性的可重构机床，是一种以床身、功能臂以及工作台作为模块的可重构机床RMT；通过对模块基本结构的设计简化和固定了RMT模块的划分，每个模块均是独立的，并设计了标准的物理连接接口，模块组合的简单灵活、模块重用率高，能够实现即插即用，实现了加工机床的可重构性；基于确定的模块结构以及标准化的物理接口，模块间的组合可以通过即插即用的方式实现，降低了重构成本，丰富了机床可以实现丰富的构型，且重构稳定性高；通过对功能组件的定制化设计，即可应对多种工件的加工要求。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种基于可重构性的可重构机床的组成结构示意图；

图2为目前的可重构机床RMT经典设计方式示意图，其中图2(a)示出了目前的RMT经典设计方式中的模块结构，图2(b)示出了目前的RMT经典设计方式中的整体结构；

图3为床身结构及其上划分的工作台安装区域以及第一功能臂安装区域和第二功能臂安装区域位置示意图；

图4为功能臂结构示意图，包括单个功能臂结构以及倒L型功能臂结构；

图5为工作台结构示意图；

图6为本发明实施例提供的基于可重构性的可重构机床在进行工件加工示意图；

图7为本发明实施例提供的基于可重构性的可重构机床基本构型图；

图8为本发明实施例提供的基于可重构性的可重构机床的容量适配示意图；

图9为本发明实施例提供的基于可重构性的可重构机床RMT的RMS的产能伸缩过程图；

图10为本发明实施例提供的基于可重构性的可重构机床RMT的功能转换性示意图；

图11为本发明实施例提供的基于可重构性的可重构机床RMT与传统的RMT重构过程比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明给出的可重构机床RMT的设计原则是：模块化Modularity和可集成性Integrability。其中模块和接口(物理接口，并与能量、信息接口分离)是可重构机床RMT的基础，不同的模块组合丰富了可重构机床RMT的功能。标准化接口便于模块的集成，降低了重构难度，从而快速重构。另外，标准的接口让模块化RMT实现“即插即用”的重构过程成为可能。“即插即用”的定义是快速、轻松地将新的设备引入制造***。主要设计原则是可伸缩性Scalability、可转换性Convertibility和定制化Customization。可伸缩性指的是RMT改变自身产能的能力，可转换性则是RMT在不同加工功能之间进行转换的能力。定制化相比于RMS的柔性定制(实现某个特定工件族的柔性)，增加了机床功能本身的定制。RMT模块的功能可以定制，基于一组特定模块功能的RMT来满足一个工件族的柔性，通过替换部分功能模块转换成另一台RMT满足另一个工件族的柔性。这样的RMT并没有失去RMS提出的柔性定制的特性，但是，这与针对特定工件族进行RMT设计的理念有本质上的不同。辅助设计原则包括可重用性Reusability和对称性Symmetry，旨在解决在RMT使用过程中的模块冗余问题(重用率低)和质量分布不均问题。

实施例1、

基于以上设计原则，本发明实施例提供了一种基于可重构性的可重构机床，其具体结构如图1所示，所设计模块包括床身模块、功能臂模块以及工作台模块。

图3示出了床身模块的结构，床身模块为长方形平板状结构，其上由两条平行界线分为三个区域，分别为位于中央的工作台模块安装区域以及位于两侧的第一功能臂模块安装区域和第二功能臂模块安装区域；其中三个区域的位置关系如图3所示。

根据图3，三个区域上均开设以距离l单位等距分布的螺纹孔对，每个螺纹孔对由两个距离l单位的螺纹孔组成；相邻的螺纹孔对形成标准的物理接口，如图3所示的接口1和接口2，其中的l单位的设计由实际尺寸决定，可以按照经验值进行设定。其中工作台模块安装区域上的由相邻的螺纹孔对形成的物理接口用于固定安装工作台模块，第一和第二功能臂模块安装区域上的由相邻的螺纹孔对形成的物理接口用于固定安装功能臂模块，例如接口1和接口2是用于安装功能臂模块的接口，在这两个接口中重用了实体和虚线方框中交互的螺纹孔对，这增加了接口螺丝孔的数量。

从图3可以看出，床身的三个区域都设计了不止一个的接口，目的在与为可重构机床RMT的可伸缩性和可转换性预留空间。此外，床身上只有一个结构类型的接口，简化了接口体系，大大降低了可重构机床RMT的重构难度。

本发明实施例中考虑到功能臂模块电机位置在底部，占用垂直方向的部分空间，因此位于中央的工作台模块安装区域高于位于两侧的第一功能臂模块安装区域和第二功能臂模块安装区域，以减小功能臂与加工台之间的无效行程。

图4示出了功能臂模块的结构。本发明实施例中功能臂模块包括立柱和功能组件，如图4中左边的功能臂所示。

其中立柱为长方体结构，立柱其中一个侧面为功能组件安装面，功能组件安装面上开设导轨；立柱上与功能组件安装面相对的侧面上固定一个凸块，凸块上沿与立柱轴线垂直的方向开设螺纹孔；立柱的上下端面均具备凸台，凸台的四角均开设螺纹孔，上端面凸台的四个螺纹孔其中一对与立柱轴线平行，另一对与立柱轴线垂直；下端面凸台开设的四个螺纹孔与立柱轴线平行，且下端面凸台开设的四个螺纹孔围成边长l单位的正方形。

本发明实施例中，将功能臂模块上与立柱轴线垂直的螺纹孔记为A型螺纹孔，与立柱轴线平行的螺纹孔记为B型螺纹孔；其中A型螺纹孔与B型螺纹孔具有不同的功能。当机床包括一个以上的功能臂模块时，其中两个功能臂模块一个竖直、另一个水平组合成倒L型功能臂模块如图4中右边所示；其中倒L型功能臂模块中，水平功能臂模块下端面凸台上的B型螺纹孔与竖直功能臂模块上端面凸台上的A型螺纹孔通过螺栓固定连接，水平功能臂模块的凸块上的A型螺纹孔与竖直功能臂模块上端面凸台上的B型螺纹孔通过螺栓固定连接；倒L型功能臂模块中的竖直功能臂模块的下端面的B型螺纹孔匹配安装于第一功能臂模块安装区域或者第二功能臂模块安装区域的螺纹孔上。

本发明实施例中，功能臂上的功能组件为用于进行待加工工件加工的定制件，功能组件滑动连接于导轨上。功能组件可以根据加工工件的加工需求进行定制，不局限于固定的结构。

这里的功能组件为非标准件，因此具体的功能实现具有一定的柔性，但是功能组件与立柱的接口需要根据立柱的结构进行设计，以实现快速安装。

图5示出了工作台模块的结构，本发明实施例中，工作台模块包括基座和夹具。

基座为正方形平板状结构，基座的四角开设螺纹孔，基座四角的螺纹孔围成边长l单位的正方形。基座四角的螺纹孔是用于固定安装在工作台模块安装区域上的。由于基座四角的螺纹孔与工作台模块安装区域上的螺纹孔选择了相同的螺纹孔对，因此作为可重构RMT主模块之间的接口实现了接口的标准化。这样的设计，整台机床的模块间接口就被标准化为一种结构类型，从而降低了重构的复杂性和难度。

夹具为用于固定待加工工件的定制件；本发明实施例中解决是根据加工工件的形状进行定制的，不局限于固定的结构，简单地，可以是如图5所示的正方形凸起或者圆形凸起结构，也可以是其他可以用于固定加工工件的结构。

基于上述结构，本发明实施例给出如下连接关系：

第一功能臂模块安装区域或者第二功能臂模块安装区域上螺纹孔与功能臂模块的下端面凸台开设的四个螺纹孔匹配安装；

工作台模块安装区域上螺纹孔与工作台模块的基座四角的螺纹孔匹配安装。

图6示出了本发明实施例提供的基于可重构性的可重构机床在进行工件加工过程图。

本发明实施例提供的一种基于可重构性的可重构机床，是一种以床身、功能臂以及工作台作为模块的可重构机床RMT；通过对模块基本结构的设计简化和固定了RMT模块的划分，每个模块均是独立的，并设计了标准的物理连接接口，模块组合的简单灵活、模块重用率高，能够实现即插即用，实现了加工机床的可重构性；基于确定的模块结构以及标准化的物理接口，模块间的组合可以通过即插即用的方式实现，降低了重构成本，丰富了机床可以实现丰富的构型，且重构稳定性高；通过对功能组件的定制化设计，即可应对多种工件的加工要求。

图7为本发明实施例提供的基于可重构性的可重构机床基本构型图，包括6种构型：构型(a)可以加工工件的两个侧面和一个上表面，构型(b)可以加工回转工件的端面，构型(c)可以同时加工两个不同的工件，结构(d)、(e)和(f)可以加工回转工件的旋转面。

下面对本发明实施例提供的基于可重构性的可重构机床RMT进行可重构性分析，包括RMT产能伸缩性、可转换性以及重构时间分析。

其中RMT产能伸缩性分析如下：

在RMS中关于伸缩性的定义是通过增加或减少制造资源，能够快速和经济地调整RMS的生产能力来适应市场需求的变化。扩展到RMT，RMT的可伸缩性则是通过添加或删除模块/组件来实现机床产能的增减。图8展示了本发明提出的RMT原型设计的产能伸缩过程，其中纵坐标表示RMT的产能，横坐标表示RMT的功能。从图中可以看出，具有不同功能RMT的产能都可以通过增加/删除相同功能的功能臂-工作台对来缩放。这个过程中也实现了模块的重用。

由数控机床组成的RMS的可扩展性可以定义为：

可伸缩性＝100×(1-最小增(减)量容量/现有容量)％

其中，最小增(减)量是一个机床。如果以很小的最小增(减)量就可以满足新需求，那么RMS***就具有了高度可伸缩性。但是，这个过程需要为新增机床预留一定的空间增加了初始资本投入。如果使用本发明提出的RMT原型构建RMS，则***伸缩的最小产能增(减)量实现方式从从一台机床变成了一组功能臂-工作台对。这种方法不仅可以避免RMS***层面的大幅度调整，而且可以省下了原有的伸缩性预留空间初始投资。基于数控机床和RMT的RMS的不同可伸缩性如图9所示。显然，所提出的RMT增强了RMS的伸缩性。

RMT功能转换性分析如下：

可转换性是指以最小的投入快速调整RMT的功能以响应新需求的能力，可转换性关注的是机床功能的转换，如图10所示。基于本发明的RMT原型设计，可以通过多种方式实现RMT功能的转换：1)用不同的功能模块替换现有的模块(构型a1转换到构型b1)；2)在不同的位置安装相同/不同的模块(当从构型b1转换到构型b2时，相同功能模块安装在不同的位置；当从构型b3转换到构型b4时，不同的功能模块安装在不同的位置，这两种转换的结果都产生了具有不同功能的新RMT构型；3)只要改变现有功能模块的安装方向(当从构型a1转换到构型a3时，只需要改变工作台的安装方向即可实现新的机床功能)。在这个过程中重用了主模块，增加了主模块的重用率。另外，组件的替换也可以获得新的功能，但是组件是非标准结构，组件更换可能会遇到不可预知的情况，因此本发明弃用了这种方式。

RMT重构时间分析如下：

在传统的RMT重构过程中，准备阶段选择满足新需求所需的模块，并在重构阶段进行安装，并对新功能RMT进行测试。在本发明的RMT重构过程中，准备阶段选择满足新需求所需的组件并将其安装到主模块上，进行第一次测试以确保安装到主模块的组件能正常工作。如果需要准备多个主模块，则可以同时进行准备工作，节省准备时间。在安装了新组件的主模块准备完毕后，将其安装到RMT上，并进行第二次测试。与传统的RMT相比，本发明的RMT在准备阶段做了更多的工作，从而节省了后续的重构阶段的时间，如图11所示，t11<t21，t12<t22，所以t11+t12<t21+t22。实际上，本发明的高效重构受益于“即插即用”理念。准备阶段的工作和具有标准接口的3-主模块结构为“即插即用”做好了充分的准备。这是一种新的重构模式。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于可重构性的可重构机床，其特征在于，包括床身模块、功能臂模块以及工作台模块；

所述床身模块为长方形平板状结构，其上由两条平行界线分为三个区域，分别为位于中央的工作台模块安装区域以及位于两侧的第一功能臂模块安装区域和第二功能臂模块安装区域；

三个区域上均开设以距离l单位等距分布的螺纹孔对，每个螺纹孔对由两个距离l单位的螺纹孔组成；

所述功能臂模块包括立柱和功能组件；

所述立柱为长方体结构，所述立柱其中一个侧面为功能组件安装面，所述功能组件安装面上开设导轨；所述立柱上与所述功能组件安装面相对的侧面上固定一个凸块，所述凸块上沿与立柱轴线垂直的方向开设螺纹孔；所述立柱的上下端面均具备凸台，凸台的四角均开设螺纹孔，上端面凸台的四个螺纹孔其中一对与立柱轴线平行，另一对与立柱轴线垂直；下端面凸台开设的四个螺纹孔与所述立柱轴线平行，且下端面凸台开设的四个螺纹孔围成边长l单位的正方形；

所述功能组件为用于进行待加工工件加工的定制件，所述功能组件滑动连接于所述导轨上；

所述工作台模块包括基座和夹具；

所述基座为正方形平板状结构，基座的四角开设螺纹孔，基座四角的螺纹孔围成边长l单位的正方形；

所述夹具为用于固定待加工工件的定制件；

连接关系为：

所述第一功能臂模块安装区域或者第二功能臂模块安装区域上螺纹孔与所述功能臂模块的下端面凸台开设的四个螺纹孔匹配安装；

所述工作台模块安装区域上螺纹孔与所述工作台模块的基座四角的螺纹孔匹配安装；

所述机床包括一个以上的功能臂模块；

其中两个功能臂模块一个竖直、另一个水平组合成倒L型功能臂模块；

功能臂模块上与立柱轴线垂直的螺纹孔记为A型螺纹孔，与立柱轴线平行的螺纹孔记为B型螺纹孔；

其中倒L型功能臂模块中，水平功能臂模块下端面凸台上的B型螺纹孔与竖直功能臂模块上端面凸台上的A型螺纹孔通过螺栓固定连接，水平功能臂模块的凸块上的A型螺纹孔与竖直功能臂模块上端面凸台上的B型螺纹孔通过螺栓固定连接；

所述倒L型功能臂模块中的竖直功能臂模块的下端面的B型螺纹孔匹配安装于所述第一功能臂模块安装区域或者第二功能臂模块安装区域的螺纹孔上。

2.如权利要求1所述的可重构机床，其特征在于，所述位于中央的工作台模块安装区域高于位于两侧的第一功能臂模块安装区域和第二功能臂模块安装区域。