一、引言
隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)從原有單功能型加工設(shè)備向多元化復(fù)合型加工設(shè)備轉(zhuǎn)變。車(chē)銑鏜磨多功能復(fù)合型機(jī)床是近年來(lái)機(jī)床設(shè)計(jì)制造的主流，主要分為 :
一、以中小型機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，復(fù)合車(chē)銑鏜磨多種加工類(lèi)型的產(chǎn)品系列，此類(lèi)產(chǎn)品的特點(diǎn)為加工效率高，配合自動(dòng)送料機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)黑燈工廠。
二、以大型機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，車(chē)銑鏜磨齒輪加工兼?zhèn)涞膹?fù)合型加工設(shè)備，此類(lèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件多，復(fù)合性強(qiáng)，精度高，對(duì)設(shè)計(jì)制造都提出了很高的要求。國(guó)內(nèi)外主流廠商均采用模塊化設(shè)計(jì)理念，以滿足大型復(fù)合機(jī)床的設(shè)計(jì)制造要求
二、模塊化設(shè)計(jì)涵義
模塊化設(shè)計(jì)的涵義就是要?jiǎng)澐植⒃O(shè)計(jì)一系列的模塊，通過(guò)模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，滿足市場(chǎng)的不同需求。所謂模塊就是 “一組具有同一功能和結(jié)合要素（指聯(lián)接部位的形狀、尺寸和聯(lián)接件之間的配合參數(shù)等），而有不同用途（或性能）和不同結(jié)構(gòu)且能互換的各個(gè)單元（零件、組件、部件或系統(tǒng)），或是能增加機(jī)床功能的單元”。模塊化設(shè)計(jì)方法不僅僅局限于金屬切削機(jī)床，還可以應(yīng)用于砂型件切削和晶圓切割等新興機(jī)械領(lǐng)域。
選用不同的模塊組合，可以組成不同要求的單臺(tái)機(jī)床，還可以在進(jìn)一步組合成生產(chǎn)線，例如龍門(mén)類(lèi)機(jī)床可以組合回轉(zhuǎn)工作臺(tái)模塊、車(chē)削頭模塊、立式磨頭模塊、滾齒頭模塊等實(shí)現(xiàn)車(chē)、磨、滾齒等多種加工。
三、模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
模塊化設(shè)計(jì)區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要在于其具有模塊化結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)能力，即能夠通過(guò)對(duì)機(jī)床組成部件或模塊的重組與更替，調(diào)整其加工功能和某些性能，及時(shí)、高效地滿足被加工零件的各種變化需求，同時(shí)也為機(jī)床部件在其壽命周期內(nèi)反復(fù)重用，最大限度地實(shí)現(xiàn)設(shè)備改造、更新的節(jié)約化、高效化提供了一條有效途徑。機(jī)床模塊化的本質(zhì)是基于幾何、物理的相似性，同時(shí)考慮了幾何 / 物理相似性的拓?fù)湫裕约盎诮M合拓?fù)涓拍畹膹V義相似性，而且引入了極為重要的模塊特性—接口整合理念，以實(shí)現(xiàn)模塊集成的 “相乘效果”。設(shè)計(jì)目標(biāo)是使機(jī)床作為一種制造資源在其整個(gè)壽命周期內(nèi)的使用功能與性能的組合化、柔性化，設(shè)計(jì)制造綠色化、節(jié)約化。
接口整合理念的應(yīng)用是為了使模塊間更具互換性，因而要求模塊與聯(lián)接件之間的結(jié)構(gòu)要素應(yīng)有一致性。接口整合理念最易在機(jī)床橫系列（同類(lèi)產(chǎn)品）的變型品種中加以實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于全系列產(chǎn)品（不同規(guī)格產(chǎn)品、復(fù)合機(jī)床）方面，只要基本功能相同，運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)相當(dāng)，也可以實(shí)現(xiàn)模塊的接口整合，尤其是一些帶有獨(dú)立性的功能單元，如主軸系統(tǒng)或輔助系統(tǒng)的模塊，更易于實(shí)現(xiàn)各模塊間的接口整合。
四、模塊化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)
1、模塊的劃分
機(jī)床模塊的劃分是機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)于大型常規(guī)金屬切削機(jī)床（車(chē)、銑、磨、鏜、滾齒）及其他類(lèi)似加工設(shè)備而言，模塊可以劃分為 : 常規(guī)機(jī)械模塊、通用智能模塊、電氣控制模塊、輔助功能模塊四大類(lèi)。
常規(guī)機(jī)械模塊共分為 12 大類(lèi)，包含 : 床身及進(jìn)給模塊、直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)模塊、滑座模塊、立式回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)模塊（轉(zhuǎn)臺(tái)或回轉(zhuǎn)工作臺(tái)）、臥式回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)模塊（主軸箱及尾座）、立柱模塊、橫梁及進(jìn)給系統(tǒng)模塊、核心功能模塊。核心功能模塊包含溜板模塊及進(jìn)給系統(tǒng)模塊、鏜銑削模塊、車(chē)削模塊、磨削模塊、滾齒加工模塊。通用智能模塊一般為目前較為先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)、智能感應(yīng)、機(jī)床工作狀態(tài)監(jiān)控等模塊，此類(lèi)模塊一般選用專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn)的成熟產(chǎn)品，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)模塊共同使用。輔助模塊一般為排屑器、自動(dòng)上料機(jī)等成熟輔助設(shè)備，按需求選用即可。
2、模塊的設(shè)計(jì)方法
常規(guī)機(jī)械模塊是模塊化設(shè)計(jì)的核心部分環(huán)節(jié)，各個(gè)模塊均有設(shè)計(jì)特點(diǎn)和難點(diǎn)。下文中著重論述典型模塊的設(shè)計(jì)方法。
床身及進(jìn)給模塊主要為機(jī)床的床身部分，是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)，是機(jī)床主要部件運(yùn)動(dòng)及切削過(guò)程中使機(jī)床具有足夠的剛度和精度的重要保障。大型機(jī)床床身及進(jìn)給模塊一般考慮三個(gè)基礎(chǔ)要素 : 第一為承載量，第二為單體零件的長(zhǎng)度，第三為進(jìn)給系統(tǒng)的選擇。承載量主要取決于床身模塊的導(dǎo)軌條數(shù)、導(dǎo)軌寬度和床身總體截面，在設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)要具有現(xiàn)實(shí)性和前瞻性，綜合幾類(lèi)大型機(jī)床床身的共同點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，例如 : 龍門(mén)移動(dòng)式鏜銑床、單柱移動(dòng)式立式車(chē)床、落地鏜銑床三類(lèi)機(jī)床在床身模塊具有通用性，規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)可以統(tǒng)籌進(jìn)行。大型機(jī)床床身一般為分段式設(shè)計(jì)，單體零件長(zhǎng)度滿足數(shù)列優(yōu)先級(jí)的同時(shí)，可根據(jù)毛坯鑄造能力和零件加工能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)用戶要求組合成其需要的長(zhǎng)度。進(jìn)給系統(tǒng)方面，隨著行星齒輪減速機(jī)的廣泛應(yīng)用，雙電機(jī)消除間隙的齒輪齒條驅(qū)動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)化了直線軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，為模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。床身模塊基本采用鑄鐵或鋼板焊接兩大類(lèi)，鑄鐵床身一般采用灰鑄鐵 HT250，此類(lèi)鑄鐵具有高的抗壓強(qiáng)度、優(yōu)良的耐磨性和消振性，低的缺口敏感性，適用于承受壓力及振動(dòng)的機(jī)床床身。如圖 1、2、3 所示。
圖 1 小規(guī)格床身截面圖
圖 2 中規(guī)格床身截面圖
圖 3 大規(guī)格床身截面圖
立式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)模塊可以分為主運(yùn)動(dòng)類(lèi)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)類(lèi)兩種，主運(yùn)動(dòng)類(lèi)一般為立式車(chē)床中應(yīng)用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，其設(shè)計(jì)思路與床身模塊類(lèi)似。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)類(lèi)應(yīng)用于落地鏜銑床和滾齒機(jī)中，主要區(qū)別在于二者的工作臺(tái)面外形不同，落地鏜銑床為矩形，滾齒機(jī)為圓形。雖然外形不同，但是也可以應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)理念，對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、底座系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等采用模塊化設(shè)計(jì)。
立柱模塊主要應(yīng)用于龍門(mén)鏜銑床、立式車(chē)床、落地鏜銑床三類(lèi)機(jī)床中，設(shè)計(jì)時(shí)參照床身模塊的設(shè)計(jì)思路，確定導(dǎo)軌形式、跨距、截面等要素，同時(shí)可以在鑄造或焊接毛坯時(shí)應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)理念，以 500mm長(zhǎng)度為單位，制作鑄件模型和砂芯，保證用戶要求的零件長(zhǎng)度快速實(shí)現(xiàn)。如圖 4、5 所示。
圖 4 小規(guī)格立柱截面圖 圖 5 中規(guī)格立柱截面圖
橫梁模塊是龍門(mén)鏜銑床和立式車(chē)床的核心部件，對(duì)于橫梁截面的模塊化設(shè)計(jì)規(guī)劃尤其重要，應(yīng)根據(jù)橫梁載荷不同，設(shè)計(jì)導(dǎo)軌形狀、跨距、進(jìn)給系統(tǒng)位置等。如圖 6、7 所示。
圖 6 小規(guī)格橫梁截面圖 圖 7 中規(guī)格橫梁截面圖
核心功能模塊是各類(lèi)機(jī)床的重點(diǎn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。其中溜板模塊是橫梁與銑削模塊、車(chē)削模塊、磨削模塊的連接樞紐。溜板模塊設(shè)計(jì)主要考慮與各種功能模塊的連接，要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。
銑削、車(chē)削、磨削、滾齒模塊要根據(jù)機(jī)床核心功能要求設(shè)計(jì)。例如復(fù)合機(jī)床中，以銑功能為主車(chē)功能為輔的，可以在鏜銑頭模塊上增加車(chē)削附件頭模塊，以擴(kuò)展車(chē)削功能。如果是車(chē)削為主銑削為輔，就是在車(chē)削頭增加銑削附件頭。此外近年來(lái)國(guó)際知名廠商開(kāi)發(fā)了適應(yīng)龍門(mén)車(chē)銑復(fù)合機(jī)床使用的滾齒加工模塊，通過(guò)銑頭模塊、轉(zhuǎn)臺(tái)模塊、滾齒模塊完成超大齒圈加工的功能模塊。在核心功能模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中要貫徹模塊化設(shè)計(jì)理念，例如在銑削模塊的主軸組件設(shè)計(jì)中，在達(dá)到相同載荷和轉(zhuǎn)速的軸承配列形式中，要優(yōu)先選擇能夠適應(yīng)同系列銑削模塊的配列形式。
3、模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用
模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用主要分為橫系列應(yīng)用、全系列應(yīng)用、全生命周期應(yīng)用。
?。?）模塊化設(shè)計(jì)橫系列應(yīng)用
橫系列模塊化設(shè)計(jì)是指在不改變機(jī)床主參數(shù)的條件下，利用模塊的變化和組合發(fā)展為變型機(jī)床。此方法應(yīng)用最為廣泛，它大都是在基型品種礎(chǔ)上用更換或添加模塊的方法形成很多變型品種。例如較為常見(jiàn)的小型臥式車(chē)銑復(fù)合機(jī)床就是典型應(yīng)用。
（2）模塊化設(shè)計(jì)全系列應(yīng)用
這種模塊化設(shè)計(jì)涉及的因素較多，較為復(fù)雜，主要應(yīng)用于功能模塊根據(jù)用戶要求組合成跨系列產(chǎn)品上。例如轉(zhuǎn)子槽銑床，主要由臥式主軸箱、尾座箱、落地鏜銑床基本模塊和專(zhuān)用附件銑頭模塊組成，滿足車(chē)、銑、磨加工需求，特別是轉(zhuǎn)子圣誕樹(shù)槽的加工，專(zhuān)用附件銑頭模塊可以提高加工精度和效率。
（3）模塊化設(shè)計(jì)在機(jī)床全生命周期內(nèi)應(yīng)用
模塊化設(shè)計(jì)在機(jī)床全生命周期內(nèi)的應(yīng)用主要是近年來(lái)機(jī)床綠色再制造理念的提出，機(jī)床全生命周期內(nèi)的再制造是節(jié)約資源，促進(jìn)生產(chǎn)的重要體現(xiàn)。再制造可以根據(jù)實(shí)際情況分為兩類(lèi)。第一類(lèi)為較大規(guī)模的機(jī)床再制造，是指通過(guò)更換機(jī)床主要功能模塊，使原有機(jī)床功能大大增加的再制造。例如整體更換溜板滑枕功能部件組、進(jìn)給系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵核心模塊。第二類(lèi)為一般規(guī)模機(jī)床再制造，此類(lèi)機(jī)床再制造主要包括 : 一、根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況，更換主軸電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給電動(dòng)機(jī)、液壓站等完善機(jī)床已有功能的機(jī)床再制造。二、針對(duì)機(jī)床實(shí)際使用過(guò)程中表現(xiàn)出的突出問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)并增加一些新功能的再制造，如給龍門(mén)鏜銑床橫梁進(jìn)給系統(tǒng)增加雙邊電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)、雙邊位置檢測(cè)、液壓站雙通道單獨(dú)過(guò)濾、冷卻等功能。
五、結(jié)語(yǔ)
本文以復(fù)合型數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品為研究對(duì)象，對(duì)產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的理論、方式與一般過(guò)程、實(shí)現(xiàn)的方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述，特別是模塊化設(shè)計(jì)方法在具體功能模塊中的設(shè)計(jì)應(yīng)用和注意要點(diǎn)，有助于企業(yè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的產(chǎn)品模塊化戰(zhàn)略，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求。
