可重构机床机械界面的设计探讨

摘要：可重构机床能够实现对新的市场需求进行快速而准确的响应，因此可重构机床是当前制造业中的一个实用的制造系统，在现实的生产实际中具有广泛的应用。因此，可重构机床机械界面的设计就显得尤为重要。可重构机床机械界面的设计主要是为了保证可重构机床在进行人机交互的过程中，能够快速、准确、和无歧义的完成人机的交互。

关键词：可重构；机床；机械界面；模块化设计

1、可重构机床

1.1 可重构机床

制造业广泛实用的三种机床是：专用机床、组合机床和数控机床等三种。依据某一具体工件的属性而设计制造用于加工该（类）工件的机床是专用机床。此种机床的特点是单一功能，设计和制造比较简单，其精度、生产效率以及自动化水平都非常的高。与此同时，它只能针对某一特定零件进行加工，一旦该类零件不再生产该机床也就基本宣告结束寿命。该类机床的设计制造周期长、成本高。因此，专用机床主要是早起进行早期的工件加工使用。为了缩短设计和制造周期，同时实现对于小批量多品种的适应，人们开始研究使用组合机床。组合机床不仅能够完成专用机床的所有任务，并且能够在短时间内利用已有机床的部件或功能模块实现机床的改造，从而柔性化的生产需求。组合机床使用了大量的通用零部件，在一定意义上说实现了重构也就是通用件重复使用来满足加工对象的变化。在此之后为了提高小批量生产的自动化水准，数控机床得到了广泛的应用。但是数控机床的陈本高、技术复杂等缺点。可重构机床具有适应性强、价格低廉的机床，集众多机床的优点于一体，同时有效的避免了它们的不足之处。

1.2 可重构机床的特征

可重机构床的机床是由一些基本模块（零部件）根据功能的需求有机的结合到一起而成的；机床的结构布局可以根据所需要生产产品的具体要求进行变化和重组；组合机床的各个模块如硬件、软件等都是已经建立起统一的标准；机床各个模块之间是具有统一风格的界面，各部分界面都是标准化的。可重构机床的功能是可以改变的，但是都是以产品族为基础。可重构机床可以极大限度的缩短产品改型换代所需要的时间，能够在满足零件的加工要求下，简化了机床的各部分功能和结构。可重构机床在提高产品加工质量的同时，极大地降低了生产企业的成本。可重构机床的维修性好，相应的模块出现问题只需维修或更换相应的模块就可以继续工作。

2、可重构机床机械界面设计

2.1 界面的模块化设计

模块化设计是由模块的划分、设计和综合；模块之间界面的通用化和标准化设计两个部分组成的。模块化设计理论虽然在上个世纪就已经提出来，但是实际的生产中确是一直没有应用开来。分析其主要原因在于人们常常将注意力关注到模块的划分、设计和组合方面对机械界面部分缺乏一定的研究。实际的使用中机械界面的设计好坏和标准化与否，都与模块化设计息息相关。对于可重构机床，由于重构频率极高，如果不能实现模块之间的快速高精度互换，可重构机床就没有任何实际意义。

可重构机床界面按照功能进行划分包括机械界面（动态界面和固定界面）；动力界面；数据界面等。本文主要针对可重构机床的机械界面进行设计探讨。可重构机床的机械界面主要分为两大类：界面之间有相对运动和界面之间没有相对运动。界面的研究主要包括以下内容：界面的结合精度、可靠性、稳定性和界面的标准化、模块更换的快速性。此外，可重构机床的界面与可重构制造系统其他部分界面之间的快速互换也是一个研究热点。

2.2 机械界面的设计

可重构机床系统中的机械界面强调快速可重构。机床系统由标准模块通过标准界面装配而成，并可以快速改装以满足不同的加工要求。所以，可重构机床系统中的机械界面设计应当包括机床本体、控制系统和软件系统等。

因为可重构机床系统的设计是根据加工任务的运动分析一机床模块库中模块匹配搜索一拟定可重构方案等步骤完成的，所以机床的主体、工作台、立柱、主轴头、换刀装置、夹紧单元等都应设计成具有标准界面的标准模块。同时，为了提高设备的效率及加工精度，还应考率机床所配置的各种检测装置的通用界面问题，如刀具磨损检测装置、机床精度检测装置、机床热变形检测装置等。

可重构机床的控制系统也必须按照开放式结构的原则来设计。所谓的开放式结构是指系统具有让应用程序在各供应商提供的各种软件平台上运行的能力。这就要求系统给应用软件提供中性的通用界面，而这些界面应当是通用化的标准件，以囊括控制系统所有特定的部件，如计算机板、各种插卡或通过控制网络连接的智能I/0节点。

可重构机床系统的控制软件需要运行在独立于特定的应用软件和方便地使用特定硬件的中性系统平台上，支持对应用软件开放功能的系统软件位于平台的顶层。应用软件需要在模块化和柔性化的方式下运行，它们不能直接用来作为机器及过程的控制平台，而需要设计一种特定的系统平台，这一软件模块能够很方便地载入不同的操作系统，并且能够支持实时操作特征。所以，该软件模块必须具有很高的可重构性，同时要求它的界面要有可重构性。