新一代机床 ) 可重构机床*许 虹 唐任仲 程耀东浙江大学 生产工程研究所, 浙江 杭州 310027众所周知, 机床作为一个国家制造工业的基础设施, 是企业实施先进制造模式和技术的基础。目前, 制造业广泛使用的机床可以归为两大类: 流水线机床( 如组合机床/ 生产线) 和数控机床。流水线机床是大批量 生产模式的特色, 它几乎不具备或只具备有限的柔性。与此相反, 数控机床却拥有了适应多品种生产的柔性,但是价格极其昂贵、 速度低, 不适合高速生产。由于全球化的激烈竞争和适应市场快速变化的需求, 制造业为了缩短产品上市时间和以较低成本适应新的和不可预测的变化, 大批量客户化生产模式( MC, Mass Cus - tomization) ) 即以大批量生产效率、 成本和质量, 在一个零部件族中小批量、 多品种生产客户化产品, 提高客户满意度和开拓新市场的大批量客户化生产模式已经成为必然趋势。这种生产模式要求制造系统应具有可扩展性和可转换性, 但是目前制造业拥有的基础设 施( 如: 机床、 控制、 通讯等) 都无力创建这样强健的制造系统。为了解决新的需求问题, 机床制造厂家正在努力增加传统流水线机床的柔性和开发高速数控机床。与此同时, 一种新型机床概念 ) 可重构机床也应运而生。可重构机床是目前唯一能胜任大批量客户化生产模式的机床, 因为它是为一族零部件而设计的, 它的模块化、 可重构软/ 硬件技术能够满足: ( 1) 在一族零部件中, 不同零部件、 中/ 小批量混流生产对生产能力调节的需要; ( 2) 在一族零部件中生产新的零部件对功能调节的需要。可重构机床追求的目标是最大化利用机床资源和以较低的转换成本适应市场需求的变化。本文在阐述可重构机床内涵和特性的基础上, 剖 析了其与现有机床的主要区别。最后探讨了可重构机床研究中几个关键问题。1 可重构机床可重构机床概念的诞生主要是为了适应多品种、中/ 小批量混流生产和产品设计变化和工艺技术快速更新的需要。可重构机床技术的提出源于模块化机床 和开放式体系结构控制器两种关键技术的日臻成熟。可重构机床的创建能够有效地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。1. 1 可重构机床的内涵p可重构机床综合了流水线机床和数控机床的优点,它每次提供给客户确定的、 满足其当前需要的功能和生产能力, 同时当客户的需求发生变化, 可快速改变机 床的硬件和软件结构, 以较低的成本在一个零件族内快速调节/ 升级生产能力和功能性;p可重构机床由可重构的硬/ 软件组成。可重构的硬件通过模块化机床实现; 可重构的软件通过模块化、 开放式体系结构控制器实现。可重构的硬/ 软件对可重构机床来说是必要的, 但还不够充分, 可重构机床的关 键是如何快速地、 有效地重用这些模块和模块化、 可重构硬/ 软件的集成技术;p可重构机床必须是在设计开始就考虑可重构性, 而且必须由基本的硬/ 软件模块创建, 能够通过所设计的接口快速集成; p可重构机床是开放的、 模块化结构。为达到此目的, 模块和接口必须以良好的定义方式说明, 只有这样 才能够通过集成新技术, 使可重构机床持续地改进升级, 而不是每次从头开始或简单的替代。1. 2 可重构机床的特性根据上述对可重构机床内涵的分析, 可重构机床 应具备下列基本特性:p模块性。可重构机床的模块性是通过硬/ 软件的模块化结构达到的。可重构机床的模块化结构使得在现有的机床配置中添加/ 取消功能成为可能。模块化结构同时也提高了机床的可维护性。 p可转换性。可重构机床的一些模块有改变其功能和拓扑结构的能力。使用这样的模块, 可重构机床的 功能可以不用更换模块而改变。p可集成性。可重构机床的模块( 机械/ 控制) 都有良好的接口设计, 可根据客户需要即插即用。集成后的性能根据模块的性能和软/ 硬件模块的接口预测。p客户化性。包括客户化柔性和客户化控制两方面含义。客户化柔性是指机床围绕某一族零部件设计,只需对特殊的零部件提供柔性, 因此降低了成本。客 户化控制是指在开放式体系技术的辅助下集成控制模12002年第2期 *基金项目: 浙江省自然科学基金资助项目( No. 598042)块实现, 提供所需的控制功能需求。2 可重构机床与现有机床的主要区别目前可重构机床还不存在, 但是它将成为制造业 的一个里程碑。因为, 与现有机床截然不同, 它在软/硬件上具有了开放式、 模块化结构且模块性达到设备最底层, 这使得升级和集成新模块、 新功能和诊断、 维护非常容易。 2. 1 可重构机床与组合机床及其自动线的主要区别传统的组合机床和组合机床自动线是一种专用高效自动化技术装备, 目前仍是大批量生产( 如汽车、 内燃机和压缩机等) 工业实现高效、 高质量和经济性生产 的关键装备。组合机床是一种典型的客户化和模块化机床。但它的客户化是针对某一种零件或某一组零件的特定工艺要求而单机一次性设计、 制造; 模块化是指 机床由通用化、 标准化、 系列化的通用部件和少量专用部件组合而成, 且在客户购买时就已组合好。这种组合性, 由于其通用部件在设计开始时没有充分考虑拆分后的模块间接口性问题, 因此很难保证在机床寿命 期内模块的重复使用, 在实际中组合机床基本上成了加工特定工艺的专用机床; 组合机床的设计是为了确保客户所需的生产率和质量, 当企业产品更新换代时, 组合机床的大部分不能适应新产品的加工要求, 利用可用的部分重新改造机床及调试时间的成本极其昂贵, 这对于小企业来说是很难负担的, 对于大企业来说所造成的损失还不如重新购买。如果企业产品品种固 定, 组合机床对于客户来说成本是最经济合理的。近年来, 随着产品个性化需求和产品市场寿命期的日益缩短( 如汽车工业) , 这使组合机床制造业面临 着多品种生产的挑战, 厂家正竟先对传统的以加工单一品种的刚性组合机床和自动线提高柔性。组合机床和自动线的柔性化主要是通过采用数控加工模块来实现的, 具体措施就是机床进给系统采用数控滑台, 机床 运动系统采用自动/ 手动更换主轴箱和自动换刀( 也称多轴加工中心) , 通过应用和改变数控程序来实现柔性化以适应变型品种的加工。这种柔性化组合机床的硬/软件都是固定的, 柔性的实现, 在硬件方面只是简单 的替换功能模块( 主轴箱、 刀具) ; 在软件方面, 零件的加工程序只能在数控机床上变化, 但不能改变软件的结构或控制算法, 客户不能按自己的要求升级系统。 与之相比较, 可重构机床与组合机床的主要区别是: 首先, 可重构机床是为了全时段响应某一族零部件变化的需求, 在设计的开始便考虑了机床的可重构性,它在继承组合机床的模块化结构同时, 更加强调机床硬/ 软件的可重构性和机床模块间的接口设计。其次, 可重构机床设计的关键不在于其能够加工对少变型品种, 而是其自身功能结构能够改变或升级。可重构机床对客户来说是开放的, 硬件方面可以增删功能模块、 集成新功能模块; 软件系统结构或控制算法可更改, 这样可重构机床能够不断改进和升级, 而不像组合机床和自动线那样简单的替代。第三, 可重构机床是为了客户当前生产需求定制的, 但是可以在特定的范围内 经济地转换满足新的生产需求。因此, 可重构机床最大化地利用了机床资源, 无论产品设计或加工工艺有无变化, 它的成本都是最合理的。2. 2 可重构机床与加工中心的主要区别 勿庸置疑, 数控机床的出现为制造业带来了历史性的变革。加工中心作为数控机床的杰出代表, 是小批量、 多品种柔性制造的主要设备。它是一种具有自 动换刀装置的数控机床, 能实现工件一次装夹下进行多工序的加工; 它是一种柔性化设备, 对于多品种的加工, 只要更换刀具/ 夹具和数控程序就可实现。目前,加工中心和由加工中心组成的柔性生产线渐渐取代了 组合机床和组合机床自动线。但是, 由于加工中心不是为特定零部件族设计, 所以机床的一些功能对于大多数客户来说, 暂时或在机床寿命期内用不上。而加 工中心的核心装置) ) 控制系统, 由于产品市场垄断所致目前都是封闭式的, 用户不能对系统功能进行维护、 修改、 增删, 造成功能的大量浪费; 同时加工中心的软/ 硬件也是固定的, 升级、 更新的成本巨大。这就造 成一方面功能闲置, 另一方面新技术无法集成的尴尬局面。如果加工中心在使用寿命期内, 由于产品品种的变化, 用户可以利用加工中心的所有功能, 则其成本 是合理的; 否则, 对于用户来说就是资金的浪费。近年来, 加工中心的发展速度很快, 出现了高速加工中心、 模块化加工中心等, 在一定程度上解决了成本与柔性、 效率与能力的问题。高速加工中心, 采用了大 量的高新技术, 控制系统比较复杂, 机床成本较高, 因此企业要冒较大的技术风险; 模块化加工中心, 不再像传统的加工中心, 都是完整的成品, 功能一次性提供给客户, 而是客户可根据自己的需要选择模块构筑柔性 单机加工中心或柔性系统。加工中心与可重构机床相比较, 主要区别是: 如前所述, 可重构机床是为某一族零部件设计, 只要未来产 品在所定义族中变化, 机床就可以转换, 满足加工要求。因而它提供了一种客户化和确切化解决加工操作不期需求问题的方法。相较加工中心的功能过多而言, 它的成本是合理的。而其与模块化加工中心又不2 组合机床与自动化加工技术图 1 加工工艺过程描述系统示意图同, 模块加工中心中的模块不是为了重新配置加工中 心而设计的, 它只是使得加工中心的功能分解, 但是不具备重构性。而可重构机床的模块设计从一开始就是为了重构而设计。同时可重构机床与高速加工中心不 同, 可重构机床的速度、 能力是可以根据客户要求调节的, 因而对于客户来说成本是合理的。2. 3 可重构机床与模块化机床的主要区别机床是一种很个性化的产品。为了响应客户个性 化需求和缩短交货期, 目前, 模块化机床正在许多欧洲和一些日本、 美国公司中兴起。模块化设计是在综合分析用户需求的基础上, 用较少的模块组配成尽可能多的不同机床品种, 提高机床产品的适应性和多变性。 模块化机床强调的是机床模块的互换性, 即在功能分析的基础上将一定范围内机床上同一功能的单元, 设计成可有不同用途或性能, 在一定范围内可互换选用 的模块, 这些模块具有同一或相似功能和结合要素( 接口) 。机床模块化设计有利于机床厂家缩短设计和制造周期; 有利于机床产品标准化; 有利于提高机床产品质量和可靠性; 维修服务方便; 有利于降低成本; 互换 柔性; 有利于实现各种敏捷生产模式; 有利于机床产品升级和回用, 相对延长机床产品的生命周期。可以说,正是因为模块化机床技术才奠定了可重构机床概念的 基础。但是, 可重构机床的概念扩展并超越了模块化机床的概念, 在于可重构机床的特性奠定了它是目前唯一允许大批量客户化生产模式的设备, 易于集成新的工艺技术, 转换成本较低, 并能提供高速生产能力。 如上所述的组合机床、 模块化加工中心都是模块化机床, 虽然它们也具有模块化结构, 但它们都不是为某一特定族零部件设计, 每个独立的机床模块也不是为了 不同的加工应用设计, 这种设计方法使得机床生产厂家在利用标准化的机床模块库方面获得益处, 缩短了机床的上市时间而不是每次重新设计, 而对于机床购买厂家来说, 当产品设计或工艺技术发生变化时, 机床 不具备可重构性。3 可重构机床研究中的几个关键问题目前可重构机床研究尚处于开始阶段, 所见文献 中关于这方面的研究, 在国外主要有美国 NSF 资助的美国密西根大学的可重构制造系统工程研究中心和新加坡南洋理工大学、 在国内有国家自然科学基金资助 的清华大学机械工程学院、 北京机床研究所和南京航天航空学院。就目前可重构机床的研究现状来看, 研究学者们都有各自的侧重点, 但离真正的可重构机床还相差甚远, 这是因为一些相关关键技术尚不成熟, 如模块化