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第一章 绪论

1.1课题背景及意义

何为智能制造？对制造过程预先进行推理，构思判断的一系列活动称为智能制造。扩大人机合作，逐渐取代人类专家在制造过程中的脑力活动，这要求制造系统具备三个特征：集成化，智能化以及柔性化。作为智能制造的关键装备之一的数控机床，它的可重构，柔性和智能化是可重构智能制造，可重构产业线的基本。因此，开发可重构数控机床对于发展智能制造显得格外重要。

1.2可重构机床的概念

可重构机床它同时拥有组合机床和数控机床以及专用机床的优缺点，它具有以下特征：1，可重构机床它由一些基本的根据功能需求配备的模块组合而成，其结构和布局可以根据产品的变化，当下的具体要求不断重组且它的模块结构是标准化的，主要体现在控制系统软件硬件上。可重构机床的功能随需要可以改变因此它非常的灵活，可以适应丰富多样的现代制造格局但其基本功能并不冗余。此外可重构机床与制造系统的接口亦是标准的，这有利于整个系统的重组，也使得我刚才所说的灵活性成为可能。

可重构机床主要具有以下优点：高柔性，这使得产品的迭代时间大幅度缩短了。高效率，可重构机床在满足其使用要求的情况下极大地简化了其结构和功能，模块化结构也使得它能够被大批量生产，这亦使得他的专业化程度在一定程度上得到了极大地加强，以此带来的蝴蝶效应使得机床产品的成本价格得到了一定程度上的降低。可重构机床本身也受益于此，能够被方便的维修，因为只需对症下药，把坏掉的模块更换掉。机床各部分的可重复使用也提高了其环保性，更符合当代生产发展的需求。计算机的联网功能也相应的被添加进来，可重构机床更加便利。

与组合机床不同，可重构机床能够适应各种加工环境，各种加工对象。它使用最新的数控系统并且还能在线革新，这大大提高了可重构机床的自动调整能力。可重构机床几乎提供所有主流的功能，因此它广泛适用于各种加工对象。尽管如此，可重构机床在工作状态下也绝不冗沉，因为在重组过程中，你可以只选择必要的模块，这样的组装方式有利于机床保持高效率的工作状态同时使用上也更为方便。结构更为简单，同时又不失可靠性能，极尽其简约美。综上，可重构机床与传统的组合机床是不同的两个概念，有关可重构机床的研究是不可或缺的。

可重构机床的结构模块化使得其结构被极大地简化了，在组装完成后又使得它的工作极为专一化，想要增添新的功能需要增加新的模块。这样的设计方法摒弃了传统数控机床的大量功能冗余，系统复杂的缺点，其丰富的拓展性要求我们在设计可重构机床时要合理的划分其功能模块，让其具备机床的必须功能即可，简化其结构，提高其精度。控制系统和软件上，也要采用之前的设计思想：模块化。每次重组时只配备必要的模块，大大提高了可重构机床的可靠性与工作效率。

可重构机床的使用厂家能以低成本适应多状况的生产环境，精准的提供当前所需的生产能力。通过增删新的功能模块，能够快速更新升级，快速集成新的生产能力。开放式的生产解决了当下机床功能闲置的问题，提高了机床的利用效率，这种柔性体现在机床使用率和适用范围上。

与传统机械生产模式相比，可重新配置的机床是适应大中型生产的最具成本效益的机器。低成本，高质量，快速响应使得机床使用厂家极大地缩短了设计和制造周期，标准化的机床接口模块又提高了可重构机床的通用性。模块化的设计方便了维修，降低了成本。产品的升级也变得容易起来，大大提高了机床的生产周期。可重构技术模块化的理念使得数控机床成为了允许大批量客户化的生产设备，生产力得到了极大地提升。

1.3可重构制造系统发展概述

可重构机床起源于上世纪九十年代，在美国率先出现了与可重构有关的研究工作。九六年美国某大学的研究中心在国家基金的赞助下开始可重构的相关工作，次年，可重构的概念被Y教授提出，人们在此刻意识到可重构的重要性。此后，美国德国日本等工业大国组织了可重构机床的相关研究，不久后可重构技术就被列为改变工业的十大关键技术之一了。其实用性和可持续发展性得到了世界人民的关注。

1.4可重构机床的研究现状

可重构机床在国外（欧洲，日本，北美的发达国家）早已兴起。可重构机床的模块具有相同的接口方便他们之间的更换，每个模块又被设计为不同的功能。基于分析用户需求，以最少的的模块组成最多的机床样式，提高机床的多样性和适应市场的能力称为模块化设计。可重新配置的机床不能代替传统的机床，但它们能够高效地运行和运行。

国内大学也正在进行积极的开展可重构的相关研究。早在上世纪九十年代北京大学教授就基于经济分析探索了可重构制造的布局原则和方法，其科学原理，理论和方法也一一被涵盖出来，根据中国制造的现状，形成了中国有特色快速构造制造系统现如今，南京航空航天大学和国际管道管理学院及其合作伙伴开发并实施了重新设计的EDM机床，并创建了一个数字技术平台。，用于研究可重置的电解机，机器部件，控制系统和通信系统。

1.5可重构机床未来发展展望

可重构制造技术被定义为最有影响力的关键技术之一，虽然国外学者付出了大量的精力和时间对其研究，但就算是现在也仍旧存在很多缺点。现如今可重构技术虽然取得了一定的进展，但在可重构性上还有很长的路要早，完完全全的可重构技术能使机床之间互通有无，一台机器只要有足够的模块能完全变成另一台设备。模块化既是可重构技术的卖点也是可重构的难点。提高模块装备的速度和提高模块的通用化之间依然很难找到一个平衡点，对于可重构技术的探讨仍然具有重要的意义。随着可重构机床的推广和使用，伴随着模块化划分问题的解决，模块的标准化，制造系统也将得到了质的飞跃，可重构将大大增加系统的柔性度，同时也更为经济。

第二章 滚齿机可重构分析

2.1可重构机床及滚齿机的基本概念

图一 数控滚齿机简图

当前滚齿机的主要结构如上图所示，主要由床身，伺服进给系统，工作台，立柱，刀架等构成。顾名思义，用来加工滚齿。但是面对复杂项目时，需要滚齿机的同时也需要铣床，镗床，加工中心，因为这时滚齿机的功能就远远不够了，厂家往往需要购买镗床铣床等一系列车床，着极大地增加了生产厂家的负担，也会直接提高产品的生产成本，那么让滚齿机具有部分以上车床的功能不就好了吗？这就要求我们的车床、铣床、镗床、加工中心、滚齿机能够相互间进行模块化重构。可重构滚齿机在重构的过程中具有镗铣等功能，也可以说镗床拥有其他数控机床的部分功能，总的归纳为可重构机床，理想的可重构机床拥有全部机床的功能并将它们收纳在模块中，届时，将不分卧式立式等车床了。可重构加工正在努力朝此方向发展，当前可重构滚齿机也是在完备具有滚齿机功能的情况下增添模块化设计，增添模块以具有其他车床的部分功能的。

2.2齿轮的加工原理和方法

齿轮是机械传动必不可少的重要组成部分，生活领域各个方面无不依靠齿轮传动，现阶段，汽车等进入平民百姓家庭的生活中，我们对齿轮的需求和要求也在不断增加。齿轮质量的好坏直接影响这我们的生活。

齿轮好很多的加工方法，但大体上可以归纳为这两类：有切削加工和无切削加工，无切削加工的典型：铸造，冲压，轧制等都属于典型的切削加工方式。无削加工是当前最常用的齿轮加工方法，它具有生产率高，切削精度高，所需材料少的优点，但是其精度不高，且受很多误差的影响例如刀具误差，安装精度误差等等。有切削加工方法使用较少，不是当前的主流，在这里不做详细介绍。

根据加工方式，齿轮加工分为两类：范成法和成形法。

图二 范成法加工齿轮

范成法:范成法是利用一对齿轮互相啮合时，共轭齿廓互为包络线的原理来加工的，加工时其中一轮为刀具，另一轮为轮坯，由机床的传动链迫使它们保持固定的角速比旋转，完全和一对真正的齿轮互相啮合传动一样，同时刀具还沿轮坯的轴向作切削运动，这样所得齿轮的齿廓就是刀具刀刃在各个位置的包络线。用范成法加工齿轮时，刀具与工件模拟一对齿轮（或齿轮与齿条）作啮合运动（范成运动），在运动过程中，刀具齿形的运动轨迹逐步包络出工件的齿形。

图三 成形法加工齿轮

成形法：成形法利用与被加工齿轮齿槽截形相一致的刀具齿形，在齿坯上加工齿面。在铣床上用盘形或指形齿轮铣刀铣削齿轮，在刨床或插床上用成形刀具刨削或插削齿轮。加工时，刀具作快速的切削运动（旋转运动或直线运动），并沿齿槽作进给运动，就可切出齿槽。加工完一个齿槽后，工件分度转动一个齿距，再加工另一齿槽，直至切出全部齿槽。

2.3可重构机床及滚齿机的设计原则

1：可重构滚齿机应具有快速整合机床结构，具有尽量完善的功能模块和相应的控制系统。

2：机床的装配时间要被控制在合理的时间内，机床模块要能被简易的拆装。

3：可重构滚齿机应该具有开放式的软硬件系统以便在线升级

4：可重构滚齿机设计时要考虑到生产线不同工位的不同任务，因此应该配备有相应的零件组并且还不能改变其主体结构，否则影响装配效率。

2.4滚齿机的结构组成

滚齿机主要由以下四个部分组成：

1：机床部分，主要由机座床身主电机等组成机座由各类油箱组成，床身固定整个滚齿机的机架，主电动机起变速调节传动链条的作用。整个床身为箱体结构。

2：操作台部分：操控人员设定工件参数，进行监控和操作的地方

3：工作台部分：工件台由涡轮驱动，完成工件的回转运动和进给运动

4：大立柱部分：传动系统和液压系统所在的位置，完成刀具回转运动和进给运动

2.5运动分析

1)主运动：滚刀主轴的运动被称为主运动，在主运动中，滚刀主轴使滚刀和工件共同获得一定速度和方向的运动，实现范成运动，换置机构根据滚刀直径材料加工要求等调整齿线成型速度。

2）进给运动：滚刀刀架立柱移动实现轴向进给运动，进给运动较为简单，工件转动量与刀架位移量相等，调整轴向进给量的大小可以不同材料不同零件的的表面粗糙度加工需要。

3）范成运动：工件的旋转运动被称为范成运动，范成运动由滚刀旋转和工件转动共同形成。范成法经常被用来加工齿轮，刀具和轮胚之间的啮合运动是范成法加工齿轮的基本原理。

4)其他运动：切削运动，让刀运动（插刀的往复运动称为切削，防止刀具擦伤的微小运动称为让刀运动）.

在空间内，刚体有六个自由度，xyz三个方向的平移和绕xyz三个轴的旋转运动。 图四 滚齿机运动简图

要囊括这些方向的运动（六条运动信息）则需要四乘四的矩阵，如右图所示。

具体运动分析 图六 空间运动简图

在卡尔坐标系中时整个坐标系中共可以产生六种运动，分别是沿X、Y、Z轴3个坐标轴方向的直线进给运动，以及分别围绕着X、Y、Z轴3个坐标轴的旋转运动，在此分别用α、β、γ来表示这三种旋转运动。

如此一来我们就可以得到所有机床在以此坐标系为基准的六个机床运动的运动单元。而我们加工滚齿箱的所有机床的运动形式都可以用这六种运动单元组成。用矩阵形式可以将这六个单元分别表示为：

沿着X轴正方向的直线运动可以表示为：X=；

沿着Y轴正方向的直线运动可以表示为：Y=；

沿着Z轴正方向的直线运动可以表示为：Z=；

沿着X轴正方向的旋转运动可以表示为：α=；

沿着Y轴正方向的旋转运动可以表示为：β=；

沿着Z轴正方向的旋转运动可以表示为：γ=；

这六种最基础的运动单元组成了我们所需要的所有机床的运动模块，接下来我们结合各类机床加工工序所要求的运动模块来进行组合

2.6模块的划分

任何机械产品都可看作是由若干零件，按照一定顺序组合拼装而成的具有某些特定功能和用途的系统。这个系统具有一定的整体性，它具有很多的形态功能各异子系统自要素，但在结合成一个完整的机械产品后还能进行协作，具有零件不具有的功能。并且组成系统的各个要素之间有着密切的相关性，这有相关性表现在相互作用和相互制约上。我们可以自由的拆装由这样的零件构成的机械，因为它结构层次分明，这是最早的模块化特征。

模块化可以简要的概括为对一个具有全方位功能的机械产品进行分解，独立其每个功能，划进相应的功能组中，在本体不发生大结构上的变化同时，能最大限度的调用刚才所讲的各种功能组。

模块划分的原则

实用原则：精准的划分模块并且以模块化设计的特点就是以尽量少的模块组成尽量多的产品，

可扩充性原则：伴随着科技的发展，新工艺新材料的出现，模块的划分要留有一定的扩充空间以保证其使用效率。

通用性原则：主特征参数不明确的部件归类到通用件模块中。

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