外 文 翻 譯專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名 班 級 學 號 指 導 教 師 1外文資料名稱： 可重構機床機械模塊接口 外文資料出處： German Academic Society for Production Engineering (WGP) 2007 附 件： 1.外文資料翻譯譯文 2.外文原文 指導教師評語：簽名： 年 月 日2可重構機床機械模塊接口埃伯哈德阿伯爾勒.阿諾沃納尤爾根弗萊舍.簡維塞爾帕特里克馬丁.羅伯特克羅普爾XX 譯摘要：可重構制造系統(tǒng)（RMS）是工業(yè)公司為適應頻繁的生產要求做出變化，提出的符合成本效益的方法。RMS 是由組合機床構成，這種機床能提供添加，刪除，重新排列和部分單位變量以及整體替換等功能。這些機床的性能比如模塊工件的高質量，快速靈活反應，都由機械模塊接口的屬性而定。在本文中，主要對機械模塊接口性能參數的定義及其對機床的性能影響進行討論，對一個能夠快速靈活反應的接口的組裝方案進行了分析。最后，介紹對于那些工具接口的準確性能參數所需要技術測試。 關鍵詞：機床，重構，機械接口1 簡介近年來，市場不斷提高步伐，并以難以預料方式發(fā)生變化。在這種情況下，為了保持競爭力，工業(yè)企業(yè)必須獲得一種按照市場上的新產品的需求數量波動迅速和有效地作出反應的能力。因此，開發(fā)這樣一個有可擴展輸出和可調功能相結合的以最小時間籌備的高可用性和高生產力的制造系統(tǒng)[1] 很有必要性。而可重構制造系統(tǒng)（RMS）就是一種有希望來迎接這一挑戰(zhàn)的方式。模塊化系統(tǒng)實現了機床與各種不同的組件組合的整體功能。這些構建塊或模塊，被一對一的映射系統(tǒng)的子功能，使其本身保持類似的架構和功能[3，4]。各模塊間的相互作用被最小化，這樣可以避免它對其他模塊的變化影響到整個系統(tǒng)的正常工作埃伯哈德阿伯爾勒.阿諾沃納 . 德國, 達姆施塔特工業(yè)大學, 工業(yè)機器生產管理研究所.尤爾根弗萊舍.簡維塞爾. 德國, 卡斯魯厄大學, 生產科學研究院, 電子郵件：3wieser@wbk.uka.de.帕特里克馬丁.羅伯特克羅普爾 . 法國, 國立高等工程技術學院, 工業(yè)工程生產機制實驗室.[4]。隨著能夠添加，刪除，重新排列和部分單位變量以及整體替換等功能的面世，模塊化方法允許 RMS 來提供可調節(jié)的功能和能力。在何種程度上制造系統(tǒng)的可重構可以在快速整合模塊（可積性）、修改系統(tǒng)的功能（可兌換性）、適應系統(tǒng)的容量（可伸縮性）以及限制一個給定的零件組的靈活性（標準化性）等性能能方面被衡量。自定義有助于避免不必要的器件和功能，這使得 RMS 顯得很有經濟性[2，5] 。它可以隨時購買或租用新的 RMS 模塊，增加生產程序所需要的額外不同的功能，它沒有固定的模式[6]。同樣，RMS 可以很容易的用新的模塊進行升級，這使得制造商能夠跟上技術進步的步伐而無需更換整個生產系統(tǒng)。RMS 的結構層次架構可以的如圖 1 所示。可重構機床（RMT）連接成連續(xù)的或并行制造系統(tǒng)，每個 RMT 組成的模塊可以安排一個平臺，這代表著最高系統(tǒng)水平（圖 2）。模塊功能包括：機械加工操作（如銑床，鉆床，車削）和磨削加工的操作（如焊接，激光淬火，工具）和工件裝卸作業(yè)以及質量控制工作[6]。模塊可以進一步細分，如主軸系統(tǒng)或工具系統(tǒng)。在這一平臺上的模塊的安裝與執(zhí)行加工，即加工功能，可同時執(zhí)行，這使得初級加工處理時間大大縮短。4圖 1 一個 RMS 結構層次架例子 [5]圖 2 一個 RMT 的結構例子一個 RMT 的可模塊化性，快速可積性，可兌換性，可擴展性和標準化性取決于它的模塊接口的屬性。這些接口可分為機械接口和數據、能源和輔助材料的傳輸接口[2] 。機械接口是特別重要的，和傳輸接口不同，他們不僅決定哪些模塊被方便迅速連接，而且也影響整個系統(tǒng)的運行模式中的表現。這是由于他們的能力精確地和傳播力及力矩的因素對應。5這是正是本文所討論的 RMT 的性能不同層面的機械接口影響的目的。第 2 部分介紹機械 RMT 的接口性能參數的定義及其對整體系統(tǒng)性能的影響。第 3 部分以圓柱型快速耦合接口為例分析模塊組裝方式。最后，在第 4 部分，介紹這些接口的性能評估測試工具。2 機械 RMT 的模塊接口的性能標準2.1 影響工件質量的參數RMT 模塊之間相互準確定位的機械接口的性能對工具與工件的定位誤差有影響。這個工具定位誤差由一個靜態(tài)組件 X 和動態(tài)組件 x（t ）組成。靜態(tài)組件對工件的尺寸偏差的產生影響，此為主要誤差，而動態(tài)組件影響工件的表面質量，這是次要誤差。2.2 主要參數誤差幾何定位的精度是第一個接口參數，即影響工件的首要誤差，它比較平均和分散[7] 。以幾何定位精度為代表的定位錯誤不取決于力的強度或熱度等外部因素，而取決于由組成參數誤差引起的夾緊力而造成的變形，因此，它不能準確地從零件公差推導。在一個正在運行的 RMT 系統(tǒng)中， 靜態(tài)載荷造成切削力，重力和機械接口變形引起的慣性力。因而，接口彈性特性是不能夠的單獨推測它對工件質量的影響。因為接口導致的壓力集中在接觸面附近的模塊，這進而導致應力集中的模塊變形。即使接口組件它本身剛度很大，模塊裝配仍然會比整體結構弱。因此，代表接口剛度性能參數的是接口殘余應力，這個殘余應力作用在模塊 di（圖 3 中的整體模塊）和dm（圖 3 中的裝配模塊）之間。圖 3 結構上的一個接口：接口造成的接口彈性和模塊彈性6因而，把 d 定義為彈性的變形率和負載，則有：參數 d 受到接口變形和模塊上的變形的兩方面影響。其中，模塊上的變形對 d 的影響取決于模塊的材料和形狀，因此對于 d 不能一概而論。在下一章中，我們將提出了一個可以解決一些特定類型的接口問題的方法。這個工具對工件的靜態(tài)定位精度進一步受到接口的熱性能的影響。首先，這個接口在一個給定的溫度變化下引起的膨脹系數是主要誤差參數。熱膨脹系數是一個相對的系數。一般情況下，熱膨脹只影響接觸表面的自由度（DOF），這使得我們可以很容易地利用它計算出材料的性質。然而，由于一般接口組件的表面比較平坦，在表面發(fā)生的熱膨脹的效果相比是微不足道的，但是模塊接口的熱膨脹會影響模塊的導電性 。2.3 次要參數誤差工件的次要誤差一般情況下是由機床的振動造成的。機床的振動程度取決于機床的有關剛度，質量分布和阻尼特性。其中，相對于組件質量，接口的剛度和阻尼特性對于整個系統(tǒng)運行有著的明顯影響，接口質量的影響幾乎可以忽略不計。機床必須有一個良好的阻尼特性，因為它增加了與周圍共振的的機床動態(tài)剛度，從而降低振動程度。以上討論的每個參數對整體的效果取決于機床的模塊使用哪種接口，因而不同參數的重要性并不能用一個固定的方法來進行評估。（圖 4）圖 4 接口參數在靜態(tài)和動態(tài)的工具定位誤差的作用2.4 模塊重構可以對接口參數特性進行描述在重構的過程中，模塊最重要的性能標準是的接口裝配時間（由離散度和平均值表示），裝配的緩沖能力，以及兼容性[7]。裝配時間的最小化是一般一個 RMT系統(tǒng)最關注的東西，這些取決于模塊的重構頻率，而重構頻率對于不同的模塊類型和應用程序是有非常大的懸殊。7圖 5 指出不同類型的模塊的置換時間是根據他的平均操作時間而定的。RMT 重構機床和一些必要技能能夠方便模塊的裝配。無論在公用或者專用的情況下，我們都必須有標準化接口來保證接口的兼容性。標準化它既是一個策略性的問題又是一個技術性問題。圖 5 模塊的置換時間取決于它的平均操作時間接口的工藝穩(wěn)定性必須能夠持續(xù)較長時間，因此，不同于其他科技產品，接口技術不會是一個永久性的創(chuàng)新主題[8, 9]。兼容性也需要在一定意義上的靈活性，一個接口應該能夠解決多樣性的模塊組裝方案。2.5 其他參數疲勞極限和接口最大負載量一般都很少被人關注，因為高的剛度要求決定了他的高強度。由于安全技術方面的要求，使得接口設計無法被省略，我們不能單單依靠外部力的作用來維持連接。接口在鎖定模式下是不會發(fā)生故障的，因此它只在裝配的工程中有工藝要求，例如該鎖定機制的靈敏度。接口對污垢的靈敏度就決定了它的維護需求，而同時要方便裝備的重新裝配，高消耗超出了他們限定的設計要求。2.6 討論下面表 1 總結了被認為是最重要的性能參數。得到參數的方式有三種。第一組參數需要運用特定的工具進行物理檢測，第二組參數的檢測則不需要特定的工具，第三組參數則需要在沒有物理作用下進行檢測。這些性能參數是確定組合機床正確8選擇接口的前提。因為兼容性方面的考慮，這個接口需要最大限額的考慮到整套可能用到的模塊因素，包括工件質量，置換時間，模塊成本以及最初投資成本等等。因此，它必須有很高的靈活性。表 1 主要接口性能的確定運用特定工具檢測 原位檢測 無物理作用下的檢測剛度精度阻尼導電性可重構時間裝配緩和可靠性保養(yǎng)必要技能兼容性所需工具檢測地點靈活性失敗補償設計便利性2.7 RMT 模塊組裝緊湊型快速耦合適配器的接口機械接口類型的范圍包括從簡單的螺栓組件到復雜的快速耦合解決方案。螺栓連接已經在文獻中廣泛討論（例如，定位精度和裝配精度[7]、剛度方面的考慮[8] 和阻尼性能的要求[10]）。螺栓連接的接口需要較長的裝配時間，而且經常必須在現場調整來達到足夠的定位精度。我們可以在快速變化托盤系統(tǒng)發(fā)現類似接口類型的實例。圖 6 說明了這些接口對于不同類型的模塊裝配的基本裝配原則的兩個例子。9圖 6 多元圓柱接口在 RMT 模塊組裝的應用由于其體積小，圓柱形接口組件有一個低的抗彎曲強度，它至少需要三個單元來保證模塊組裝有足夠的剛度。因此，每個接口都可以被看做沒受到任何彎曲與扭曲的一個整體，它控制著 3 個平移自由度但不控制轉動自由度?！埃?+i）個接口則表示它有 3*（3+i）-6 個自由度”這種觀點是不正確的，當然自由度也不能夠隨意的選擇，因為自由度的選擇會影響到裝配的剛度。因此，在接口部分安裝到模塊上之前，我們需要通過調節(jié)機制來把接口放置到正確的位置上以保證它在各個自由度方向上的運動都是確定的。圖 7 顯示了如果 3個接口被運用在裝配中，那么它的自由度就需要加以調整。相對于螺栓連接，接口只需要在它第一次調配之前加以調整。當調節(jié)精度很高的時候，自由度的確定是通過模塊和接口間不產生明顯的殘余應力來進行補償的。10圖 7 調整接口位置來進行接口自由度的確定圖 8 顯示的是專為 RMT 的模塊組裝設計的 SST- 60 接口。HSK A-63 刀柄接口導出的圓錐面使得接口的兩部分很容易就能夠對齊。接口的鎖定和釋放是通過一個空心的長柄機制來控制的，而這個機制可以用液壓或者螺桿來驅動。兩個接口各自用螺栓固定在一個模塊上，在模塊第一次使用之前要進行調整來保證固定的精確度。由于主要消耗發(fā)生在軸上，所以傳統(tǒng)的螺栓連接他的初始投資成本比較高。它對SST- 60 接口最大 18KN 的夾緊力構成了 12KM 的加緊力矩，而它的位置精度≦5μm 。圖 8 sst 型 圓柱快速耦合接口2.8 圓柱型 RMT 接口性能評價的測量工具我們需要測量接口的剛度來判斷圓柱適配器的接口是否能夠滿足 RMT 模塊和接口之間連接要求。2.9 剛度的測量正如上文第 3 部分所說在至少有 3 個接口的組件中，我們對于彎曲剛度和扭曲剛度忽略不計，我們只需要考慮 3 個平移自由度方向上的剛度。接口是對稱旋轉結構的，因而它所有的徑向剛度都完全相同，相關的剛度參數可以簡化為一個切向方向和一個正常方向。接口和裝配組建的彈性性能可以表示為如圖 9 所示。11圖 9 圓柱型 RMT 接口的彈性特性模型這個概念是根據一個剛性框架和兩個同類型的對稱布置的接口確定的（圖 10）。專用執(zhí)行件和通用元件的安裝在切向方向和正常方向是可以改變的。測量曲線載荷位移得到剛度，它的負荷是由氣動裝置產生的，我們常采用隔膜來避免粘滑對它的影響，并通過一個特殊的環(huán)狀組件把剪切力均勻分布在接口的周邊，同時我們還要避免滑動表面的摩擦對測量的干擾。圖 10 剛度測量裝置的測量原理我們設計了一個測量彈性特性的物理測量裝置（圖 11）。接口造成了系統(tǒng)整體剛度的下降，而下降的幅度取決于模塊的幾何形狀和他的材料，同時我們也要把模塊的彈性性能考慮進去。測量模塊和接口的組合彈性特性是不切合實際的，因為這個時間必須重復組合的每一種可能性。因此，我們提出一種方案，通用對有限個模塊接口的彈性特性的一次性測量推測出組合件整體的彈性特性。（圖 12）121 支架式傳感器 5 拉桿2 支架式遠程感測器 6 με EU05 型遠程感測器 分辨率＜0.05μm3 電壓表 7 HBM C9B 型負荷傳感器 額定負荷 101KN4 氣動開關 8 遠程傳感器支架圖 11 剛性特性測量裝置的技術實現圖 12 有限元分析法測量模塊接口剛度的原理首先，切向和正常方向上的彈性參數ds和dn是通過測量負荷位移的比例獲得的。ds = Xs / Fs and dn = Xn / Fn這兩個參數可以整合為虛擬彈簧模塊的有限元模型，虛擬彈簧被連接在真實接口和模塊的接觸面上，我們把他它定義為剛性。事實上，接觸表面的變形時可以顯現出來，從而剛性的設想是不準確的。一方面，這會將限制了上述方法的精度，另一方面，接觸變形也使得測量接口剛度測試設置變得很復雜，因為沒有表示測量整個構件負載變形的參照點。13我們建議測量接口變形時不要直接測量接觸面而是測量接口被連接部分的兩個邊緣點（圖 13）。在接下來的步驟中，這些連接部件有限元分析是為了獲得在一個剛性接觸面上兩個相同的表面狀況的點的彈性特性。從而我們得知我們可以用圖 12所示的方法對接口彈性參數 d 進行預測。圖 13 由組合剛度測量和有限元分析組成的測試設置2.10 測試結果按照上述圖 8 所示的方法我們對 SST-60 接口進行了測試，測量了位移值，模擬計算了切向和正常方向的負荷及力的變化范圍為 1-10KN 時的接口彈性（圖 14）。并在該方法的基礎上，我們進行了接口彈性參數 d 的計算（圖 15）。圖 14 按照圖 13 中描述的方法測量，有限元分析與計算位移值14圖 15 SST- 60 接口在切向和正常方向上的彈性參數3 總結和結論本文提供了機械 RMT 接口解決方案的性能評價基本要素。首先，對性能參數進行了討論和分類。然后，用具體的 RMT 快速耦合接口為例，通過其中一些需要物理測試對這些參數的確定方法進行證明。模塊上接口的剛度被確定為剛度參數分配的主要因素。模擬測量模塊的變形和接口剛度組合法被作為一種可能的解決方案而提出來。隨后該方法應用于新開發(fā)的接口概念。致謝這是一個的“METEOR”的研究和開發(fā)項目的研究成果，它是由德國聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）贊助的，并作為“研究未來的生產 ”框架概念的一部分，由卡爾斯魯厄研究中心 BMBF 生產和制造技術項目執(zhí)行組織（ PFT- PTKA）進行監(jiān)督。參考文獻1. 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