杜彥斌，吳國奧，賈亞超

(1.重慶工商大學(xué)a.制造裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計與控制重慶市重點實驗室,b.國家智能制造服務(wù)國際科技合作基地，重慶 400067；2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動國家重點實驗室，重慶 400030)

0 引 言

機(jī)床是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)電裝備，具有服役時間長、附加值高等特點，非常適合回收與再制造，是國家支持開展再制造與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重點領(lǐng)域。目前，上百萬臺的在役機(jī)床存在著自動化程度低、精度喪失及可靠性差等問題，急需實施再制造來滿足企業(yè)轉(zhuǎn)型、產(chǎn)品升級發(fā)展的需要[1]。但是，機(jī)床服役的工況復(fù)雜而且用戶需求具有定制化特點，機(jī)床再制造設(shè)計過程局限于技術(shù)人員的經(jīng)驗，缺乏科學(xué)的方法和工具，設(shè)計效率偏低，直接影響著再制造機(jī)床的質(zhì)量、成本、性能等。

機(jī)床再制造設(shè)計不同于傳統(tǒng)的新機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計，新機(jī)床產(chǎn)品的設(shè)計過程是一個正向設(shè)計過程，而機(jī)床再制造設(shè)計過程要考慮更多的已有機(jī)床結(jié)構(gòu)、特征的限制與約束[2]。國內(nèi)外已有部分文獻(xiàn)對該問題展開了研究：周帆等[3]對廢舊機(jī)床再制造設(shè)計過程中的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并運(yùn)用可拓理論，提出了一種基于物元理論與可拓原則的廢舊機(jī)床再制造設(shè)計方法；Liu Y等[4]分析了模塊化設(shè)計與機(jī)床拆解及再制造之間的關(guān)系，提出了一種面向再制造的機(jī)床模塊化設(shè)計方法；姜興宇等[5]分析了機(jī)床再制造的客戶需求與設(shè)計參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)性，并運(yùn)用改進(jìn)模糊非線性回歸法，提出了一種面向客戶滿意度的廢舊機(jī)床再制造設(shè)計參數(shù)規(guī)劃方法；程宏等[6]針對廢舊機(jī)床再制造評價指標(biāo)難以協(xié)調(diào)優(yōu)化的缺點，提出了一種基于矢量分析的廢舊機(jī)床再制造方案評價模型。作者所在團(tuán)隊對機(jī)床再制造設(shè)計方法及支持工具展開了深入研究，提出了基于公理化設(shè)計的產(chǎn)品再設(shè)計方法，設(shè)計并開發(fā)了一套機(jī)床再制造綜合測試與評價支持系統(tǒng)[7]。

綜上所述，機(jī)床再制造設(shè)計過程需要考慮的因素眾多，相關(guān)理論研究、方法應(yīng)用以及支持軟件還不夠完善。現(xiàn)將針對機(jī)床再制造設(shè)計的特點，借鑒公理化設(shè)計中多域映射的理論，實現(xiàn)機(jī)床再制造設(shè)計過程的軟件化，實現(xiàn)設(shè)計過程的記錄與管理。

1 設(shè)計過程

機(jī)床再制造設(shè)計不是傳統(tǒng)的正向設(shè)計過程，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件材料、工藝方案選擇等設(shè)計決策方面，設(shè)計參數(shù)不能任意變化，要受到老舊機(jī)床原有結(jié)構(gòu)的限制，需要實現(xiàn)新技術(shù)與老舊機(jī)床本體之間的匹配。機(jī)床再制造設(shè)計有如下特點：

(1)不確定性。老舊機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征、服役工況、性能狀態(tài)、質(zhì)量信息等具有不確定性，而且部分信息無法獲取，再制造系統(tǒng)的輸入具有“黑盒子”特征，這導(dǎo)致機(jī)床再制造設(shè)計過程受到多重不確定性因素的約束，結(jié)果也具有不確定性。

(2)個性化。用戶的需求是多元化、個性化的，而每臺老舊機(jī)床本身也具有個性化，這使得機(jī)床再制造設(shè)計過程屬于典型的個性化再設(shè)計過程，要針對某個客戶的某臺機(jī)床形成定制化、個性化的再制造設(shè)計方案。

(3)多目標(biāo)性。機(jī)床再制造設(shè)計不僅要考慮再制造機(jī)床滿足用戶的性能要求(包括工作精度、智能化程度等)、成本要求(一般要求再制造成本低于同等水平新機(jī)床的1/2)，而且要考慮再制造企業(yè)實施的可行性、經(jīng)濟(jì)性以及資源循環(huán)利用等社會效益。

結(jié)合機(jī)床再制造設(shè)計的過程及特點，引入多域映射的概念及理論，將機(jī)床再制造設(shè)計的過程劃分為3個映射階段。用戶域到功能域是將用戶需求轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)床再制造設(shè)計的功能需求；功能域到物理域是將再制造機(jī)床的功能特性轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)特征及設(shè)計參數(shù)；物理域到過程域是將機(jī)床再制造整體設(shè)計方案轉(zhuǎn)變?yōu)楣に噷嵤┓桨?，形成滿足用戶需求的再制造機(jī)床(圖1)。

圖1 基于多域映射的機(jī)床再制造設(shè)計過程框圖

2 軟件開發(fā)

2.1 系統(tǒng)的工作流程

結(jié)合基于多域映射的機(jī)床再制造設(shè)計過程框圖，并基于C#語言及SQL數(shù)據(jù)庫，開發(fā)“基于公理化設(shè)計的機(jī)床再制造設(shè)計支持軟件”，用以規(guī)范機(jī)床再制造設(shè)計過程，支持設(shè)計過程的記錄與管理。該系統(tǒng)主要工作流程如圖2所示，主要包括：

圖2 系統(tǒng)流程

(1)設(shè)計人員進(jìn)入系統(tǒng)，完成再制造項目的建立、設(shè)置；

(2)針對該項目所涉及的機(jī)床信息進(jìn)行錄入，包括機(jī)床的基本信息以及使用信息等；

(3)確定用戶需求分析，包括加工需求及綜合需求等；

(4)基于用戶需求信息，確定再制造機(jī)床的功能特性；

(5)確定再制造機(jī)床產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)等；

(6)確定機(jī)床再制造工藝；

(7)最終形成隨機(jī)文件文檔，包括項目信息、機(jī)床信息、用戶需求、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計等內(nèi)容。

2.2 系統(tǒng)的功能模塊

系統(tǒng)主要包括機(jī)床信息、用戶需求、功能規(guī)劃、結(jié)構(gòu)設(shè)計、再制造工藝設(shè)計5個模塊。

2.2.1 機(jī)床信息模塊

機(jī)床信息模塊主要反映機(jī)床再制造項目的相關(guān)信息以及再制造機(jī)床的基本信息與使用情況，如圖3所示。其中：項目信息包括項目編號(為數(shù)據(jù)庫主鍵)、簽訂日期等；基本信息包括機(jī)床類別、機(jī)床型號、機(jī)床廠家、出廠日期、規(guī)格等；使用狀況信息包括使用單位、使用工況、故障/維修信息等。

圖3 機(jī)床信息模塊

2.2.2 用戶需求模塊

用戶需求模塊主要確定再制造客戶的需求信息，包括加工需求以及綜合需求兩個方面，如圖4所示。其中：加工需求包括工藝范圍、加工精度、自動化程度、可靠性、加工效率方面的需求；綜合需求包括使用壽命、操作方便性、綠色環(huán)保性、再制造價格、個性化需求等方面的需求。

圖4 用戶需求模塊

2.2.3 功能規(guī)劃模塊

功能規(guī)劃模塊主要用于確定再制造機(jī)床產(chǎn)品的功能，主要從機(jī)床功能、綜合功能兩個方面進(jìn)行分析，如圖5所示。其中機(jī)床功能主要包括主軸變速方式、數(shù)控系統(tǒng)、冷卻潤滑方式、刀具功能、工裝夾具功能、排屑功能等；綜合功能主要包括安全防護(hù)功能、油霧分離功能、信息化功能、智能化功能及其他功能。

圖5 機(jī)床再制造功能規(guī)劃模塊

2.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊

結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊主要用于支持再制造機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括裝置設(shè)計以及參數(shù)設(shè)計兩個環(huán)節(jié)，如圖6所示。其中：裝置設(shè)計包括主要規(guī)格尺寸、基礎(chǔ)件構(gòu)成、上下料裝置、信息化裝置、油霧分離裝置、排屑裝置、智能化裝置以及其他結(jié)構(gòu)裝置；參數(shù)設(shè)計包括主傳動系統(tǒng)參數(shù)、進(jìn)給系統(tǒng)參數(shù)、刀具系統(tǒng)參數(shù)、電氣系統(tǒng)參數(shù)、冷卻系統(tǒng)參數(shù)、外形尺寸、質(zhì)量等參數(shù)的確定。

圖6 結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊

2.2.5 再制造工藝設(shè)計

再制造工藝設(shè)計模塊主要是形成機(jī)床再制造的工藝，包括零部件再制造工藝及綜合提升方案設(shè)計兩個方面，如圖7所示。其中：再制造工藝設(shè)計包括拆解方案、檢測與分析方案、機(jī)械結(jié)構(gòu)再制造方案、電氣控制再制造方案等；綜合提升方案包括機(jī)床綠色化提升方案、機(jī)床節(jié)能性提升方案、機(jī)床信息化提升方案、機(jī)床智能化提升方案等。

圖7 再制造工藝設(shè)計模塊

3 案例分析與應(yīng)用

某裝備制造企業(yè)的關(guān)主設(shè)備C5280型雙柱立式車床由于服役時間長，已不能滿足零部件加工的需要，需要實施再制造，圖8所示為機(jī)床信息。該機(jī)床可用于內(nèi)外柱面、圓錐面、端面、切槽等粗、精加工，主要由工作臺組件(工作臺、工作臺底座等)、主變速箱、立柱、橫梁、左右垂直刀架、液壓系統(tǒng)、電氣及數(shù)控系統(tǒng)等組成。該企業(yè)要求恢復(fù)該機(jī)床的功能及性能，恢復(fù)各零部件精度及其配合精度，對水平方向、垂直方向的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計，并實現(xiàn)機(jī)床整機(jī)性能提升。針對用戶需求開展該機(jī)床的功能規(guī)劃及結(jié)構(gòu)再設(shè)計，制定了C5280雙柱立式車床再制造設(shè)計方案，軟件界面如圖9所示。

圖8 機(jī)床信息界面圖

圖9 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計界面圖

(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。該機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)部分經(jīng)過拆解、清洗、檢測與分析之后，更換易損件及部分磨損嚴(yán)重零部件，并主要對橫梁、右垂直刀架、左垂直刀架等部件以及液壓潤滑系統(tǒng)實施修復(fù)與再設(shè)計。

橫梁：橫梁各導(dǎo)軌面重新加工(采用精銑或精磨)，要求直線度0.02/1 000，0.04/全長，導(dǎo)軌表面粗糙度Ra1.6；重新設(shè)計電機(jī)到滾珠絲杠之間的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，包括聯(lián)軸節(jié)、箱體、滾珠絲杠、絲杠支撐座及支撐軸承等零件，實現(xiàn)半閉環(huán)控制；重新設(shè)計水平滾珠絲杠并安裝，保證其受力狀態(tài)良好。

右垂直刀架：回轉(zhuǎn)滑座正面導(dǎo)軌及90°面導(dǎo)軌需重新鑲裝2A12鋅鋁合金板；精磨滑枕各導(dǎo)軌面，保證導(dǎo)軌直線度0.02/1 000，0.03/全長，相對兩導(dǎo)軌面平行度0.02，導(dǎo)軌表面粗糙度Ra0.8。

左垂直刀架：回轉(zhuǎn)滑座正面導(dǎo)軌及90°面導(dǎo)軌需重新鑲裝2A12鋅鋁合金板；精磨加工滑枕各導(dǎo)軌面，保證導(dǎo)軌直線度0.02/1 000，0.03/全長，相對兩導(dǎo)軌面平行度0.02，導(dǎo)軌表面粗糙度Ra0.8；保留原有數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動器及伺服電機(jī)；重新設(shè)計制造垂直進(jìn)給減速箱、聯(lián)軸節(jié)、滾珠絲杠、絲杠支撐座及支撐軸承等零件，實現(xiàn)半閉環(huán)控制。

液壓潤滑系統(tǒng)：檢查和清洗機(jī)床主油箱內(nèi)的油泵、液壓閥、分油器及管路；更換損壞、老化的密封件及管路；調(diào)整系統(tǒng)壓力及相關(guān)參數(shù)，使液壓系統(tǒng)工作正常；更換老化的潤滑元件及密封件，對潤滑系統(tǒng)各油路進(jìn)行檢查、清洗、檢修，調(diào)整潤滑系統(tǒng)，使供油正常通暢，流量合適。

(2)機(jī)床電氣部分。保留原機(jī)床驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動、控制系統(tǒng)，更換其他電氣元件，更換所有外部線路電纜；重新制造左垂直刀架落地操作臺；數(shù)控系統(tǒng)采用西門子SINUMERIK 802C數(shù)控系統(tǒng)，并設(shè)計選用第三方手持單元，設(shè)計電氣控制原理圖，增加控制元件。

在對機(jī)床各個部分零部件進(jìn)行修復(fù)與再加工后，實施機(jī)床再制造裝配，方案如下：將工作臺吊至調(diào)整墊鐵上→安裝立柱并調(diào)整精度→安裝橫梁及橫梁升降箱→安裝垂直刀架→安裝拖線、液壓裝置→安裝其他機(jī)械零部件→潤滑注油→安裝電氣系統(tǒng)→機(jī)、電、液調(diào)試，并檢驗行程以及主要規(guī)格尺寸→調(diào)整機(jī)床安裝水平精度→自車工作臺面→預(yù)檢機(jī)床幾何精度、位置精度→檢驗定位精度→安裝安全防護(hù)裝置→終檢機(jī)床幾何精度、位置精度→機(jī)床涂裝。再制造機(jī)床達(dá)到《GB/T 23582.1-2009 立式車床檢驗條件精度檢驗第1部分：單柱和雙柱立式車床》等規(guī)定的出廠標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 論

機(jī)床再制造設(shè)計方法與工具是機(jī)床再制造的關(guān)鍵技術(shù)。針對目前機(jī)床再制造過程不夠規(guī)范的問題，引入多域映射理論，開發(fā)了基于公理化設(shè)計的機(jī)床再制造設(shè)計支持軟件(已申請軟件著作權(quán))，顯著提高了設(shè)計效率，有助于實現(xiàn)設(shè)計經(jīng)驗的記錄、保存以及設(shè)計信息、設(shè)計過程的透明化，提高機(jī)床再制造企業(yè)的競爭力。

目前所設(shè)計開發(fā)的基于公理化設(shè)計的機(jī)床再制造設(shè)計支持軟件仍處于初期應(yīng)用階段，隨著機(jī)床再制造業(yè)務(wù)的增加，該軟件系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以根據(jù)實際進(jìn)一步拓展功能模塊，如增加再制造機(jī)床性能仿真分析、再制造設(shè)計方案評價、機(jī)床再制造工程經(jīng)濟(jì)分析等模塊。