1 概述
21世紀的制造企業(yè)面對的是動態(tài)多變的市場環(huán)境，用戶要求在zui短的時間內(nèi)獲得“個性化”的產(chǎn)品。因此，制造企業(yè)應(yīng)該也必須發(fā)展多品種、小批量生產(chǎn)技術(shù)（或大規(guī)？蛻艋圃欤，在“更快、更好、更便宜”的競爭中找到自己的*位置。敏捷制造是美國人于上世紀末提出的制造企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，敏捷制造企業(yè)的主要特征之一就是工藝過程和制造系統(tǒng)的可重構(gòu)性。1998年，美國國家研究委員會發(fā)表了一份研究報告:2020年制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。在這個報告中，專家們確定了未來20年制造企業(yè)面臨的六大挑戰(zhàn)和必須優(yōu)先解決的10項關(guān)鍵技術(shù)，可重構(gòu)企業(yè)和可重構(gòu)制造系統(tǒng)均名列其中，可重構(gòu)制造系統(tǒng)甚至被列為*關(guān)鍵技術(shù)的*位。為此，美國國家自然科學(xué)基金委員會1996年投資密西根大學(xué)成立了可重構(gòu)制造系統(tǒng)工程研究中心，每年投資300萬美元，連續(xù)支持11年。美國的30多家制造企業(yè)也積極參加這一計劃，來自這些企業(yè)的資金注入每年也達到300萬美元以上。2001年5月在密西根大學(xué)召開了CIRP*屆柔性、可重構(gòu)制造會議。從論文的來源、研究深度以及參加會議的人員看，可重構(gòu)制造已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和企業(yè)關(guān)注的重點？芍貥(gòu)制造系統(tǒng)涉及的內(nèi)容很多，其中zui重要的一項內(nèi)容就是可重構(gòu)機床（Reconfigurable Machine Tools，RMT）的研究和開發(fā)，它的成功對實現(xiàn)可重構(gòu)制造系統(tǒng)和敏捷制造具有決定性的意義。到目前，可重構(gòu)機床的理論研究已取得一定的進展，并且取得一項發(fā)明，但整個研究工作還沒有形成完整的體系，研究的深入程度不夠，可重構(gòu)機床的原型尚未制造出來。本文首先介紹可重構(gòu)機床的基本概念，然后討論可重構(gòu)機床的幾項關(guān)鍵技術(shù)，zui后提出在我國開展可重構(gòu)機床研究的幾點建議。
2 可重構(gòu)機床的基本概念
可重構(gòu)機床也是一種模塊化機床，它集機床、組合機床和數(shù)控機床的優(yōu)點于一身，同時避免了它們的不足。它具有以下一些基本特征:機床是由一些基本模塊根據(jù)功能需求組合而成的：機床結(jié)構(gòu)和布局可以根據(jù)產(chǎn)品的變化進行快速重組：機床的模塊結(jié)構(gòu)（硬件、軟件、控制系統(tǒng)）是標準化的：模塊之間具有統(tǒng)一的、標準化的界面：機床的設(shè)計是以產(chǎn)品族為基礎(chǔ)的：機床的功能可以改變，但基本無功能冗余：機床與制造系統(tǒng)的接口也是標準化的，以便于整個系統(tǒng)的重組。
可重構(gòu)機床的主要優(yōu)點有:高柔性，可以極大地縮短產(chǎn)品的改型換代時間：與數(shù)控機床相比，在滿足加工需求的條件下可以簡化機床的功能和結(jié)構(gòu)：模塊化結(jié)構(gòu)便于組織專業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)：專業(yè)化生產(chǎn)可以提高產(chǎn)品的成熟度和質(zhì)量，同時可以降低機床產(chǎn)品的成本和價格：機床便于維修，只需更換相應(yīng)的模塊即可：有利于通過計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟：機床的功能零部件可以重復(fù)利用，提高了機床的環(huán)保性：多刀加工，可以有效提高生產(chǎn)效率。
由此可見，可重構(gòu)機床并不是個新概念，因為模塊化設(shè)計的概念和組合機床已經(jīng)存在了很多年。但是，可重構(gòu)機床與一般的模塊化產(chǎn)品和組合機床還是有著本質(zhì)性的區(qū)別，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
使用中的可重構(gòu)性 一般模塊化機械產(chǎn)品的著眼點都是在產(chǎn)品的出廠功能上，模塊化的概念及實施只局限在制造企業(yè)內(nèi)部，用戶往往意識不到模塊化，因為產(chǎn)品在用戶手中一般不會改變使用功能，即使組合機床也是如此。但可重構(gòu)機床的功能在用戶手中卻是經(jīng)常變化的，用戶要經(jīng)常對產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)和布局進行重組以適應(yīng)市場需求的變化，這是可重構(gòu)機床區(qū)別于其他模塊化產(chǎn)品的主要方面。因此，可重構(gòu)機床的設(shè)計和研究必須圍繞這一特點來進行。
冗余問題 用戶在使用一般的模塊化產(chǎn)品時，不需要儲備大量的備用模塊。但對于可重構(gòu)機床，為了滿足重構(gòu)的需求，各個用戶一般均需要儲備比較多的功能模塊，占用大量的資金和場地。這種冗余現(xiàn)象可能是可重構(gòu)機床所面臨的主要問題之一。事實上，這個問題并不難解決。只要通過計算機網(wǎng)絡(luò)在全國建立若干個可重構(gòu)機床功能模塊倉儲中心，這些倉儲中心負責(zé)提供和回收（當(dāng)然要收取一定的費用）機床和模塊，以及負責(zé)本地區(qū)所有可重構(gòu)機床的信息管理和重構(gòu)工作，用戶則僅僅是使用設(shè)備。這種方式可以實現(xiàn)資源的zui大化利用。
模塊的標準化 一般的模塊化產(chǎn)品很難實現(xiàn)國家或行業(yè)級的標準化，因為產(chǎn)品的功能是制造廠家的特色，在使用過程中也不需要重構(gòu)。因此，某一廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品往往會排斥其他廠家的模塊？芍貥(gòu)機床則正好相反，它的理論基礎(chǔ)就是國家或行業(yè)級的標準化，只有這樣才能方便用戶，用不同廠家的零部件模塊組合成具有不同功能和性能的機床，這一點跟組合機床相似。
模塊的專業(yè)化生產(chǎn) 一般模塊化產(chǎn)品的概念僅局限在制造企業(yè)內(nèi)部，不同企業(yè)的產(chǎn)品模塊之間沒有互換性，因此無法組織模塊的專業(yè)化生產(chǎn)。組合機床的出現(xiàn)使得通用部件的專業(yè)化生產(chǎn)成為可能。這種專業(yè)化的生產(chǎn)既可擴大生產(chǎn)規(guī)模，又可提高產(chǎn)品的質(zhì)量？芍貥(gòu)機床繼承了組合機床的這一特點，各種模塊均可由專業(yè)廠組織研制和生產(chǎn)。實際上，目前的組合機床通用部件生產(chǎn)廠均可轉(zhuǎn)去生產(chǎn)可重構(gòu)機床的功能模塊。對我國大多數(shù)中小型機床制造廠家來說，這是個千載難逢的發(fā)展機遇。
3 可重構(gòu)機床的關(guān)鍵技術(shù)
可重構(gòu)機床的研究和應(yīng)用與一般金屬切削機床和模塊化設(shè)計之間有相同之處，但在研究內(nèi)容和研究方法上也有很多差異？芍貥(gòu)機床的研究應(yīng)集中在以下幾個方面:
機械界面研究及其標準化
模塊化設(shè)計主要包括兩項內(nèi)容:模塊的劃分、設(shè)計和綜合：模塊之間機械界面的通用化和標準化設(shè)計。模塊化設(shè)計理論已經(jīng)出現(xiàn)了幾十年，但在實際中一直沒有得到廣泛應(yīng)用。究其原因，主要是機械界面部分研究得很不夠，人們往往將注意力集中在模塊的劃分、設(shè)計和綜合方面。事實上，模塊化設(shè)計能否得到廣泛應(yīng)用，與機械界面的設(shè)計和標準化關(guān)系極大。如果不同廠家生產(chǎn)的功能模塊不能快速互換，模塊化設(shè)計就只能局限在某一特定企業(yè)的產(chǎn)品上。對于可重構(gòu)機床，由于重構(gòu)的頻率*，如果不能實現(xiàn)模塊之間的快速高精度互換，可重構(gòu)機床就沒有任何實際意義。可重構(gòu)機床的機械界面主要分為兩大類:界面之間沒有相對運動，界面之間存在相對運動。界面的研究主要包括以下內(nèi)容:界面結(jié)合的精度、穩(wěn)定性和可靠性：界面的標準化、模塊更換的快速性和方便性。此外，作為可重構(gòu)制造系統(tǒng)的一個功能單元，還應(yīng)研究可重構(gòu)機床與可重構(gòu)制造系統(tǒng)其他部分的界面及其快速互換性。
重構(gòu)策略研究
雖然可重構(gòu)機床的設(shè)計應(yīng)該滿足頻繁重構(gòu)的需求，但重構(gòu)畢竟是個相當(dāng)費時費力的過程，重構(gòu)的精度和可靠性也或多或少會受到一些影響。因此，應(yīng)采取一定的策略盡量減少重構(gòu)次數(shù)，同時還應(yīng)盡量避免對主要結(jié)構(gòu)的重構(gòu)？芍貥(gòu)策略的研究可以從以下幾個方面去著手:從可重構(gòu)機床加工對象的設(shè)計和成族方面（基于可重構(gòu)機床的產(chǎn)品設(shè)計）、從功能模塊的劃分和綜合方面、從功能模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面、從可重構(gòu)制造系統(tǒng)的調(diào)度方面。
模塊的劃分、綜合及標準化
如何正確劃分功能模塊是可重構(gòu)機床的主要研究內(nèi)容之一。正確合理的模塊劃分可以簡化機床的結(jié)構(gòu)，降低機床的重構(gòu)頻率，提高模塊之間的精度匹配，減少重構(gòu)操作的工作量，美化機床的外觀。另外，可重構(gòu)機床功能模塊的標準化也極其重要，只有實現(xiàn)標準化，才便于組織專業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)，實現(xiàn)不同廠家模塊的互換。
可重構(gòu)機床的功能研究
可重構(gòu)機床的主要特征之一是結(jié)構(gòu)簡化并無冗余功能。因此應(yīng)對其功能展開研究。目前的數(shù)控機床被設(shè)計成“型”，它的硬件和控制軟件功能非常齊全，造成大量的功能冗余，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。對功能開展研究的目的就是通過模塊的合理劃分，使得機床只擁有必需的功能，這樣可以大大簡化機床的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的精度、可靠性和工作效率。在控制系統(tǒng)和軟件方面，需要突破目前數(shù)控系統(tǒng)大而全的概念，采用模塊化的結(jié)構(gòu)，在重構(gòu)時只配置必要的控制模塊。
可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)研究
與組合機床不同，可重構(gòu)機床必須能夠適應(yīng)不同的加工對象。為了提高機床的自動調(diào)整水平，可重構(gòu)機床必須應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)中，為了廣泛適應(yīng)不同的加工對象，它必須提供所有的功能，盡管有些功能可能從來沒有被使用過。相反，可重構(gòu)機床在其工作狀態(tài)下不允許出現(xiàn)冗余功能。因此，必須對可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)進行研究，當(dāng)機床被重組時，僅僅選擇必需的控制模塊即可。這樣的數(shù)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用方便等特點。需要說明的是，可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的模塊化數(shù)控系統(tǒng)并不是相同的概念，盡管可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上也是模塊化的。
新技術(shù)在可重構(gòu)機床中的應(yīng)用
在可重構(gòu)機床中，必須引進各種新技術(shù)，例如直線電動機技術(shù)、滾動導(dǎo)軌技術(shù)等。這里需要特別強調(diào)直線電動機技術(shù)在可重構(gòu)機床中的應(yīng)用。利用直線電動機技術(shù)，取消了一切傳遞環(huán)節(jié)（即所謂的零傳動），可以極大地簡化機床的結(jié)構(gòu)，便于模塊的重新組合和調(diào)整，非常適合于可重構(gòu)的特點。
可重構(gòu)機床的計算機信息管理
與一般的模塊化機床不同，可重構(gòu)機床在出廠時必須伴隨重構(gòu)技術(shù)說明和一定數(shù)量的備用功能模塊，這些信息應(yīng)該由計算機管理起來。另外，為了減少用戶的技術(shù)投入和資金占用，應(yīng)該成立地區(qū)性的可重構(gòu)機床功能模塊存儲中心，具體負責(zé)本地區(qū)所有可重構(gòu)機床的管理工作，并協(xié)助企業(yè)完成機床的重構(gòu)。因此，必須開發(fā)相應(yīng)的計算機管理系統(tǒng)（包括模塊的倉儲管理、重構(gòu)信息管理、用戶管理、重構(gòu)過程中的仿真、可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的管理等），為制造企業(yè)提供周到的服務(wù)。
4 建議
可重構(gòu)機床的出現(xiàn)為我國機床行業(yè)的發(fā)展帶來一個大好機遇，希望我國從事機床教學(xué)和研究的人員以及機床生產(chǎn)企業(yè)能夠抓住這一機遇，實現(xiàn)機床行業(yè)的跨越式發(fā)展。為此，特提出以下建議:
國家組織有關(guān)高等院校、研究機構(gòu)和機床生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合開展可重構(gòu)機床關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)研究，密切注視研究動向，力爭盡快趕超*水平。
中小型機床廠應(yīng)由整機生產(chǎn)轉(zhuǎn)去生產(chǎn)功能模塊。專業(yè)化生產(chǎn)在技術(shù)*性、交貨期和質(zhì)量保證諸方面都具有獨到優(yōu)勢，才能在激烈的市場競爭中取勝。
實現(xiàn)可重構(gòu)機床的核心是標準化，否則模塊化只能局限在某一特定企業(yè)的產(chǎn)品上，根本無法組織專業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。為此，建議國家成立可重構(gòu)機床標準化研究機構(gòu)，負責(zé)研究制定有關(guān)標準，為功能模塊的專業(yè)化生產(chǎn)打好基礎(chǔ)。
在全國建立若干個可重構(gòu)機床功能模塊倉儲中心，由這些倉儲中心負責(zé)根據(jù)用戶提出的需求進行機床的組裝和重構(gòu)，用戶則付費租用組裝或重構(gòu)的機床而無需購買這些機床和功能模塊，這樣既減輕了用戶的負擔(dān)，又可以實現(xiàn)資源的zui大化利用。此外，倉儲中心還應(yīng)負責(zé)本地區(qū)所有可重構(gòu)機床的信息管理。
5 結(jié)束語
可重構(gòu)機床作為實現(xiàn)敏捷制造的關(guān)鍵技術(shù)之一已受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的高度重視，我國有關(guān)研究機構(gòu)和機床制造企業(yè)應(yīng)立即開展可重構(gòu)機床的研究。可重構(gòu)機床不同于一般的模塊化設(shè)計，其主要特征除模塊化外，主要體現(xiàn)在可重構(gòu)性和標準化上？芍貥(gòu)性意味著機床的功能模塊可以被方便地重組以實現(xiàn)預(yù)定的功能。標準化則有助于實現(xiàn)可重構(gòu)機床功能模塊的專業(yè)化大規(guī)模制造。為此，提出了5大關(guān)鍵技術(shù):機械界面研究、重構(gòu)策略研究、模塊的規(guī)劃、機床及其功能模塊的功能研究、信息管理系統(tǒng)研究：并對在我國開展可重構(gòu)制造機床的研究提出了幾點建議。
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我國發(fā)展可重構(gòu)機床的幾點建議
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