1概述

    21世紀(jì)的制造企業(yè)面對(duì)的是動(dòng)態(tài)多變的市場(chǎng)環(huán)境，用戶要求在zui短的時(shí)間內(nèi)獲得“個(gè)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(jìng)爭(zhēng)中找到自己的*位置。敏捷制造是美國(guó)人于上世紀(jì)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(guò)程和制造系統(tǒng)的可重構(gòu)性。

    1998年，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)發(fā)表了一份研究報(bào)告:2020年制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。在這個(gè)報(bào)告中，專家們確定了未來(lái)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(xiàng)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(guó)*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(wàn)美元，連續(xù)支持11年。美國(guó)的30多家制造企業(yè)也積極參加這一計(jì)劃，來(lái)自這些企業(yè)的資金注入每年也達(dá)到300萬(wàn)美元以上。2001年5月在密西根大學(xué)召開(kāi)了CIRP*屆柔性、可重構(gòu)制造會(huì)議。從論文的來(lái)源、研究深度以及參加會(huì)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(diǎn)?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)涉及的內(nèi)容很多，其中zui重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是可重構(gòu)機(jī)床（ReconfigurableMachineTools，RMT）的研究和開(kāi)發(fā)，它的成功對(duì)實(shí)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(jī)床的理論研究已取得一定的進(jìn)展，并且取得一項(xiàng)發(fā)明，但整個(gè)研究工作還沒(méi)有形成完整的體系，研究的深入程度不夠，可重構(gòu)機(jī)床的原型尚未制造出來(lái)。本文首先介紹可重構(gòu)機(jī)床的基本概念，然后討論可重構(gòu)機(jī)床的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，zui后提出在我國(guó)開(kāi)展可重構(gòu)機(jī)床研究的幾點(diǎn)建議。

    2可重構(gòu)機(jī)床的基本概念可重構(gòu)機(jī)床也是一種模塊化機(jī)床，它集機(jī)床、組合機(jī)床和數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)于一身，同時(shí)避免了它們的不足。它具有以下一些基本特征:機(jī)床是由一些基本模塊根據(jù)功能需求組合而成的：機(jī)床結(jié)構(gòu)和布局可以根據(jù)產(chǎn)品的變化進(jìn)行快速重組：機(jī)床的模塊結(jié)構(gòu)（硬件、軟件、控制系統(tǒng)）是標(biāo)準(zhǔn)化的：模塊之間具有統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的界面：機(jī)床的設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品族為基礎(chǔ)的：機(jī)床的功能可以改變，但基本無(wú)功能冗余：機(jī)床與制造系統(tǒng)的接口也是標(biāo)準(zhǔn)化的，以便于整個(gè)系統(tǒng)的重組。

    可重構(gòu)機(jī)床的主要優(yōu)點(diǎn)有:高柔性，可以*地縮短產(chǎn)品的改型換代時(shí)間：與數(shù)控機(jī)床相比，在滿足加工需求的條件下可以簡(jiǎn)化機(jī)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(shí)可以降低機(jī)床產(chǎn)品的成本和價(jià)格：機(jī)床便于維修，只需更換相應(yīng)的模塊即可：有利于通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟：機(jī)床的功能零部件可以重復(fù)利用，提高了機(jī)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(jiàn)，可重構(gòu)機(jī)床并不是個(gè)新概念，因?yàn)槟K化設(shè)計(jì)的概念和組合機(jī)床已經(jīng)存在了很多年。但是，可重構(gòu)機(jī)床與一般的模塊化產(chǎn)品和組合機(jī)床還是有著本質(zhì)性的區(qū)別，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:使用中的可重構(gòu)性一般模塊化機(jī)械產(chǎn)品的著眼點(diǎn)都是在產(chǎn)品的出廠功能上，模塊化的概念及實(shí)施只局限在制造企業(yè)內(nèi)部，用戶往往意識(shí)不到模塊化，因?yàn)楫a(chǎn)品在用戶手中一般不會(huì)改變使用功能，即使組合機(jī)床也是如此。但可重構(gòu)機(jī)床的功能在用戶手中卻是經(jīng)常變化的，用戶要經(jīng)常對(duì)產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行重組以適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化，這是可重構(gòu)機(jī)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(jī)床的設(shè)計(jì)和研究必須圍繞這一特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行。

    冗余問(wèn)題

    用戶在使用一般的模塊化產(chǎn)品時(shí)，不需要儲(chǔ)備大量的備用模塊。但對(duì)于可重構(gòu)機(jī)床，為了滿足重構(gòu)的需求，各個(gè)用戶一般均需要儲(chǔ)備比較多的功能模塊，占用大量的資金和場(chǎng)地。這種冗余現(xiàn)象可能是可重構(gòu)機(jī)床所面臨的主要問(wèn)題之一。事實(shí)上，這個(gè)問(wèn)題并不難解決。只要通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)建立若干個(gè)可重構(gòu)機(jī)床功能模塊倉(cāng)儲(chǔ)中心，這些倉(cāng)儲(chǔ)中心負(fù)責(zé)提供和回收（當(dāng)然要收取一定的費(fèi)用）機(jī)床和模塊，以及負(fù)責(zé)本地區(qū)所有可重構(gòu)機(jī)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(shí)現(xiàn)資源的zui大化利用。

    模塊的標(biāo)準(zhǔn)化

    一般的模塊化產(chǎn)品很難實(shí)現(xiàn)國(guó)家或行業(yè)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化，因?yàn)楫a(chǎn)品的功能是制造廠家的特色，在使用過(guò)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(huì)排斥其他廠家的模塊?？芍貥?gòu)機(jī)床則正好相反，它的理論基礎(chǔ)就是國(guó)家或行業(yè)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)床，這一點(diǎn)跟組合機(jī)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(méi)有互換性，因此無(wú)法組織模塊的專業(yè)化生產(chǎn)。組合機(jī)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(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，又可提高產(chǎn)品的質(zhì)量?？芍貥?gòu)機(jī)床繼承了組合機(jī)床的這一特點(diǎn)，各種模塊均可由專業(yè)廠組織研制和生產(chǎn)。實(shí)際上，目前的組合機(jī)床通用部件生產(chǎn)廠均可轉(zhuǎn)去生產(chǎn)可重構(gòu)機(jī)床的功能模塊。對(duì)我國(guó)大多數(shù)中小型機(jī)床制造廠家來(lái)說(shuō)，這是個(gè)千載難逢的發(fā)展機(jī)遇。

    3可重構(gòu)機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)可重構(gòu)機(jī)床的研究和應(yīng)用與一般金屬切削機(jī)床和模塊化設(shè)計(jì)之間有相同之處，但在研究?jī)?nèi)容和研究方法上也有很多差異?？芍貥?gòu)機(jī)床的研究應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面:機(jī)械界面研究及其標(biāo)準(zhǔn)化

    模塊化設(shè)計(jì)主要包括兩項(xiàng)內(nèi)容:模塊的劃分、設(shè)計(jì)和綜合：模塊之間機(jī)械界面的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)理論已經(jīng)出現(xiàn)了幾十年，但在實(shí)際中一直沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。究其原因，主要是機(jī)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(jì)和綜合方面。事實(shí)上，模塊化設(shè)計(jì)能否得到廣泛應(yīng)用，與機(jī)械界面的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)系*。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(jì)就只能局限在某一特定企業(yè)的產(chǎn)品上。

    對(duì)于可重構(gòu)機(jī)床，由于重構(gòu)的頻率*，如果不能實(shí)現(xiàn)模塊之間的快速高精度互換，可重構(gòu)機(jī)床就沒(méi)有任何實(shí)際意義?？芍貥?gòu)機(jī)床的機(jī)械界面主要分為兩大類(lèi):界面之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，界面之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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(biāo)準(zhǔn)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(gè)功能單元，還應(yīng)研究可重構(gòu)機(jī)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(jī)床的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足頻繁重構(gòu)的需求，但重構(gòu)畢竟是個(gè)相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過(guò)程，重構(gòu)的精度和可靠性也或多或少會(huì)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(shí)還應(yīng)盡量避免對(duì)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(gè)方面去著手:從可重構(gòu)機(jī)床加工對(duì)象的設(shè)計(jì)和成族方面（基于可重構(gòu)機(jī)床的產(chǎn)品設(shè)計(jì)）、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(jì)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(biāo)準(zhǔn)化如何正確劃分功能模塊是可重構(gòu)機(jī)床的主要研究?jī)?nèi)容之一。

    正確合理的模塊劃分可以簡(jiǎn)化機(jī)床的結(jié)構(gòu)，降低機(jī)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(jī)床的外觀。另外，可重構(gòu)機(jī)床功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)化也極其重要，只有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，才便于組織專業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)不同廠家模塊的互換?？芍貥?gòu)機(jī)床的功能研究可重構(gòu)機(jī)床的主要特征之一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化并無(wú)冗余功能。因此應(yīng)對(duì)其功能展開(kāi)研究。目前的數(shù)控機(jī)床被設(shè)計(jì)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(duì)功能開(kāi)展研究的目的就是通過(guò)模塊的合理劃分，使得機(jī)床只擁有必需的功能，這樣可以大大簡(jiǎn)化機(jī)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(shí)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(jī)床不同，可重構(gòu)機(jī)床必須能夠適應(yīng)不同的加工對(duì)象。為了提高機(jī)床的自動(dòng)調(diào)整水平，可重構(gòu)機(jī)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(duì)象，它必須提供所有的功能，盡管有些功能可能從來(lái)沒(méi)有被使用過(guò)。相反，可重構(gòu)機(jī)床在其工作狀態(tài)下不允許出現(xiàn)冗余功能。因此，必須對(duì)可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，當(dāng)機(jī)床被重組時(shí)，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(jiǎn)單、可靠性高、使用方便等特點(diǎn)。需要說(shuō)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(jī)床中的應(yīng)用在可重構(gòu)機(jī)床中，必須引進(jìn)各種新技術(shù)，例如直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)、滾動(dòng)導(dǎo)軌技術(shù)等。這里需要特別強(qiáng)調(diào)直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)在可重構(gòu)機(jī)床中的應(yīng)用。利用直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)，取消了一切傳遞環(huán)節(jié)（即所謂的零傳動(dòng)），可以*地簡(jiǎn)化機(jī)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(diǎn)?？芍貥?gòu)機(jī)床的計(jì)算機(jī)信息管理與一般的模塊化機(jī)床不同，可重構(gòu)機(jī)床在出廠時(shí)必須伴隨重構(gòu)技術(shù)說(shuō)明和一定數(shù)量的備用功能模塊，這些信息應(yīng)該由計(jì)算機(jī)管理起來(lái)。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(jī)床功能模塊存儲(chǔ)中心，具體負(fù)責(zé)本地區(qū)所有可重構(gòu)機(jī)床的管理工作，并協(xié)助企業(yè)完成機(jī)床的重構(gòu)。因此，必須開(kāi)發(fā)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)（包括模塊的倉(cāng)儲(chǔ)管理、重構(gòu)信息管理、用戶管理、重構(gòu)過(guò)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(jī)床的出現(xiàn)為我國(guó)機(jī)床行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)一個(gè)大好機(jī)遇，希望我國(guó)從事機(jī)床教學(xué)和研究的人員以及機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)能夠抓住這一機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)機(jī)床行業(yè)的跨越式發(fā)展。為此，特提出以下建議:國(guó)家組織有關(guān)高等院校、研究機(jī)構(gòu)和機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合開(kāi)展可重構(gòu)機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)研究，密切注視研究動(dòng)向，力爭(zhēng)盡快趕超*水平。

    中小型機(jī)床廠應(yīng)由整機(jī)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(dú)到優(yōu)勢(shì)，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝。實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)機(jī)床的核心是標(biāo)準(zhǔn)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(wú)法組織專業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。為此，建議國(guó)家成立可重構(gòu)機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化研究機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)研究制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為功能模塊的專業(yè)化生產(chǎn)打好基礎(chǔ)。

    在全國(guó)建立若干個(gè)可重構(gòu)機(jī)床功能模塊倉(cāng)儲(chǔ)中心，由這些倉(cāng)儲(chǔ)中心負(fù)責(zé)根據(jù)用戶提出的需求進(jìn)行機(jī)床的組裝和重構(gòu)，用戶則付費(fèi)租用組裝或重構(gòu)的機(jī)床而無(wú)需購(gòu)買(mǎi)這些機(jī)床和功能模塊，這樣既減輕了用戶的負(fù)擔(dān)，又可以實(shí)現(xiàn)資源的zui大化利用。此外，倉(cāng)儲(chǔ)中心還應(yīng)負(fù)責(zé)本地區(qū)所有可重構(gòu)機(jī)床的信息管理。

    5結(jié)束語(yǔ)可重構(gòu)機(jī)床作為實(shí)現(xiàn)敏捷制造的關(guān)鍵技術(shù)之一已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的高度重視，我國(guó)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)和機(jī)床制造企業(yè)應(yīng)立即開(kāi)展可重構(gòu)機(jī)床的研究。可重構(gòu)機(jī)床不同于一般的模塊化設(shè)計(jì)，其主要特征除模塊化外，主要體現(xiàn)在可重構(gòu)性和標(biāo)準(zhǔn)化上。可重構(gòu)性意味著機(jī)床的功能模塊可以被方便地重組以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。標(biāo)準(zhǔn)化則有助于實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)機(jī)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(jī)械界面研究、重構(gòu)策略研究、模塊的規(guī)劃、機(jī)床及其功能模塊的功能研究、信息管理系統(tǒng)研究：并對(duì)在我國(guó)開(kāi)展可重構(gòu)制造機(jī)床的研究提出了幾點(diǎn)建議。