共 8 頁 第 1 頁在最近的特殊用途的機(jī)械設(shè)計的綜述中，是以鑒別解決合適輕便的加工系統(tǒng)的方法的視角來切入John Allen.Dragos Axinte.Paul Robert.Ralph Anderson摘要:隨著文摘制造業(yè)日益多樣性的現(xiàn)代產(chǎn)品和維護(hù)需求,機(jī)床設(shè)計的領(lǐng)域近年來大幅擴(kuò)大。雖然機(jī)床生產(chǎn)奇異部分有了廣泛記錄,卻少了很多關(guān)于機(jī)床專業(yè)維修和保養(yǎng)等任務(wù)的信息。本文旨在為發(fā)展的概述,機(jī)床和加工領(lǐng)域的專家系統(tǒng)與特定強(qiáng)調(diào)維護(hù)操作和就地加工。大規(guī)模系統(tǒng)上執(zhí)行維護(hù)困難的概述以及原位加工的潛在好處在這些應(yīng)用程序。大量的各領(lǐng)域?qū)＜业臋C(jī)器應(yīng)用的例子。微型機(jī)床的發(fā)展領(lǐng)域和微觀工廠的介紹已隨著系統(tǒng)開發(fā)或提出的例子。對可能的優(yōu)勢和分心描述的各種技術(shù)進(jìn)行了討論。本文繼續(xù)對潛在的一種新方法相結(jié)合的這些技術(shù)的原位生產(chǎn)小型機(jī)床執(zhí)行大規(guī)模的大型工件加工操作。這些加工系統(tǒng)可以提供增加原位維修加工的多功能性,機(jī)器與一個修復(fù)操作設(shè)計相比,降低了成本和環(huán)境的影響。1 緒論機(jī)床領(lǐng)域生成單一產(chǎn)品是有據(jù)可查。然而專業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器維修、保養(yǎng)等專門的任務(wù)尚未引起足夠的關(guān)注。本文探討了機(jī)床領(lǐng)域的專家,專注于對原位加工操作維修和維護(hù)。一般來說,修理和維護(hù)加工的進(jìn)行對使用大型傳統(tǒng)機(jī)床的必要性,安裝在專用機(jī)器商店。這會造成問題,特別是工作在大型和潛在的復(fù)雜系統(tǒng),如飛機(jī)、船舶、電廠、金屬制造工廠、重型機(jī)械等。在這些放松的組件需要重新調(diào)理工作時必須從系統(tǒng)和拆除機(jī)器運(yùn)到商店進(jìn)行處理之前返回并重新組裝到系統(tǒng)。這個過程耗時復(fù)雜，潛在的危險和昂貴的費用對于系統(tǒng)的影響非常大 (如發(fā)電廠 ),這種類型的維護(hù)不可能簡單。此外,這種傳統(tǒng)的維修過程可能延長長期系統(tǒng)的停機(jī)時間。由于這些原因,原位機(jī)床可以帶來和附加到組件加工時安裝該組件仍或多或少可以提供明顯的優(yōu)勢。為了解決這個領(lǐng)域的專用機(jī)床,提出了這類系統(tǒng)的發(fā)展概況和在這個行業(yè)的應(yīng)用程序示例范圍。此外，其他一些專家對加工系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了討論。2 重大進(jìn)展現(xiàn)場機(jī)床領(lǐng)域,可以暫時依附于大型工件的裝配和維護(hù)任務(wù)。這些系統(tǒng)提供了一個替代方法的機(jī)器可以把需要加工組件進(jìn)行加工，因此消除了需要拆卸安裝的系統(tǒng)。這種方法可以減少停機(jī)時間和維護(hù)成本。在制造業(yè)領(lǐng)域，這些機(jī)共 8 頁 第 2 頁器提供更靈活的解決方案與工作能力的一個大型結(jié)構(gòu)的不同部分。這些機(jī)器的一些示例應(yīng)用程序涉及飛機(jī)、船舶和發(fā)電行業(yè),以及一些其他專家機(jī)的設(shè)計，可以提供更靈活的加工能力。2.1 連續(xù)運(yùn)動學(xué)機(jī)器串行運(yùn)動學(xué)機(jī)器是那些更傳統(tǒng)的設(shè)計,運(yùn)動軸是由獨立的幻燈片或其他階段逐個堆疊起來提供多軸運(yùn)動2.1.1 平方公里制造業(yè)大量的原位機(jī)器已經(jīng)開發(fā)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)，給出兩個例子，一臺機(jī)器在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和其他大型工件由一系列指數(shù)設(shè)備可以臨時安裝在已知工件的位置和連接索引成員。加工設(shè)備是安裝在該指數(shù)的成員,可以沿著它通過各種方式來進(jìn)行加工。加工單元可以攜帶演習(xí)，緊固隔板、探針和其他設(shè)備。它能夠引用它的位置由一個序列的位置指標(biāo)的指數(shù)成員。位置指標(biāo)可能是光或磁讀條，也可能是小型發(fā)射器傳送位置數(shù)據(jù)加工設(shè)備。存儲信息的索引設(shè)備包含傳感器，包括工件位置，部分幾何和信息任務(wù)執(zhí)行的工件。加工設(shè)備也可以在控制器與外部的溝通中起作用。這個系統(tǒng)可以實現(xiàn)在一個范圍的體現(xiàn),其中一個是圖 1 中所示。這臺機(jī)器是一種大型的固定基地的機(jī)器，在連續(xù)流生產(chǎn)環(huán)境中使用。它提供了一個更小的優(yōu)勢,更緊湊的和更少的昂貴的系統(tǒng)，以及使它當(dāng)需要維修或校準(zhǔn)時可以交換機(jī)器，就是為了降低生產(chǎn)停機(jī)時間。該系統(tǒng)的多功能性可能有限的方法就是將其附加到工件以及其僵化的結(jié)構(gòu)上。這種類型的原位機(jī)床的另一個例子是安裝在一個靈活的鐵路系統(tǒng)臨時附件大的變截面工件上，如飛機(jī)結(jié)構(gòu)。圖 1 是原位制造系統(tǒng)的一個化身,飛機(jī)結(jié)構(gòu)[1] 可以執(zhí)行一系列的加工和制造任務(wù)。共 8 頁 第 3 頁2)設(shè)置大約平行,加入了跨越或橫梁。橫梁是安全地安裝在主要的鐵路,作為空間的引用,但更松散的安裝在二級鐵路所以如果不平行也不會犯規(guī)。工具頭(12)安裝在橫梁上,兩者都能搬到交付 X 和 Y 軸運(yùn)動。工具持有人可能支持額外的軸。系統(tǒng)安裝在一個數(shù)組的間距針(26)保持一個統(tǒng)一的工件的距離 ,并獲得由真空吸盤(28)提供的動力。該系統(tǒng)是專為飛機(jī)制造 ,但可以應(yīng)用到更大范圍的任務(wù)。由于計算機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)的準(zhǔn)確性，如果必要時控制器可以彌補(bǔ)的形狀工件定位工具。這臺機(jī)器提供了更大的靈活性,使用真空夾緊使其能夠附加任何不依賴于安裝在工件孔等特性。此外，靈活的鐵路結(jié)構(gòu)應(yīng)該使它與更大范圍的工件配合使用。2.1.2 連續(xù)運(yùn)動學(xué)機(jī)器的維護(hù)在航空航天工業(yè)，已經(jīng)有雜質(zhì)報道了臨時附件表面的飛機(jī)和類似的結(jié)構(gòu)，為了應(yīng)用正壓[3] 。這個維修設(shè)備,圖 3,旨在援助膠粘劑復(fù)合應(yīng)用程序的補(bǔ)丁損壞飛機(jī)皮和類似的操作。系統(tǒng)包括一個框架(12)配備一定數(shù)量的真空吸盤 (17)連接的真空線(34)真空泵(32)安裝在框架。真空時激活的力量通過杯足以保持系統(tǒng)雖然有施加壓力的表面安裝的一個充氣壓力墊(26)。杯子可以安裝傳感器(18)監(jiān)測真空,通過一個控制器,調(diào)節(jié)泵的操作系統(tǒng)來保持真空。復(fù)合片可應(yīng)用于受損表面和正壓發(fā)生器安裝。設(shè)備可以應(yīng)用補(bǔ)丁的壓力,直到膠治療以確保良好的債券和表面光潔度。這是一個高度專業(yè)化的系統(tǒng)設(shè)計為一個特定的維護(hù)任務(wù)，所以不是很多才多藝，盡管緊固系統(tǒng)可用于附加各種制造和維修系統(tǒng)等大型零件具有復(fù)雜幾何上飛機(jī)、重型機(jī)械、壓力容器等。圖 2 一個靈活的鐵路機(jī)床臨時附件工件 [2]共 8 頁 第 4 頁一系列的專業(yè)機(jī)器已經(jīng)開發(fā)了原位船用發(fā)動機(jī)和動力系統(tǒng)的維護(hù)是不切實際的,或在某些情況下幾乎不可能，拆卸和刪除它們需要從船上維修。幾個例子下面將描述這些原位機(jī)器，第一個是維護(hù)大型活塞式發(fā)動機(jī)。這臺機(jī)器是專為原位重新調(diào)理的曲柄軸和固定針設(shè)計的。這臺機(jī)器是用于維護(hù)海洋等大型內(nèi)燃機(jī)柴油沒有刪除曲軸的時間和費用和運(yùn)輸機(jī)械工廠。設(shè)計包括一個支架系統(tǒng),暫時連接到曲軸網(wǎng),支持一對軌道車輪與它們之間的機(jī)床安裝。這個系統(tǒng)使機(jī)床在加工工件時是以移動軌道的方式。許多變化的基本設(shè)計和加工不同尺寸的配置。這是一個相當(dāng)簡單的設(shè)計，為一個特定范圍重新調(diào)理的任務(wù)。然而使用系統(tǒng)的不同體現(xiàn)為不同的工件可能意味著缺乏靈活性和多功能性的設(shè)計。其他海洋應(yīng)用原位機(jī)器的目的是致力于船用動力系統(tǒng)和蒸汽渦輪發(fā)動機(jī)。幾個專家現(xiàn)場機(jī)床開發(fā)維護(hù)和材料取樣操作等大型結(jié)構(gòu)船用動力系統(tǒng)。其中之一就是機(jī)器處理了釘在結(jié)構(gòu)包括泵和閥總成系統(tǒng)，如海洋發(fā)電廠[5]。這種強(qiáng)大的液壓機(jī)床可以安裝在工件( 附件方法沒有指定) 的螺柱和用于鉆出來。機(jī)器也可以配備螺紋切削工具來恢復(fù)線程，或在這種情況下，周圍的材料已經(jīng)損壞，準(zhǔn)備一個線程插入洞里。這臺機(jī)器是專為在具有挑戰(zhàn)性的工作環(huán)境和變化可以為在特定的組件開發(fā)。圖 3 便攜式系統(tǒng)原位修復(fù)飛機(jī)皮 [3]共 8 頁 第 5 頁一系列的軌道切割機(jī)器已經(jīng)開發(fā)了切割焊接密封部分用于高壓系統(tǒng)[5]。這些機(jī)器是為了減少焊接在不損害周圍的植物,可以機(jī)器表面原始焊縫幾何準(zhǔn)備做準(zhǔn)備。這些機(jī)器之一是見圖 5。這臺機(jī)器有一個圓形導(dǎo)軌,使銑頭的形式的焊接加工。銑單元使用一個液壓軸由一個獨立的液壓動力單元。對于定位各種感受器結(jié)束敵意和訪問環(huán)境不同配置的操縱者已經(jīng)開發(fā)。這些設(shè)備可以用于位置采樣系統(tǒng)切割設(shè)備和焊工深處發(fā)電廠和類似的系統(tǒng)來執(zhí)行一系列的任務(wù)。其中一個操縱者液壓驅(qū)動的形式，計算機(jī)控制、模塊化蛇形機(jī)器人手臂組成一系列的部分與肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)和標(biāo)準(zhǔn)連接。這種模塊化建設(shè)使機(jī)械手能夠被配置為訪問一個廣泛的環(huán)境如反應(yīng)堆或管道系統(tǒng)。圖 4 原位了螺柱去除和線程恢復(fù)機(jī)器[5] 。(A)機(jī)器安裝,(B) 切割單位,(C)示范工件其他設(shè)計包括軌道和線性跟蹤操縱者,見圖 6 b,穿過管導(dǎo)航系統(tǒng)的位置。感受器在所需的位置。這些系統(tǒng)能夠達(dá)到的優(yōu)勢很難達(dá)到組件內(nèi)深埋系統(tǒng)以最小的需要拆卸;這些操縱者可以容納小加工/檢驗設(shè)備在維修/維護(hù)工作需要結(jié)束。然而,他們相當(dāng)大的長度和接頭的數(shù)量可能會減少他們在工作位置精度和剛度,這可能會限制操作可以執(zhí)行那些生產(chǎn)非常低的反應(yīng)部隊。也參照電力系統(tǒng)等,另一個系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計鏜孔車端面內(nèi)操作大型船只[7]。本系統(tǒng)適用于再加工等結(jié)構(gòu)的進(jìn)口港口在反應(yīng)堆容器和類似的任務(wù)。鏜床是暫停一個支持和定位結(jié)構(gòu)安裝在工作區(qū)域，可能坐在船的頂部。鏜床(18)是安裝在一個型結(jié)構(gòu)(10)有幾個支架(30、32) 擴(kuò)展，服務(wù)支撐位置對血管壁。鏜床可以設(shè)置系統(tǒng)上的定位階段(20)在搖籃里，可以遠(yuǎn)程控制。機(jī)器圖 7 所示。這個系統(tǒng)應(yīng)該有潛力良好的通用性,不同的加工單位可以安裝在搖籃里。安裝這個系共 8 頁 第 6 頁統(tǒng)在工作區(qū)域的方法的優(yōu)點是不需要修改或工件的變形，但它可能會限制的范圍的環(huán)境可以使用該系統(tǒng)。專門的維修機(jī)的一個例子提出了一個系統(tǒng)的形式設(shè)計了鐵路軸承表面原位重新研磨的[8] 。鐵路的機(jī)是用于維護(hù)如殺了軸承在沉重的挖土設(shè)備。系統(tǒng)(圖8)包括一個由電機(jī)驅(qū)動砂輪 (22)(24)和舉行,沿著鐵路的地面驅(qū)動系統(tǒng)的鉛螺絲(28)。導(dǎo)致螺絲的位置是由一組位移傳感器,遵循導(dǎo)軌 (29)定義地面。該系統(tǒng)可以數(shù)控操作與外部控制器。這是一個高度專業(yè)化的加工解決方案為一個特定的應(yīng)用程序，它是適合這個任務(wù)，但不太可能容易適應(yīng)其他原位加工操作。多個系統(tǒng)一直在專利軌道加工流程(9、10) 。軌道加工使工具上使用不同直徑的孔，作為部分的工具與工件接觸，這一過程提供了顯著的減少扭矩和削減部隊。這剛度需要最小化的固有優(yōu)勢，因此需要良好的加工質(zhì)量系統(tǒng)安裝。軌道加工與傳統(tǒng)的鉆探相比還可以促進(jìn)改善冷卻、排屑和刀具壽命等功能。當(dāng)工具需要一個軌道運(yùn)動(如螺旋銑 )時這些設(shè)計提供良好的通用性 ,避免與正交軸加工系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以安裝在機(jī)器人手臂和其他定位結(jié)構(gòu)中使用的各種維護(hù)應(yīng)用程序中。他們發(fā)現(xiàn)特定用于原位開采的大型復(fù)合組件，尤其在航空航天工業(yè)，無縫隙是一個問題。加工通用性,降低了切削力和簡單的這種方法可能特別在原位加工應(yīng)用中受益。圖 5 原位軌道銑床對焊縫的焊接切割和制備表面安裝在一個演示[5]:(a) 液壓動力單元,(B)加工, (C)工件共 8 頁 第 7 頁圖 6 模塊化水下機(jī)械手為原位取樣和維修操作;b 線性跟蹤機(jī)械手[6]這些系統(tǒng)之一有一個電動機(jī)(28)驅(qū)動支持(20),旋轉(zhuǎn)加工軸(22)。一個工具持有人被安裝在支持和推動第二電機(jī)(5)對刀位軸旋轉(zhuǎn) (32)和抵消加工軸平行。當(dāng)汽車驅(qū)動在相等的角速率，定徑的工具在一個加工循環(huán)，當(dāng)汽車在不同驅(qū)動角速率不斷加工圓的直徑會有所不同。雖然沒有報告支持工具的主軸是假定從刀位補(bǔ)償軸以相同的方式從加工軸偏移。另一個軌道加工系統(tǒng)由兩個氣缸與偏心孔結(jié)束[10]組成。內(nèi)筒(24)定位在偏心孔(34)外缸(36) 。軸(12) 安裝在偏心孔(26)內(nèi)圓筒(24) 。兩個氣缸配有汽車,以便他們可以旋轉(zhuǎn)獨立。外筒的轉(zhuǎn)動提供軌道運(yùn)動,和內(nèi)圓筒的旋轉(zhuǎn)改變加工圓的半徑。2.2并聯(lián)機(jī)器發(fā)展總結(jié)迄今為止處理串行運(yùn)動學(xué)體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)動軸的逐個堆疊起來的其他個人單獨和操作來實現(xiàn)運(yùn)動軸。這樣的機(jī)器結(jié)構(gòu)的主要缺點是他們?nèi)菀讖?fù)合錯誤; 作為一個錯誤在一個較低的階段會影響那些堆放在它的準(zhǔn)確性。另一種機(jī)器架構(gòu)是并聯(lián)機(jī)器(11)，這幾個執(zhí)行機(jī)構(gòu)并行工作實現(xiàn)在多個軸運(yùn)動 :這種方法克服了復(fù)合錯誤的問題。目前,并聯(lián)機(jī)床發(fā)展一直專注于制造;然而,這些機(jī)器的設(shè)計也可以適應(yīng)和就地操作小型閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以使緊湊比率高的機(jī)器。連續(xù)運(yùn)動學(xué)機(jī)器的研究和開發(fā)已經(jīng)審查，尤其關(guān)注昆蟲類型機(jī)器，從的角度來看國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所連續(xù)運(yùn)動學(xué)機(jī)器系統(tǒng)的開發(fā)源于需要增加速度、精度和機(jī)床的靈活性，以滿足現(xiàn)代制造環(huán)境的要求。第一個和最常見的設(shè)計是平臺或昆蟲,1994 年首次證明是一個機(jī)床。這是一個 MST 的大部分研究都集中。圖 10 顯示了連續(xù)運(yùn)動學(xué)機(jī)器用于這項研究。共 8 頁 第 8 頁圖 7 原位鉆孔系統(tǒng)在一個圓柱形容器 [7]3 結(jié)論人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn), 連續(xù)運(yùn)動學(xué)機(jī)器可以提供更高的運(yùn)轉(zhuǎn)比率，塔移動質(zhì)量，更高的速度比，與傳統(tǒng)機(jī)床相比具有更高的精度和更低的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。然而，非常規(guī)結(jié)構(gòu)也帶來一些困難。他們使用六自由度執(zhí)行操作要求所有六個運(yùn)動軸的同步運(yùn)動。這使得“更復(fù)雜的控制，刀具軌跡規(guī)劃和誤差補(bǔ)償中遇到比一般傳統(tǒng)的機(jī)器。連續(xù)運(yùn)動學(xué)機(jī)器通常也顯示更復(fù)雜的工作區(qū)信封比傳統(tǒng)機(jī)器。連續(xù)運(yùn)動學(xué)機(jī)器和其他組織正在進(jìn)行一系列的相關(guān)研究項目解決這些和其他挑戰(zhàn)連續(xù)運(yùn)動學(xué)機(jī)器的技術(shù)。