共 8 頁 第 1 頁在最近的特殊用途的機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)可能的優(yōu)勢(shì)和分心描述的各種技術(shù)進(jìn)行了討論。本文繼續(xù)對(duì)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(gè)修復(fù)操作設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(huì)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(shí)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(gè)過程耗時(shí)復(fù)雜，潛在的危險(xiǎn)和昂貴的費(fèi)用對(duì)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(shí)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(shí)安裝該組件仍或多或少可以提供明顯的優(yōu)勢(shì)。為了解決這個(gè)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(gè)行業(yè)的應(yīng)用程序示例范圍。此外，其他一些專家對(duì)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(shí)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(gè)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(shí)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(gè)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(jì)，可以提供更靈活的加工能力。2.1 連續(xù)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器串行運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器是那些更傳統(tǒng)的設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng)軸是由獨(dú)立的幻燈片或其他階段逐個(gè)堆疊起來提供多軸運(yùn)動(dòng)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(gè)例子，一臺(tái)機(jī)器在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和其他大型工件由一系列指數(shù)設(shè)備可以臨時(shí)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(gè)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(chǔ)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(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)范圍的體現(xiàn),其中一個(gè)是圖 1 中所示。這臺(tái)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(gè)更小的優(yōu)勢(shì),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(shí)可以交換機(jī)器，就是為了降低生產(chǎn)停機(jī)時(shí)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(gè)例子是安裝在一個(gè)靈活的鐵路系統(tǒng)臨時(shí)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(gè)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(jí)鐵路所以如果不平行也不會(huì)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(dòng)。工具持有人可能支持額外的軸。系統(tǒng)安裝在一個(gè)數(shù)組的間距針(26)保持一個(gè)統(tǒng)一的工件的距離 ,并獲得由真空吸盤(28)提供的動(dòng)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(jì)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(shí)控制器可以彌補(bǔ)的形狀工件定位工具。這臺(tái)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(dòng)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(bào)道了臨時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)高度專業(yè)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)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(gè)靈活的鐵路機(jī)床臨時(shí)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(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)的維護(hù)是不切實(shí)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(gè)例子下面將描述這些原位機(jī)器，第一個(gè)是維護(hù)大型活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。這臺(tái)機(jī)器是專為原位重新調(diào)理的曲柄軸和固定針設(shè)計(jì)的。這臺(tái)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(shí)間和費(fèi)用和運(yùn)輸機(jī)械工廠。設(shè)計(jì)包括一個(gè)支架系統(tǒng),暫時(shí)連接到曲軸網(wǎng),支持一對(duì)軌道車輪與它們之間的機(jī)床安裝。這個(gè)系統(tǒng)使機(jī)床在加工工件時(shí)是以移動(dòng)軌道的方式。許多變化的基本設(shè)計(jì)和加工不同尺寸的配置。這是一個(gè)相當(dāng)簡單的設(shè)計(jì)，為一個(gè)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(jì)。其他海洋應(yīng)用原位機(jī)器的目的是致力于船用動(dòng)力系統(tǒng)和蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。幾個(gè)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(dòng)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(gè)線程插入洞里。這臺(tái)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(tái)機(jī)器有一個(gè)圓形導(dǎo)軌,使銑頭的形式的焊接加工。銑單元使用一個(gè)液壓軸由一個(gè)獨(dú)立的液壓動(dòng)力單元。對(duì)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(gè)操縱者液壓驅(qū)動(dòng)的形式，計(jì)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(gè)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(jì)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(shì)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(yàn)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(huì)減少他們?cè)诠ぷ魑恢镁群蛣偠?這可能會(huì)限制操作可以執(zhí)行那些生產(chǎn)非常低的反應(yīng)部隊(duì)。也參照電力系統(tǒng)等,另一個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)型結(jié)構(gòu)(10)有幾個(gè)支架(30、32) 擴(kuò)展，服務(wù)支撐位置對(duì)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(gè)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(gè)系共 8 頁 第 6 頁統(tǒng)在工作區(qū)域的方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要修改或工件的變形，但它可能會(huì)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(gè)例子提出了一個(gè)系統(tǒng)的形式設(shè)計(jì)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(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)砂輪 (22)(24)和舉行,沿著鐵路的地面驅(qū)動(dòng)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(gè)高度專業(yè)化的加工解決方案為一個(gè)特定的應(yīng)用程序，它是適合這個(gè)任務(wù)，但不太可能容易適應(yīng)其他原位加工操作。多個(gè)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(duì)。這剛度需要最小化的固有優(yōu)勢(shì)，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(gè)軌道運(yùn)動(dòng)(如螺旋銑 )時(shí)這些設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)焊縫的焊接切割和制備表面安裝在一個(gè)演示[5]:(a) 液壓動(dòng)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(gè)電動(dòng)機(jī)(28)驅(qū)動(dòng)支持(20),旋轉(zhuǎn)加工軸(22)。一個(gè)工具持有人被安裝在支持和推動(dòng)第二電機(jī)(5)對(duì)刀位軸旋轉(zhuǎn) (32)和抵消加工軸平行。當(dāng)汽車驅(qū)動(dòng)在相等的角速率，定徑的工具在一個(gè)加工循環(huán)，當(dāng)汽車在不同驅(qū)動(dòng)角速率不斷加工圓的直徑會(huì)有所不同。雖然沒有報(bào)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(gè)軌道加工系統(tǒng)由兩個(gè)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(gè)氣缸配有汽車,以便他們可以旋轉(zhuǎn)獨(dú)立。外筒的轉(zhuǎn)動(dòng)提供軌道運(yùn)動(dòng),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(dòng)學(xué)體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)軸的逐個(gè)堆疊起來的其他個(gè)人單獨(dú)和操作來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸。這樣的機(jī)器結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是他們?nèi)菀讖?fù)合錯(cuò)誤; 作為一個(gè)錯(cuò)誤在一個(gè)較低的階段會(huì)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(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)并行工作實(shí)現(xiàn)在多個(gè)軸運(yùn)動(dòng) :這種方法克服了復(fù)合錯(cuò)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(gè)和最常見的設(shè)計(jì)是平臺(tái)或昆蟲,1994 年首次證明是一個(gè)機(jī)床。這是一個(gè) MST 的大部分研究都集中。圖 10 顯示了連續(xù)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器用于這項(xiàng)研究。共 8 頁 第 8 頁圖 7 原位鉆孔系統(tǒng)在一個(gè)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(dòng)學(xué)機(jī)器可以提供更高的運(yùn)轉(zhuǎn)比率，塔移動(dòng)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(gè)運(yùn)動(dòng)軸的同步運(yùn)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)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(xiàng)目解決這些和其他挑戰(zhàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器的技術(shù)。