外文翻译- 组合机床设计的模块化建模方法

毕业设计 （论文）译文 英文题目 ： A of 汉语题目： 组合机床 设计的模块化建模方法 学 院： 专业 年 级： 姓 名： 班级学号： 指导教师： 二零一 三 年 三 月 二十 日 - 1 - 组合机床设计的模块化建模方法 图尔加 埃萨尔 美国密歇根大学研究生 研究助理机械工程系安阿伯 弗里 L 斯坦 美国密歇根大学机械工程学系教授 卡斯 卢卡 塞浦路斯大学机械与制造工程讲师部 摘要 在市场需求讯息万变的情况下，为提升工业竞争力， 称为 组合 机床（ 新一代机床应运而生 。 为这些机床的 高效设计 ，则须提出 新的方法和工具。这是本文提出 组合机床 伺服轴模块化建模方法的目的， 而这也只 是 努力发展集成的组合机床 设计和控制环境的一部分 。该机床的组 件被 模块化，这样 就 可以 将 相应的组件 基于机床拓扑学 装配 起来得到 任何特定的配置模型。组件模型使用内置的图形 代码以促进所需 模块 库的直接发展。这些机床模块 可用于评估，设计 和机床 伺服轴的控制。 这种方法已有实践证明，人们对其优缺也有一定认识 。结果表明，该方法是实现自动化和集成 的机床 设计环境 很有 希望的一步 。人们对 完成这个目标 所要面对的挑战也 进行了 探讨 。 引言 不断增长的竞争迫使制造商更快速地响应需求的变化。因此，制造商必须面对产品 市场 周期短， 过渡时期短 ， 型号和量 变化频繁 的情形，而且不能 影响产品质量和成本。 作为制造系统的核心， 改进的 机床在 满足上面提到的需求上把握着 关键 技术 。传统的机床 在 专用 和柔性上 的缺点今 更胜昔 ： 因 其设计的重点 在 单一部 件 ， 使 专用设备缺乏 柔性机床所具备的 灵活性和可扩展性。另一方面， 柔性机床 无法实现鲁棒性， 高的 成本效益和专用设备 所有的生产量水平。 新一代机床在美国密歇根大学工程技术研究中心 由 持开发，为的是克服现有生产系统的不足部分 为 可重构制造系统 而 开发。这些机床 称为组合 机床（ 2， 它们 结合 了 专业和灵活的优点 。它们 围绕一个零件族和他们的结构设计，在硬件和软件方面，可 以快速的改变，经济有效地实现精确的功能和 满足设备需求 3 。 含多种配置，提供 所需柔性 和可扩展性， 质 上 导致 了更复杂的 机床设计问题。 帮助 促进 计 的 方法和工具将 很大的促进可 重构制造系统 的应用 4计问题的一个重要方面是发展动态模型的设计，伺服轴 的控制和赋值 。使 2 - 建模问题独特的 是，即使 仅有一台机床 ， 也和 存在几种不同的配置， 且 单独的模式，必须开发。为所有可能的配置 开发 动态模型可能是一个繁琐和费时的任务， 即使利用了特别的方法 。而且，没有系统的方法建模 将 需要大量的专业知识， 并容易出错，从而降低了设计 中 使用模型的效率。 本文提出了一种方法，可以有助于 减少 模 的时间，出错 和麻烦 。这一方法的核心思想是利用 模块化结构的优势，采取 块化建模方法的建模概念。首先， 物理组件的模块化建模方式 是 使用键合图建模工具 7。该键合图模型被封装在一个定义的连接 端口的 示意图 中 。然后，原理组件模型按照给定的配置拓扑 来 组装获取配置模型。配置模型 很容易 与非 动部件 如插 补器 和控制器 结合 ， 这可用条形图方便体现； 但是这超出了本文的范围。 背景 念是由科伦和哥打 2提出 ， 从那时起 ， 设计 就是 一个活跃的研究领域。设计 的 方法 、 工具 以及 评价结构刚度 5和 提示错误 6设计的替代工具已经开发出来。然而，开发一个系统级建模方法 的 问题还没有解决。传统上，机床模型描绘伺服电机和 驱动装置 为第一或第二阶系统 8,9 。然而，陈 和 特卢斯季 认为一旦采用了 高速机床 伺服 驱动 的结构动力 可能会影响系统性能 10。许多研究人员认定 需要配合结构动力学 在 高速机床 上 使用高阶模型，以便能够成功设计 其 控制系统 11这些 论述 清楚地表明，机床建模不是一项简单的任务和考虑复 杂模型 时必须要细心 ，但他们没有提供系统 的 建模方法，因此，仍然 得 应用 特殊 方法。 为有助于设计和控制机床伺服驱动，仍有人努力做自动仿真模型的研究 。威尔逊和斯坦开发 了一个叫建模助手 的软件程序 能在一个给定的影响范围内 自动 创 成 机床驱动系统微型模型 （ 14。该模型包括飞轮 、 一个扭转轴 、 一滚珠丝杠 、 一 滚珠 直流电动机 、 一个扭 转连接键、 带驱动和齿轮 副 的组成部分， 其 复杂性自动增加，直至超过规定 特征值。这项工作 仅是 一个概念模型 推演法则 的证明，不能适用于任何真正的机床系统。不过，这种方法可以用来确定发展系统模 型 时其 复杂性 是否 适当。 戈蒂埃等已经开发出一种名为 软件包（仿真与控制的机床分析） ，这有助于 建模，仿真，模态分析和控制 器 的 一倍或两倍减震 或两个机床轴耦合 15。他们的模型由 大量 的 模块 和弹簧描述机械系统的动态 特性。 这项工作使得机床的建模过程更加系统，因此 对建模 工程师 来讲 是很有价值的工具，但它缺乏 计方式所要求的 普遍性 、模块性和柔 性。 模方法 如 图 1 显示了所设想的 模环境。这对于实现 模任务 自动化 是理想的，而 特定 的 配置模型自动从 标准 组件模块 库 组装。这样所有 人工或自动产生的 候选设计 都 可以快速模拟 ，而其 模型可用 - 3 - 于 就它们的 伺服 轴动态性能和帮助设计 方面 评价候选方案 ， 如图一所示， 模块化组件模型库是一个 自动的 模环境的重要组成部分。因此，拟议 方式 的第一步 就是为了开发用于生成 置组件的标准模型。 本文 将 重点 放在 机械零件 上 ，并讨论 了它们 模块化 的 建模方法 。 因为机械部件之间相互 影响 ， 促成 它们 的 模块化 。 更有趣的造型。只交流如 插补器 和控制器信号 的 模块化建模的组件，提出了一种比较简单的问题， 这儿不再讨论。为 促进模块化和 使 组件 与环境 之间的 能量交流更 容易，键合图 被 作为 了 建模语 言。键合图提供电力的物理系统的图形表示。此外，键合图 用 统一的方式描述 了 不同的能源领域，这对 模 是相应 的优势，因为他们的伺服轴可能包括来自不同领域如机械 、 电气或液压 的组件 。键合图 只是用在这项工作中模型体现分级结构中的一级 。键合图 下一 水平的数学方程 式 代表键合图 体现的物理现象 ，这 种数学体现只是 层次结构中 的最 低水平。最高级别的键合图都 被 封装在一个示意图 中 ，这不仅 表现 紧凑，而且还显示 与环境融合的 连接端口。图 2 说明了这种层次模式 体现 。 这篇论文 所有的模型显示在原理 层次 ，因为本文的目的不是讨论他们的 来历 ，而是想一 旦得到这些模型能够做些什么。本文所用模型的详细描述 在 16中都 可以找到 。 为了能够应付任何 经历不同配置的 机械部件 的 空间运动，使用 了 捕捉三维动态 的模型 。此外，最初的假设是，在机械领域 范围内 所有组成部分 都 可作为刚体充分 体现 。 图 3 所示的有 N 连接端口的一般刚体是模块库中的一个主要模块。对应于刚体上兴趣点的端口，与环境发生物理上的交互。关系用于指示端口是原子端口，如主要部分能通过端口与所处环境交换能量。而现行的关系则指出了信号端口。只有信息通过这些端口传输。模型库还包含三维连接模块可用于描述构件模型的相关运动。 这些 联合模 块和端口也以标准开发，这样 他们可以连接到其他模型模块。该库提供了两种方法来表达制约因素：（ 1）硬的弹簧和减震器可以用来实现更现实的限制，或近似理想的限制 ； （ 2）拉格朗日乘数可以引进来表达理想约束。对于联合模 块 的 论述 读者也被称为 16。一旦模型库 由 一些基本的模块化刚体和模型 组建 ，建模过程可以进行如下：件 被分解成 单件 ，每个 单件 与库中的模型相关。如果库中的模型模块都不能 完全 描述 这个单件 ， 那么 必须 开发 一个新的 相关 模 块并 添加到库中。然后，模型 根据构件拓扑并使用必要的结合块 组装 。 一旦获得组件模型，它可以 存储在库 中备用 。最后，组件模型按照给定的配置拓扑获得该配置模型 的 组装。这个过程可以用图 4 的 流程图及以下部分的例子 给予 证明。 实例 下面两个例子给 提议的 建模方法一个概述。第一个例子显示了一个幻灯片建模和第二个例子采用该幻灯片模式发展为 式。这些例子的目的是提供一个关于组件的模块化如何 用在建模流程中的 总体思路，而不是解释每个（子）组件如何识别和 - 4 - 建模的详细信息。因此，该模型模块的细节如 它 们的复杂程度都没有讨论。 滑动体 建模是大多数机床工具基本组成部分，包括 同的 置可以通过 添加 /删除 滑 动体获得或 重新配置现有 结构中的滑动体 。因此 演示 一个 滑动体建模流程 是有益的。 参看 图 5 所示的 滑动体 。这是假设 的 构成部分即如图所示。本示例的目的，所有除电机外的子 构件 可以 像 刚体与各连接点 样 建模。电动机的动力可分为两个 用途 ：三维 架构 刚体动力和驱动转子和定子之间旋转运动 的 机电动力。 电动机获取双领域动力的模型也已经开发出来 ，其示意图 由 图 6 给出。 弓形 模型 是由美国国家科学基金会工程研究中心可重构制造系统在密歇根大学开发的，是世界上第一个完整规模的 是一个 3 轴机床， 其设计 围绕着 具有 五个不同表面 族，这些表面 倾角变化范围从 至 45 ，一次增量 15 。它还具有如磨削、钻削加工任意角度的柔性。弓形 可重构 性 来自 于主 轴单元，它可通过弓形模块的弯曲导向槽移动从而在上面提到的 5 个角度得到配置，然后在任意一个位子上由机械挡块固定。为了举例 假设 基 本模块是 完全 相同的，并对机床没有动 力的 影响 。该工作台 、圆柱、主轴基本上都是滑动体，其 模型 都以 上述 滑动体模型为基础。 该 拱被建模为刚 体并带有与 每个 机械挡块 连接 的 端口。最后，该拱式 实际机器的拓扑结构组装 。要 注意这个数字显示的模型只 是 配置之一。其他配置的模型可通过改变拱模型连接端口 得到 。 既然 模型 已 组装，运动方程可以自动从图形模式得出， 并 执行 仿真 。尽管数学模型准备好了， 由于当前缺乏好的系统参数估计， 我们不能 在 本文 中 提供 任何仿真结果。一 旦 参数值可用 仿真就很容易 进行。 讨论 本文 中标准 建模 和分级建模 概念 被 确定为 模方法的主要特点。 模块化结构使 这种建模方法很有益处 ，因为这些模型包含了所有可重构的重要特征17： 1 模块化：（ 子 ）组件建模模块化 2可集成 ：该模 块 可以通过其连接端口 与 其他模块集成 3定制 ：详细程度包括 了 模型模块 都 可 为 单个组件 进行 定制 4可重构性 ：模型可以很容易地从一个配置转换到另一个 5 诊断性：可方便地进行模块的模型验证 本文介绍的方法可以 将建模任务 分为两个步骤：（ 1）开发组件模型 ； （ 2）装配配置模型。虽然第一步仍然需要大量的建模知识，第二步更系统，甚至 将来要实现 自动化。此外，两个步骤 各有侧重 ：第一步的重点是组件 内 动 态 ，而第二个步骤重点是组件之间的动态。 相对于伺服轴 建模 现有的方法，各个不同 的 置 都 是一个 潜在的 新建模问 - 5 - 题，本文提出的方法允许配置模式更快的发展。配置可以使用库中的模型模块快速组装 ， 假若如此，使用在给定配置的所有组件在模库中都有对应的模块。 因此，一个 完善的 模型库 对 这一方法 的 有效 性 是必不可少的。 对机床的机械部件三维多体建模方法推动 了 机械领域的模块化。因此，机床滑动模型可用于任何 配置， 例如 在一个滑台移动有更多约束的环境下而不需要特别的滑台模型。 以多体的方法， 开发 通用组件模型可以没有组件 接口的 先验知识。然而三维多体方法的 一个 缺点是 通用模型 可能 比某一 实际配置 的需求 更复杂。例如，在给定的配置 中 一个组件可 能只是 被限制在一个平面 运动中 ，在这种情况下，三维模型 就过复杂了 。该模型 应该 简化，否则模型 中 不必要的复杂性降低了模型的计算效率。拟议的模块化建模方法将 从 集成模型降阶算法 中 受益。这将是今后工作的重点。 目前，该机构被认为是刚性，这并不总是 很接近 。为了能够研究结构动力学的影响， 柔性的 机构模式也应 开发 并 添加到模库 内。 最后，值得注意的是商业 可用 软件包如 也可用于 模的目的。 然而，采取统一强大 的 键合图提供的功能 基础方法，并 简化 未来的模式 使其 更易于实施， 那么 键合图 就被选为 建模语言。 概要和结论 模块化建模方法 被提议作为组合机床 建模方法。这些部 件 在标准方式下建模，这么做的目的就是为了在组建给定的机床配置模型时只需将相应的模块组装就可以了。本文 给出 了 两个例子来说明 这种 方法， 并且讨论了这种方法的优劣。 这项工作的结果表明， 模块化建模问题可以使