（机械制造及其自动化专业论文）可重构数字式机电测控试验平台的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 可耋构露l 造系统趋为响应市场绒不规刘需求瀚突然变纯，避速调整密一个零俘族 内的生产熊力和功能，为快速改变结构以及硬件和软件组件丽设计的一种可骥组制造 系统。可爨梅制造系统综合了专用制造线和柔性露4 逡系统的优点，成为提藏企业竞争 力静关键技术。 作为一种先进的现代制造哲理，可重构理论已广泛应用于制造业、信息嫩等领域， 并显示出其特殊的优越性。模块化设计是实现系绕硬馋可重构的主要技术。可重构的 产晶开发强调产品静构髂纯馥及设计豹模块纯，袋求在产品设计中霉羹重复利角已有 的各种资源，以实现产品的快速重构。 本文硪究了可重构臻逵系统和模块化设计的纂本理论，分椒了将模块化设计方法 应用予可熬构产品开发的设计流程。舔重鞠产赫磺伟开发可划分为三个连缓除段：系 统设计、横块设计与开发以及产品装配，它们共网构成了可重构产品硬件开发的整个 设计流糕。 本文介绍了将可鬟构理论应籍j 予测控试验警奁开发豹过程。戳已有酌诗箨辊辕秘 误差测控仪为原型，按照模块化产品设计流程进行了试验平台机械本体部分的设计， 研制了基予可重构理论的数字式枫电测控试验平奄。完成了试验平台样机的制造，检 验了该产黼模块纯设计的台理性。试验平台能搬搬实验项蠢魏不同霈求恧避行穗痘豹 快速重组，产品设计达到了预期要求。 本文阉l l 重奔绍了数控分度实验和平嚣凸轮轮廓动态测量实骏在试验平螽上的实现 过程。介绍了这两个实验项舀的实簸原理、枫械缩构重组遥稳，对彩镌实验溅量结暴 的误差因素进行了分析。针对这两个实验项目，刀：发了相应的控制软件。 关键词：可重构理论模块化试验平台 数控分度凸轮检测 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( r m s ) i sd e s i g n e df o rr a p i dc h a n g ei n s t r u c t u r e ，a sw e l la s i nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p o n e n t s ，i no r d e rt o q u i c k l ya d j u s t p r o d u c t i o nc a p a c i t ya n df u n c t i o n a l i t yw i t h i nap a r tf a m i l yi nr e s p o n s et os u d d e nc h a n g e s i n m a r k e to ri nr e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t s 。r m s ，w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fd e d i c a t e d m a n u f a c t u r i n gl i n e s ( d m l ) a n df l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ( f m s ) ，h a sb e c o m et h e k e yt e c h n o l o g y o f i m p r o v i n g t h e c o m p e t i t i v ec a p a b i l i t yi nc o m p a n i e s a sa l la d v a n c e dm o d e r nm a n u f a c t u r i n gp h i l o s o p h y , t h er e c o n f i g u m b l et h e o r yi su s e d i n m a n u f a c t u r i n gf i e l d ，i n f o r m a t i o nf i e l da n d s oo n ，d i s p l a y i n gi t ss p e c i f i cs u p e r i o r i t i e s t h e m o d u l a rm e t h o di st h em a i n t e c h n o l o g y t or e a l i z et h er e c o n f i g u r a t i o no f s y s t e m sh a r d w a r e t h ed e v e l o p m e n to fr e c o n f i g u m b l ep r o d u c t se m p h a s i z e st h ep r o d u c t s c o m p o n e n t sa n d m o d u l a rd e s i g n ，r e q u i r e st h et e n s ea n dr e c y c l eo fa l lk i n do fr e s o u r c e st h a ta l ee x i s t i n g d u r i n gt h ep e r i o do f d e s i g n ，i no r d e r t or e a l i z et h er a p i dr e c o n f i g u r a t i o no f t h e p r o d u c t s t h i st h e s i sp r e s e n t st h eb a s i ct h e o r yo fr m sa n dm o d u l a rd e s i g n ，a n a l y s e st h ed e s i g n c o l l r s eo f a p p l y i n gm o d u l a rd e s i g n t ot h ed e v e l o p m e n to fr e c o n f i g u r a b l ep r o d u c t s t h e d e v e l o p m e n to fr e c o n f i g u r a b l eh a r d w a r e i n p r o d u c t sf a l l s i n t ot h r e es u c c e s s i v ep h a s e s ： a r c h i t e c t u r ed e s i g n ，m o d u l ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t ，a n dp r o d u c ta s s e m b l y t h et o t a l d e s i g n c o u r s eo f r e c o n f i g u r a b l eh a r d w a r ei np r o d u c t sc o n s i s t so f t h ea b o v et h r e ep h a s e s t h et h e s i si n t r o d u c e st h em e t h o da p p l y i n gr e c o n f i g u r a b l et h e o r yt ot h ed e v e l o p m e n t o f e t p e r i m e n t a lp l a t f o r m f o rm e c h a n i c a l - e l e c t r o n i cm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l 。a c c o r d i n gt ot h e a b o v ec o u r s eo fm o d u l a rd e s i g n ，u s i n gt h ec o m p u t e r - a i d e de r r o rm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l d e v i c e ( e m c d ) a st h ep r o t o t y p e ，w ec o m p l e t e dt h ed e s i g no fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r m s m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，d e v e l o p e dad i g i t a le x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rm e c h a n i c a l 。e l e c t r o n i c m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lb a s e do nt h er e c o n f i g u r a b l et h e o r y t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s m a n u f a c t u r e da n dt h er a t i o n a l i t yo f t h i sp r o d u c t sm o d u l a rd e s i g ni d e a si sp r o v e dt ob ev a l i d t h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m e a nb e r a p i d l yr e c o n f i g u r a t e d i nt e r m so ft h ed i f f e r e n t 华中科技大学硕士学位论文 r e q u i r e m e n to f e a c he x p e r i m e n ti t e m t h ed e s i g no ft h i sp r o d u c tm e e t st h ea n t i c i p a t i n g d e m a n d s ， t h et h e s i sa l s op r e s e n t st h er e a l i z i n gc o u r s e so fc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) d i v i d i n g h e a d e x p e r i m e n t a n dp l a n a rc a mp r o f i l e d y n a m i cm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t ， i n t r o d u c e st h et w oe x p e r i m e n t s p r i n c i p l e s a n dt h e i r r e c o n f i g u r a b l ep r o c e s s e s o ft h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r e s a n a l y s e st h ee l i * o rw h i c hw i l la f f e c tt h er e s u l t so f t h em e a s t l r e n l e n t ， a i m e dt ot h et w oe x p e r i m e n t s ，w ed e v e l o p e d t h e i rc o r r e s p o n d i n g a p p l i c a t i o np r o g r a m s k e y w o r d s ：r e c o n f i g u r a b l e t h e o r y m o d u l a r i z a t i o n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m c n c d i v i d i n gh e a d c a mm e a s u r e m e n t i 独创性声明 本人声明所熙交的学位论文是我个人程母师指导下谶行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包食任何 荬德个入或集体已经发表或撰写j 熏熬研究或巢。对本文静磅究擞凄贡献豹个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人毙全意识到本声明的法律结聚由本 人承掇。 学做论文作者签名：王毛自弃 爨麓：舛馨 罚霉翻 学位论文版权使用授权书 零学傻论文l 枣喾宠全了鳐学校有关像霆、使蘑学位论文的规定，鄹：学 校有税保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和嘏予舨，兔许论文被 查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的龛部或部分内裙编入 有关数掇痒进行检索，可以采躅彩零、缩印或撼拯等复制攀段保存； 珏汇缡本学 位论文。 保密口，猩年解密后适用本授权书。 本论文】| | 鼙予 苓搽密舞。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：王各嘲 f l 期；工峰笮_ 孽月，f t ， 指导教师撼缓 同期：2 舅o 年r 月q 同 i | 华中科技大学硕士学位论文 ，绪论 l + 1 课题的提出 羲掌靛嚣浚蚕霆擎捺蒸零蘸蠢擎袭蒋；菱获嚣臻臻廷嚣孚羧辩教骞霉建发装翡羲 质基础，特别在以实骏为熬础的学科中，其重要性趟涞越明显。澈学仪器设街为实施 索质教育掇搬了基本的瓣膜舞传，臻瓣大量蛇实验，熔器7 学生蛉秘手能力，不莰毒 懑予毫奉翔淤熬琴毫雾，透餐藏蘧透露了簸蘧落蒜，遮耱诞缘薄予z 释擎皇謇遴避茏羹 熏要的。 毫等数糍强诞实黥勘举戆女鲍墼黉性，诲多学校淹了提寒学黛烬决实鼯潮然酌鼹 南，蘩天意裁震襄羡逡交麓羲蓉。孥孛释疆夫学辍拣学鏊囊霞黧港攘煮臻梵赛鬻麓纛 功的加工遄拣误差的检测、分析与控制溜验仪计髀机辅助误燃测控仪( e m c d i v ) 怂一台冠麟基；骏教学、碳畿豁舞放式擞媳一体诧设爨，滚实验仪潍艇娄用户撼供强拿 蘩零实验：灏王莲蓬诿黎懿麓诗舅轿、秘互建囊诿蔫黪渗溪，藏王过程囊菱裁蕊溅量 岛实时补偿、螺纹数控加工仿真以及熬机剐传动误黼猩线验收。诚仪器综合多辫科先 避接拳，骢强艇攘露g 造专嬷、辍电控劁号基动佬专煦瓣专科生、拳辩空、矮壹擞殛设 多令实验，瓿嚣赣霆撬瞧舞专篷实验毂祭靛要求”。 随者微溆子技术、计髂机技术、精粥机械技术、俯息集成搜术簿高新技术的迅猛 茨蓑，蓉会戆袋爱爱器掇懑了雯裹、懋瓣、更多魏爨袋+ 热要求逮窿更莰、燹秧嶷委 黼、稳定瞧鞭好、篌鬻甏方便、或零爨衢臻、并豆祷念可持续菠黼藤戆。因撼，梅现 代制造技术中的先进理协目l 入到实验仪器的设计中魁商很强的现擞意义。 鸯了燮磐遮竞蓥襄爹巍燕套懿谤葵挺疆蘑误饕溅整莰懿实骢漆籍，囊霞辍爨藩器 添了奉谋熬辩研究工稼，褥可重秘蘸潦譬 灭嚣实验暾器瀚设诗审，秘 翻了霹熏鞠数字 忒机电测控试验平台( k s p t - i ) 。测掇试验平台的硝徽构设计包揣可熏构硬件设计和 壤重鬟软黪竣每 嚣量方舔，誊文麓磷炎蓬纛是溅撩试犍警套稳霹爨褥琵转谖诗。 1 2 国内辩研究现获 传统测试仪嚣的生产设计中，般深用蛉设计懋煨是以测试搜术先援心t 搬掇仪 器囊霎窭褒瓣殛囊，淹瓣域袋器釜戴瓣罄攘懿，羧蘩麓壤、雾瓣越疆、太撬交甄莓磊 华中科技大学硕士学位论文 部分，产品功能院校单一，产品结构一般不可调熬。现代仪器融不再是功能单一的和 固定的不可变结构，而是越来越表现出柔性化和镏能化，产晶的适应性越米越强，功 戆氇越来越丰富。 珂熬构技术秘黼园广泛应用予傣息处理领域、机械制造龇、网络领域、医疗卫生 等很多彳亍业，并显示了其特殊的优越性。可重构理论是目前的一个研究热点，尤其在 生产铬l 造领壤，鹜内努荚予这方霞的研究或暴魂魄较多，卺麟戳美鐾m i c h i g a n 大学巍 代表，2 0 0 1 年5 月在m i c h i g a n 大学稻开了c i r p 第一滴柔性、可重构制造阐际会议。 国内以清华大学、重庆大学、南京航空航天大学、中科院沈阳自动化研究所等高校和 辩磺稳翳秀筏表。嚣秘胃重穆理论磷究成果六郝集审予螽遥热领蠛、信惠领域等，褥 其应霜予实验仪器的设计并不多，酗内合胞工业大学陈曾驻将丽重构技术弓i 入仪器设 计中，鄹f 究了智能仪器的可重构设计”“。 羁羟蕊验平台露蒸擒凌诗技零氆程矮掌l ：蕞羹麴饔获释剪夔溺嚣个方嚣，硬终哥垂 构主要揩祭统硬件组成的可重构，使得试验平台能根据实验项目的不同需癸而对其机 械枫构、功能、接口簿功能模块进褥漂新配最，以达剑通过使愿基本的功辘模块单元 懿重缀泉实瑷萁多静多榉麴实验功熊。较待胃羹掬主要霆蘧避瓣滚我鹳或黉数据瑟谣 整组合，使其满足试城平台各实验项目控制软件的需要。 ，3 谍题綦嚣突的主要内容 零漯髓研究豹主要内容是研巷种功能可重桷的实验仪器数字式机电溺控试 验平台。谶试验平台程设计一组基本功能模块的撼础上，根据燃验项目的不同需要， 遵过对冀硬俦采较嵇磅携模块麴重梭，实瑷试验警螽酶各令实验矮匿。 在参考借鉴骠有谟麓潮控铰魏黎础上，按照可熏构理论豹设计思想和蘩求，通过 对实验仪器功能的总体分析，对其功能模块进行合理适当的划分t 并分别设计各个功 煞模块的磴释梅或。与试验平台配套鹣瘗臻软 孛瞧必颂按爨可羹构设诗慰想送行开发 设计。新瀚软件整钵糕繁适应了实验仪器的需要，褥聍便于功能的进一步宪蒋和扩充。 新的设计保留了原有误差测控仪的五个基本擞验，同时程测控试验平台上新增加 一些实骏，瓣步遗惫裁蚋驱动控测实验、走掇只辩缡玛盘鲍读数实验、数控分陵实验 华中科技大学硕士学位论文 以及平面凸轮轮廓动念测量实验等。 本文的主要研究内容有： l 、辩霹重携理稔避簿了较全嚣豹磋究，_ ；_ ；：将遮秘掰 变应耀予测控试验平惫貔没毒 中，提出了可重构产晶硬件的模块化设计流程； 2 、按照可重构产晶硬件的模块化设计流程进行试验平台机械本体部分的设计。首 先势辑测控试验平台戆憨诲凌怒，然嚣在毙基疆土，对测控试验乎台橇援零俸都分送 行单元模块的划分，对各个单元模块进行设计，绘制试验平台机械本体的三维效果图、 二维零件圈和装配图，最后根据实验项目的不同情况，对产品谶行相应的敞爵己重组， 检验擎元摸决设诗熬会疆毽； 3 、将试验平台原拟已有的实验项目在新的试验平台上重新嶷现并加以究善，在此 基础上新开发设计了数控分度实验和平面凸轮轮廓动态测量实验，并完成其相关的控 制软薛_ 歼发工捧； 4 、研究了基于仿入智能控制韵数控分度算法，并将其应用于试验平台的数控分度 实验中。通过实验，检验了程序控制算法的设计； 5 、毳； 究了乎瑟瑟轮轮瘸毪溅静方法，羁。影舔警覆凸轮轮癣稔测误差麴鸯焚霾素遴 行了分析，采用直线摘补方法处理鼢轮轮廓测量数掘。通过实验，对测量值与理论值 进行比较，检验直线插补方法的可彳亍性。 本漾麓兖分弱瘸实羧纹嚣软硬转系统豹资源，尽毒戆熬实瑷其凌缝懿霹霾稳莛， 并将其歼缴成一种新型实用的产品，实现测控试骏平台的设计模块化、功能多样化以 及操作简麟化，促进商校教学改革和数学素质的掇高。 稷攒莓重稳疆谂瓣实验搜器遗行嚣发设计，蒺毒裂于霹耋麴理论靛敷鼷发矮；弱 时也有利于实验仪器的升级改造。新的设计有利予产品的推广使用，相信随蓠这种实 验仪器的研制成功，产品将具有更加广阔的市场前景。 华中科技大学硕士学位论文 2 可重掏制造系统理论基础 2 ，1 可耋构制造系统产生背景 宙予全球规模的激熬经济竞争，消费者需求的鞠盏增翔，以及热工技术变纯的节 奏加快，使得市场变化变得越来越不可预测。制遗系统如何快速、敏捷、柔蚀地响应 市场的嚣求，成为提赢众业竞争力的关键技术之一。 专用制造线( d e d i c a t e dm a n u f a c t u r i n gl i n e s ，简称d m l ) 帮索性制造系统( f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，简称f m s ) 怒目前绝大多数制造企业所采用的两种生产方式。 专月制造线的生产对象燕某一特定的产品或零传，追求的目撂怒离效的生产搴；柔性 制造系统的生产对象楚嗣一生产线上的一组可交产晶，生产产爨可报据实际需要进行 相应的调懿变化，产量般较低，追求的目标是生产线上加工产品的多样性。表z i 对嚣秘生产方式静局限瞧嚣爨点遴器了篦较。“。 表2 i 专j = l j 制造线和柔性制造系统比较 专h j 制造线黍性制造系统 蠲限牲：弱隈搜； 释柔性；昂贵； 黼向零什；面向机器； 嫩产能力同定；低产量； 誉霹拜级；攀刀加工； 谯煮；优点： 低成本；乘性： 彰刀加一f ： 可升级； 窭戥谖明，柔往镶l 潦系统翦高成本和专臻案l 造线弱不可辞绥经，使褥这两耱潮造 模式均不能很好地适应市场的变化。鼹以有竞争力的成本响应市场的变化，需要探索 耨豹售l 造方法，可重梅制造系统( r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，简稼r m s ) 就 是在这种鬻景下被提出j 泉的，可重构铡造系统综合了专用铡造线和柔瞧铡造系统两者 的优点( 表2 2 ) ，能够在需要的时候准确地提供所濡要的制造功能和生产能力，快速 适应枣场蜜化弱霉求。 2 0 世纪9 0 年代中期，美国等国家提出了可重构制造的概念。1 9 9 6 年美潮m i c h i g a n 华中科技大学硕士学位论文 大学成娆可重构制造系统工程研究中心( t h ee n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t e ro f r e c o n f i g u r a b l em a c h i n i n gs y s t e m s ，简称e r c r m s ) ，丌展可煎构制造系统项目的研 究。e r c r m s 中心弱袋立缮到了荚潮因家叁然释举基会委受会簿l 美謦国瞧2 s 家知名 制造企业的赞助和支特。e r c r m s 中心的研究课题是建立可蘩构制造科学的知识基 础，并针对缩短r m s 设计建造时问、可重构机脒与控制器的设计、降低系统重组后 达到羹三零运行戆过渡辩潮瓣舞辩瓣( r a m p u pt i m e ) 三方嚣成立了鞠应靛谖怒缝，进 行了深入细致的研究。2 0 0 1 年5 月在m i c h i g a n 大学召丌了c i r p 第一届柔瞧、可重构 制造国际会议，可重构制造成为国际学术界和企业关注的焦点。 表2 ，2 专舞 翻造线、柔瞧裁造系统承l 霹燕秘囊l 造系统魄较 专j = | 制造绒可重构制造系统豢性制造系统 机器结构同定可调艘j 州定 系统对象零事 ：零9 ：族撬器 升级性无钌有 柔性无定制柔性通心柔性 多刀网薅翻1 ： 谤醴霹 蔓不麓 在国内，可重构制遄系统的研究已为学术界所熏视。在相关基础研究的支持下， 1 9 9 8 年我霆雹家自然科学基金委员会浚助开展r m s 的重点瑗瓣硖究。国家爨然科学 基余将可激构制造系统的研究列入“十 矗”计翔。许多学者豳绕“可重鞫”遮一命题 开展研究，并取得了一燃研究成果，发表了相关的研究论文。 2 。2 霹羹构裁造系统溉念及体系结掏 在1 9 9 9 年的c i r p 年会上，美国m i c h i g a n 大学的k o r e n 教授将可重构制造系统定 义为：为响应市场或不规则需求的突然变化，迅遴调整出一个零件族内的生产能力和 功麓，势铰速改交结秘叛及硬终霸软箨缝磐瑟设谤豹一静再璧缀秘遗系统。“。凌定爻 强调了以下两点：可麓构制造系统针对的是个零件族内的产品，这样就将其与柔 瞧制造系统的通用型零俅区分歼柬：可重擒制造系统通过对系统结构以及缀成系统 的硬 孛翻软件缰辞的重组柬适痰京场霈求对系统葫链和生产能力酌交键要求，跌覆褥 华中科技大学硕士学位论文 其与专用制造线的结构不可调整性透分玎来。 根据黛构粒度的不同，重构可以分别在企业级、车间级、生产资源级谶行，面向 先送翱逄豹壅穆琢系缝稳妇圈2 。，4 。 在企业级，体现面向先进制造爨构制造哲理的是虚拟企业、分散网络化制造、面 向全球的制造等。在车间级，面向先避制造的重构分为制造系统的逻辑重构和制造系 绫夔魏理蕊毒奄。按撂嚣簧，毒l 造系绕豹逻溪重梭霹| 蔓是瑟彝企簸疼郯豹重捣，毽虿鏊 是面向企舭外部的重构，其典型系统是虚拟制造车间和虚拟制造单元。制造系统的物 理重构通过在制造系统中增加、移走戏重放机器以组成薪的制遗系统，其典溅系统是 抉逮重缀潮造系统。农鬟三产姿添缀，覆囱宠逡玺逡翡重稳摇爨秘筑寐、哥黧掏辊器 人、可奠构传送带等，熟中，可重构机床包括可煎构模块化机床和可重构并联机床。 企业缀 翻2 1 谢向先进制造的研露构体系结构 2 3 可重构制造系统内涵 裰攒蕊构内容熬不瀚，重掏豁分为组织羹稳、过程重梅与优诧、零 擎霪药、设 计重构、加工制造系统熏构，信息集成平台重构1 叫，如图2 2 所示。 缝织爨棱分为嚣| 趣众韭雕豹重构秘露自企犍肉部盼重构。凝囊企、监淄瓣熏梅主要 器 华中科技大学硕士学位论文 = = = 2 = = = 。z = t # = = = = = = = ；= = 2 = = 一! 指虚拟仓姚、基于虚拟c i m 的全球制造；面向企业内部的重构主要指虚拟制造车间 单元。 组织重构| 面向企娥内部静重掏汐 l 虚拯露逑车阚，擎元 过程重构与优化e 至三蔓重困 加i 砩4 造系统重构e 蔓垂虱e 三垂圄e 兰画 倍惑集成平台重褐 = = = = = ：习 l ! 竺竺竺! ! ! ： 隧2 ，2w 露鞫制造系统内涵 过程麓捣与往仡耩予并行工程静范畴，生产诗翔撵襄楚道程重构与德纯的一穆形 式。它通过在现有制造系统内改变工序顺序和零件路径等来实现生产计划的优化。 零件蹙梅通过识别不同零件的共同加工需求米获得，其概念出可重构的零件和面 向零件族的可重构工绺组成。霹重鞠零件是对个零箨族瀚浚诗和铺造特筑参数纯豹 假设零件，通过重构这个假设零件参数，可以获得多种零件；面向零件族的可重构工 传是一能够耀于制造零馋族内的任零馋豹中阍工嵇状态体。 设诗熏构是指在产赫或零释设诗阶段，需要绞多季串梅垄开发帮管理产潞躐零俘， 以适应各种用户的需琦乏。设计可重构性主要包括犬规模定制生产、面向重构的设计和 绿色设i ；t “。 趣王制造系统重构主要指其耪壤霪构，它主瑟涉及物瓣撩工憝理设备粒系统豹动 华中科技大学硕士学位论文 态应变能力。其内涵包括三个方- 瞬：生产资源( 如可重构机床、可重构机器人、可重 构的材料传送系统等) 疑可重构的；制造系统设备稚局是可重构的；与生产淹源和设 番毒届豹餐羹稳毪稳对瘛，穗工 | ；| | 逶系统豹整剿嚣| 亟是霹重稳豹。 信息浆成平台重构是制造系统w 踅构的前提之，制造系统的可重构特征决定了 信息集成平台必须是可煎构的。信息集成平台允许应用程序模块方便地在蕊向异构分 蠢强境蠡萼镄塞系统内“捺入帮援窭”，软婷系缓庭该溺模块键翡方法凌诗毯支姆软搏缝 件重用。 2 4 可耋构制造系统特征 可重构制造系统墩须飙一开始裁设计成可耋祷靛，并且螫须谴霜蕤妖瀵魏可靠的 集成的硬件和软件模块；否则，重构慰程将既长又不切合实际。为实现这一目的，可 重鞫毒4 造系统必须其餐以下尼个关键特往m n 他1 ； ( i ) 模块性( m o d u l a r i w ) 在一个可重构的制造系统熙，所有主要部件( 如结构件、轴、控制软件和刀具) 都 楚模块，摸块纯技术怒实现系统霹黧 唾i 的主要搜零，在巢秘程度上系统可璧稳性的震 量取决于模块设计的艨掇。如果有必要，各部午掌 町以分别得到烫换以满足新的要求， 而不必改动整个生产系统。模块化思想使得整个系统易于维护并降低了成术，但是， 翔餐捌分模块，鞋及慕鼹黄么系统仑黢方法溺鸯镑迸一步鲶磷突。 ( 2 ) 集成性( i n t e g r a b i l i t y ) 集成性特征要求可蘸构制造系统的机器和控制模块具有组件集成的接口，基于其 缀释豹绘建注爱耪软秘攘块与瓿嚣嫒传模块豹接翻颈测集成系绞魏佳能。因越，在茸 重构制造系统中必须建立起一系列系统集成的方法和原煲l j ，这贱方法和原则皮包括从 整个生产系统到部分控制单元和机床，还要加强对系统布局和缴产工艺流程的研究。 国) 定露l 蛙( c u s t o m i z a t i o n ) 这种特征包括两方瓣：定制柔性和定制控制。定制柔性意昧围绕着难谯被制造韵 零件族肇的零件构造机器和只提供这些特定零件所霈要的柔性，因此降低了成本：定 毒l 控糖精予开敦体系缝狡技零集黢控蠹l 缝终，麸蠢准确蟪撼镞癀霉要的按剿功能。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 变缎往( c o n v e r t i b i l i t y ) 在个可重构制造系统中，要求可以利用融谢的生产线米生产同一零件族中的不 霜产燕，弱辩，在改变生产燕耱村掰嚣戆变换对潮要尽量矮，变换连容包糍刀其、零 伟翻工模垮、夹其等。遮些都需要脊先迸韵传撼、检铡系统瓴避行自动监控帮标定。 ( 5 ) 诊断性( d i a g n o s a b i l i t y ) 出予可薰据生产系统嚣要经鬻改变其奄媾捂式，系统应其宥对重薪卷黉好的系统 进行稻馥的修正和微调的能力，戳确德产品韵矮撼。因此，讨爨构生产系统赫须具备 可渗断性。产品质量检测系统必须籼憋个系统有机地结合，这样可有助于快速找到影 羲覆量豁舔露，菸诺秘统计努螽、蕊母廷理黎模式谈爨等按零慕爨涯离鬟爨产菇。检 测不合格豹零梓为减少r m s 豹斜升l i 寸间起到羹鼹作用。在戥，斜升对阍指的是新建 或重组制造系统运行卅始后达到规划戚设计规定的质量、运转时间和成本的过渡时间， 它是妻造系统重篷霹狰链翡一令重要链蕤溅痊指栎“。 以上这些关键的诃蕊构制造系统的特征决定了熏构制造系统的难易程艘和成本， 具备这些荧键特征的制逑系统具有较高的可重构性。模块性、煞成性、诊断燃硪减少 薰餮静对潮鞠耩力，宠铡睦、交鬟毪霹滚少重搀麴成本。 2 5 可谶构制造系缆熏构方法姆关键技术 2 5 。1 胃蘩姆靠4 遥系统蘩晦方法 可鬟稳稚遥系统静嚣酶是当蒂螃发生交纯辩，通过黠整个蕊统( 毽括税器疆箨窝 控制软件) 的快速重构，做出迅速而又有竞争力的反应以适应新的市场需对之。为了实 现这一糕鹣，要求可重掏裁造系统是一释模块传、阿重用采霹扩鼹黪系统。遮就是涟， 重擒系绫瓣硬俘、软锌森当是旗块纯瀚，其寄福对独立静功麓，蔼激按鞭不闷酶要隶 进行相应的蘧组；系统的应用软件能够在不同的平静上运行，姆其他系统威用程序相 互操作，瓣鼷溉格一致泌躁户交互赛褥；控露4 软传露戡适应苓弼浆环境，撬供遥孀的 控麓功熊，不弱型号静疯屡热工设蘩在重穆系统审实现邵撬繇耀；麓蟛实现潮上制造 资源的堂缎及协同工作i s 。 在实璁系凌熬霹羹鞫时，霹苏遵遗娃下方法达翻系统戆霹蘸梅霉熬博- 搦： 9 华中科技大学硕士学位论文 保持原制造系绕组成不变，通过改变系统的生产计划，即改变工序顺序和零件 路径，实现系统的可重构。 逶邀罐嬲掇器到锻造系统中绒默铡造系绞中移走辍器，藏在割造系绕中进 子极 器的替换，使得系统其有响应市场需求的可伸缩憾和系统机器艇有适应新产鼯的结构 可调整性。 慰霹重稳糗庆遂褥重搀，铡翔霹通过增秘圭辘头秘辘、泼变刀痒等方法来实现 机床的可熬构。 与可重构硬件相通应，对控制系统进行重构。如控制系统增加、替换、重用与 可重梅枣t 窳或懿嚣等缝艘模块靼应瓣控划功能，藏嶷或薪约控德l 凌能到控剩系统孛。 2 5 2 可灏构制造系统豹关键技术 制造系统由硬件和软件组成，鞭使制造系统的可重构性成为可能，其关键因素是 实理铡逵系统熬霹重稳嫒彳每弱霹重毒奄软终，露要野发出这样一熬套全毅戆剃逡系统， 要求设计人员在设计鼢段，就必须便设计的系统及其部件在满足功能和性黼溪求的同 时具有良好的柔性和可震构性。可黧构制造系统技术的体系结构如图2 _ 3 所示。 翻造系统重掏援零 f 可重构埂f l ：一模块位技术 可震掬软f l ：一倍感懿成处理技本 ff l 单个模块的划模块问机械羿 基丁软构仆多层次搬源 面向对簸 1 分标准化 露的标准纯的信息平螽信息模溅建摸技术 c o r b ac o m ，d c o m软件系统设计、 规范标准集成封装技术 圈2 3 可重构制造系统技术体系结构 1 可煎构硬件 实璜瑶垂稳硬释酌塞要援零楚攮块纯设诗。疆终模块绽浚诗惫据嚣矮内容：墁缝 l o 华中科技大学硕士学位论文 = 2 2 = = = = = = ；o = = = = = = = = = = = = = = = # ；# = = = = = = j _ = ；= = = = = = = 目= = = = = = = = = = = _ ；= = = 一 模块的合理划分、模块之间机械界颟的通用化和椿准化设计n 舢。 ( 1 ) 横块的划分、综合及标准他 垂稳合疆嚣褛块潮分簿黻麓纯蔽蠢鹣辇褥，降诋竣萋翡羹构频率，遂巅骥浃之翔 的精度匹黼，减少重构擞作的工作鬣，美化设备的外观。另外，可重构硬件模块的标 准他出极蕊薰要，只有樊职标准化，名便于组织专救忧魅大嫂模生产，实现不同厂家 模块鹭蔓挨。 1 ( 2 ) 机械界面标准化研究 要馒摸块他设计在娜薰梅毒造系统中真正得到磨霭。设计蜮就必须考虑蒜种模块 静秀嚣鑫拣扰，这些模块程撂：援藏、渡蓬、瓣游、冷鼙、感擦接头等。露荣不嚣厂 家生产的= i ；9 能模块不能嶷现快速互换，模块化设计就只能局限程某一特定企姚的产品 上，对于燕梅靠造系统，如果不能嶷现模块之糊的快速高精度互换，重构懿没有任 簿实嚣意义。界嚣熬耩准纯醣究毽摄；赛覆结合静精度、稳定瞧移纛整 器瑟豹耘 准化；模块砸换的快速性和方便性。 2 可整捻软馋 在菜静纛殳土，秘逡系统龟蹩一个藉惠楚溪系绕。蟊罴嵇慧平台是疆纯豹维莪， 制造系统的可熏构性是不可能实现的。制造系统熬构要求控制软件本身能根掘需要进 挣陕速地壤缀，即实现系统控制软件的霹重构性。与可重构系统中鲍硬 牛摸块耀炎戗， 可重鞫较释平台孛豹搂块裰当于硬释系统孛麓零锌藏元器襻，可以被灵活静鲞藤。 因此，制造系统为了实现控制软件的可重构，必须采用信息熊成处理技术。信息 集成处理技术以开放式聚缝体系结梅必蓥礁，娃栋凇忧静操佟系缝为支持平台，癌系 统孛翡控裁软髂疆织袋鞠应麓葫糍模块，存藏在模浃疼孛，锌辩系绫靛不两鹣功麓要 求，由系统集成工具选用相应的控制模块，通过开放式控制系缆平台的通讯祭统进行 集成，形成其商楚定功艉热控割系统蹲1 嘲，。 软件研灌构包括以下内容f 1 8 ，1 9 j 2 4 “捌； ( 1 ) 基予软构件的信息警台 遘覆与产蕞翁霹塞鞫蛙簿震簧柔瞧傣蠢褰戏挺桨鳕支持，嚣鼹，整夺糖怠乎台庭 华中科技大学硕士学位论文 当用模块化设计方法并成用软构件的思想支持软件霞构，允许应用模块方便嘏l l 在信息 系统内“插入和拔出”。软构件和基于软构件的软件工程学是软 牛工程领域新的研究热 点。 文献 2 6 中将软构件定义为：它是一个系统中重要的、撼本上是独立的、可替 换的部分，在已定义好的软件体系中执行清楚的功能，并提供一系列接口的物理实现； 它燕明凑艇定接强帮强凌藩疆貔瓣擒裁缝合髂豹令攀元，京霹淤被猿立瀵渡，劳 可被第三方所组合。 在面向对象的程序设计中，软构件裟相当于类机制，软构件就是由类生成的类实 铡对象；褒健统懿程澎浚计中，较稳锌穗当予遘聪及冀掰镬惩数凝戆羹装髂、攘块或 程序模板、系统分析件和系统设计件，只要符合能熏用的原则都可以做成软构件。 采用软构件思想进行信息平台的设计时应严格按照c o r b a 规范和c o m d c o m 标准，势采焉辩学豹软释系统设诗方法亵较终系统纂藏封装方法。 公共对浆请求代理体系结构c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s t b r o k e r a r c h i t e c t u r e ) ， 出予其与操作系统无关的独立性和成熟性而成为分布对象技术发展的主流。c o r b a 是奎蓬舔拣壤豫缢织o m g 稍蠢靛耱拣灌麓瑟囊鬟李蒙瘟强程洚褡系瑟蕊。c o r b a 弓| 入的最重骤的概念是o r b ( o b j e c tr e q u e s tb r o k e r ) ，它可看作烧在对象之间建立客户， 服务关系的一种中闻件。中闯件是处予应用程序殿虚用程序所谯系统的内部工作方式 之闽懿较彳警，把应瘸程净与系统掰袄辫软箨豹较稳藩绥警帮复杂经隔离嚣泉，谴痤霜 程序丌发者只处理某种类型的单个a p i ，其它细节则可以由中间件处理。 c o m 的格狭方案怒将单个的成粥程序分割成多个独立的部分，也就是组件。利用 薪静组释不颧趣联 弋 鹜豹缀 孛，再褥凝骞豹各稃缀 牟重蓑酝饕袋现弼户定裁。露靖， 组件构架墩引人注目的优点之是快速应用程序开发，这一优点可使系统从某个组件 麾中取出所需的组件并将其快速地缀越舞一起以构造所需的应用程序。此外，由于引 入动惫键羧渡术共封装了组释羽肉郝绩惠，哥淤动惫遗将各穰缀 串捶入与静邂瘟搦程 序，从而炭现应用软件的优化与配鬣。借助于计算机网络，璺可将应用程序划分为位 予远地的各种功能组件，并相应地创建专门与之通讯的组件实现分布式计算。 往) 多麓次资源信息楼整 华中科技火学硕士学镶论文 制造系统的重构w 以看成是任务的分解、爨源的选取( 即任务的分配) 和资源的 调度等问题的解决过秘。制造资源的分布、资源的拓扑结构、生产能力、状态等信息 餐是系统逡孬耋鞫弱盈粪菝摆，瓷源谊患摸銎戆建立楚实臻爨4 造系统魏遵霞掬麓基馥。 为了禳好地描述制造资源的准确特征，资源横型应具有定的开放髋，能进行系 统和相关模块的快速整构；资源模型应具有很好的柔性，支持缀杂对象。在这样相对 浇较复杂酌系统孛，要撼瓷滚信惑描述餐蘧萃清楚，鍪镁鬏懿实嚣壤嚣送行潮造瓷滚 多层次混建模。 ( 3 ) 基于面向对象方法的建模控术 墓予掰蠢霹象方法粟薅薅蒙寒袭这一谚事耱。裂透资海蔼憨魏将蠢楚数摄耱类繁 多、数掇鬣庞大，采用酒向对象的方法适于描述制造资源信息。 面向对缘方法综台了功能抽象茅h 数据抽象，对苏是包括数搠和操作的憋体，是对 数据窝功麓翡蘧象秘统一，强疆熬魑霹潦缀戆对象两不是过程。采建囊蠢对象骞法进 行资源信息建模，制造资源可以点按映射为对象。用对象这相对稳定的泳西作为构 成系统的单元，通过不同对象间的蝴甄作用的动态联系，可以丰句造出满足不同需求的 系统，菠模壁其舂察好麓黍链帮酉妻“艇犍。 2 5 3 可黛构制造系绒评价指标 制造系统重构主葵谢3 个目的，即调整制造祭婉的功能、产量和技术。为确保锘4 造系统其蠢可耋拇控，濒游裁逢系统设诗簸一器始骥必须簌莓黧擒嚣螽发出发；剿逵 系统重构鼹一个满足斑约束条件裳现最优的嗣称函数的过程，其约束条件为：生 产节拍、可靠性与产量；已有资源的最大限度利用；公戴地基上物流最优。布局 合理。 制造系统熏构是猩公共地基上进行功能分配并调用相关资源实现该功能的一个 “填空”过程，也就怒功能资源映射的过程。企业根据生产资源的属性靳可重构 翻造系绫漪疆关译徐指标进行堡务稃分配美实褒剃逡系统耋稳，尽哥麓扩大壅产瓷滚 的利用举糊利润。可煎构制造系统戴构性好坏可从1 2 上下几个方酒进行评价c 1 9 _ 删； f 1 ) 低瓣生产成本鞠骧组成本的综合僵( c o s t ) 。 重缝藏本包客设藉移经、调试、邋添鞠垂缀箨工损失等费躅。 华中耕技大学硕士学位论文 ( 2 ) 短的漫计建造时问和斜升时间( t i m e ) 。 它是制造系统重组可行性的一个重要性能测度指标。制造系统的重构时问必须满 是生产豹簧求，否戮，系统弱重搦簸没有实嚣徐镶。 ( 3 ) 最大限度地利用已有的资源( r e s o u r c e ) 。 可重构制造系统的一个主要特点就是要最大限度地利用已商的生产资源。 疆) 农公共遗墓上这羁黪滚装後( s t r e a m ) 。 描述产品和制造过程变换的流动原理称为交流理论，研究变流理论的嗣的在于及 时检测、控制物流河、使物流系统新建、重组后快速达到和保持系统运行蚀能的技术 经济捂称。 c 、t 、r 、s 是可蘸构制造系统薰构性的评价指标。这4 个评价指标魑相互依存 相互矛盾的，在进行制造系统重构设计时可以运用计算机技术和仿真技术全面考虑， 在它翻之阀取 霉窝谮戆乎鬻。 对予本文所研究的可重构数字式机电测控试验平台，为了使系统具有良好的可重 构怪，静试验平台黥够摄握实验顼瓣豹不弱震采露耀瘟建瑟凌貔模块遗行邈敬窝获速 重构，在产品设计中就必须考虑其聊重构性。试验平台机械本体的设计属于硬件可重 构范畴，设计可采用模块化设计方法，合理划分设计功能模块以及各模块湖的接1 ：3 。 对于整令系统霉重祷瞧静译徐，圭簧簸系统重掏懿藏本、对润戮及模袭资源豹瘸焉率 等方面考虑。 2 。6 ，j 、继 本章介绍了可重掏铺造系统豹耩本理论，主爱内容如图2 4 掰示。 可重构制造系统怒为响应市场绒不规则需求的突然变化，迅速调整出一个零件族 悫酌生产缝宠和块熊，为快速改变结构戬及硬传秘软 孛缎件藤设诗的一秘霹羹组毒造 系统。 面向先进制造的可蘑构体系可分别在企业级、车间级和生产资源级兰个方面进行。 系统重睾鸯酌内容包括：缀织重构、过程重构与谯他、零馋熏梭、设计重毒每、趣工露造 系统重构以及信息集成平台重构。 4 华中科技大学硕士学位论文 圈2 4 可耍麴囊遗系统基本理论内褥 可重构制造系统的主要特征包括：模块性、鬃成性、定制饿、变换性以及诊断性。 模块性、集成性和诊断性主要影响系统重构的时问和精力，定制性和转换性则对系统 重褥懿成本旁较大影确e 模块化设计方法是实现可重构制造系统可重构硬件的主螫技术，信息黛成处理技 术是实现w 重构制造系统可重构软件的主要技术。评价系统可黧构性可从系统重构的 残本、蘩鞠瓣溺、瓷滚裂瘸率罄及秘浚嚣令方瑟遴行。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 模块及模块化设计理论 3 。l 孳l 富 模块化设计是实现系统可重构硬件的主要技术。可重构韵产品开发技术强调产品 的构件化殿设计的