（机械设计及理论专业论文）基于工艺规划的可重构机床运动功能方案建模与评价技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 可重构机床融合了柔性制造系统加工范围广和专用制造系统高效率低成本的优点。在 面对市场变化时，可以通过重构的方式迅速适应新的制造需求，从而缩短了生产周期、提 高了生产效率，降低了生产成本但是当前可重构机床的研究并不成熟，在可重构机床市 场化的过程中尚存在不少技术问题。本文在基于加工特征基元的零件加工工艺映射、基于 刀具一特征位姿的可重构机床运动功能方案建模、基于多属性决策的可重构机床设计方 案评价等方面展开了研究。在此基础上，开发了可重构机床方案设计与优化功能模块， 并在机床产品设计中进行了应用验证。 论文的主要工作如下： 第一章分析了可重构机床的特点和发展现状，介绍了可重构机床方案设计与评价关 键技术的研究现状，给出了论文的研究背景、内容和组织结构。 第二章以基元结构描述零件的加工特征信息，通过对零件加工特征的工艺分析，将零 件特征之间的工艺组合关系映射为聚类关系。通过对将加工特征进行拓扑运算，构建了 零件加工特征聚类关系图，并给出了重构流程。在此基础上提出了基于零件加工特征聚类 关系图的加工工艺映射方法，从而快速完成零件加工工艺方案的编制。 第三章通过分析工件的加工形面特点和加工工具之间的关系，通过分析刀具一特征位 姿特征矩阵，获得了了明确机床运动需求的运动功能式提出了对偶运动特征域及运动变 换域描述模块的运动类型、方向和信息，实现了模块运动知识的表达。通过运动功能需求 进行推理解析，实现了可重构机床运动功能方案的求解。 第四章研究了可重构机床的运动方案评价技术，提出了基于多属性决策的评价方法 首先分析了重构机床与原型机床的模块相似性，然后以功能链相似度、模块接口复杂度和 重构成本三个关键指标为评价指标，最后采用多属性决策方法对可重构机床的重构设计方 案进行评价、计算与排序，优选出最佳的设计方案。 第五章结合企业的项目需求和本文研究成果，开发了基于运动功能求解的可重构机床 方案设计与评价功能模块，并成功应用于机床企业的实际设计中，验证了本文所研究的方 法的可行性。 第六章总结了论文的研究内容及工作，并对今后的研究工作进行了展望 浙江大学硕士学位论文摘要 关键词： 可重构机床；工艺映射；位姿矩阵；运动方案建模；方案评价；多属性决策 浙门：大学硕士学位论文 a b s t 陀c t a b s t r a c t r e c o i g u r a b l em a c m n et o o lc o m b i n e st l l ea d v a n t a g e so f 晰d em a n u f a c t u r i i 培 m g e so ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m sa 1 1 dl l i g l lm a l l u | 沁t u r i n ge a e c t i v e 觚dl o w c o s to fd e d i c a t e dm a n u f - a c t u r i n gs y s t e m s w h e n 也em a r k e tv a r i e s ，r e c o 甜i g u r a b l e m a c l l i n et 0 0 1c a nr e s p o n s et on e wc u s t o m e rn e e d sr a p i d l yt l l r o u 曲r e c o i l f i g u r a t i o 玛 w b j c hs h o r t e rm a i m f i a c t u r i n gp e r i o d ，l l i g h e rm 戤m f a c t u i i n ge f ! f i c i e n c ya 1 1 d1 0 w e r m a l l u f i a c t i l r i n gc o s t h o w e v e r ，t e c b u l o l o g i e so fr e c o 而g u r a b l em a c l l i l l et 0 0 1a r e1 1 0 t m a t u r ey e t ，a i l dt h e r es t i l le x i s t sm a l l yp r o b l e m st 0b es o l v e d i n 廿l e p a p e r ，r e s e a r c h h a l sb e e ne x p a n d e do n ： c r 硪p l a i l m n gb a s e d o n m a i m f a c 岫g f e a t u r e e l e m e n t ， k i n e m a t i c劬c t i o ns c h e r n e m o d e l i n g f o r r e c o n f i g u r a b l em a c k n et o o l b a s e do nt o o l - f e a ：t u r ep o s i t i o n 锄dp o s e ，s c h 伽 a s s e s s m e mf o rd e s i g no fr e c o i g 唧b l em a c l l i n et o o lb a s e do nm u l t i - 撕i h n e d e c i s i o nm 掘n g f u i l c t i o nm o d u l ec a l l e d “s c h e m ed e s 谫觚d0 p t i 血撕o nf o r r e c o n f l g u r a b l em a c l l i n et o o l ”h a sb e e nd e v e l o p e do nm et l l e 0 巧b 2 l s i sd i s c l l s s e d a b o v e ， a n dv e r i f i e di nm ee n t e 印r i s ed a i l ym 锄u f a c t u i 面gw o r l 【s t h em a i l lc o n t e n to f t h ep a p e ri ss h o w na sf o l l o w s ： c h 印t e r 1 a i l a l y z e s t 1 1 ec h 嬲l c t e r i s t i c sa i l d d e v e l o p m e n t s i t u a t i 衄0 f r e c o 蚯g u r a b l em a c l l i n et o o l ，s n l ( 1 yo nm ep r e s e md e v e l o p m e n ts i m a t i o n0 fc 珊 p l 锄血gb a s e do nm a n u f k t u r i n gf e a t u r ee l e i n e m ，虹1 e m a t i c 胁c t i o ns c h e m e m o d e l i n gf o rr e c o i g i l r a b l em a c et o o lb a s e do nt 0 0 1 - f e a _ m r ep o s i t i o n 趾dp o s e ， s c h e r n e 邪s e s s m e n tf o rd e s i g no fr e c o n f i g u r a b l em a c m j l et o o lb a s e do nm u l t i - a t t r i b u t e d e c i s i o nm a l 【i i l gi na n da b r o a d i i lt l l ee n d ，r e s e a r c hb a c k g f o u i l d ，c o n t e 】n ta n d o 唱枷z a t i o n 蛐n j c t u r ea r ep r e s e n t e d c h 印t e r2a 1 1 a l y z e sm 锄u f 如t u r j m gc r a rf e a n 】r e sf o rp a n s 锄d d e f m ei n f o m i o n e l e m e n t r e l a t i o n s l l i pc h a r t so fm a n u f a c t u r i l l g f e a ：t u r e sa r ec o l l s 仃u c t e da 1 1 dc 傩 p l a n i l i n gt e c l l l l o l o g yb 嬲e do nm 觚u f a c t u r i n gf e a f m r ee l e m e n ti sp r o p o s e d a c c o r d i i 培 t 0r e l a t i o n s l l i p sb e t w e e nm a n u f a c t u r i n gf e a 吡r e s ，c e r t a i nc a l c u l a t i o n sa r em a d et o i a v e m er e l a t i o l l s l l i pc h a r t se v o l v e da l i t o m a t i c a l l y ，w l l i c hr e a l i z er e c o n 鳓m c t i o no f m a n u f a c 嘶n gf e a t u r er e l a t i o i l s l l i pm o d e l sa n df i n i s ht h ec r a rp l a n n i i l go ft h ep a n s i v 浙江大学硕士学位论文a b s t 怕c t c h a p t e r3 锄a l y z e st l l er e l a t i o n s l l i pb e 铆e e nm a n u 洲n gc h 鲫l c t e r i s t i c sa n d m a i m f a c t u r i n gt o o l sa b o u tp a r t s ，s 0 1 v e sf o rl 【i n e m a t i c 如n c t i o ns c h e i n et oo b t a i nt l l e d i s t r i b 嘶o nf o m i u l a m o v e m e n tt ) ，p e ，d i r e c t i o n 觚d 仃a _ 1 1 s f e rf i e a n 北i n f o m a t i o no f m o d u l e sa r ed e s c r i b e da c c u r a t e l ya c c o r d i i 坞t 0d l l a lm o t i o nf e a t l l r ed o m a 抽a n d m o v e m e mt 眦s f e rd o m a i n a sar e s u l t ，k n o w l e d g ee x p r e s s i o nf o rs c h e m ea n d s u p p o r t t oh n e m a t i cs c h e n l ed e s i 髓p r o c e s sa r er e a l i z e d i na d d i t i o i l ， m e 也o d o l o g i e s f o rm o v e m e n td e c o m p o s i t i o na i l dm o d u l ec o m b i n a t i o na r ep r o p o s e d ，w l l i c hp r 0 v i d e k n o w l e d g es u p p o no fs u b s e q u e n td e s i g l la n ds c h e m ea s s e s s m e n t c h a p t e r4a n a l y z e sm o d u l es i i i l i l a r i t ) rb e t 、耽e nr e c o ；i g u r a b l em a c l l i l l et o o la r l d p r o t o t ) r p em a c h i i l et 0 0 1 t h r e ek e yi n d e x e s ：s i i l l i l 稚y ，e c o n o r i l i c sa n dc o m p l e x i 哆a r e e 妇b l i s h e dt od e s 嘶b et l l e d e s i g ns c h e m eo fm er e c o i l f i g u r a b l e 眦c i l i n et 0 0 1 m u l t i a 埘b u t ed e c i s i o nr r 溅n g 印p r o a c hi sa d o p t e da s s e s sa 1 1 do r d e rm es c h e m e so f r e c o 血g l l r a b l em a c l l i n et o o l s f i i l a l l y ，t l l eb e s td e s i 盟s c h e m ec a nb eo b t a j n e d c l a p t e r5d e v e l o p sm e 劬c t i o nm o d l l l e st 0s o l v ea n do p t i r l l i z et h el 【i n e m a t i c 如n c t i o ns c h e m e so fr e c o ；i g u r a b l ei n a c l l i r l et o o lr e l a t e dt 0ap m c t i c a lm a c l l i l l et o o l p r o j e c t ，棚c hv a l i d a _ t e i t se f i f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i 够，a 1 1 dm a k e 廿l et 1 1 e o 巧i i l t 0 m a n u f i a c t u r i n gp o w e r c h a 讲e r6c o n c l u d e s 吐l ew o r ko ft l l ep a p e r ，a i l dg i v e sn l ep r o s p e c t 趾d 向n h e r e x p l o r e dd i r e c t i o n k e y w o r d s ： r e c o i l f i 母u a b l em a c h i i l et o o l ；c r a rm a p p m g ；p o s i t i o n 觚dp o s em 撕x ；n n e m a t i c f | u n c t i o nm o d e l i l l g ；s c h e i n ea s s e s s m e n t ；m u l t i - 删b u t ed e c i s i o nm a k i n g v 浙江大学硕士学位论文 致谢 “宁静致远，上下求索”杭州的湖光山色、钟灵毓秀依旧，时间却已如过隙之白 驹，匆匆飞驰到毕业之际。初春应该是杭州这座“人间天堂”一年中最美的时节，此时 却禁不起离别的感怀。书罢掩卷，西子湖畔、老和山下两年又九个月的砺炼，从“昨夜 西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路”的奋勇攀登，到“衣带渐宽终不悔，为伊消得人 憔悴”的不断探索，到最后“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处”的 毕业收获，一直有导师伊国栋副教授的悉心教导。伊老师严谨的治学态度、渊博的学 识、科学的思维方式及对事业的奉献精神值得我终生学习。在此向伊老师表示最诚挚的 感谢和敬意! 真诚感谢浙江大学工程及计算机图形学研究所的谭建荣院士、张树有教授、陆国栋 教授、施岳定教授、刘振字教授、冯毅雄副教授、李凌丰副教授、费少梅副教授程锦 副教授、董进老师、方芳老师等对我学业上的关心、支持和帮助。 衷心感谢课题组的裘乐淼老师、徐敬华老师、卜王辉博士后、刘晓健博士后、高一 聪博士后、任彬博士后，安相华博士、赵振博士生、萨日娜博士生、龚勋博士生、冀晶 晶博士生、徐进硕士、徐剑硕士、郭传龙硕士生、叶友本硕士生，徐徐硕士生等，在同 他们一起从事科研项目的过程中，曾给予过我帮助和支持表示最真诚的感谢! 感谢实验室的王明硕士、光耀硕士、罗成对硕士等，以及郏维强、彭翔、刘际轩、 鞠永兵、豆瑞发、李大平、张庆、金易笔、朱广宇、郑贵荣，傅军亮，还有我的室友冯 霞、朱小玲、袁兰、邱炜伟、吴茜，和你们一起度过的研究生生活，将是我一生中最难 忘的美好回忆。祝愿你们继续或在新的岗位各显神通。 感谢浙江大学工程图学研究所的所有博士生和硕士生，在近三年的学习生活中，与 你们结下深厚的同窗之情，将永远烙在我的心里。 深深感谢我的父母，二十多年以来含辛茹苦把我养大，我的成长和成才凝聚着你们 点点滴滴的心血。“谁言寸草心，报得三春晖”，我将在日后倍加努力来回报你们。 感谢评阅本文的所有专家、学者，谢谢你们的宝贵意见和建议。 最后，衷心感谢所有关心、支持和帮助过我的人们! 赵鑫谨致 二零一二年一月 浙江大学玉泉求是园 l 浙江大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 【本章摘要1 分析了可重构机床的特点和发展现状，介绍了可重构机床方案设计 的关键技术，给出了论文的研究背景、研究内容和组织结构。 1 1 引言 面对当前错综复杂的市场环境以及灵活多变的客户需求，制造业迫切需要 一种高柔性、低成本的制造模式以满足产品的多元化、个性化和高效生产需 求。当前主流的制造系统主要分为两大类：专用制造系统( d e d i c a t e d m a i l u f a c t 嘶n gs y s t e m ) 和柔性制造系统( f l e x i b l em a l l u f a c n h i n gs y s t e m ) 。 专用制造系统一般针对某一具体产品和固定生产能力进行设计制造，具有 高生产效率、低生产成本等优点。但是在当前产品市场寿命周期逐渐缩短、市 场变化导致制造系统需求变化不确定，专用制造系统难以迅速地根据市场变化 实现快速变异批量化生产；柔性制造系统具有市场响应速度快，加工制造范围广 泛等优点。但是随加工零件品种数量的增加，其结构愈趋复杂，且生产成本随制 造系统柔性的增加而增加，在市场需求瞬息万变的情况下，直接采用柔性制造 系统必然会增加初次投资风险。 可重构制造模式结合了专用制造系统高效率、低成本和柔性制造系统能够 快速变异并批量生产的优点，是一种新兴的制造模式。可重构制造模式不仅在降 低系统设计制造成本、有效保留企业历史设计知识经验等方面具有得天独厚的 优势，还可以根据用户需求动态扩展生产能力，在竞争中赢得市场，获得利润 的最大化。美国国家研究院邮之c ) 发表的2 0 2 0 年制造业挑战预测中确定了未 来制造企业面临的六大挑战和十项关键技术，其中可重构制造系统 ( r e c o 娟g u r a b l em a l l u f a c t l m n gs y s t e m ，王u m s ) 被列为2 0 2 0 年前制造业面临的十 大关键技术之首呻r c1 9 9 引。 可重构机床( r e c o i l f i 砌l em a c l l i n et 0 0 1 ) 自1 9 9 6 年由美国密歇根大学的学 者首次提出，是可重构系统的主要组成部分。可重构机床具有典型的模块化结 构，由可进行重构操作的模块化机床( 以下称为原型机床) 和重构功能模块组 成。当制造需求发生变动时，对原型机床进行重构以适应新的加工工序要求。 可以看出，机床的可重构性在减少功能冗余、降低制造成本、提高生产效率、 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 增强企业对市场的快速响应能力等方面发挥着重要的作用。 1 2 可重构机床的特点与发展现状 1 2 1 可重构机床的特点 为适应市场的需求变化，可重构机床按照规划以重排、重复利用，革新功 能模块等方式，快速对制造过程、制造功能和制造生产能力进行调整，不仅能 实现了制造过程中效率与柔性并重，还在保证产品质量的前提下实现了对市场 的动态响应盛伯浩1 嘲3 与可重构机床概念相近的机床为组合机床，二者均面向批量化生产，但可 重构机床与组合机床在原理和使用过程中有很大差别组合机床按照成组相似 性原理进行设计和制造，可以实现机床在设计与最终装配前的组合特性，但是 不具备装配后重新组合可能眵振璧2 喇1 。因此组合机床无法根据需要交化进行多次 重构。究其根源，组合机床具有“先天性”设计缺陷，即设计理念规划没有考虑 利用物理组合交换，仅在有限资源支持的基础上利用物理组合变换与模块组元 的更新等手段实现对客户需求的响应。此外，组合机床系统组元之间的接口在 设计过程中也没有过多考虑其标准化问题，使组合机床的重构性较差。 加工中心也可以实现小批量、多品种柔性制造，且加工范围较宽。然而， 加工的功能配置冗余度高，容易造成制造资源的浪费，且价格与维护保养费用 昂贵。相对于加工中心，可重构机床按客户需求组织设计制造，具有鲜明的专 用性；通过功能模块的更换与升级可以满足新的加工需求，从而最大程度地利 用了机床资源，避免因为购买、维护不必要的模块而支出额外的费用。 通过上述可重构机床与其他典型生产设备的比较可知，可重构机床具有以下 特点齐维阳嬲3 ： ( 1 ) 可重构性。可重构机床的其核心就是可重构性，即以机床功能、结构 变化来适应市场环境的变化。 ( 2 ) 模块化。可重构机床所有组元均为模块化结构，可以根据需求增减模 块以改变其生产能力，其软件和硬件系统均应该具有开放式结构，从而方便重构 升级。 2 浙江大学硕士学位论文l 绪论 ( 3 ) 标准化。模块具有标准的接口以保证模块快速、精确互换 ( 4 ) 可诊断性。机床重构后，能快速识别、分析系统可靠性和加工质量问 题，缩短斜升时间。 根据以上分析可知，可重构机床的核心是面向用户需求的生产过程中的可 重构性当加工对象发生动态变化时，机床结构通过功能模块的增删以达到满 足制造需求的目的，故可重构机床是一个开放性系统。 1 2 2 可重构机床的发展现状 美国密歇根大学作为可重构制造系统研究的主要倡导者之一，不但得到了 美国科学基金会的支持，并通过与企业的合作开展了一系列重构方式对制造系 统性能的影响、产品装配过程的变流理论与建模、缩减斜升时间等方面的研 究，取得了不少令人瞩目的成绩。 密歇根大学分别于2 0 0 1 年、2 0 0 3 年、2 0 0 5 年召开的c i r p 第一、二、三届柔 性、可重构制造国际会议，会上多位美国、意大利、德国、日本等国家的学者围 绕可重构制造系统设计制造策略、系统控制、可重构机床设计i 重构过程费用 控制、可重构机床装配、拆卸、评价等主题发表了多篇论文，可重构制造已经 成了国际学术界和企业研究的热点和重点。可重构制造涉及的内容众多，其中 可重构机床设计是这些内容的基础和难点。可重构机床的研发对敏捷制造具有 重要意义，对整个制造业都将产生深远的影响。 图1 1 为美国密歇根大学y k o r e n 等人提出的可重构机床概念模型。该机床可 以根据具体工件大小或尺寸的变动，将主轴重新定位以保证在不同位置完成相 同动作。同时，主轴也可以根据需求进行增加或删减，从而达到机床制造资源 的动态优化。 ￥ ， 黼 图1 1 可重构机床概念模型 戆 、 ，t q x 浙江大学硕士学位论文l 绪论 图1 2 为密歇根大学根据所可重构机床概念模型开发的可重构机床实物样 机。该样机为非垂直的三轴机床，其中主轴位于具有拱形结构的支撑模块上， 加工时可根据零件的加工特征对主轴的位置进行动态调整，完成1 5 。4 5 0 钻 削、铣削加工 可旋转 图1 2 共有拱形硬坎的司重构彬l 床概念图及买体样机 除美国以外，世界上其他制造业大国也纷纷发起了可重构制造的研究热 潮，如：德国联邦教育与研究部( b m b f ) 与德国机床制造商协会d 聊联合主 办了汉诺威e m 0 2 0 0 5 “未来机床”研讨会哑艺嬲1 ，会议探讨了机床灵活的重构性 能，这种灵活性能够有效降低机床在全生命周期内的成本；2 0 1 1 年加拿大举办 了第四届敏捷、可重构、虚拟生产国际会议( c 舢w2 0 1 1 ) ，会议从制造系统的 设计、操作、控制等方面探讨了制造领域的最新发展，并提出通过制造系统的 重构来达到激烈市场竞争环境下经济效益的最大化 1 9 9 8 年，国家自然科学基金委员会设立了重点项目“快速重组制造系统理论 与方法研究”，重点探讨了用于加工过程中的快速重组制造系统的作业原理、建 模技术、结构体系和运行决策等内容，提出了在敏捷制造环境下系统重组的组 态式柔性制造单元的原型框架及其在大批量、多品种生产制造中的应用。同 时，国家自然科学基金委员会将可重构制造系统的研究列入“十五”规划。2 0 0 2 年，中国科学院自动化研究所在国家重大基础科学研究9 7 3 计划的资助下，开展 了名为“生产制造系统重构过程的实时协调控制理论与方法研究”的可重构制造 系统的研究，该课题包括了基于智能制造单元的可重构系统的智能建模理论与 优化方法、基于智能制造单元的可重构系统中多自主体协调与控制的理论与方 法等内容。2 0 0 9 年，“十一五”国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装 备”课题中的研究内容也包含了机床模块的重用与拓扑重构等相关问题。 五 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 1 3 可重构机床方案建模关键技术 虽然国内外学者对可重构机床已经进行了一系列卓有成效的研究，但是当 前可重构机床还不能完全满足市场要求，主要问题包括： ( 1 ) 如何根据工件的特征快速准确地实现工艺规划。当前复杂的市场环境 下，客户对产品、零件的制造需求不断多样化，快速进行工艺规划、构建零件 工艺信息模型是机床进行重构并实现敏捷化制造的关键前提。因此，快速准确 地进行工艺规划是可重构机床研究领域的一个重要问题。 ( 2 ) 如何根据工艺规划迅速求解出所需的机床运动功能模块。工艺与运动 功能模块是一种单向多对多的关系。在实现工艺求解运动功能模块的过程中， 需要充分考虑其中的模块间的交叉和耦合关系以及刀具，位姿、运动方式等多 方面的约束。此外，根据运动功能模块进行重构方案设计的过程中，还需要考 虑刀具、位姿、运动方式等多方面的因素。因此，如何有效处理机床运动功能 方案设计过程中的各类信息、高效获得重构设计方案是一个问题。 ( 3 ) 如何提高机床重构方案的设计水平。可重构机床的设计需要充分考虑 重构设计方案的各种约束和指标。然而，目前机床运动功能方案的设计方法主 要依据经验现有机床的设计实例进行类比设计。这种方法对经验知识依赖性 强，创新性差，设计思路相对闭塞。因此，如何提高可重构机床方案的设计水 平、使得设计方案达到最优是亟待解决的一个问题。 针对上述三个方面问题，本文围绕可重构制造的工艺规划技术、机床运动 功能的分析求解技术、机床运动方案的评价技术展开研究，以解决可重构机床 在工艺制订、模块规划和方案设计等方面存在的问题。 1 3 1 可重构机床的工艺规划技术 零件工艺规划是机床重构的基础。通过工艺规划，将零件的加工特征与制 造资源进行关联映射。其中以c a p p 等为代表的计算机辅助工艺规划技术大大促 进了工艺规划技术的发展。 a b d i 等l a 枷2 0 0 7 】在加工设备尚未指定的情况下，根据工艺相似性将工件聚类 成不同的族，考虑市场状况和制造需求采用a h p 法构建相应的模型。 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 b e c k e n d o f f 等【b 。c k 锄d o 疗1 9 9 1 1 通过可选工艺路线的使用来增加系统的柔性，从而 实现了系统工艺的柔性编制。 g a l a n 等【g 蚰觚2 嗍构建了产品需求相似性矩阵，采用a h p 法获得包含相似 值的唯一性矩阵，并根据聚类算法获得面向可重构机床工艺的产品聚类结果。 k i r i t s i s 等瞰i 毓1 9 9 6 1 提出应用p 嘶网进行工艺的排序与规划，并对制造知识关 系、动态工艺规划进行了表达 l e e 等皿。2 0 0 1 1 考虑了工艺过程的相似性，提出了基于遗传算法的非线性工艺 规划模型。 飚m 等瞰咖2 0 0 3 1 利用协同进化算法来实现多工艺路线决策，解决了工艺规划 和柔性制造系统调度中的集成问题。 。 y a n g 等锄9 2 0 0 1 1 提出基于特征的多工艺规划设计系统，根据产品形状设计中 提取的制造特征、制造资源库中的机床机器能力信息、以及工艺知识规则。 u s h e r 等5 “盯1 9 9 6 1 对动态c a p p 系统进行了研究，提出了动态c a p p 系统的网 络体系结构、功能模块和流程图。 w a i l g 等【w 锄g2 0 0 4 1 指出了传统工艺规划系统所存在的问题，并引入了动态工 艺规划系统。 s e e t l l a l e 等 s 。劬撕2 0 删提到的动态工艺规划系统既可以做出初始化的工艺路 线也可以根据集成系统的反馈做出工艺路线，研究了此系统的工艺模块、决策算 法和控制策略等。 z h a n g 等【z h a n 9 2 0 0 3 】提出了一种并行集成工艺规程设计系统框架。 郑联语等啸联语2 0 1 提出了产品族工装配置的概念与定义，建立了工装实例、 综合工装和配置规则三类工装配置知识模型，分析了支持工装配置的产品、工 艺和工装资源三类数据对象及关系，并以此为基础构建了详细的工装配置流 程。 许虹等阱虹2 4 3 提出了基于位置公差和并行加工的单一零件工序的组合方法， 通过建立整个零件族内识别相似子工序组的模式识别问题的数学模型及其识别 算法，提出了一种多零件工序的组合方法。 段建国等喙柏2 0 1 妇根据任务性质异同和分级规划原理，建立了面向多工序加 工系统的分层可重构工艺规划体系架构。建立可重构工艺规划的数学模型，利 浙江大学硕士学位论文l 绪论 用多目标智能优化算法进行求解。 李秀莉等障秀莉2 3 1 指出面向可重构制造系统的c a p p 系统主要由3 个模块组 成：工艺规划模块、制造资源信息模块、决策模块。其中决策模块是整个系统 的核心，该模块结合工艺规则库、工艺知识库生成最终的加工设备集合及工艺 路线。 张晓峰涨蚺2 圳指出可重构制造环境下的c a p p 系统与传统的c a p p 系统最大 的区别在于，可重构制造c a p p 系统不再面向固定的制造环境，而是面对动态变 化的制造资源及加工对象。 易红等隅红1 钾7 3 对快速重组制造系统的c a p p 技术也进行了探讨，指出可重构 制造c a p p 系统的最大特征是其柔性和动态响应性。 邵新宇等懈聍1 州3 提出了基于c a d c a p p 并行设计的零件信息模型建模技 术。 冯培恩等隅培恩2 0 0 2 1 提出了从c a d 模型中提取和识别特征的可行方法，由此实 现c a d 与c a p p 的集成；并进一步讨论特征组合对工艺推理的影响。 李翠霞障翠蠢2 删通过确定加工阶段的加工基准，建立了工序单元的拆分与合并 原则；给出了工序单元加工时间及生产节拍的计算方法，并基于树状图方法提出 了面向可重构制造系统零件的加工工艺方案自动生成设计方法。 盛步云等噱步云瑚研根据企业制造资源个性和零件加工工艺的相似性特点，提出 了基于零件特征一零件族的工艺决策系统模型。 张振明等啾振明1 删探讨了知识库系统技术在工艺知识系统化处理方面的应 用，应用面向对象技术及数据库技术，提出了面向对象的工艺知识表示及基于 数据库管理系统的工艺知识库系统结构。 从上述研究可以看出，可重构制造工艺规划的技术难点在于如何根据重构 制造需求对工艺进行有效组合配置，以实现工艺方案设计的自动化与智能化。 1 3 2 机床运动功能的分析求解技术 对机床的运动功能分析求解是进行重构模块规划的前提，运动功能的分析 求解过程直接决定了运动功能方案的可靠性和有效性。 c l l i o u 等【c 1 1 i 1 9 9 9 1 研究了上百种现有机构和机器，建立了一个运动砌块集 浙江大学硕士学位论文1 绪论 合，并利用一种矩阵表示方法表达这些砌块元素。 i s s a 等【1 5 翰1 姒1 采用类比推理并结合运动链的连通图表示方法，对机构方案进 行了设计 s u n 等【s 蚰1 9 9 6 1 将输入问题和实例采用七位代码表示，使用索引规则进行索引， 开发了一个模型混合设计系统 j o s k o 谢c z 等【j 。3 k 删睨1 9 9 6 1 提出了一种描述机构行为的计算机语言，该语言使 用谓词和代数关系定义机构的运动及其组成 c h e n 等嘞钒y2 0 0 6 1 改进了形态学矩阵用于描述机构运动特征，并以此为基础 提出一种机构综合算法以获取创新的机构组合方案。 k o t a 等【l ( 0 诅0 1 研究了串联机构组合情况下的运动方案求解问题。 叶志刚等时志刚2 啪3 利用数据标准化技术和组合分类法对概念设计运动行为一 结构映射域中的运动行为知识和机构知识进行合理分类，并建立了运动行为、 功能、机构类别的计算机编码和存储原则 范晋伟等哺晋伟2 删1 结合3 自由度并联机床，运用多体动力学理论和程式化建模 方法，建立起并联机床工作空间、结构参数及运动控制参数间的关系模型，并 给出仿真结果。 王德伦等旺巷伦枷3 3 以基本变换单元为基础，将串联机械系统的运动方案设计 问题转化为运动特征矢量在状态空间中的单环路径规划问题，提出了运动方案 设计的状态空间方法。 程祥等睫祥2 嘶1 应用数值解法求解分析三自由度并联机器人的可达工作空间， 提出一种可达工作空间曲面切割方法，通过分析切割曲面所得曲线特征，求解 出该机器人可达工作空间的姿态分布 吴川川等限”2 0 1 们提出了考虑约束的情况下基于运动仿真进行并联机床工作 空间分析的方法，并给出此方法的应用实例。该方法避免了复杂的数学建模与 推导，较大程度地减少工作空间分析的工作量 宋轩等睐轩2 0 1 通过功能语义单元模型表达产品运动方案设计信息，并使用基 于半环的赋权自动机对其进行编译，提出了基于半环赋权自动机( k 岍a ) 的机 械产品运动方案求解方法。 廖德岗等涫德岗2 5 1 通过描述矩阵结合工件和刀具相关信息确定刀具位姿矩 8 浙江大学硕士学位论文1 绪论 阵，设置相应运动单元，求解异型柱面车铣组合加工机床基本运动功能方案， 并对运动轴进行合理配置。 由已有的研究可以看出，运动功能分析求解技术的核心在于如何有效将运 动映射到功能结构单元，提高运动功能建模与求解的效率。 1 3 3 机床设计方案的评价技术 机床设计方案的评价涉及两方面内容：评价指标体系的选取，评价算法的建 立与选用通过对机床设计方案进行评价获得最佳设计方案 p a d a y a c h e e 等【p 8 d a y 8 。慨2 0 0 9 1 从机械模块和控制模块角度对机床重构进行了深 入阐述，并建立了机床重构误差评价方法。 a l e x o p o u l o s 等 a 1 。o p o 珂0 52 0 0 刀根据等额货币在机床生命周期的不同时点具有不 同的价值，提出了基于d e s y m a 算法的可重构机床全生命周期成本最小化模 型。 a y m a i l 【a 舯2 0 嗍采用遗传算法对可重构机床的重构成本进行了优化。 武小悦等嚏小悦2 毗1 对工艺系统的稳定性、遗传性、可靠性储备等进行分析， 并在此基础上给出了工艺系统的可靠性评价指标体系及指标的量化方法。 杨明顺等滔嗍舢3 提出了一种基于模糊优选和证据推理的组合决策模型。该 决策模型针对评价中的完全决策信息和不确定和不完全决策信息，采用不同方 式处理，然后用基于证据的推理方式进行处理。并利用模糊优选中的决策相对 优属度进行方案优选。 张在房等涨在房舢1 分析了面向生命周期的完整产品总体设计方案的内涵，建 立定量定性相结合的综合评价体系。方案定量指标评价值直接由指标数值规范 化得到，定性评价值则利用群决策方法确定，最后基于逼近理想解排序方法， 实现方案的排序与优选。 古莹奎等怙链瑚7 3 采用三角模糊数代替常规层次分析法中的标度，提出了一 种模糊层次分析方法来确定评价体系中各级评价准则的权重，充分考虑多领域 专家的意见和产品开发过程的风险性，以降低决策者主观偏好以及评估过程中 模糊和不确定因素对决策的影响。 刘永等喇永2 0 1 们利用元素、个人颜色、统一颜色等概念，建立制造资源与系统 浙江大学硕士学位论文l 绪论 功能的映射关系，通过搜索围道布尔矩阵获得系统重构方案。以此为基础，给 出了基于系统功能冗余度的重构方案评价指标计算方法 王玉新等旺玉新枷目通过分析组成机械系统的基本机构的连接关系，给出了三 种基本连接关系的布局模型，在此基础之上，采用自适应遗传算法构造了复杂 机械系统的空间布局优化算法。 张广鹏等嗽广舅瑚3 1 依据所建立的机床形状创成模型，通过解析方法创成出所 有可能的机床运动功能方案，然后基于机床运动单元与结构单元之间的关系模 型，由机床的运动功能方案创成出机床结构布局形态方案。 从以上研究可以看出，机床方案评价具有准则的多重性和信息的不确定 性，对评价指标进行量化并有效处理评价决策过程中的不确定因素，实现方案 的评价、计算、排序与优选，是当前机床方案评价研究的热点问题。 1 4 论文的研究背景、内容及组织结构 1 4 1 论文的研究背景 本研究课题是在国内外专家大量研究基础上提出的，并在浙江大学工程及 计算机图形学研究所在制造业信息化方面多年来丰硕的研究成果的基础上，加 以不断地发展、深化和推进结合“十一五”国家科技重大专项“高档数控机床与 基础制造装备”内容展开，并将研究成果应用到国内机床行业的沈阳机床集团股 份有限公司机床方案设计中。 1 4 2 论文的研究内容及组织结构 论文围绕基于运动功能求解的可重构机床方案设计与评价技术进行组织， 共6 章，论文的主要工作如下： 第一章综述了可重构机床的特点和发展现状，介绍了国内外的研究现状， 并给出了论文的研究背景、内容和组织结构。 、 第二章以基元结构描述零件的加工特征信息，通过对零件加工特征的工艺分 析，将零件特征之间的工艺组合关系映射为聚类关系通过对将加工特征进行 拓扑运算，构建了零件加工特征聚类关系图，并给出了重构流程。在此基础上提 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 出了基于零件加工特征聚类关系图的加工工艺映射方法，从而快速完成零件加工 工艺方案的编制。 第三章通过分析工件的加工形面特点和加工工具之间的关系，通过分析刀 具一特征位姿矩阵，得到了明确机床运动需求的运动功能式。提出了对偶运动 特征域及运动变换域描述模块的运动类型、方向和信息，实现了模块运动知识 的表达。通过运动功能需求进行推理解析，实现了可重构机床运动功能方案的 求解。 第四章研究了可重构机床的运动方案评价技术，提出了基于多准则决策的评 价方法。首先分析了重构机床与原型机床的模块相似性，然后以功能链相似度、 模块接口复杂度和重构成本三个关键指标为评价准则，最后采用v i k o r 多属性 决策方法对可重构机床的设计方案进行评价、计算与排序，优选出最佳的设计方 案。 第五章结合企业的项目需求和本文研究成果，开发了基于运动功能求解的可 重构机床方案设计与评价功能模块，并成功应用于机床企业的实际设计中，验证 了本文所研究的方法的可行性。 第六章总结了论文的研究内容及工作，并对今后的研究工作进行了展望 论文内容的组织结构如图1 3 所示。 图1 3 论文内容的组织结构 浙江大学硕士学位论文1 绪论 1 5 本章小结 本章介绍了可重构机床方案设计与评价技术的背景和概念，分析了可重构 机床的特点和发展现状，研究了可重构制造的工艺映射技术、机床运动功能分 析求解技术、机床运动方案的评价优选技术在国内外的研究现状，并给出了论 文的研究背景、内容和组织结构。 浙江大学硕士学位论文 2 基于零件加工特征基元的加工工艺规划 2 基于零件加工特征基元的加工工艺规划 【本章摘要l 通过对零件加工特征进行工艺分析，将零件特征间的工艺组合关系 映射为聚类关系采用零件加工特征基元描述零件特征，并对零件加工特征基元 进行拓扑运算，构建了零件加工特征聚类关系图，并给出了零件结构变异时，零 件加工特征聚类关系图的重构流程。在此基础上提出了基于零件加工特征聚类关 系图的加工工艺规划方法。 2 1 引言 当前制造类产品呈现多品种、小批量、客户定制的特点，这就要求企业尽 量缩短新产品的研发周期。可重构机床的设计是依据零件的加工工艺方案制订 的，故如何提高对零件新的工艺需求的快速响应是目前可重构机床设计生产中 存在的关键问题。因此，需要研究一种既能依据零件加工信息变化动态更新， 又能充分利用已有工艺知识进行工艺规划的映射方法。 2 2 零件加工特征的工艺特性分析 零件的加工特征是具有一定几何形状、结构状态、工程意义和加工要求的 一组信息的集合溶新宇洲。现有c a p p 软件主要强调加工特征与其加工工艺的映 射关系而较少涉及零件加工特征之间存在的关联组合关系，本节针对这一问题 对加工特征进行特性分析，并以零件特征间的工艺聚类关系为媒介，将零件间 的加工工艺组合关系映射为零件特征的加工顺序关系。 加工工艺规划过程中，通常有以下几种加工特征间的加工工艺组合关系隅培恩 2 2 ( 1 ) 基准信息：加工特征含有的基准信息，存在其他特征以此特征信息作 为参考基准。基准