（机械制造及其自动化专业论文）计算机辅助可重构机床运动功能方案设计.pdf

摘要 论文题目：计算机辅助可重构机床运动功能方案设计 学科专业：l 机械制造及其自动化 研究生：谢莉签名： 指导教师：张广鹏教授签名： 摘要 随着制造业全球化竞争的加剧，企业面对的是动态多变的市场环境，用户要求在最短 的时间内获得“个性化”的产品，以便于快速、经济地响应市场需求的变化。可重构制造 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 ，r m s ) 能够快速形成更新产品的批量生产能 力，已经成为2 1 世纪制造业的研究热点，而可重构机床( r e c o n f i g u r a b l em a c h i n et o o l s r m t ) 是可重构制造系统的重要组成部分，它的研究对实现可重构制造系统具有决定性的 意义。本文结合陕西省教育厅专项科研基金项日可重构机床关键技术基础研究 ( 0 2 胞1 8 ) ，进行计算机辅助可重构机床运动功能方案设计方法的研究，包括：零件加 工特征描述、面向可重构制造的零件加工工艺方案规划、r m t 运动功能综合与设计、r m t 运动功能方案设计原型软件系统的实现及应用例研究。 首先采用方位层次描述法表达零件加工特征的方位信息，通过建立零件加工特征的信 息模型，规划刀具及加工表面信息资源库；然后建立面向可重构制造的零件加工工艺规划 原则，通过工序拆分与合并，制定面向可重构制造的零件加工工艺路线，并给出每一道工 序段的加工时间及生产节拍的计算方法；基于信息模型与信息资源库及零件工艺方案，研 究了r m t 运动功能综合与设计方法，给出r m t 运动功能的变换方法，研究了三种典型 工序方案的机床运动功能综合方法，并提出了r m t 运动功能式的初步评价原则；基于所 建立的r m t 运动功能方案的设计方法，开发了r m t 运动功能方案设计原型软件系统。 最后通过应用例证明本文研究的方法是可行的，为可重构机床运动功能方案设计提出了一 条途径。 关键字：可重构机床；加工信息模型：工艺方案；运动功能设计；计算机辅助 本研究得到陕西省教育厅专项科研基金项目( 0 2 j k 2 1 8 ) 资助 a b s t r a c t t i t l e ：c o m p u t e r - a i d e dk i n e m a l t i c a lf u n c t i o np l a nd e s i g n f o rr e c o n f i g u r a b l em a c h i n et o o l s m a j o r - m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n n a m e ：l ix i e s u p e r v i s o r - p r o f g u a n g p e n gz h a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r w i t hm a n u f a c t u r i n gg l o b a lc o m p e t i t i o ni n t e n s i f y i n g ，c o r p o r a t i o n sa r ef a c i n gad y n a m i c c h a n g i n gm a n e te n v i r o n m e n t ，c l i e n t sr e q u i r et h e ”i n d i v i d u a t i o n a l ”p r o d u c t s i nt h es h o r t e s t p o s s i b l et i m e ，f o rt h es a k eo ff a c i l i t a t i n gt h er a p i da n de c o n o m i c a lr e s p o n s et ot h ec h a n g e so f m a r k e td e m a n d r m sc a nr a p i d l yf o r m sb a t c hp r o d u c t i o nc a p a c i t yo fr e n o v a t i n gp r o d u c t ，s oi t h a sb e c a m eah o tt o p i ci nt h e21 吼，r m ti sav e r yi m p o r t a n tp a r to fr m s ，a n di t sr e s e a r c hh a s d e c i s i v es i g n i f i c a n c et or m s s u p p o r t e db ys h a a n x ip r o v i n c ee d u c a t i o nd e p a r t m e n t ss p e c i a l s c i e n t i f i cf o u n d a t i o np r o j e c t ( 0 2 j k 218 ) ，c o m p u t e r a i d e dr m t k i n e m a t i c a lf u n c t i o np l a nd e s i g n i sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s i n c l u d i n g ：d e s c r i p t i n gp r o c e s s e df - e a t u r l eo fp a r t s 、p l a n n i n gp r o c e s s f o rr m s sp a r t s 、s y n t h e s i z i n ga n dd e s i g n i n gf o rr m tk i n e m a t i c a lf u n c t i o np l a n 、i m p l e m e n t i n g t h ep r o t o t y p es o f t w a r es y s t e mo fr m tk i n e m a t i c a lf u n c t i o np l a nd e s i g n ，a n di t sa p p l i c a t i o n s f i r s t ，o r i e n t 1 a y e rd e s c r i p t o ni sa d o p t e dt oe x p r e s so r i e n ti n f o r m a t i o no fp a r tf e a t u r e ，a n d v i ae s t a b l i s h i n gp a r tf e a t u r ei n f o r m a t i o nm o d e l ，i n f o r m a t i o nd a t a b a s eo fc u t t i n gt o o la n d p r o c e s s e ds u r f a c e si sp l a n n e d t h e n ，p r i n c i p l e so fp l a n n i n gp r o c e s sf o rr m s sp a r t s a r c e s t a b l i s h e d ，v i ad i s c o n n e c t i n ga n dm e r g i n g ，p r o c e s sr o u t e sf o rr m s sp a r t sa r ep l a n n e d ，a n d c o m p u t i n gm e a n so fp r o c e s s i n gt i m e a n dt a k et i m e ( t t ) a r er e s e a r c h e d b a s e do nt h e i n f o r m a t i o nm o d e l 、i n f o r m a t i o nd a t a b a s ea n dp a r t s p r o c e s sp l a n ，s y n t h e s i z i n ga n dd e s i g n i n g f o rr m tk i n e m a t i c a lf u n c t i o np l a na r cr e s e a r c h e d ，a n dc h a n g i n gm e a n so fr m tm o v e m e n t s a r ce s t a b l i s h e d ，s y n t h e s i z i n gm e a n so fr m tk i n e m a t i c a lf u n c t i o nf o rt h r e et y p i c a lp r o c e s sp l a n a l er e s e a r c h e d ，a n dp r e l i m i n a r ye v a l u a t i o np r i n c i p l e so fr m tk i n e m a t i c a lf u n c t i o np l a na r ep u t f o r w a r d b a s e do nd e s i g n i n gm e a n so fr m tk i n e m a t i c a lf u n c t i o np l a n ，p r o t o t y p es o f t w a r e s y s t e mo fr m t k i n e m a t i c a lf u n c t i o np l a nd e s i g ni sd e v e l o p e d l a s t ，t h em e t h o dp r o p o s e di n t h i st h e s i si sv a l i d a t e db ys o m ee x a m p l e s ，a n ds h o w i n gt h a ti ti san e ww a yo fd e s i g n i n gm e t h o d f o rr m tk i n e m a t i c a lf u n c t i o np l a n i i i 西安理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：r e c o n f i g u r a b l em a c h i n et o o l s ：p r o c e s s i n gi n f o r m a t i o nm o d e l ：p r o c e s sp l a n n i n g ： k i n e m a t i c a lf u n c t i o nd e s i g n ：c o m p u t e r a i d e d t h et h e s i si s s u p p o r t e db ys h a n x i p r o v i n c ee d u c a t i o nd e p a r t m e n t s s p e c i a l s c i e n t i f i c f o u n d a t i o np r o je c t ( 0 2 j k 218 ) i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果0 尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论一始蚌斗疥3 月琴日 学位论文使用授权声明 本人鞭在导师的指导下创作完成与；皇业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：导师签名： 毋多月2 拍 第一章绪论 1 绪论 1 1 引言 随着制造业全球化竞争的加剧，用户需求的多样化和产品更新换代的加快，对产品的 要求为：更多的产品变化、更短的产品生命周期、更低的产品成本和更高的产品质量，旨在 以大规模生产的效率和成本提供个性化的定制产品。批量生产需要制造系统既具有一定的 刚性和专用性来保证高的生产效率，又具有快速转产的柔性和通用性。 目前的制造系统主要有两类，即刚性制造系统( d 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 ， d m s ) 和柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，f m s ) 。刚性制造系统也称刚性 生产线，它是针对某一具体产品和固定生产能力而设计制造的，主要由专用机床 ( d e d i c a t e dm a c h i n et o o l ，d m t ) ( 如组合机床等) 组成，具有高的生产效率和低的加工成 本，但其柔性差，当产品的批量、加工特征等发生变化时，很难通过自身结构或功能调整 来适应新的加工需求，如目前许多拖拉机、汽车、内燃机制造厂就面临着产品改型的困难。 柔性制造系统也称柔性生产线，主要由各种数控机床( 包括加工中心) 组成，其柔性加工 功能很强，适合多品种、单件小批量产品的生产，能够快速响应多变的市场需求。通常数 控机床是在面向未知加工需求的前提下设计制造的，其结构复杂、柔性好、功能强，一次 性投资很大，导致加工成本高，当面向批量生产时，有许多功能用不到，存在不必要的功 能冗余，导致机床功能利用率低，这样必然会造成很大的投资浪费，弓i 入不必要的加工成 本。德国斯图加特大学h s c h u l z 教授曾统计过美、欧、亚2 2 个国家3 7 0 家批量生产企业， 发现8 0 9 6 的加工中心只有2 0 的功能利用率1 。虽然通用数控机床通常是工序集中，但其 加工效率远低于采用多刀同时加工的专用机床，因此柔性制造系统的加工效率远低于专业 生产线。很显然柔性制造系统在经济全球化竞争的当今，对于批量生产来说，并不是一种 合理的投资方案。 由此可知，现有的制造系统模式无法满足未来批量加工发展趋势的要求，正是在这种 背景之下，业界提出了一种新的制造模式一可重构制造系统r m s ( r e c o n f i g u r a b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) t z l 它综合了刚性制造系统和柔性制造系统的优点，可实现变品种、 变批量生产，从而极大的增强了批量生产企业对未来不可预测的市场需求的快速响应能 力。 r m s 着眼于发展制造系统的结构快速调整能力，主要通过对制造系统中机床配置的 调整和机床功能模块的增减，迅速构成适应新产品或生产批量变化的市场环境。r m s 具 有以下五个特征3 4 1 ：( 1 ) 模块化( m o d u l a r i t y ) ，r m s 的所有组元( 软件和硬件) 都为 模块化结构。( 2 ) 可集成性( i n t e g r a t e b i l i t y ) ，机床及控制部分都具有集成的接口，可以 嵌套新模块。( 3 ) 可转换性( c o n v e r t i b i l i t y ) ，r m s 能在现有产品之间进行快速的变换， 并对未来新产品进行快速的适应，即能够平稳地由一种功能配置转换到另一种配置。( 4 ) 可诊断性( d i a g n o s a b i l i t y ) ，r m s 在重组后，能快速的识别系统中的质量和可靠性问题， 降低系统试运行时间，使其能尽早正常运行。( 5 ) 定制性( c u s t o m i z a t i o n ) ，r m s 能够根 1 西安理工大学硕士学位论文 据被加工零件族及具体零件加工所需的功能来配置加工设备和构建系统，控制系统采用开 放性体系结构，通过与控制模块进行集成来提供所需的功能。可以看出，r m s 的设计思 想在于可以有效的解决传统制造系统所存在的多样性与经济性同益突出的矛盾，能够满足 多品种、变批量的同时，可以既具有一定的刚性和专用性来保证高的生产效率，又具有快 速转产的柔性和通用性来满足市场的快速响应。 1 2 可重构机床 可重构机床( r e c o n f i g u r a b l em a c h i n et o o l ，r m t ) 是实现可重构制造系统的主要装备。 可重构机床( r m t ) 是用户根据市场的加工需求( 零件群族) 定制机床功能，其柔性功 能仅限于该零件群，没有功能冗余，因此具有专机的高效率、低成本、高质量的加工优势。 r m t 的主要特征可归纳为三点：( 1 ) r m t 主要面向批量生产条件；( 2 ) 市场环境变化的 不确定性必然导致r m t 功能的非预知性，而某一r m t 的功能仅适用于特定零件群范围 的加工需求；( 3 ) r m t 的结构保证用户可以进行机床结构和功能的重组。 同时可重构机床的机械系统和控制系统均采用模块化结构，各模块具有功能扩展和 变换的接口，因此用户可以随加工零件群的变化而重新配置r m t 的功能，这样就可以有 效的应对市场的不确定性加工需求。因此可重构机床一定是模块化机床，而且应当是以用 户为中心的模块化机床，但其与一般的模块化机床又有着本质的区别：( 1 ) 可重构机床的 功能模块是在用户使用中随加工对象变化而进行添加或删除变更的，是一个开放性的系 统，而一般的模块化机床主要是从制造商的角度出发，用户一般不会改变其功能配置。( 2 ) 可重构机床中的模块具有标准化的接口( 结合面) ，而一般模块化产品的接口标准仅限于 企业内部，因此可重构机床的模块制造便于组织大规模的专业化协调，有利于产品质量的 提高，降低成本。 虽然可重构机床和组合机床都是面向批量生产，但其与组合机床有着明显的区别： 首先，可重构机床是为了全时段响应某一族零部件变化的需求，在设计的开始便考虑 了机床的可重构性，因此可重构机床一定是模块化机床，而且应当是以用户为中心的模块 化机床，而它在继承组合机床模块化结构的同时，更加强调机床硬软件的可重构性和机 床模块间的接口设计，可重构机床的模块具有标准化的接口，便于组织大规模的专业化协 调生产。同时这种标准化的接口可以保证用户实现机床的结构和功能的重构。 其次，可重构机床设计的关键不在于其能够加工多少变型品种，而在于其功能结构能 够改变或升级。可重构机床对用户来说是开放的，在硬件方面用户可以增删功能模块和集 成新功能模块，软件系统的结构、控制算法可更改，这样可重构机床能够不断改进和升级， 而组合机床并不能通过用户实现其功能的更新和升级。 第三，可重构机床是依据客户当前生产需求定制的，但是可以在特定的范围内经济的 转换和升级以满足新的生产需求。 可重构机床和加工中心都是面对多品种生产的，但却有着本质的区别。加工中心主要 面单件小批量、多品种生产，其加工范围很宽，可以应对不确定性的加工需求。当面向批 第一章绪论 量生产时，导致其功能配置有冗余，许多功能难以充分发挥，从而造成浪费。可重构机床 是为某一零件群族设计的，并按客户的生产需求来设计制造，具有鲜明的专用性，这样 在设计之初就确定了其加工对象的范围，只要未来产品在所定义族中变化，机床就可以通 过功能模块的更换、增删来满足新的加工需求。因而它提供了种客户化和确切化解决加 工操作的不定期需求问题的方法。较加工中心的功能冗余而言，可重构机床最大程度的利 用了机床资源，无论产品加工工艺范围有无变化，可重构机床的成本都是合理的，其价格 比通用的数控机床更便宜，性能和效率又与专用机床相似。 可重构机床的核心是使用过程中的可重构性，用户可以根据所生产产品的变化对机床 的结构、布局乃至加工功能进行更改，而且每次重构都要力求做到基本无冗余功能，这样 才能满足高效率、低成本的加工需要，同时又可满足变批量及变品种的加工需求。 1 3 可重构机床的研究现状 可重构制造系统的提出和系统研究始于上个世纪9 0 年代中期，受到了学术界、政府和 工业界的高度重视和大力支持，国内外许多学者进行了大量的研究。 目前，可重构制造系统研究的最大组织者为美国密西根大学( u n i v e r s i t yo f m i c h i g a n ) 的可重构制造系统工程研究中心( e r c r m s ) 。在1 9 9 4 , - - - 1 9 9 9 年期间，以美国密西根大学 为中心的r m s 课题获得了国家科学基金会( t h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) 与工业界3 0 8 0 万美元的支持，研究工作主要围绕制造系统重构方式对系统性能的影响、产品装配过程的 变流理论与建模、缩短可重构制造系统的设计建造时间、可重构机床控制器的设计、缩减 系统重构后达到正常运行的过渡时间一斜升时间( r a m p u pt i m e ) 几个方面进行u 1 ，并以 可重构敏捷制造为课程进行了广泛的企业培训，与3 0 多家企业进行了以r m s e r c 为基 础的合作。该中心将可重构制造系统分为系统级设计( t a l ) 、设备级( 机床控制) 设计 ( t a 2 ) 、斜升( r a m pu p ) 和校准( t a 3 ) 以及维护( t a 4 ) 四个专题开展研究，其目的是建立 可重构制造科学的知识基础。 2 0 0 1 、2 0 0 3 、2 0 0 5 年在密西根大学分别 召开了c i r p 第一、二、三届柔性、可重构 制造国际会议1 5 7 1 。从论文的来源、研究深 度以及参加会议的人员看，可重构制造已经 成为国际学术界和企业关注的重点。可重构 制造系统涉及的内容很多，其中最重要的一 项内容就是可重构机床的研究和开发，它的 成功开发对实现可重构制造系统和敏捷制造 具有决定性的意义8 1 。 图1 - 1 是美国密西根大学y k o r e n 等人 提出的可重构机床概念设计专利阳1 ，当工件 图1 - 1 可重构机床概念图 f i g 1 1c o n c e p t u a lg r a p ho fr m t 的大小和尺寸改变时，主轴可被重新定位以便于在不同位置执行相同操作或者用另一主轴 3 西音理l 九擘硕士学位论t 头代许以执行小r q 的操作。同时t 轴也可以通过预帮f n 接l j 增加或删减使机床的资源最 优化。 rgl a r d e r s 等人1 提h 了种适应市场需求变化的r m t 设讣策略。他们通过分 析需求娈换对r m t 设计的影响，阐述了r m t 机械与控制设计需求，并通过改变被加工 工什的特征、机床循环时州等，阐述丁r m t 蹬计策略，勾画m 了r m t 的应用前景。虽 然研究青只是时r m t 的设计思想做了初步的规划，对许多实际问题没有给山确切的解决 方案，但这已经埘r mr 后续没计研究具有很大的参考价值。 对1 。可重构机床的原型机设计，密两撤大学申请了两项专利，即可重构多轴箱设计“” 和 拱) f 耋可晕构机床设计1 1 1 a 可重构多轴箱是针对零件的变化设计的如用于实现汽缶f _ 凸 轮扎的钻削，它的设计方法有三步：( i ) 孔样聚类。它用 识别- 在一个多丰轴头上加工 的零什族，升指山可丑：子模块上加l 的孔。( 2 ) 概念设计。它决定在于模块叶1 刀具的位嚣， 井得山零件旅中产品设计的配置办案图。( 3 ) 机构设计。它包含了种可重构 浊，这种 方法时频繁( 通片i 多辛轴头) 和非频繁( 专用多手轴头) 变化提出了岍种不同水甲的町重构 性。 图卜2 为密西根大学根据所申请的r m t 概念设计专利，r 发的种其有拱形结构模块 的r m t 原型样机“”，拱形可重构机床是针对零件特征的变化设计的，用于完成 15 0 4 5 。斜血的铣削、钻削等工序，它是一个非垂直的二轴机床，主轴的位置和角度是 城过拱轴的执行器或手动柬调节的。 ( h ) 实物样机 蚓i 一2 拱孵r m t 样, 1 a , | ；构 p i g i - 2p r o t o t y p eo f ar c h - t y p er m t 第一章绪论 除此之外，密西根大学的e r c r m s 还研究了变功率主轴箱( 即动力可重构) 的可重 构设计方法及自动换刀装置，并申请了专利 1 5 l e 。 在研究r m t 设计理论与方法方面，密西根大学e r c r m s 的y m m o o n 和s k o t a 提出了一种r m t 的运动合成方法 1 7 2 3 ，并开发了基于该方法的计算机软件p r e m a d e ( p r o g r a mf o rr e c o n f i g u r a b l em a c h i n et o o ld e s i g n ) ，它能自动从机床模块库中选择机床模 块并生成可选的机床设计方案。遗憾的是该方法主要从满足机床运动可行性角度出发，给 出了一种通过加工任务和机床模块的数学描述进行r m t 运动合成的方法，而没有考虑其 它方面的设计需求，如r m t 模块的划分和功能设计、接口设计、配置优化、多种机床运 动功能方案确定等，而这正是r m t 研究中急需解决的问题。本文所研究的可重构机床运 动功能方案的原型软件系统，实现了可重构机床运动功能方案规划的计算机化，将机床所 有的运动功能方案求解出来，为后续总体结构布局设计奠定基础。 国外除了美国对r m s r m t 研究外，1 9 9 7 年由美、德、芬兰、西班牙、瑞士和日本 等国联合组织进行“智能制造系统的高生产率和可重构制造系统( i m sh i p a r m ) 的 研究，旨在通过开发高效、通用、多功能的可重构机床和可重构操作系统来构建柔性、高 生产率的制造系统。加拿大n 钉也对r m s r m t 进行了研究。德国联邦教育与研究部 ( b m b f ) 与德国机床制造商协会( v d w ) 联合主办的汉诺威e m 0 2 0 0 5 的研讨会“未 来机床” 2 5 1 9 从不同的方向来探讨机床灵活的重构性能，这种灵活性将最终降低机床生命 周期成本。 国内，1 9 9 8 年国家自然科学基金设立重点项目“快速重组制造系统理论与方法研究”， 重点探讨用于加工过程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 的优化规划，提出了适合于敏捷制造环境下，实现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、多品种生产中的应用案例啪1 。国家自然科学基金将可重构制造系统 的研究列入“十五 计划k 。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“生产制造系统重构过程的实时协调控制理论与方法研究”，该 课题主要有：( 1 ) 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；( 2 ) 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。 浙江大学的许虹等人 2 8 3 0 i ，为实现机床整个生命周期的可重构性，给出了可重构机床 设计的基本原理。根据并行工程理论，提出了一种基于工艺规划与机床配置并行完成的可 重构机床设计方法，将机床整个生命周期的配置重构设计过程分解为几个相互关联的子 过程。该方法的可重构机床运动功能设计从工艺出发，通过转化为任务矩阵，选定相应的 运动模块，配置出可重构机床，该方法与文献【1 8 】相似。但生成的可重构机床并未涉及 加工刀具类型、对应的机床类型( 车、铣、钻等) 等，因此具有一定的局限性。梁睦等 人3 1 1 介绍了可重构机床的基本特征，通过可重构机床加工零件族工艺过程的描述，展示了 可重构机床发展的先进性与必要性。张根保2 1 提出了几项可重构机床的关键使能技术： 机械界面研究及其标准化，模块的划分、综合及标准化，可重构机床的功能研究及可重构 西安理工大学硕士学位论文 机床的计算机信息管理等。梁睦，李春广等人3 3 1 提出从可重构制造系统的5 个显著特点 来看，与开放式数控系统应具备的5 个基本特征在内涵上基本相符，所以可以把可重构数 控机床建立在正在研究与开发的开放式数控系统的基础上，利用目前已经取得的成果，研 究和开发可重构数控机床。但以上的研究方法并未涉及可重构机床本身如何设计，如r m t 运动功能规划、结构布局设计等。 1 4 可重构机床设计的关键技术 可重构机床设计的研究内容包括许多方面，如可重构制造系统的工艺规划，可重构机 床的运动功能设计，可重构功能模块的合理设置，接口设计，模块自治性设计，总体结构 布局方案设计及其评价，重组后整机性能和精度预测及重组方案优化等。 1 4 1 可重构制造系统的工艺规划 可重构机床设计首要解决的问题是零件的工艺路线选择。c a p p ( c o m p u t e ra i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ) 的本质就是利用计算机模拟人的智能完成工艺规程的设计。南京航空航 天大学的张晓峰3 钉提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。东南大学的易红等人d 5 1 对快速重组制造系统的c a p p 技术也进行了探讨，提出 由于快速重组制造系统中的c a p p 技术与传统c a p p 技术最大的不同，所带来的影响主要 表现在：( 1 ) 设备库、工艺知识库、工装库、加工参数库等库的动态变化。( 2 ) 零件信息描 述方法的柔性与适应范围。( 3 ) 推理机( 决策逻辑) 的广泛适应性。因此，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。 1 4 2 可重构机床运动功能设计 运动功能设计是机床总体方案设计首先要进行的工作，其目的是确定机床运动自由度 的性质、数目、排列顺序等，与要加工的工件表面特征密切相关。运动功能方案的优劣将 直接影响着机床的总体结构布局，是总体方案设计的关键环节。 密西根大学的y m m o o n 和s k o t an 盯采用了基于数学表达式的螺旋理论，并将 其与工件的加工工艺联系在一起，从而便于由数学表达式计算出机床的加工任务矩阵，使 该矩阵包含机床所必需的运动，然后利用图拓方法进行机床结构的重构配置。该方法利用 了齐次转换矩阵( h t m ) 的便捷性，克服了p l u c k e r 坐标系的限制性，从开发辅助设计工 具角度出发，实现加工任务与机床模块的自动识别与匹配，但以现有机床方案为基础进行 模块划分，有一定的局限性，并且对于机床配置的可重构性考虑不足，没有讨论r m t 存 在的多种方案及采用多主轴箱时如何确定结构方案等问题。 1 4 3 可重构机床的模块设置 可重构机床与普通机床的主要区别在于其具有模块化结构和可重构能力，即能够通过 对机床组件或模块的重组、更替，调整其加工功能和某些性能，及时、高效的满足被加工 6 第一章绪论 零件的各种变化需求。同时这也为机床部件在其寿命周期内反复重构，最大限度的实现设 备改造、更新节约化、高效化提供了一条有效途径。 可重构机床的特点决定了它必须采用模块化设计( m o d u l a rd e s i g n ) 。模块化设计是 一种新颖的设计思想，目的是为了提高设计效率，使设计经验能够被传递和继承，以利于 进一步提高设计和生产水平。目前，对模块化设计还没有一个统一的定义，一般可以这样 理解：模块化设计是在对一定范围内的产品或系统进行功能分析的基础上，划分并设计出 一系列功能独立、结构独立的基本单元模块，并使模块系列化、标准化，通过模块的 选择和组合可以构成不同的产品或系统，以满足不同需求的设计方法。 模块划分是模块化设计的前提与基础。模块划分是否合理，直接影响模块化系统的功 能、性能和成本，影响到整个模块化系统的复杂程度、结合与分离的方便性、装配质量的 控制及组合后所产生的产品类型的数量。模块的划分有一个不断完善的过程，一般均是从 零部件或装拆等角度去考虑模块的划分，然后以功能的分解为依据对原有的零、部件进行 归类，使之成为真正符合要求的模块哺1 。正确合理的模块划分可简化设备结构，降低设 备重构频率，提高模块之间的精度匹配，减少重构操作的工作量，美化设备的外观等。姜 慧等人 提出一种方法，通过计算子功能之间的相关度来进行模块划分，具体包括设计问 题的分解、子功能成为独立模块的条件、子功能之间的相关度计算、模块的形成等几个关 键步骤，但这种划分方法不够系统，以定性标准居多，具体实施难度较大。谢小平等人d 提出模块化设计主要包括模块划分与模块组合两个过程，模块划分是功能模块的结构设计 过程，模块组合则是根据具体功能要求，选择合适的模块组合成产品。按照g t ( g r o u p t e c h n o l o g y ) 原理，在功能层次的基础上，定义一个功能优先级系数v ，从而确定模块为 核心功能件或基本功能件或辅助功能件。高淑英等人3 9 1 首先分析了模块化设计中的产品 矩阵及方案设计阶段基型产品的功能分解原则，在此基础上研究了产品的功能流模型，提 出了复杂产品结构基于功能流的启发式模块划分方法的三条规则：主流规则、支流规则和 转化输送规则，用于在机械产品方案设计阶段的模块划分。赵庆志等人提出了以三 要素模块为可重构粒度对可重构机床进行模块化创建和划分的原理，并在慢走丝电火花线 切割机床模块划分设计上得到了应用，探讨了在可重构理念指导下慢走丝电火花线切割机 床系统通用化、模块化、系列化和标准化模块设计的要点。 1 4 4 可重构机床的模块编码 在模块化设计中，模块编码的合理与否对模块选择、模块综合以及企业的生产管理等 诸多方面具有重要的影响，是实施模块化设计与制造的前提与基础。编码的目的在于用规 定的字符来代表复杂的概念，从而避免文字叙述所带来的冗长和累赘，以及概念表达的多 样性、多义性和非标准化n 。高广达等人“2 1 提出了制定编码的一般方法，包括模块从属 关系信息码的编制、模块特征信息码的编制、模块接口码的编制和模块图纸编码的确定四 个部分。在实际工作中，设计人员从不同的划分角度常会得到不同的模块划分方案。决策 者必须运用科学的理论对这些方案进行综合评价，从而选择符合自身需求的最优方案。凌 7 西安理工大学硕士学位论文 震宇等人“3 1 结合现代决策理论中的层次分析法提出了一种对不同的模块划分方案进行综 合评价的方法，可用于指导复杂系统模块划分方案的选择。 1 4 5 可重构机床模块的接口规范性技术 可重构机床中模块之间机械界面即接口的通用化和标准化设计也是系统工程中的重 要一环，其界面应满足开放性、通用性和快速可重构性。可重构功能模块只有实现标准化， 才便于组织专业化的大规模生产，实现不同厂家模块的互换。可重构制造系统要真正得到 广泛的应用，设计时必须考虑各种模块界面的标准化。界面的标准化研究主要包括以下内 容：界面结合精度、稳定性和可靠性、界面的标准化、模块更换的快速性和方便性，现存 标准并不是建立在重构的基础上，因此，它们只能在界面标准化设计时提供一些基本的原 则和策略，以供参考。刘小鹏等人钉提出对模块接口进行分类和系列化，采用系列化的 模块接口是提高模块通用性和互换性的重要途径。模块接口系列化的主要原则有两个，即 模块接口几何形状的统一性原则和模块接口几何尺寸的优选性原则。此外，还有模块接口 材料尽量相同的原则和模块接口几何尺寸的精度、表面粗糙度等尽可能统一的原则。并给 出用来检索、查询、调用和管理图库中模块接口图形的模块接口图样编码，该编码由1 1 位主码构成，必要时，主码后面可接2 位扩展码，主码和扩展码均为定长码。李铬5 1 提出可重构机床系统界面可分成3 种类型：系统界面、模块界面和子模块界面。设计域为 用户域、功能域、物理域和工艺域的映射，基于并行设计理论和多目标优化设计理论，提 出机床本体都应设计成具有标准界面的标准模块；可重构机床的控制系统也必须按照开放 式结构的原则设计。k u o m i nc h e n ，r e n j y el i u 盯提出了模块内部接口( i n t e r n a li n t e r f a c e ) 和外部接口( e x t e r n a li n t e r f a c e ) ，并指出内外部接口开放性( o p e n n e s s ) 的不同，基于接 口策略矩阵( i n t e r f a c es t r a t e g i cm a t r i x ) 提出了产品由概念阶段到实际产品的四种策略。 1 4 6 可重构机床总体结构布局方案设计及其评价优化 机床总体结构布局方案设计的主要内容是确定机床的结构布局形式，运动副的形式及 总体结构尺寸等，为后续具体的结构设计提供依据。合理的结构布局方案对机床的设计成 功率有很大影响，是机床产品设计成功的关键步骤，因此研究机床的结构方案设计对提高 整个机床产品的质量有很重要的意义。 根据机床形状创成运动功能和结构之间的对应关系，可以进行机床的结构布局设计。 r s c h u l t s c h i k a 7 1 分析了自动线生成加工中，结构与运动形式的对应关系，给出了相应的 运动组合算法，为建立机床结构布局方法提供了思路和基础。韩国的y o o n h os e o 等人4 盯 提出了基于因特网的机床建模和机床仿真方法，这样可以方便响应加工需求的变化。特别 的是，他们提出了一系列模块合并原则和利用有向图进行机床结构建模的方法，在此基础 上，机床的结构和运动关系被获得以响应客户需求，并且也实现了基于因特网的机床仿真 和满足客户需求的机床结构检验。 一个运动功能方案，可能会有多种机床总体结构布局方案，可以从可重构机床的柔性、 第一章绪论 生产节奏、可重构能力、环境、经济性和可靠性等方面进行评价，以选出最佳方案。在上 述影响因素中，各自具有不同的影响程度，需要综合考虑定性和定量两方面来进行评价。 主要有：层次分析法( a h p ) 、模糊数学法、遗传算法、神经网络法、t o s p 法等1 4 9 1 。2 0 0 0 年新加坡的g u i l i ny a n g 和i - m i n gc h e n 咖1 提出了基于加工任务的模块化机械手臂配置的 优化方法，给出了对特定任务需求的优化模块化机械手臂配置的最小自由度概念，通过图 产生满足运动需求的所有可能配置，并应用改进遗传算法( g a ) 进行优化。在2 0 0 5 年 c i r p 第三次柔性、可重构制造国际会议上，g e o r g ec h r y s s o l o u r i s 等人提出了 d e s y m a o p t 算法用于使r m s 的生命周期成本最小化。a y m a nm a y o u s s e f 等人“2 1 提出了r m s 配置选择的一种新方法，它根据了重置平滑度( 相似性) 来进行配置的选择 以保证配置的性能。 1 5 研究课题的意义 从上述的国内外研究现状可以看出，虽然可重构机床概念已经提出了多年，可重构机 床设计的研究也已取得了一定的进展和成果，但由于其涉及面非常广，研究难度大，至今 尚未形成系统化的设计理论和方法。尽管可重构机床离实用化还有一段距离，但它作为可 重构制造系统的一项重要技术单元，可快速形成更新产品的批量生产能力，在机械制造领 域中必将具有很大的发展潜力和应用前景。虽然研究机构和学者们都在从不同的角度进行 r m t 研究，但目前还未有突破性的研究成果，其深入程度还不够，需要解决的问题依然很 多。 r m t 运动功能方案设计方法是r m t 研究领域中一项重要研究课题，也是r m t 总体 结构方案设计首先要进行的工作，因此研究可重构机床运动功能方案设计方法具有重要的 意义。本论文将基于机床创成设计原理，研究可重构机床运动功能方案的设计方法，并开 发可重构机床运动功能方案设计原型软件系统，实现可重构机床运动功能方案规划与设计 的计算机化，为可重构机床的设计提供基础平台。 1 6 本论文的主要研究内容 本论文结合陕西省教育厅专项科研基金项目( 0 2 j k 2 1 8 ) ，在收集大量的有关可重构 机床研究资料的基础上，开展计算机辅助可重构机床运动功能方案设计方法研究，具体包 括以下几方面的内容： 1 零件加工特征描述。首先采用方位层次描述法清楚表达零件加工特征的方位信 息，然后建立零件加工特征的信息模型，规划刀具及加工表面信息资源库，为r m t 运动 功能设计提供条件。 2 面向可重构制造的零件加工工艺方案规划。首先建立面向可重构制造的工艺规划 规则，即满足常规制造系统的工艺规则和可重构制造的特定工艺规则，然后对可重构制造 系统的工序进行分类，并给出零件加工时间及生产节拍的计算方法。 3 r m t 运动功能综合与设计。首先研究可重构机床运动功能的变换方法，分别从可 9 西安理工大学硕士学位论文 重构制造系统的三种不同工序，对机床的运动功能综合问题进行研究，然后提出可重构机 床运动功能式的初步评价原则。 4 r m t 运动功能方案设计原型软件系统开发。基于可重构机床运动功能方案设计 方法，开发可重构机床运动功能方案设计原型软件系统。 5 结合应用例，检验所建立的r m t