可重构数控机械雕刻实体研究【含三维SW+文档】
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机械工程师! 世纪开放式可重构数控系统的发展李伟光， 俞 烽， 朱金华，赵 博，周建辉（华南理工大学 机械工程学院， 广东 广州!#$%#）摘要： 分析了开放式数控系统的发展状况， 在对国内外特别是新颁布的开放式数控系统国家标准研究基础上，构造了一种基于!#、$%&以及高速现场总线%()*+,-.!%的开放式可重构数控系统。关键词： 开放式&可重构& ()*& (+,-./0中图分类号：1(234文献标识码：*文章编号：#252444（2#4）25#45#%#$%$&()$*+ , +-$ !+- .$*+/01 2($*3*4 5$6*7+0/6+3*4 8. 917+$):; ?/*4ABC D$*4AEFC G3*-/AEFH2 IAEF2C G3*-/3607899: 9; ?7: A?B?=C?BD 09EF8 G8? /?H=CIFJ 9; 1=78?9:9BJD )E?BK89E !#$%#D G8?LHJ7+06+K *?:JK?B F8= ?=7=IICJ 9; M=H=:9NO=?F 9; ,PGD QI=M 9? F8= R0(D ()* ?M (+,-./05R(D ?9H=: ,PGIJIF=O I NC=I=?F=M ? F8I NN=C SF78 8I C=IFCE7FEC=Q:= 78C7F=CIF7 ?M 9Q=J F8= ?=S IF?MCM 9; F8=,PG 9; G8?。L$1 M0N7K 9N=? PG& C=IFCE7FEC=Q:=& ()*& (+,-./开放式数控系统的回顾/0世纪10年代， 欧美发达国家便已经意识到开放式数控机床对生产制造变革的重要意义，提出了基于可重构系统的新生产制造业变革模式，甚至将其比喻为第三次工业革命。开放式数控)23（)4567 2895:;73?6:?）系统的探索经过了以下发展过程：AB1A年美国提出了下一代控制器2&C（25D7&565:=;?67 C?6:?5:）计划， 成立了“美国国家制造科学中心” ， 其主要目的是拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范； 随后， 一些制造业相对发达的国家和地区相继启动了研究计划，其中产生较大影响的有美国的)EFC、 欧洲的)FCF和日本的)GC等计划， 而这些计划的实施基本上代表了开放式数控的发展现状并逐步形成了开放式数控系统体系结构标准A。经过HI多年的发展， “开放式” 一词已经深入人心，)23系统已成为323发展的主流。!我国开放式数控系统的发展现状国内)23的研究起步于H0世纪B0年代后期， 经过了短短几年的攻关， 一些大学、 研究所及生产厂家已相继研制出一些系统。但由于各研究机构对数控系统的认识和理解不同J7致使)23的设计和开发在一段时间处于百家争鸣阶段， 这虽有利于新型)23概念的提出， 但事实上并不利于工业化开放式系统的应用， 而且百家争鸣的开放体系也违背了)23的真正含义， 因而造成了各系统之间的不兼容性。为了解决数控应用软件的产业化及系统互联问题，ABBBKH000年间，国家科技部、 经贸委、 机械工业局等部委组织专家针对国际数控技术的发展形势做了多方调研，决定由在国内数控领域和信息产业领域具有代表性的1家企业组成联合团队，H000年开始起草并制定符合我国国情又紧密结合国际开放数控系统发展趋势的)23技术规范国家标准， 以指导开发新一代开放式数控系统平台， 从而实现我国数控技术的跳跃式发展。H00H年L月我国正式颁布了机械设备开放式数控系统总则 （&,MNO A1PQB RA.H00H） 的国家标准，并于H00S年A月A日正式生效。这份总则标准集合了我国在开放式数控领域研究的基础成果，重点在系统总体构成方面作了较为详细而明确的定义。虽然这仅仅还是)23标准的总则， 没有达到真正意义上)23全部标准的描述，但是它已经是一个较为完整系统框架的体系标准。该总则对数控系统的开放程度定义了三个层次，每个层次的数控系统的开放程度不同。国标总则部分对一个完整的)23系统应具有的基本体系结构也做了明确规范， 用来指导今后的)23设计和后续更深一层的)23标准的其它各部分的定义。按照总则要求，4!#$%!基金项目T广东省自然科学基金资助项目（0H0BAP）华南理工大学高水平大学建设资助项目U7/VVS年W!专题论坛机械工程师一个!#系统的基本结构由系统平台、硬件平台、 软件平台、!#应用软件、 配置系统以及功能单元库等组成， 如图$所示%。!基于#$、%$&及$()%*+,#总线的开放式可重构数控系统的研制结合!#标准总则的要求， 在对开放式可重构数控系统研究的基础上，构造出一套经济的开放式可重构系统。 该系统硬件基本结构原理如图&所示。 控制系统采用(#)#系统，(#系统完成图形界面处理、 输入输出控制、 加工程序编辑及译码、 刀补等功能。实时加工控制核心主要由#系统完成，如实时插补计算、反馈闭环补偿计算、 加工升降速控制、(*#控制等。该系统能够基本满足国标总则规定的第一层开放和部分的第二层开放程度。这取决于系统中的核心技术实时#控制系统的构造。包括： （$）基于数字信号处理器+,( -+./.01234./5123 (678944 :和现场可编程逻辑门阵列;(3(67/61?129310943 =661A3:技术的可重构运动控制卡。 （&） 基于工业现场总线(B!;CD,的开放式可重构#模块。 该系统可以在基于(#系统运行的开放式人机交互界面上进行诸如图形配置系统功能、 通讯管理等功能。基于;(=技术和(B!;CD,总线的#加工控制系统可以使用户在一定的规范协议和拓朴结构下，进行更适合用户使用环境的扩展性配置。图&中， 系统运动控制卡通过(B!;CD,E+(总线与底层的各伺服驱动、(*#等装置进行数据交换。其中(B!;CD,E+(总线在!#主系统一端通过嵌入式+(接口卡进行总线协议信号适配转换， 该+(接口卡完成(B!;CD,协议链路层和物理层功能， 嵌入在运动控制卡中， 从而减轻运动控制卡的计算负荷量， 并且可缩短运 动 控 制 卡 的 开 发 时 间 。 运 动 控 制 卡 通 过(B!;CD,E+(总线与底层的伺服驱动装置进行实时加工数据高速交换。而(#主板通过(#总线与运动控制卡相连， 从而可间接地通过(B!;CD,E+(总线对底层设备进行非实时功能的数据操作。在无源背板上还插有一块图像采集卡， 与加工现场的摄像机相连， 可实时采集现场加工的图像，并根据需要进行图像信号处理。!#实时加工系统高速现场总线!#$%&()*!的应用(B!;CD,E+(总线为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了有效的解决方案，已被广泛应用于工厂自动化现场设备层的数据通信与控制，用于实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络。 它采用数字通信方式取代传统设备级的FE &G?3=-模拟量:H&FI+#（开关量） 信号，使用两根电缆连接所有的现场设备， 它与传统的方法相比有如下优点J+K： （$）#装置与现场伺服单元及分散的H!模块之间的连接， 可利用多种传输介质， 如双绞线、 光纤、 同轴电缆等， 提高了不同场合的适应性； （&）采用数字信号传输技术L3与模拟信号相比， 避免了信号衰减和共模干扰，还可实现检错和纠错功能，从而极大地提高了信号传输的可靠性和精度；（%）构成了一种新的相对集中管理、 分散加工的体系结构； （F） 由(B!;CD,E+(总线构成的#系统， 是一种开放性较好的系统。不同厂家的#、(*#、伺服驱动等装置L可通过(B!;CD,E+(接口挂到同一总线上运行。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”使用设备选择范围的弊病。!#$%!机械工程师系统的底层设备层!#作为从站之一接收$%#装置的控制信息， 实现各种辅助功能的控制， 如向机床发出启动、停止等命令以及开关量的输入、输出信号等。该系统选择带有内置的!&$()*+,-!接口的!.， 直接将!.挂到总线上， 不需要另外的通讯转换接口。 若干个伺服驱动单元（伺服驱动器、 电机、 速度位置反馈元件）作为执行单元通过!&$/()*+从站(0$模块， 接收由运动控制板经总线传来的控制信息， 驱动相应的伺服电机。!$&$()*+,-!从站(1$模块内含嵌入式-!接口板， 通过该(1$模块将伺服驱动器连接到总线上， 并且各伺服驱动及加工轴的电压、 电流状态，速度、 位置反馈等信号也通过该(1$模块上传到运动控制卡。系统采用!&$/()*+,-!现场总线控制模式后， 不但整个系统可靠性强、 结构简单、 操作方便， 并且由于采用嵌入式-!接口板及(1$模块， 使用户可根据实际需要方便地应用现有的数控外设装置进行硬、软件的灵活配置和扩展， 实现计算机数控系统的开放性。!#基于高速!#和逻辑可重构器件$#%&的运动控制卡运动控制卡是$%.系统的核心部件之一， 卡上集成有高速处理芯片-+!和现场可编程逻辑门阵列/!23。该运动控制卡采用多-!+结构设计， 实现两大功能：首先可提供高速实时加工中海量数据处理的资源，其次可从硬件资源结构上根据用户的需求进行选择配置。从而保证系统的高速、 高精度、 高可靠性及可扩展性。现场可编程门阵列/!23是在普通门阵列等逻辑器件上发展起来的，可以替代几十甚至几千块通用(.芯片， 这样的/!23实际上就是一个子系统部件。与普通门阵列等相比， 具有如下优点4，5：（6）可重构能力： 基于静态存储7+&38 9的可编程逻辑器件， 能够实现器件功能全部和局部重新配置。（:）较短的产品设计周期和产品交货期：!23开发软件包中有各种输入工具和仿真工具，设计人员可在很短的时间内完成系统开发。（;）降低开发成本和减少商业风险： 可通过仿真进行系统设计， 且/!23的资金投入少， 节省了许多潜在的费用。（?ABCDEFA?G 8HI） ，将编程的数据装入!23器件的 过 程 ， 也 可 称 之 为 构 造 ； 然 后 是 初 始 化 状 态（(?AFAEJAKEFA?G 8HI） ， 在配置完成后，/!23器件复位内部各类寄存器，让(1$引脚为逻辑器件正常工作做准备； 最后是用户状态（*LIDG 8HI） ， 即电路中/!23器件正常工作时的状态5。当数控系统根据用户需求对伺服驱动或逻辑开关量等外部硬件进行扩展或重构后，/!23可通过将=:!&$8中的配置数据重新下载，实现内部逻辑电路更新，从而使运动控制卡上的逻辑电路也完成相应的重构。后者“动态系统重构”也称动态实时逻辑控制技术-&.7-M?ENAOG &IEJPFANIGBAOEJG .?FDJ 9， 是指在系统运行过程中依不同任务需要调用相应的功能模块来实现系统重构， 可以在外部逻辑的控制下， 动态地将存储于=:!&$8中的/!23配置数据下载， 也可用控制界面上在线定义的配置数据对/!23进行局部配置， 进而动态地实现系统所需要的功能。/!23的某一配置数据在$%.中与特定的功能相对应， 并与芯片内部的某一逻辑结构相对应。动态配置/!23数据时， 系统处于初始的逻辑工作状态， 此时/!23芯片内部逻辑阵列的逻辑单元分为如图;所示三种状态： 一种为工作状态， 是指当前正在工作的逻辑结构单元； 一种为待激活状态，是指那些逻辑结构已事先定义好，一旦相应配置数据下载便可被激活工作的逻辑结构单元；另一种是未使用单元， 即处于未定义逻辑结构功能状态。$%.动态系统重构时可按照需要实时地调整系统的控制逻辑， 因而可大大增加$%.系统的柔性和现场可重构性。因此，-+!的应用保证了该系统的高速、高精度、实时性数控加工；/!23的应用解决了由于现场伺服电机扩展后的逻辑电路变化的问题，从硬件逻辑电路上保证了可重构性；!&$/()*+,-!现场总线的应用实现了数控系统底层单元的灵活配置功能，实现了计算机!#$%!机械工程师!数控系统的开放性。!结论与展望通过对新颁布的开放式数控系统国标的研究， 结合已开展的研究工作，构建了一套行之有效的符合我国标准的开放性、 可重构、 高速、 高精度数控系统。该系统中的加工控制部分利用了当今的前沿技术：!#进行高速实时数据处理、$%&实现可重构逻辑电路、高速支持可重构的%()*+,-.!%现场总线等， 虽然这些应用还有待深入研究， 但我们相信这是真正意义上开放式可重构数控系统的发展方向。参考文献!戴晓华， 等开放式数控系统研究综述#组合机床与自动化加工技术，$%&!(：)*+$王正兵&等开放式体系结构,数控系统发展的潮流#制造技术与机床，$%$&!(：-$./0/1 !2+)3!,$%$， 机械设备,开放式数控系统,总则4-唐寅实时操作系统应用开发指南5北京： 中国电力出版社$%$)阳宪惠现场总线技术及其应用5北京： 清华大学出版社&!3336岳秋琴， 等基于789:;0$6*$+王文， 秦兴， 等基于可编程逻辑器件的可重构数控系统研究#计算机集成制造系统,?;54，$%$&+()6)*)632秦迎春:7/0?7A=可编程逻辑器件的发展前景#中国有线电视，$%$，!3(：-*-6（编辑 启迪）作者简介： 李伟光（!3)2,）， 男， 工学博士， 副教授， 主要从事数控技术、 先进制造技术、 机电一体化等领域的研究。收稿日期：$%.,%-,.%!智!能!维!修!决!策!支!持!系!统!的!研!究黄金国， 臧铁钢， 张淑猛， 杨明忠（武汉理工大学 机电工程学院， 湖北 武汉-.%+%）摘要： 提出了一种将神经网络、 专家系统和仿真技术相结合， 应用于维修决策的新型综合模型。 该模型能以低成本合理利用各种维修资源， 提高生产系统的可靠性1保障维修效率和质量， 达到延长设备使用寿命的目的。关键词： 故障诊断B神经网络B专家系统B智能决策中图分类号：1C!+文献标识码：文章编号：!%$,$.（$%.）!$,%6,%.#$%& ( #)* +*,-.-(/012-(3 $445# &.#*0 6 7(#*88-(3*(# 91-(#*(1(,*:;?-(/3$A B-*/31(3A: )$/0*(3C 9-(3/D)(3DEFGHIJE,KFGLMNOGME DNPONFFIONP ;NQHOHRHF JS TRLMN NOUFIQOHV JS 4GOFNGF MNW 1FGLNJEJPV& TRLMN -.%+%& ?LONM(E.#51,#F NFX QVNHLFHOG KJWFE JS KMONHFNMNGF WFGOQOJN,KMYONP& XLOGL OQ KMWF ZV IHOSOGOME FRIME FHXJIY (&DFIH 4VQHFK MNW DKREMHOJN 1FGLNJEJPV&OQ RH SJIXMIW0V KFMNQ JS HLOQ KJWFE MEE YONWQ JS KMONHFNMNGFIFQJRIGFQ XOHL EJX GJQH GMN ZF FSSFGHOUFEV LMIKJNOFWB MGGJIWONPEV HLF IFEOMZOEOHV& KMONHFNMNGF FSSOGOFNGV MNW_RMEOHV JS F_ROKFNHQ GMN ZF OKIJUFW 4J QFIUOGF EOSF JS F_ROKFNHQ OQ FNLMNGFWG*& H5%.F SMREH WOMPNJQOQB NFRIME NFHXJIYB FFIH QVQHFK；ONHFEEOPFNH WFGOQOJN,KMYONPI引言随着工程技术的不断发展，机电一体化的复杂设备在生产中得到了普遍应用。这也意味着随着维修对象复杂程度的提高，维修的难度也在不断地加大。目前，我国许多企业的大多数设备还一直沿用传统的定期预防维修（%2343567438 9:75635:5;3 18%9） 策略。在新的生产环境下，计划性的维修制度已经显露出与维修的现实需求间的不可调和的矛盾9） 学术会议上提出了“先进维修技术（?4:5;38 9:75635:5;38 A3;B5CDCEF 189A） ”的概念。所谓9A就是以高效、 可靠、 安全和效益为标6!#$%!制造业信息化? 第 24 卷 第12 期? 2005 年 12 月实验室研究与探索RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORYVol. 24 No. 12?Dec. 2005?实验技术?可重构并联实验装置设计及实践教学初探唐晓强, ? 尹文生, ? 孟明辰, ? 吴志军( 清华大学 精密仪器与机械学系, 北京 100084)摘? 要: 给出可重构平面并联机构和空间并联机构的设计原则, 概括进行并联机构设计的目的和相应的实验内容, 针对不同应用对象, 探讨开设此类实验课的途径和方法。通过探索和实践, 取得较好的效果。关键词: 实践教学; 创新; 并联装置; 可重构中图分类号: G424. 4文献标识码: A文章编号: 1006?7167( 2005) 12 ?0011 ?03Design and Probe of the Practice Teaching forReconfigurable Parallel Manipulator Experiments DeviceTANG Xiao?qiang, ? YIN Wen?sheng, ? MENG Ming?chen, ? WUZhi?jun( Dept. of Precision Instruments, Tsinghua Univ. , Beijing 100084, China)Abstract: The design principle of reconfigurable planar and spatial parallel manipulator was proposed, which includes thedesign object and experimental contents. The experimental methodswere discussed according to different users.The device wasused to the practice teaching which reached a good effect.Key words: practice teaching; innovation; parallel manipulator; reconfigurable收稿日期: 2005 ?04 ?08基金项目: 国家 863 计划资助项目? 基于并联构型的快速可重构装备研究与实现?( 编号 2002AA421180)作者简介: 唐晓强( 1973- ) , 男, 博士, 讲师。主要研究方向为并联机器人设计及其控制理论。Tel: 010 ?62794943; E ?mail: tang?xq mail.tsinghua. edu. cn? ? 实践教学是高等学校培养创新人才的重要教学环节, 是加强专业知识教育, 增加学生的感性认识, 培养学生实践知识、 实践能力、 综合素质、 创新能力的重要综合性训练环节, 实践教学在本科教学计划中占有相当大的比重。因此, 深化实践教学改革, 使所培养的人才能与时代发展相适应, 对提高我国高等教育人才的国际竞争力具有重要意义。并联机构虽然在 1965 年就被应用于轮胎测试机上, 但其真正的发展是上世纪 80 年代左右, 究其原因是因为并联机构分析和控制的复杂非线性问题, 而随着计算机和控制技术的不断发展, 并联机构的上述问题得到了解决。正是由于发展时间并不长, 并联机构还不被大多数人了解和应用, 若能开发一种对并联机构的认知实验装置, 在高校的本科生和研究生中开设相应的实践课程, 对开阔学生的视野, 培养学生的创新能力, 以及推动并联机构在更大范围的应用将起到积极作用。为此, 清华大学研制了多套可重构并联实验装置, 给学生进行了三次并联机构的认知实践教学, 收到了较好的效果。文中首先介绍平面和空间并联装置的设计原则,以及实践课的目的和相应内容, 最后针对不同学生的特点, 探讨了开设实践课的途径和可能方法。1? 平面并联机构设计及实验内容平面并联机构是将学生从一般的串联机构领入并联机构最好的切入点, 它结构相对简单但具有并联机构的全部特点。从平面并联机构入手, 可以进一步的引入到空间并联机构中, 若时间相对较少, 借助平面并联机构的实验, 学生可基本了解并联机构的各种特点。1. 1 ? 平面并联机构设计原则并联机构可以分为平面并联机构和空间并联机构, 其中平面并联机构的铰链可分为三大类, 分别为回转铰, 滑动铰和伸缩铰。从给学生做实验的角度出发,应当尽可能的减少部件, 但各类铰链均需要包括, 为此设计了一种三铰合一的驱动铰链, 各铰链的运动需借助外力来推动。如图 1 为搭建出的一种三自由度平面并联机构。图 1? 平面并联机构1. 2 ? 实践课内容在进行实验课之前, 需要学生进行基于应用背景的调研, 了解并联机构基本运动特性和掌握其控制原理, 然后进行以下 6 项内容的实验: ? 利用实验室提供的模块, 构建不少于7种平面并联机构。 同时区分出每一机构的具体自由度数, 运动情况, 奇异位置, 驱动方式; ? 根据指定的运动要求, 确定基本构型, 并将所设计的构型搭建出来, 验证是否能满足所提出的运动要求, 若不合理, 重新进行构型的确定。并根据给定的运动要求和其它设计要求, 构建出一种最合理的机构, 并说明理由; ? 以搭建好的构型为例, 测绘构型尺寸, 然后分析构型的各项运动学性能, 完成机构的自由度计算, 作业空间理论计算, 完成奇异位形分析; ?通过对实际构型的实验, 验证前面分析是否正确。并通过具体的实验, 绘制出机构作业空间边界, 确定机构的具体奇异位置, 以验证理论分析是否正确; ? 根据给定的一组指标, 设计机构更合理的尺寸; ?进行可重构并联机构的模块设计, 以设计出更合理且简单的构件模块。要求学生充分发挥创新思维, 设计出更合理和可行的平面并联机构构件模块, 看那一组能够用最少和最简单的构件, 搭建出最多的平面并联机构。图2 为学生正在进行平面并联机构的搭建实验。图 2? 平面并联机构的搭建实验2? 空间并联机构创新设计及实验内容空间并联机构相对复杂很多, 对于实验时间较长的同学, 在基本了解平面并联机构后, 可以开展空间并联机构实验。通过对不同构型空间并联机构的分析、搭建和控制, 学生将会被引入到一个全新的空间并联机构领域, 并可以针对某一个具体的细节进行相应的创新设计, 不管是机构或是控制上的问题。这些设计同时依托于他们原来所学的基本设计和控制知识。在老师的指导下, 学生根据实验时间的多少, 制订相应的实验内容, 将一个个部件搭建成可运动的机构并亲自动手实现控制, 从而激发了学生的兴趣和培养了学生的创新能力, 这点也是原来一些课程实践所不具备的。2. 1 ? 空间并联机构设计原则清华大学一共完成两种可重构并联机器的研制,其中第二种可重构并联机器是围绕在国家工科实践教学基地开设空间并联机构创新实践而设计的, 主要设计原则是: ? 结构简单可靠; ? 价格便宜; ? 机构体积不能太大和太重; ?控制系统应当适应学生的需要; ?可以搭建足够多的构型且应当具有可扩展性。2. 2 ? 实践课目的? 了解空间并联机构的构成及特性; ? 学习空间并联机构设计的一般方法, 培养学生正确的设计思想和分析问题、 解决问题的能力, 培养学生综合运用机械设计、 机械原理等课程和其它有关先修课程的理论和生产实际知识去分析和解决并联机构设计问题的能力, 并使所学知识得到进一步巩固、 深化和发展; ? 培养学生进行机电一体化系统的综合分析与设计能力,掌握控制系统在并联机构中的工作原理, 并利用所学的控制与计算机知识解决并联机构中的控制问题; ?通过设计、 搭建一种空间并联机构及其控制系统, 培养学生动手解决实际问题的能力; ? 在完成一种空间并联机构的设计与搭建的基础上, 进行并联机构特性的理论分析与实验检测; ?培养创新思维能力。在并联机构设计中体现科学、 创新、 大胆的设计思想。2. 3 ? 实践课内容12? ? ? ?实? 验? 室? 研? 究? 与? 探? 索第 24 卷?在进行实验课之前, 需要学生进行基于应用背景的调研, 了解空间并联机构运动特性和掌握其控制原理, 全部或部分进行以下 9 项内容的实验: ? 给定一种要求实现的特定运动和作业空间要求, 学生选择或设计一种并联构型; ? 推导该并联机构的正逆解方程, 分析其作业空间、 速度与加速度特性、 刚度特性。借助计算机辅助设计与分析软件, 进行仿真; ? 根据给定的性能要求, 进行该并联机构的尺度综合设计; ?选择合适的结构件、 驱动副( 移动、 转动、 伸缩) 、 铰链( 单铰、 球铰、 虎克铰) 等零部件, 设计与制造部分零件,使用测量仪器, 完成该并联机构的搭建; ? 使用已有的硬件( 计算机、 运动控制卡、 驱动电机、 反馈检测传感器等) 设计并组建控制系统, 并在已有的控制软件平台上开发该并联机构的控制算法; ?将控制系统与并联机构进行联调, 分析并解决遇到的机械、 电路和软件问题, 使该并联机构达到设计目标; ? 进行机构的静刚度、 运动精度实验, 与理论推导比较, 分析误差原因; ?改进驱动电机的控制算法, 提高该并联机构的终端运动速度与加速度; ? 完成完整的设计说明书、 调试报告与综合分析报告。2. 4 ? 实践课图片目前清华大学已给大 3 的本科学生开设了 3次创新实践课, 代替原来的机械系统课程设计, 学生普遍反映收获很大, 不仅利用了原来所学知识, 并且介入到了一个全新的空间机构分析和控制领域, 启发了创新性思维。图 3 为学生正进行机构搭建实验。图 3? 空间并联机构搭建实验3? 创新实践教学方法初探由于本实验课涉及的知识面比较宽, 课程内容很多, 并且具有一定深度, 因此将该实践课程分为 3个层次进行: ? 针对所有学生的普及教学。目的为辅助现有理论课教学, 时间为 4 8 学时, 学生 3 5 人一组,内容为从给出的一系列并联机构中选择一种, 进行尺度综合设计, 组装该并联机构, 推导该机构的逆解公式并编程实现, 完成该并联机构的运动控制实验并检验其作业空间; ? 针对所有学生的提高教学。目的为独立的实践课程教学, 时间为 4 5 周, 学生 3 4 人一组, 内容为空间并联机构实验内容中的所有步骤; ?针对部分学生( 课外科技活动、 SRT、 综合论文训练) 。目的为研究型教学, 时间为 1 2 学期, 学生 2 3人一组, 内容主要为在所制定的教学内容上进行文献检索,结合教师的科研课题或独立提出问题进行进一步的理论与实验研究, 培养学生独立进行科学研究的能力, 为学生发挥创造性思维提供环境与条件。4? 结? 论通过对平面并联和空间并联实验装置的合理化设计, 可以让学生很容易搭建出多种平面或并联机构, 验证机构的运动特性和控制特性, 从而带领学生进入到一个全新的空间机构领域, 启迪了学生的创新思维。经过三次并联机构的认知实践教学后, 探讨了一种开展并联机构的实践教学方法。参考文献: 1 ? 施? 灵, 吴集迎.深化实践教学改革培养创新型工科人才 J , 高教论坛, 2004( 1) : 59 ?61. 2 ? 刘国买. 加强实习基地建设深化实践教学改革 J . 实验室研究与探索, 2002, ( 4) : 132 ?133. 3 ? 李? 丹, 等. 改革实习模式, 培养实践能力 J . 高等工程教育研究, 2000, (3) : 31 ?33. 4 ? 刘国买. 整合内容与强化主体 J . 实验技术与管理, 2002, ( 2) :101 ?104. 5 ? 裘松良, 叶? 望, 谢建精. 高等工程教育中实施工程训练教学改革的探索 J . 杭州电子工业学院学报, 2004, ( 2) :1?4. 6 ? 王友仁, 姚? 睿, 洪春梅, 储剑波, 崔? 江. 深化课程教学改革探索工科研究生工程实践与创新能力的培养 J . 电气电子教学学报, 2004, (3) : 22 ?25. 7 ? Lin Chunshen, Tang Xiaoqiang, Shi Junshang, et al, Workspace analysisof reconfigurable parallelmachine tool C , Proceedings of the 2003 IEEEInternational Conference on Systems, Men and Cybernatics, Oct. 5 ?8,2003, ( 5) : 4945 ?4950.13? 第 12 期唐晓强, 等: 可重构并联实验装置设计及实践教学初探I SSN100020054CN1122223?N清华大学学报(自然科学版)J Tsinghua Univ(Sci&Tech),2004年 第44卷 第5期2004,Vol. 44,No. 51?365772580可重构性和可重构设计理论罗振璧1,于学军1,刘阶萍2,唐华3,周本华3,朱立强4(1.清华大学 工业工程系,北京100084; 2.清华大学 自动化系,北京100084;3.北京机床研究所,北京100102; 4.香港大学 工业与制造系统工程系,香港)收稿日期: 2003206206基金项目:国家“八六三”高技术项目(2001AA412160)作者简介:罗振璧(19392),男(汉),贵州,教授。E2mail: luozbpi m. tsinghua. edu. cn摘要:为了获取市场竞争优势、 增强竞争的核心能力,未来的制造企业应该显著地改进产品和制造系统的设计能力。探讨了企业迫切需要的可重构设计的概念、 理论与方法。基于拓扑相似性给出了可重构性的定义,提出了既考虑最少功能要求,又考虑它们之间不可忽略的交互作用的广义独立公理,并给出基于广义独立公理的可重构设计的定理、 推论和设计方程。最后,探讨了该理论在快速可重构制造系统设计中的应用,通过企业的成功应用证明了提出的可重构设计理论的正确性。关键词:制造系统;可重构性;拓扑相似性;设计中图分类号: TH 7; TH 12文献标识码: A文章编号: 100020054(2004)0520577204Reconf igurability and reconf igurabledesign theoryLUO Zhenbi1,YU Xuejun1,LI U J ieping2,TANG Hua3,ZHOU Benhua3,CHU Lap Keung4(1. Department of I ndustrial Engineering,Tsinghua University, Beiji ng 100084, China;2. Department of Automation,Tsinghua University, Beiji ng 100084, China;3.BeijingMachine Tool Research I nstitute,Beiji ng 100102, China;4. Department of Industrial andManufacturing Systems Engineering,The University of Hong Kong, Hong Kong, Chi na)Abstract: Future manufacturing enterprisesmust significantly i mprovetheir product capabilities andmanufacturing system s designs to increasemarket share and to enhance competitive core competencies . Thispaperanalyzes the theory and methodology of reconfigurable design thatmanufacturing enterprises urgently need.Reconfigurability based ontopological si m ilarity was defined w ith a generalized axiomatic designtheory.Thetheorytakes intoaccount not onlythe m i m i mumindependent functional requirements, but also their interactions whichcan not be ignored.Related theorem s,consequences and equationswere also given.The result show s that the theory can be successfullyapplied to a rapid reconfigurable manufacturing system.Key words: manufacturingsystem s;reconfigurability;topologicalsi m ilarity; design新一代的设计技术必须同时解决复杂性和动态性两个问题。为此, 1998年美国国家研究委员会提出可重构企业是未来制造面对的6大挑战之一,并提出研究开发可重构制造系统(RM S)是应对制造挑战的10大关键技术的第一项关键技术1。因此,可重构性和可重构系统? 产品的设计成为研究热点2, 3。可重构性是一种广义的相似性。在过去半个多世纪,有两种不同的相似性方法:其一是设计相似性,其二是基于制造分类编码的工艺相似性4。 实践证明,这两种相似性在本质上不能解决今天与将来制造面对的复杂性与动态性问题:快速多变的产品变换和新产品的制造。典型的事例是组合机床,它按照成组相似性原理设计和制造,可以实现设计与最终装配前的组合性,但是,一旦完成最终加工与装调就失去使用的“组合” 可能性,只能作为专机利用而不能重构与重复利用。另一个典型事例是柔性制造系统(FM S),它也是按照成组技术进行系统规划和设计的。 但是,生产实践证明,它们只能实现一组零件或组合相似性强的10种,至多20种左右零件的加工,无法适应快速多变的新产品和按订单换型产品的生产。究其根源,它们的设计与规划没有考虑利用物理组态的变换,在有限资源(如机床、 加工方法与流程等资源)支持的基础上利用物理组态变换与模块? 组元的更新等手段实现对新的需求与期望的快速响应。 同时,没有考虑组态变化后系统组元间的交互作用和模块间的接口界面的设计问题,以及产品跨族变换后的适应性问题,即可重构性问题。为此,企业迫切需要一种可以实现设计、 制造、 使用和退役处理均可重构? 可重组,易于装拆组合的可重构设计概念、 理论和方法,以提高其核心竞争能力。1可重构性1. 1拓扑相似性拓扑相似性指的是由多学科要求规定的不变拓扑特征为基的广义相似性。 从广义的角度考虑,它是根据数学、 物理、 化学、 生物学、 系统论、 过程、 工程、人因学和人文社会科学等多学科定义和保持的不变量的拓扑,是可以实现模块或组元间特定的交互作用与接口特性,可以改变系统或产品的功能、 制造流程、 输入与输出及能力,达到对新的需求与期望快速响应的目的,实现 “系统整体大于部分之和” 的 “相乘效果” 的设计集成原理。拓扑相似性是遵循拓扑学不动点定理的一类集合5。按照Lefsehetz不动点定理可判定可剖分空间自由影射不动点的存在性。如果存在不动点就可以利用Brouwer不动点定理进行影射变换,生成包含不动点的影射子集,即生成有共同不变特征的相似性族或组。 换言之,拓扑相似性就是保持某些规定拓扑特征不变的事件的集合或子集。因此,几何相似性、 物理相似性、 设计相似性、 工艺相似性等是拓扑相似性的特例,如:工艺相似性是保持规定制造特征不变的子集等。当新的需求出现时,对产品、 整机与系统的功能、 性能、 质量、 交货期、 成本、 服务和对环境的影响提出变化的要求,规定不同的基本拓扑特征组合。可重组性就是响应新需求的基本拓扑特征不变、 基于少量可重构模块(子系统或组元)平台,通过物理组态获取多样性的产品、 整机或系统,以适应需求的多样性及其变化。例如,由10余种材料制作的200种规格花样的零件可以组合出1 100万种不重样的自行车(日本NB I公司)。1. 2可重构性的定义1997年美国Iowa州立大学的Lee把可重构性定义为以低的成本和短的周期重组制造系统的能力6。M ichigan大学的Koren在1997和1999年两次重新定义与修改可重构制造系统的定义7, 8。 他们的共同点是把可重构性理解为制造系统规划、 设计与使用范畴的概念。 研究与工业实践证明,可重构性不仅涉及制造系统的硬软件系统,也涉及产品与其他工程系统,甚至软件工程系统和组织或企业系统的重构? 重组,是一个广泛、 极有实用价值的概念。 基于拓扑相似性可以把可重构性定义为:一种可以按规划和设计规定的变化,利用子系统、 模块或组元物理组态的变换、 重排、 变形、 更替、 剪裁、 嵌套和革新等手段对产品或系统进行重新组态(reconfigura2tion),以便快速更替过程(流程)与系统功能、 迅速改变系统输出和提高对市场需求与环境变化响应速度的能力。可重构性是对成组性和积木化概念的革新与发展,是有别于设计相似性和工艺相似性的基于可快速组态或可重构的另一类广义相似性。可以认为它是面向需求与应用变化、 基于拓扑相似性的“广义组合理论” 。2基于可重构性的设计理论2. 1可重构设计公理1990年M IT的Suh提出的系统设计的独立公理与信息公理和以此为基础的设计定理与推理9,成为继A ltshuller的发明问题求解理论TR IZ10之后对产品与系统的设计概念、 理论和方法最重要的革新,已经在多种产品与制造系统的设计与改进创新中获得成功的应用。 但是,工业界期望对独立公理的 “严格性” 进行修正,以便能适应不可忽略的交互作用和接口设计控制的要求。经过多年研究与设计实践,作者提出考虑交互作用与接口性能的广义独立公理,其表述如下:保持功能要求及其交互作用要求(FRs)的独立。其涵义是,一个可行的设计或较好的设计解决方案应该保持由顾客需求(CNs)决定的最少设计功能及其不可忽略的交互作用要求的独立性。因为, FRs中不仅包括系统的最少功能要求而且也包括不可忽略的FRs间的最小交互作用要求的独立性集合,即FRs间不相互联系。在设计时,广义独立公理要求用保持最少功能及其交互作用要求独立的增广变换矩阵代替Suh保持功能独立的变换矩阵。2. 2可重构设计的基本定理与推论体系根据研究与工业实践,在广义独立公理的基础上总结出以下可重构设计的定理:定理1(需求驱动定理)在系统设计与再设计中,必须根据顾客与市场的需求及其变化和组织的资源确定或修改系统的最少功能及其不可忽视的交互作用要求FRs独立的集合。推理1系统的最少功能及其不可忽视的交互作用要求FRs必须修改并保证其独立性,如果顾客与市场的需求和组织可利用的资源发生实质性变化时。推理2系统设计的依据只能是顾客与市场的875清 华 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2004, 44(5)需求和组织的可利用资源。定理2 (系统分解定理)系统是可以分解的,如果所分解的模块(子系统、 组元)能够保持系统的最少功能要求及其不可忽略的交互作用要求FRs的拓扑特征不变。定理3(设计参数定理)系统的设计参数DPs的集合必须按照保持独立的系统最少功能及其交互作用要求FRs集合的要求确定。定理4(可重构定理)系统(或子系统或模块)是可重构的,如果系统(或子系统或模块)的设计功能要求及其交互作用要求FRs的最小集合可以快速实现组态重构响应需求及其变化,且从FRs到设计参数DPs和DPs到过程变量PVs连续映射的变换矩阵A与B都是对角矩阵。推理3系统是可重构的,如果A与? 或B是三角矩阵而不是全矩阵,且系统按三角矩阵规定的顺序展开。定理5 (可制造定理)系统是可制造的,如果从系统的设计功能要求及其交互作用要求FRs到系统设计参数DPs,以及从DPs到系统的制造变量PVs的连续映射变换矩阵A与B不是对角矩阵就是三角矩阵,且若A与B同为三角矩阵,则需同为上三角或同为下三角矩阵。推理4系统是不可制造的,如果A与B或C=AB中至少有一个变换矩阵是全矩阵。定理6(可集成定理)系统(或子系统或模块)是可集成的,如果构成系统的模块或子系统(或组元)能够保持系统的功能要求及其不可忽略的要求FRs到系统的设计参数DPs和DPs到过程参数PVs连续映射的变换矩阵A与B不是对角矩阵就是三角矩阵,且若A与B同为三角矩阵,则需同为上三角或同为下三角矩阵。推理5要想使界面特性不可忽视的系统(如精密机床或加工中心)是可以集成的,就必须保证FRs及其中存在显著交互作用的模块界面的独立性,即相关的设计变换矩阵A、B或C都是对角矩阵;若至少有一个三角矩阵而其他的为对角矩阵,则该集成解在规定的展开顺序下是可集成的;若其中至少有一个全矩阵,则解是不可集成的。2. 3可重构设计的设计方程若 定 义:FR = FRs, DP = DPs,PV =PVs,A= Aij代表矢量FR映射到矢量DP的变换矩阵,B= Bjk代表矢量DP映射到矢量PV的变换矩阵,则有如下系统的设计方程:FR =ADP,(1)DP =BPV,(2)或FRs =AijDPs,(3)DPs =BjkPVs.(4)若Cik =AijBjk,(5)则FRs =CikPVs.(6)3可重构设计理论在可重构制造系统设计中的应用为了改变中国中小型精密轴承生产的落后状况,必须提高高精度、 高效率自动化制造系统的设计开发能力。上海日发数字化系统有限公司与清华大学合作完成了可重构的RF30Q小(中)型轴承磨超自动线的系统设计。该自动线已经在2002年面市,其系统规划与设计的理论和方法已通过国家自然科学基金委员会的验收。3. 1需求分析与开发要求根据国内的市场与工业调研和SW TO(即企业内部的优势和劣势、 外部环境的机遇和威胁)分析,预测未来5年中国需求360条小型轴承磨超自动线,其产销总额可达20亿人民币。 同时,由于轴承产销存在周期性特征,利用可重构技术不仅可以避免低的投资回报率和转产或产品变换造成的损失,而且有助于提高企业的柔性与响应能力,提升企业的核心能力与竞争优势,提高中小型轴承的生产率、 质量和投资回报率,压缩系统的设计建造与试运行时间和制造系统的投资。具体要求有:1)是可重构的自动线(包括未来系统);2)可加工直径1060mm的中小型深沟轴承,稳定地达到p5级精度,一次合格率FTY98%;3)生产节拍810 s;4)压缩线的生产面积40% ,每条线的目标售价200万元;5)服务使客户满意;6)遵守相关工业标准、 安全标准、 知识产权、 商标权与索赔规定。3. 2系统功能要求与设计参数的定义1)系统总体FR1:使顾客与受益者满意;DP1:系统可重构。975罗振璧,等:可重构性和可重构设计理论2)系统级的功能要求(FR1i,i= 1, 2, 9)FR11:通过培训与考核使系统的用户可以自行完成重构和运行;FR12:保
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