（机械制造及其自动化专业论文）可重构机床运动功能设计方法研究.pdf

l 1 j 0 冀t1 j 一 j j 1 1 1 论文 学科专业 机械制造及其自动化 研究生 陈晓华 指导教师 张广鹏教授 摘要 签名 匮衅 签名 邀壁 随着经济技术的迅速发展 可重组制造系统 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 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r m s 中的重要组成部分 是实现可重组制造系统的关键技术设备之一 因此可 重构机床及其设计方法研究是可重组制造系统的基石 本文结合陕西省教育厅专项科研基 金项目 0 2 j k l l 2 开展可重构机床运动功能方案设计方法研究 主要内容包括 零件加 工信息模型建立 刀具和加工表面信息资源库创建 r m t 运动功能综合 r m t 结构布局 方案设计及应用例研究 论文在对目前r m t 研究现状充分调查和分析的基础上 提出了r m t 研究的基本思 路 首先基于实体方位层次特征描述法建立了工件加工信息模型 提出了树状结构图的加 工信息描述方法 给出便于计算机信息处理的零件特征编码 然后通过对刀具和加工表面 的合理分类 研究了它们之间的映射关系 并基于机床运动功能方案创成式设计方法建立 了刀具 加工表面的信息资源库 为r m t 运动功能方案设计提供了条件 接着研究了r m t 运动功能变换方法 讨论了r m t 运动功能设计中的几个基本问题 在此基础上研究了 r m t 运动功能方案的综合方法 并考虑了加工特征变化和生产批量变化对r m t 运动功 能方案的影响 给出了r m t 运动功能方案的初步评价原则 建立了r m t 总体结构方案 设计的基本步骤 最后基于所建立的r m t 运动功能设计方法 研究了几个典型零件加工 时r m t 运动功能方案的确定方法 给出了部分r m t 总体结构布局图 表明本文的方法 是可行的 为r m t 运动功能方案设计提出了一套新思路 关键字 可重构机床 加工信息模型 运动功能方案 运动功能创成 模块化设计 本研究得到陕西省教育厅专项科研基金项目 0 2 j k l l 2 资助 l l i i r i l l 0 r h 西安理工大学硕士学位论文 1 a b s t r a c t t i t l e r e s e a r c ho nt h ed e s i g nm e t h o do fk i n e m a t i c a lp l a 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 e a n da u t o m a t i o n n a m e x i a o h u ac h e n s i g n a t u r e 妇边么刎斛 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 gs i g n a t u r e a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c sa n dt e c h n o l o g y 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 r m s h a sb e c a m eah o tt o p i ci nt h e2 1 吼 r e c o n f i g u r a b l em a c h i n et o o l s 皿m di sav e r yi m p o r t a n tp a r to fr m s a n da tt h es a m et i m ei t i st h ek e yt e c h n o l o g yo f e q u i p m e n tf o rr m s 8 0r m t a n di t ss y s t e m i cd e s i g nm e t h o d o l o g ya r et h ef o o t s t o n e so fr 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 ls c i e n t i f i cf o u n d a t i o np r o j e c t o z i k l l 2 t h ed e s i g nm e t h o do fk i n e m a t i c a lp l a nf o rr m t si se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s t h e m a i nc o n t e n t ss t u d i e di nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s s e t t i n gu pp a r ti n f o r m a t i o nm o d e l g e n e r a t i n g d a t a b a s eo ft o o l sa n dp r o c e s s i n gs u r f a c e s k i n e m a t i c a lf u n c t i o ns y n t h e s i so fr m t s s t r u c t u r e p l a nd e s i g no fr m t a n ds t u d y i n gt y p i c a le x a m p l e s b a s e do nt h ec o l l e c t i n gr e s e a r c hd a t aa n da n a l y z i n gr e s e a r c hs t a t u sf o rr m t s t h eb a s i c i d e o l o g ya b o u tr m td e s i g ni sp r o p o s e di nt h i st h e s i s f i r s t t h ei n f o r m a t i o nm o d e lo ft h e m a c h i n e dp a r ti se s t a b l i s h e db yad e s c r i p t i o nm e t h o d t h em o v e i nf e a t u r em e t h o di nd i r e c t i o n b a s e do ne n t i t y a n dt h em e t h o do fp r o d u c i n gi n f o r m a t i o no fd e n d r i f o r ms t r u c t u r ei sp u tf o r w a r d a n dt h ef e a t u r ec o d i n gi sg i v e n t h e n t h ea l l u d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u t t i n gt o o l sa n d m a c h i n e ds u r f a c e si ss t u d i e da c c o r d i n gt ot h e i rr e a s o n a b l ec a t e g o r y a n dd a t a b a s eo ft o o l sa n d p r o c e s s i n gs u r f a c e si ss e tu pb a s e do ng e n e r a t i v ep r i n c i p l eo fm a c h i n et o o l s a l lo ft h e s ea r et h e c o r n e r s t o n e so fk i n e m a t i c a lf u n c t i o nd e s i g no fr m t s n e x t t h et r a n s f e rm e t h o do fk i n e m a t i c a l f u n c t i o ni ss t u d i e d a n ds e v e r a le s s e n t i a lp r o b l e m so fk i n e m a t i c a lf u n c t i o nd e s i g na r ea n a l y z e d t h e ng e n e r a lm e t h o do fk i n e m a t i c a lf u n c t i o ni sp u tf o r w a r d w h i c hc o n s i d e r i n gt h ei m p a c to f c h a n g eo fp r o d u c i n gf e a t u r e a n dp r o d u c i n gb a t c ho nr m t s t h ep r e l i m i n a r ye s t i m a t i n g p r i n c i p l eo fm o t i o nf u n c t i o ns c h e m eo fr m t s a n dt h ee s s e n t i a ls t e po fs t r u c t u r ep l a nd e s i g no f r m ta r eg i v e n f i n a l l y b a s e do nt h ed e s i g nm e t h o do fk i n e m a t i c a lf u n c t i o np l a no fr m t k i n e m a t i c a lf u n c t i o np l a n so fs e v e r a lt y p i c a lp a r t sa r ed e t e r m i n e d a n dt h ep a r t i a ls t r u c t u r e s c h e m e sa r eg i v e n t h em e t h o dp r o p o s e di nt h i st h e s i si sv a l i d a t e db yt h e s ee x a m p l e s a n d i i i 西安理工大学硕士学位论文 s h o w st h a ti ti san e w d e s i g nm e t h o do fk i n e m a t i c a lf u n c t i o np l a nf o rr m t s 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 k i n e m a t i c a l f u n c t i o np l a n m o t i o nf u n c t i o ng e n e r a t i n g m o d u l a rd e s i g n 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 n d e p a r t m e n t ss p e c i a ls c i e n t i f i c f o u n d a t i o np r o j e c t 0 z i k l1 2 i v 目录 目录 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 可重组制造系统与可重构机床 1 1 3 可重构机床及相关理论的研究现状 3 1 4 论文的立题背景及意义 9 1 5 本论文研究的主要内容 9 1 6 本章小结 9 2 零件的加工信息模型 1 0 2 1 零件加工信息的描述 1 0 2 1 1 零件特征的定义与分类 1 0 2 1 2 加工信息的描述 1 1 2 2 零件加工信息的分解 1 3 2 3 零件加工信息的表达 1 6 2 4 本章小结 1 9 3 刀具及加工表面信息资源库的建立 2 0 3 1 机床形状创成原理 2 0 3 2 刀具 工件组合信息模型 2 0 3 2 1 刀具信息类型 2 0 3 2 2 工件加工表面信息类型 2 2 3 2 3 刀具及加工表面信息库的创建 2 2 3 3 刀具与工件的相对运动关系模型 2 7 3 4 机床运动功能方案的创成 2 8 3 4 1 运动级联矩阵 2 9 3 4 2 机床形状运动的创成 2 9 3 4 3 机床运动功能信息库 3 2 3 5 本章小结 3 5 4 可重构机床运动功能的综合 3 6 4 1 零件加工工艺的确定方法 3 6 4 2 机床运动功能变换 3 8 4 3 机床运动功能综合时的几个基本问题 4 2 4 3 1 机床运动功能的同构 4 2 4 3 2 机床运动功能的扩展变异 4 3 4 3 3 机床运动的排列 4 5 4 4r m t 运动功能的综合 4 5 v 西安理工大学硕士学位论文 4 4 1 单主轴头加工的l 硼运动功能综合 4 6 4 4 2 多主轴头加工的舯运动功能综合 4 9 4 4 3r 盯运动功能方案的表达方式 5 0 4 5r m t 运动功能方案的初步评价 5 l 4 6 本章小结 5 l 5i 龃结构布局方案设计及应用例研究 5 2 5 1 运动功能分配 5 2 5 2r m l 功能模块的划分及设置 5 2 5 3 功能模块库的建立 5 4 5 4r m t 结构布局设计 5 4 5 5 应用例 5 5 5 6 本章小结 6 8 6 全文工作总结 6 9 致谢 i i 7 0 参考文献 7 l 附录 7 5 v i 1 绪论 1 1 引言 随着全球化竞争的加剧 2 1 世纪的制造企业面对的是动态多变的市场环境 企业只 有在最短的时间内以最低的成本为用户提供 个性化 的产品 才能在竞争的市场环境中 立于不败之地 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 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 就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 内燃机制造厂面临产品改型的困难 柔性制造系统也称柔性生产线 主要由各种数 控机床组成 柔性加工功能很强 适合多品种 单件小批量产品的加工 能够快速响应多 变的市场需求 一般这类生产线的功能储备愈多 其设备的结构愈复杂 其柔性与制造系 统成本成正比 尤其在批量加工行业 面对市场需求的不确定性 品种 批量等 柔性 制造系统并不见得是一种合理的投资方案 德国斯图加特大学h s c h u l z 教授曾统计过 美 欧 亚的2 2 个国家3 7 0 家批量生产企业 发现8 0 的加工中心只利用其2 0 的功能 2 1 可以看出 刚性制造系统具有批量生产效益 但不能快速响应市场变化 而柔性制造系统 虽能响应市场需求的变化 但其投资巨大 利用率低下 回收周期长 故摆在制造厂商面 前的问题是 如何解决多样性与经济性日益突出的矛盾 即在满足变品种 变批量需要的 同时 如何兼顾高柔性 高效率 低成本加工需求和市场的快速反应能力 尤其在大规模 客户化制造将成为2 1 世纪制造业的主流制造模式的大趋势下d 1 建立一种既具有规模生 产的效益 又能快速适应动态多变的制造环境 并能充分利用现有制造资源的新型制造系 统将是制造业的重要研究课题 可重组制造系统 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 1 就是在此背景下产生 的 它综合了刚性制造系统和柔性制造系统的优点 具有按客户的订货要求进行多品种变 批量生产的能力 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 1 2 可重组制造系统与可重构机床 可重组制造系统的核心就是以机床功能变化来适应市场环境的变化 这种以变应变的 制造模式使得制造企业既具有高的生产效率 又具有好的柔性 是未来制造系统的发展方 向之一 1 9 9 8 年美国国家研究委员会发表了一份 2 0 2 0 年制造业面临的挑战 的研究报 告 在该报告中 专家们确定了未来2 0 年制造企业所面临的六大挑战和必须优先解决的 1 0 项关键技术 将可重组制造系统被列为l q 大关键技术的首位 5 1 西安理工大学硕士学位论文 r m s 的基本特征是可重组性 r c c o n f i g u r a b i l i t y 即当r m s 由一个生产需求期转向 下一个生产需求期时 其所要加工的产品发生了变化 这时r m s 具有能够按照变化了的 生产要求准确 经济的由一种构型向另一种构型转换的能力 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 具有以下几个特征 6 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 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 能够根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地解决传统制造系统所存在的多样性与经济性日益突出的矛盾 能 够满足变品种 变批量需要的同时 可以兼顾高柔性 高效率 低投资的要求和满足市场 快速响应 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r m s 的重要组成部分 是实现可 重组制造系统的关键技术装备之一 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 同时r m t 的机械结构和控制系统具有模块化结构 各模块具有功能扩展及变换的接口 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 这样就可以有效地应对市场的不确定性加工需求 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 开 放的模块化结构保证用户可以进行机床结构和功能的重组 可重构机床的设计思想是制造 业发展中的一个里程碑 它与现有的组合机床 加工中心具有不同的功能和特征 虽然可重构机床和组合机床都是面向批量生产 但它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 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 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 可重构机床对客户来说是开放的 硬件方面可以增删 功能模块和集成新功能模块 软件系统结构或控制算法可更改 这样可重构机床能够不断 改进和升级 而不像组合机床那样简单的替代 第三 可重构机床是为了客户当前生产需 求定制的 但是可以在特定的范围内经济地转换和升级以满足新的生产需求 加工中心是小批量 多品种柔性制造的主要设备之一 由于其加工范围很宽 加工对 2 象在其设计时难以确定 致使其功能配置冗余 当面向批量生产时 其功能就难以充分发 挥 从而造成浪费 而可重构机床是为某一零件族设计 并按客户的生产需求来设计制造 具有鲜明的专用性 这样在设计之初它就确定了加工对象的范围 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来满足新的加工需求 因而它提供了一种客户 化和确切化解决加工操作不定期需求问题的方法 较加工中心的功能冗余而言 可重组制 造系统最大程度地利用了机床资源 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 可以看出 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改变 而且每次重构都要力求做到基本无冗 余功能 显而易见 机床的重构需要通过改变某些功能部件才能实现 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 所谓以用户为中心 是指组成 机床的软 硬件模块必须遵守国家或行业的而不是企业自订的标准 特别是各模块之间要 具有标准化的接口 当然与制造系统的接口也应当是标准化的 因此可重构机床与一般的 模块化机床的区别主要体现在以下几个方面 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和变更的 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 一 1 3 可重构机床及相关理论的研究现状 目前 可重组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 fm i c h i g a n 的可重组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 缩短可重组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 斜升时f 司 r a m p u pt i m e 几个方面进行 l 并以可重组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 该中心将可重组制造系统分为系统级设计 t a i 设备级 机床 控制 设 计 t a 2 斜升 r a m pu p 和校准 a 3 以及维护 a 4 四个专题开展研究 1 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 r t o l 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 可重组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 它的开发成功对实现可重组制造系统和敏捷制造具有决 定性的意义j i l l 图1 1 所示是美国密西根大学yk o r e n 等人提出的可重构机床概念设计专利 t 2 p 当 3 西安理工大学硕士学位论文 工件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 作或者用另一主轴头代替以执行不同 的操作 同时 主轴也可以通过预留的 接口增加或删减使机床的资源最优化 r gl a r d e r s 等人 1 3 1 1 钉提出了一 种适应市场需求变化的r m t 设计策 略 他们通过分析需求变换对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件的特 征 机床循环时间等 阐述了r m t 设 计策略 勾画出了r m t 的应用前景 虽然研究者只是对r m t 的设计思想做 图1 1 可重构机床概念图 h g 1 1c o n c e p t u a lr m t 了初步的规划 对许多实际问题没有给出确切的解决方案 但这已经对r m t 后续设计研 究具有很大的参考价值 对于可重构机床的原型机设计 密西根大学申请了两项专利 即可重构多主轴头设计 1 5 1 和拱形可重构机床设计 盯 可重构多主轴头是针对零件的变化设计的 如用于实现汽 缸凸轮孔的钻削 它的设计方法有三步 1 孔样聚类 它用于识别可在一个多主轴头上 加工的零件族 并指出可在子模块上加工的孔 2 概念设计 它决定在子模块中刀具的 位置 并得出零件族中产品设计的配置方案图 3 机构设计 它包含了一种可重构方法 这种方法对频繁 通用多主轴头 和非频繁 专用多主轴头 变化提出了两种不同水平的可 重构性 加工汽缸凸轮孔的另一种r m t 原型设计方法就是采用标准接口来完成机床轴数 的变化 图卜2 即为根据此思想设计的r m t 实验台n 最初设计的生产线是用于加工 v 8 型发动机壳体件 图卜2 a 需要两个自由度就可以完成加工需求 但随着市场需 求的变化 要求这一生产线同时 具备加工v 6 型发动机壳体的能 力 这就需要设计相应的可重构 机床以满足市场变化的需求 如 图1 2 b 即为铰削v 6 型发动 机壳体上气缸凸轮孔的r m t 配 置 需要三个自由度才能完成加 工 可以看出 图1 2 a r m t 机型的结构与图1 2 b r m t 机型的结构可以通过增加或删减 z 轴的移动模块 a y 柱 来改变 4 a 铰削v 8 气缸凸台孔 b 铰削v 6 v 8 气缸凸台孔 图卜2 可重构机床原型l 的两种配置 f i g 1 2t w oc o n f i g u r a t i o n so fp r o t o t y p er m t l a 外观图 b 实物样机 图卜3 拱形r m t 样机结构 f i g 1 3p r o t o t y p er m t 2 二c 另外 针对生产周期的变化 密西根大学以在同一个零件的对称面上钻相同的孔为例 设计了一并联可重构机床 主要采用多独立主轴的方法 这样加工零件不需要转换角度就 可以一次性完成 进而缩短了零件的生产周期n 3 1 秘一 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的可重构设计方法及自动 换刀装置 并申请了专利 1 s i 1 9 1 可重构机床设计的研究包括许多方面 如可重构机床的运动功能设计 总体结构布 局方案设计 可重构功能模块的合理设置 接口设计 模块自治性设计 重组后整机性能 和精度预测及重组方案评价等 在研究r m t 设计理论与方法方面 密西根大学e r c 瓜m s 的ym m o o n 和s k o t a 提出了一种r m t 的运动合成方法汹11 枷 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 e t o o ld e s i g n 它能自动地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 多主轴加工 等 并且更多的是从开发辅助设计工具角度出发 实现加工任务与机械模块的自动识别与 匹配 这点超越了传统的依赖设计者的经验选择机床配置的方法 但对于机床配置的可重 构性考虑不足 5 西安理工大学硕士学位论文 机床运动功能设计是机床总体方案设计中首先要进行的工作 其目的是确定机床运 动自由度的性质 数目 排列形式和顺序等 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ym m o o n 和s k o t a 采用了基于数学表达式的螺旋理论 2 1 1 9 这是可 重构机床系统设计的基础 将其与工件的加工工艺联系在一起 从而便于数学表达式计算 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 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 存在的多种方案及多主轴箱时如何确定结构方案等问题 国外除了美国对r m s r m t 研究外 加拿大及欧洲国家 2 3 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 它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 欧洲对可重构机床的研究主要包括三个方面1 2 7 1 1 车 铣和激光加工一体化机床 这种机床采用标准化的模块结构 主要完成轴对称 零件的所有加工 他们认为一台基于车床的加工中心 同时对重型零件进行钻 铣以及激 光淬火和激光涂敷等加工是可行的 2 面向多种技术的可重构机床 它综合了现行通用 机床和专用机床的优点 他们选择了一种跨学科的方法 考虑了可重构性的各个方面 从 而达到全面的优化 这不仅使机床具有灵活性 而且加工和工艺也具有灵活性 3 生命 周期成本更透明化 为了这个目的 他们致力于将传感器和智能元件集成在一起 开发一 种生命周期监测系统及计算和测算与生命周期相关的机床成本的软件系统 目前这三个项 目还没有可重构机床样机 国内浙江大学的许虹等人 砌 1 对r m t 的相关技术也进行了研究 提出了一种基 于工艺规划来进行r m t 配置 并将机床整个生命周期的配置 重构设计过程分解为几个相 互关联的子过程的方法 该方法的可重构机床运动功能设计也是从工艺出发 通过转化为 任务矩阵 选定相应的运动模块 配置出相应的可重构机床 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 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 进行机床的结构布局设计 s c h u l t s c h i k a 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k a r l 伊东谊等人根据一般机床的 结构布局形式与机床运动之间的关系 依据同样的思路建立了车削加工中心的结构布局方 法汹1 韩国的y o o n h os e o 等人脚1 提出了基于因特网的机床建模和机床仿真的方法 这 6 第一章绪论 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的检验 在可重构机床设计中 为了使冗余生产能力或功能最小化 除了经济地满足每个需 求阶段所需的生产能力和功能外 更重要的是考虑如何使机床的配置随着需求的变化而经 济地转换 即从一开始就考虑其机械与控制模块在不同应用中的可重用性 可重构机床设计的基础是模块化设计 机床模块化设计思想起源于二十世纪三十年 代 由于模块化结构具有很大的适应性和灵活多样性 更好的实现了生产系统的柔性功能 要求 同时又便于进行系列化 标准化设计 因此可重构机床的机械结构和控制系统都具 有模块化结构 各模块具有功能扩展及变换的接口 故用户可以随加工零件群的变化而重 新配置r m t 的功能 模块化设计包括模块的编码 模块的选择 模块的划分等诸多方面 1 模块的编码 它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 是实施机床模块化设计与制造的基础与前提 国内外许多学者主要以g t 编码和力流概念为基础 对机床结构模块进行编码 他们 之间的不同就是结构模块编码位数的不同 而共同之处在于注重模块编码在模块组合中的 应用 即偏重于接口的编码 而忽略了编码在模块选择和模块化管理中所起的作用 天津 大学的高广达等人m 1 在总结前人工作的基础上 探讨了编码应遵循的一般原则 给出了 与此相适应的模块编码系统所应包含的编码信息及制定的一般方法 并用一套较为全面的 用于加工中心类机床模块化设计的编码系统加以验证 采用成组技术中的编码系统及相关力流描述方法 虽简单易行 但存在信息量少 不 够精确的缺点 目前 国内有些学者采用关系数据库来建立机床的模块描述 此方法表达 的信息全面 具体 使消息查询 检索方便快捷哺1 多伦多大学的l ic h e n 等人 3 7 1 提出了系统的 基于产品特征的方法 该方法用于选 择一系列最优模块以构成加工某一族零件的可重构机床 并采用人机交互的形式进行模块 选择 但是这里选择的模块只是功能模块而非结构模块 实际应用时有一定困难 2 模块划分是模块化设计的重要问题之一 它有不同的方法和划分层次 它的结 果将直接影响到模块化产品的性能 外观以及模块的通用化程度和成本 早期国内外许多学者对模块的划分提出了一些划分方法汹 跏 但是这些划分方法大 多不够系统 以定性标准居多 即使提出的机床模块划分方法具有一定的系统性 但其中 并未考虑模块划分的层次性 对功能模块和结构模块二者之间的关系也未加以仔细的分 析 在此基础上 北京理工大学的杜陶钧等人提出了分级 层次的模块划分方法以及功能 模块和结构模块划分方案的评价方法 柏1 但只是对单个方案进行合理性的评价 没有解 决对不同的划分方案进行综合评价并从中筛选出最优方案的问题 基于此问题 解放军理 工大学的凌震宇等人 借助层次分析法 提出一种可以对不同的划分方案进行综合评价 的方法 可以从诸多方案中选出最优者 一般的模块划分只是对基型产品进行功能层次分 7 西安理工大学硕士学位论文 解并将某层的功能定义为功能模块 再由功能模块映射为结构模块 并不研究功能之间的 关系 目前 有些学者基于产品的功能流模型 提出了复杂产品结构基于功能流的启发式 模块划分方法 4 2 1 1 4 3 1 但是功能流模型的建立必须依赖设计者的经验 山东理工大学的赵庆志等人则提出了以三要素模块为可重构粒度划分可重构机床模 块的理论 4 4 1 用该理论易使可重构机床的设计制造成本最低 并在可重构慢走丝电火花 线切割机床设计中得到了应用 3 模块接口的划分和设置是机床结构配置的关键 上海交通大学的吴建华等人为 管理 配置模块 给出了模块的组合数学模型 4 s l p 这有助于模块分类 排列以及组合 根据模块组合数学模型 总结出可重构单元模块接口即结合面的特点 李春梅等人提出了 按照面向装配设计的原则设计模块接口1 4 8 1 以确保零件快速有效地进行装配 从而支持 自顶向下的设计过程 同时还提供了系统的模块化三维造型模板库 与可重构机床控制相关的研究已经取得一定的成果和进展 p a r k 等人研究了利用p e t r i 网来表达和分析加工系统的模块化逻辑控制器 7 1 s k o t a 等人也提出了可重构机床控制 器的设计 为了达到控制模块与机械模块同步重构的目标 许虹等人提出了一种利用控制 模块构造层次结构的可重构机床控制器的模块化设计方法 柚1 该方法将整个控制器和各 层上的独立控制模块都看作是一个有限状态机与一组输入 输出事件的集合 并将每对输 入 输出事件集合定义为控制模块的一个端口 而输入事件集合组成该端口的可识别语言 在装配机械模块的同时 利用端口语言连接相应的控制模块 并构造高层控制模块直至创 建整个控制器 从而实现可重构机床控制模块与机械模块的同步重构 该文献介绍了离散 事件系统的有限状态机的表达 给出了控制模块的有限状态机和连接定义 设计和构造模 块化控制器的方法及原理 并证明了按照此方法正确地设计和连接控制模块 所创建的控 制器是可控制的 根据用户需求 可重构机床的配置方案不再是唯一的 因此需要对其可能配置方案进 行优化 并得到最佳配置 2 0 0 0 年新加坡的g u i l i ny a n g i m i n gc h e n 提出了基于加工任 务的模块化机械手臂配置的优化方法 船1 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 w e i p i n gz h o n g 等人基于配置的性能分析进行优化 s 0 l o2 0 0 4 年台湾的 v i c t o rb k r e n g t s e n g p i nl e e 使用分组遗传算法进行模块化产品设计 它根据部件之 间的功能关系和物理关系以及模块最大相似度来创建模块 另外 提出了非线性设计以便 于确定可分的模块和最优的模块数目 在2 0 0 5 年c i r p 第三次柔性 可重构制造的国际 会议上 g e o r g ec h r y s s o l o u f 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 本最小化恤1 a y m a nm ay o u s s c f 等人提出了r m s 配置选择的一种新方法嘟1 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 l i n c h u a nl i 等人提出了 机床选择的基于事例推理 c b r 方法哪 8 第一章绪论 t 4 论文的立题背景及意义 从上述的国内外研究现状可以看出 可重构机床设计的研究虽然己取得一定进展和成 果 但由于r m t 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 但它作为可重组制造系统的一项重要单元技术 可快速形成更新产品的批量生产能力 在机械制造领域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 而r m t 运动方案设计方法是其 中的一项重要研究课题 这也是r m t 研究领域中首要解决的问题 对形成系统化的r m t 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来研究可重构机床运动功能方 案的设计方法 1 5 本论文研究的主要内容 本论文结合陕西省教育厅专项科研基金项目 0 2 j k l l 2 开展可重构机床运动功能 方案的设计方法研究 具体包括以下几个方面的研究内容 1 建立零件加工表面的信息模型 首先根据基于零件实体的方位层次特征描述法将 零件分解为若干相对简单的加工特征 清楚地表达其所在的方位和层次 然后对各加工特 征进行信息编码 实现计算机信息处理 2 建立用于可重构机床设计的刀具及加工表面信息资源库及其映射关系模型 首先 对刀具和加工表面进行合理分类 建立其信息库 然后根据加工表面的形状创成原理 建 立刀具与加工表面之间的映射关系模型 最后建立刀具及加工表面信息资源库 为r m t 运动功能设计提供依据 3 基于机床创成设计原理 研究可重构机床运动功能方案设计方法 首先确定工件 的加工工艺方案 然后以工件的某几道加工工序为输入条件 基于所建立的刀具及加工表 面信息资源库及工件加工信息模型 应用机床创成设计原理 进行可重构机床运动功能方 案的设计 给出相应的设计步骤及方法 最后进行运动功能方案的优化 4 基于本文所建立的r m t 运动功能方案设计方法 从不同角度研究应用示例 以 检验所提出的r m t 设计方法的可行性 最后总结全文的研究成果 并对今后的研究工作 提出展望 1 6 本章小结 本章介绍了可重组制造系统的研究概况 对其研究现状进行了对比分析 指出了研究 可重构机床的重要性 对可重构机床研究领域中值得研究的课题进行了分析 最后提出本 文的主要研究内容 9 西安理工大学硕士学位论文 2 零件的加工信息模型 r m t 的设计思想就是以客户为中心 按照客户提供的待加工零件群来设计机床 因 此准确 合理地建立被加工零件群的加工信息模型将是后续r m t 运动功能方案规划的基 础 2 1 零件加工信息的描述 2 1 1 零件特征的定义与分类 在不同的生产领域和具体应用中 特征具有不同的意义和表现形式 因而特征的概念 有许多不同的解释和定义 一般来说 特征是具有一定几何形状 工程意义和加工要求的 一组信息的集合 不仅是构造零件几何形状和零件信息模型的基本信息单元 也是构成产 品信息模型的基本结构单元 它是产品信息传递的载体 通过它能够实现设计 制造或其 他工程任务之间的信息交流 但是要准确 完整地描述零件的特征 需要对特征进行定义 和分类 特征分类是对产品信息的分类抽象 其目的是为了有效地组织产品信息 从而为计算 机理解产品信息提供方便 特征分类具有以下三个好处 1 便于按类表达特征 使特征的表达规范化和结构化 2 可以建立通用的特征和特征术语 3 有利于