[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】可重构机床的一体化及控制设计-中文翻译

外文翻 译 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 周 云 班 级 B 机制 077 学 号 0710101706 指导教师 袁 健 外文资料名称 : Integrated Machine and Control Design for Reconfigurable Machine Tools 外文资料出处 : The University of Michigan Ann Arbor, MI 48109-2125 附 件 : 1.外文 资 料翻 译译 文 2.外文原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日 可重构机床的一体化及控制设计 D. M.蒂尔伯里和 S.库塔 周云译 摘要 ： 在本文中，我们讲述了可重构机床的设计程序系统和控制系统。该设计的出发点是实现部分操作的自动化。这些操作可分解为一系列的机床必须执行的功能，这些功能再映射到每个有相关的机械控制模块的模板上。机床一旦被组装好，它的控制模块就被连接在一起了，操作顺序控制模块，用户界面控制模块，以及模式转换逻辑控制设计模块。本文详细说明了可重构机床的一体化及控制设计。 一、引言 在当今竞争激烈的市场，制造系统必须迅速响应不断变化的客户需求，减少产品的生命周期。传统的传输线是专为大批量的生产，固定的自动化模式设计的，因此，不能轻易适应变化的产品设计。另一方面，传统的数控系统为基于“弹性”的广义制造系统可提供的灵活性，但通常是缓慢和昂贵的，因为他们没有任何特别的优化产品或产品系列。 美国密歇根大学正努力发展可重构加工系统 3 4的理论和技术 ，以取代以往每次生成新产品时都要从头建立新系统的做法，使现有的系统可以重组产生新的部分。在本文中，我们描述了如何运用一体机和控制设计的战略使机床能够快速方便地配置和重新配置。 可重构机床是为了满足新产品系列的需要而准确提供相关功能而设计的，鉴于一系列操作的执行，它还可以配置适当的组装机模块，其中的每个作用模块在程序上配有一个与它相关的控制模块，当这些机械模块组装好以后，控制模块便连接在一起了，机床就可以开始工作，因此，大规模的操作缓慢的专一控制系统的设计将不再需要。第二部分介绍了如何设计机床的一套基本模块以及模块间的准确连接，第三部分介绍了如何控制程序库中的相似组装模块。第四部分介绍了机械模块和控制模块在机床中的应用。文章最后提出了今后的工作情况说明。 二、机械设计 密歇根大学正在进行制造系统配置方面的演讲，主要问题是关于系列产品的描述和生产中提取时所需的加工工序部分的讲解 7 。这些操作根据工件的配合公差，执行顺序和期望的系统周期被分组，其目的就是实现每个操作“组”在一台单独机床上的生产工作。该操作组在这里能够钻出一系列与 V6和 V8气缸盖上的 凸轮塔配合的孔 ，如图 1所示。可重构机床输入的设计程序是操作组的加工工序，刀位生产过程能够产生相关数据。 样本数据包括定位和钻孔的信息，如图 2所示。 可重构机床设计过程包括三个主要阶段：明确任务，模块的选择和评价14 。经过简短的文献回顾，这三个阶段将在本节中概述。 (a) V6 汽缸盖 (b) V8 汽缸盖 图 1、两个示例零件。将要进行的操作是钻出与 凸轮塔配合的定位孔 。 V8引擎上的两个定位孔在一条直线上。 V6引擎上的一个阵列有八个孔。 图 2、在图 1所示零件上钻孔的操作顺序（刀位） 。 CL文件由 CAD程序包（例如 IDEAS）生成， 包括钻孔位置与主轴速度、刀具、冷却剂相关的信息。 图 3、 高水平的操作程序显示出因果的相关性 和并行性。 这个抽象表征的顺序操作来源于图 2CL数据 ,并 将被用来设计序列分析的控制。 1、有关的研究 由于可重构在加工系统中是一个比较新的概念，即使有的话，已经出版的有关组合机床设计的文学作品也是很少的。但是，组合机床已在市场上好几年了，一些以往发表的有关组合机器人，组合机床和装配的文章的确与可重构机床有一定关系。例如， Shinno 和 Ito 17 ， 18 ， 19 ， 20提出过一种机床结构配置的方法，他们把机床结构分解成简单的几何形式，例如：箱，缸等。 Yan 和 Chen 21, 1把这种方法扩展到了加工中心的结构设计中。 Ouyang 等人 12把 Ito 的这种方法应用到了组合机床系统中，形成了一种机床模块的列举法。 Paradis 和 Khosla 15明确了最适合执行的模块化装配配置的特定任务。 Chen 2找到了一个最佳的配置结构用于处理问题的特定任务，他的步骤是根据组装的关联矩阵，并采用传统算法来解决优化问题。在系统方面， Rogers 和 Bottaci 16论述了可重构制造系统的意义， Owen 等人 13开发了一种用于教育的模块化重组制造系统综合计划。 在我们的运作中，运动图和布局结构（即螺旋理论，图论等）是用来捕获可重构机床特点的传统方法。这些数学方案常用于综合布局，功能分解，和绘图程序；具体细节可以在 9找到。 2、任务说明 明确一台可重构机床设计的任务，需要分析刀具位置数据，以确定完成所期望的运动所必需的一系列功能。分为三个步骤：首先，用产生的曲线图来抽象的表示运动，然后，把这些图表分解成功能，最后，这些功能再映射到程序库中的机械模块上。 机床的结构图对系统的备用配置进行列举，提供了图表的识别方法。 图表表示法也被用于分配机械模块到图 元素。 一个图表是由一组顶点连接在一起的边缘。当使用图作为机床结构的抽象表示时 ,我们定义两个不同类型的顶点 :0型和 1型。 一个顶点表示有两个端口的物理对象，每个端口代表在对象上的位置，可以连接到邻近的对象。 一 0型顶点的输入和输出端口是互不干扰的 ,而 1型顶点的输入和输出端口是互相正交的。 加工任务也分为 0型或 1型 ,这取决于刀具是平行还是垂直于工件。 图 4 显示了一个 0 型任务图。四个 1 型顶点与几个 0 型顶点相结合以三维形式创建了一个机床结构。因为 0 型顶点不改变方向，它们可以在各种组合中被用来作为垫片。原点表示机床的基准。原点的选择不是唯一的，不同的选择将导致不同的机床设计。结构功能被分配到图的顶点 ;运动功能（如需要）被分配到边缘。例如，图 4 举的例子，如何在 X， Y， Z 方向平移运动可分配给图形的边缘，表示了边缘的两个顶点所代表的有形物体之间的相对运动。 图 4、 一个图 代表一 种机床结构。 平移运动 (TX; TY ; TZ)被分配到图的边缘。 顶点有结构的功能。 机床的基本功能是通过工具和工件间的物理运动来描述的。这些运动功能可由类似变化的模块 11来表示 ，我们期望的机床功能将被编码到模块 T 上，然后根据操作顺序进行必要的加工运动来完成加工任务。 在图 2 中，该工艺文件包含了工具在笛卡尔坐标系中的位置和运动。 例如，第一运动可被分解为： P1 处可表示工具在该处的位置和运动方向，用于定位，而 F1 处则表示进给运动。可以得出，任何两个相邻的位置的运动转换可以可以被分解为： 其他的运动描述可以类似表示。 对于各种类型的加工操作，模板常被作为一个起点，用来确定进行加工任务所需要的不同运动功能。例如，模板铣削和钻井作业表明运动功能所必需的主轴旋转，工具进给和工具定位。通过使用此模板，我们可以把精确的进给和定位信息提供给加工过程，便可以得出确切的必要的运动参数，如工具旋转， X 轴方向的直线运动 ,Y， Z 轴方向的进给运动，以及 Z 轴方向的工具定位运动如图 5 所示。 图 5、 功能分解模板 在运动分解阶段每一个被确定的运动函数都会被映射在如上所示的曲线图上，不同位置的特定函数可以生成多种解决方案。由于理论上的直线运动是交替出现的，所以他们在图形中的顺序也是交替变化的。在函数的绘制中，螺旋运动（包括纯转动运动）和机床结构的布局是最重要的信息。 3、模块选择 我们可以根据任务明确阶段绘制到图表中的运行情况在模块库中选择商品模块，模块库中的存储数据包含代表其运动或结构功能的同质变换矩阵，各种运动信息的变化矢量，代表模块刚度的规则矩阵，模块连接的信息，和电源要求（如轴和滑块等活动模块） 。 模块选择的第一步是比较模块间的相似变换矩阵，进行适当的选择以满足任务的要求，该产品的所有模块矩阵应等于预期的任务矩阵： T= T1T2.Tn。再次，对于某一特定模块的结构配置我们会有许多可能的选择。图 6 显示了不同的滑块，轴和一些结构要素，可以根据图 4 进行组装。 一个配有 CAD模型和变换矩阵的滑行模块如图 7所示。它能够在一个方向上做直线运动，通过变量 1表明次运动在其变换矩阵内。它的数据库记录如表 1所示，不仅存储着其变换矩阵，而且还有制造商 ,模块名称，初始位置，功率大小和运动范围等。一些变量参数可根据模块的最小限量，初始値，最大位移等信息而被扩大。 图 6、如图 4所示结构可以被认为是不同模块的选择 图 7、 机械模块 的典型示例。 左边为一组合机床的 CAD 模型，其右边为变换矩阵。 表格 1 这台机器模块的数据库信息和文件如图 7 4、评价 一旦一套有效运行的模块被选中 ,由此产生的机械设计就必须进行评估。 可重构机床的评价标准由以上的系统程序合成，包括工件包层，自由度数，使用的模块的数量和动态刚度。 机床的自由度数必须保持符合最低要求，以降低驱动功率，尽量减少错误链。每个活动实例表明，由该方法生成的具有精确的自由度数的设计必须执行在给定部分所需的加工操作 10。机床设计方案如图 8所示，这是由图 1零件使用的方法产生的。 由此产生的设计就必须进行预期的准确性的评估。整个机床的刚度，性能方面最重要的因素之一，根据模块矩阵和连接方法估计。 (a)V6机床 (b)V8机床 图 8、可重构机床的两个不同设计 三、控制设计 由于机床是根据模块组成原理配置的，因此我们可以控制它的运作。在这项工作中，我们把重点放在逻辑控制的顺序安排和机械模块的协调性上；有些机床具有独立的系统形式 6 ，它可以控制着每一个运动构件，这就是我们提及到的机械控制模块。在机械设计方面，我们常把从动件与主动件连接在一起。而在控制设计方面，还必须用“胶水”模块把机械控制模块连接起来。可重构的总体控制系统结构如图 9 所示：与图 8 的两个机器结构类似，但它没有 Y 轴向的控制模块。如图所示，机械控制模块处于最低层，直接作用于机械系统。用户界面控制模块是在最高层，与用户按钮和显示屏相连接。控制模块的操作联接可以被界定为某部分加工的高水平的操作联接，如图 3 所示。 三个模块处理模式切换逻辑。在本节中，我们简要地描述这些类型的每一个控制模块以及它们的互动与协调。 图 9、 该模块化控制系统的总体结构 1、 机床控制模块 每台机床控制模块有一个明确的界面规格 :它接收来自一给定设置的离散信号 ,并将结果反馈到给定 设置。控制模块将连续控制，如轴的伺服控制。这种持续的 控制采用标准的 PID算法来设计，来自机模块定义的轴参数有惯量，功率，丝杆节距等。 此外，每台机床控制模块将包含与机械模块相关的任何机器服务的控制，如润滑或冷却剂。 因此 ,每台机床控制模块是一个独立的控制器，可以进行设计，可以单独 地测试机器的其余部分。 设计一个机械控制模块必须做到只用一个库存的机械模块。 每当机械模块用在机械设计中，控制模块可用于相关的控制设计。 控制模块有自己的处理能力，可以单独使用 , I/O和网络连接到该控制系统的其余部分， 也可用作一个在集中样式中实施的一体机控制器，。 如图 10所示是一个机械控制模块例子的幻灯片。模块可以接受四个命令：移动到 x位置，停止，缓慢移动到 x的正方向，缓慢移动到 x负方向。 当它已经完成了 预期的操作 ,它返回到“已做”的响应。 一个看门狗定时器被包含 (但未显示 ), 如果预先设定的时间已过而已完成的响应没有发出，就会返回一个“错误”的响应。 2、 操作程序 模块的操作顺序是指从高级别序列提取刀位数据，如图 3所示。 该控制模块的主要结构是一个必须操作的部分的 序列，需要等待每个步骤的完成。图 11给出了图 8（ b）机器的操作顺序模块和图 3的操作数序。在设计中，仅是将错误传递到用户界面的简单错误处理被合并，但为了简单起见在图中没有显示出来。如果接受到一个“重置”命令，主轴停止转动，滑动到初始位置。 V6机床的操作顺序是类似的，但是有跟多的操作，因为有两个被列序的线性轴。如 图 9的总体结构 , 操作程序控制模块有两个端口 ： 一个连接到自动模式控制模块，另一个连接到冲突检查。到操作层序界面控制模块如图 12所示。 图 10、滑动控制器。 滑动控制器 包括（在箱体内）伺服控制器。 当滑动到指定位置并在允许公差范围内，一“已做”的响应被反馈回来。 图 11、 操作程序模块 ,显示出 操作和事件 的整体序列 。模块界面如图 12 所示。 任何时候收到 重置指令 ，为了简单起见 显示 只 部分事件痕迹 。错误事件的痕迹被删除。 图 12、 操作程序控制模块的框图显示端口和共享事件。 被模块接收到的事件是斜体， 与上一级的模块共享事件是粗体。 3、 模块化控制结构 用户界面控制模块与用户通过一组按钮来控制控制系统的开启与关闭，控制模式之间的切换，单补通过操作顺序。其主要功能是通过其余的控制器传递用户命令并向用户显示机器的现状。 机床控制器有几种不同的模式。在自动模式，操作程序执行不断 ;另一种模式可以执行的操作顺序只有一次。在同步模式下，一个按钮命令必须用于启动操作程序的每一步，在手动模式下，通过同时移动有源元件一部分的手动进给命令， ，更好的控制命令是可行的。不是重复每个控制模式的操作顺序，而是使用序列的表示形式。该模式切换逻辑决定适当的时间发送“开始”事件到操作程序。 冲突的检查控制模块的主要功能是传递来自操程序中的命令和手动模式模块给适当的机器控制模块。它可以使用机器模块定义的数据库，并用数据库开检查引起一些机械干扰的违规指令。由于定义完善的界面到到低层次的机控制模块，冲突检查的设计可以通过高层次的控制指令来做。物理 I/ O的详细信息由机器控制模块来处理。 如上所述 ,每个控制模块是由通过一个接收某一语言对的有限状态机器来表示的。 (允许事件的序列 )。 我们已经表明随着这些语言中的一些定义完善的条件和模块连接，整体控制结构可以保证无死锁 8;举所有合并后的逻辑控制器可能的序列，这将是不切实际的，不需要验证。 四、可 重构性能 已有 机械模块可用于多种不同机器设计，与每个机械模块相关的控制模块合并到整个机床的控制设计中。 本机库和控制模块既可以通过缩短了设计周期显著地减少新的加工体系的前置时间，提升时间产能，因为在它们连接之前每个模块可单独进行测试。 对于某些部分的变化（如图 1所示的 V6和 V8发动机缸盖之间） ，机床将需要重新配置，可通过增加一个轴或改变主轴。 当这种类型的重组 发生时，操作程序控制模块和冲突检查（如新机械干扰的产生）需要作出改变。 因为它们拥有一个定义完善的界面 ,因此每个单独的控制模块可以独立地改变。只要重新设计的控制模块有同样的离散事件接口 ,由此产生的系统被保障是自由死锁。 例如 ,一个摩擦补偿 控制算法可以被加到一 个滑控制模块。这样做会提高该模块的性能 ,但唯一的改变必须在最低级的模块中。 五、 结论和未来的工作 从历史上看，机床设计已具有一定的经验基础。在这项研究中，我们介绍了一种基于数学基础上的可重构机床的相关性能评价以及其相关的控制设计。这项研究工作已被应用到新一代机床配置和模块化设计中去，该系统的设计工序是以加工要求为出发点的。 方法指出，合成机床可以配有机械模块的程序库以便于数据的收集与存储，自动控制，并准备把它用于任何机械设计。该方法还能够确保将所有的可行运动和一些差异明显的构造进行系统的列举，以减少错失一个良好设计的机会。 我们已经开发了一个基于 Java 机械设计加工的自动化程序，目前，我们正准备把控制设计程序并入到现有的框架内。我们也扩大了现有的设备和控制模块库，连续变量控制的独立区域也正在逐渐正规化。 致谢 作者想要感谢 ERC成员的支持以及他们提供的资料。 MEAM毕业的学生 Eric Endsley, Morrison Lucas, and Yong-Mo Moon为这篇文章的写作提供了帮助。 参考文献 1 F.-C. Chen and H.-S. Yan. Configuration synthesis of machining centres with tool change mechanisms. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 39(2):273-295, February 1999. 2 I.-M. Chen. Theory and Application of Modular Reconfigurable Robot Systems. PhD thesis, California Institute of Technology,1994. 3 Y. Koren. Reconfigurable machining systems: Vision with examples. ERC/RMS #19, University of Michigan, January 1999. 4 Y. Koren and A. G. Ulsoy. Engineering research center for reconfigurable machining systems. . 5 S. Kota. A methodology for automated design of reconfigurable machine tools. In ERC/RMS: Annual Report, pages 35-40. University of Michigan, 1999. 6 R. Kumar and V. K. Garg. Modeling and Control of Logical Discrete Event Systems. Kluwer Academic Publishers, 1995. 7 C. Ling, S.-Y. Sung, T. M. L. Olsen, and D. Yip-Hoi. System level process planning for RMS. ERC/RMS #24, University of Michigan, 1999. 8 M. R. Lucas, E. W. Endsley, and D. M. Tilbury. Coordinated logic control for reconfigurable machine tools. In Proceedings of the American Control Conference, pages 2107-2113, 1999. 9 Y.-M. Moon and S. Kota. Generalized kinematic modeling method for reconfigurable machine tools. In Proceedings of the ASME Design Engineering Technical Conferences, Atlanta,September 1998. 10 Y.-M.Moon and S. Kota. Design of reconfigurable machine tools.ASME Journal of Manufacturing Systems, 1999. Submitted. 11 R. M. Murray, Z. Li, and S. S. Sastry. A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation. CRC Press, 1994. 12 M.-A. Ouyang, C. Yi, C. Li, and J. Zhou. Intelligent layout for modular design of machine tools. SPIE, 2620:547-552, 1995. 13 S. Owen, M. C. Bonney, and A Denford. A modular reconfigurable approach to the creation of fiexible manufacturing cells for educational purposes. Institute of Electrical Engineers,Colloquium Digest, 1(174):1-13,October 1995. 14 G. Pahl and W. Beitz. Engineering Design. Springer-Verlag,New York, 1984. 15 C. J. J. Paredis and P. K. Khosla. Synthesis methodology for task based reconfiguration of modular manipulator systems. In Proceedings of the International Symposium on Robotics Research,pages 2-5, 1993. 16 G. G. Rogers a