專利名稱:基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域,涉及可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)的方法。
背景技術(shù):
可重構(gòu)制造系統(tǒng)是一種具有主動適應(yīng)外界環(huán)境變化和被動響應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部擾動兩大功能的 制造系統(tǒng),它能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過系統(tǒng)構(gòu)件的重構(gòu),改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),從而調(diào)整系 統(tǒng)的功能和生產(chǎn)能力以適應(yīng)產(chǎn)品品種的變化或市場需求量的變化。可重構(gòu)制造系統(tǒng),其6個(gè) 特征分別為模塊化,開放性,可擴(kuò)展性,可集成性,可轉(zhuǎn)變性,客戶定制,可診斷性。其中 模塊化是可重構(gòu)制造系統(tǒng)的最核心特征??芍貥?gòu)制造系統(tǒng)由上層的規(guī)劃調(diào)度控制器和底層的 可重構(gòu)機(jī)床組成。可重構(gòu)機(jī)床作為可重構(gòu)制造系統(tǒng)的最小單元,根據(jù)制造系統(tǒng)的工序需求和 重構(gòu)能力確定可重構(gòu)機(jī)床必須具有的基本功能和結(jié)構(gòu)配置,同時(shí)需要設(shè)計(jì)一些具有可重構(gòu)能 力的機(jī)床模塊,并在機(jī)床模塊庫中選擇合適的機(jī)床模塊合成滿足功能需求(包括運(yùn)動和結(jié)構(gòu)) 和完成結(jié)構(gòu)配置,實(shí)現(xiàn)資源在整個(gè)生命周期的可重用,最大化利用現(xiàn)有的資源,為了實(shí)現(xiàn)機(jī) 床結(jié)構(gòu)的定制化柔性,需要根據(jù)可重構(gòu)制造系統(tǒng)的工序需求和重構(gòu)能力確定可重構(gòu)機(jī)床必須 具有的基本功能和結(jié)構(gòu)配置,并在模塊庫中選擇合適的機(jī)床模塊合成滿足功能需求(包括運(yùn) 動和結(jié)構(gòu))和完成配置。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn),Yong-Moon教授在《Transactions of the ASME》(美國機(jī) 械工程師協(xié)會學(xué)報(bào))(2002年5月,V124第480頁)上發(fā)表的"Design of Reconfigurable Machine Tools"(可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)),該文中提出可重構(gòu)機(jī)床的運(yùn)動合成方法,不足之處是僅從可重構(gòu) 機(jī)床運(yùn)動的可行性角度出發(fā),該方法應(yīng)用了圖論來合成配置,盡管這些研究顯示了圖論在機(jī) 床配置設(shè)計(jì)中的潛力,但是它們對圖表達(dá)和物理機(jī)械模塊之間的關(guān)系沒有作更進(jìn)一步的研究, 更沒有考慮其他方面的設(shè)計(jì)要求,如可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)的模塊劃分和相應(yīng)模塊的功能設(shè)計(jì)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出一種基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)方法,使 其從模塊化的可重構(gòu)機(jī)床及計(jì)算機(jī)輔助軟件相集成的角度,在構(gòu)建機(jī)床結(jié)構(gòu)時(shí),同時(shí)對機(jī)床 和控制器進(jìn)行運(yùn)動及相關(guān)配置實(shí)現(xiàn)控制模塊的快速重構(gòu)。
本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的,本發(fā)明包括如下步驟
步驟一,基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的模塊創(chuàng)建;
指針對不同可重構(gòu)機(jī)床類型加工中心、銑床、磨床、鉆床、車床和拉床等,對可重構(gòu) 機(jī)床的各個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),根據(jù)機(jī)床大類建立參數(shù)化功能模塊庫床身、立柱、工作臺、主軸、刀庫、轉(zhuǎn)臺和滑臺等,基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的模塊創(chuàng)建為可重構(gòu)機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立基 礎(chǔ)。
步驟二,模塊編碼系統(tǒng)研究,利用遺傳算法對各模塊進(jìn)行系統(tǒng)編碼;
所述模塊編碼系統(tǒng)研究是指對于建立的參數(shù)化設(shè)計(jì)的模塊進(jìn)行合理編碼,利用數(shù)值編 碼系統(tǒng)對各個(gè)模塊進(jìn)行系統(tǒng)分類編碼,有利于后期可重構(gòu)調(diào)用,建立基于遺傳算法的模塊分 類模型可以更直觀的表達(dá)可重構(gòu)機(jī)床所需執(zhí)行的運(yùn)動的順序和關(guān)系。
自適應(yīng)遺傳算子操作
在進(jìn)化過程中,為保證不陷入局部最優(yōu),引入適應(yīng)度變化率參數(shù)c7 來衡量上下兩代種群 的變化-
其中y C^、 y^,皿和:^;分別是第H戈種群中最大適應(yīng)度值、最小適應(yīng)度值和平均適應(yīng)度 值,o 表示上下兩代種群表示在適應(yīng)度值上的差率;如果c; 過大,種群有可能進(jìn)入局部最
優(yōu),需要降低交叉和變異算子;如果c/ 過小,進(jìn)化的速度減弱,可以實(shí)時(shí)地加大交叉和變異 算子;
自適應(yīng)遺傳算子的變化可按如下式子求得
W +1) = W) + 4, pm 0 +1) = pm (,) + ;當(dāng)cr《0.95 < &("1) = &(,) —A,&0 + 1卜a^) —4;當(dāng)cr21.05
.a "+1) = a (0, a (" i) = 當(dāng)o. 95 < cr < i .05
步驟三,模塊優(yōu)化設(shè)計(jì),將編碼模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;
針對不同的模塊進(jìn)行數(shù)字結(jié)構(gòu)優(yōu)化,除去傳統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)床的笨重冗余部分,最大限度提高
整機(jī)的結(jié)構(gòu)水平和使用靈活性,實(shí)現(xiàn)功能和成本的最優(yōu)化。
步驟四,進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型,利用圖論設(shè)計(jì)可重構(gòu)的功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),表達(dá)各個(gè)功能之間的拓
撲關(guān)系,并選擇可重構(gòu)機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
所述進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型,具體如下
(a) 利用有向圖來表達(dá)可重構(gòu)機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其頂點(diǎn)代表機(jī)械模塊實(shí)體,有向邊代表 相連接機(jī)械模塊之間的運(yùn)動關(guān)系和連接方式,如接頭、結(jié)合界面;
(b) 將機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本運(yùn)動分配到建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖上,每一個(gè)確定的功能,被分配到 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的有向邊上,另外改變基座位置得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案,功能映射完成運(yùn)動的影射, 同時(shí)完成基座的映射(c)在完成運(yùn)動映射及基座映射后得到的多種結(jié)構(gòu)配置中,選擇一個(gè)或一類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作 為設(shè)計(jì)可重構(gòu)機(jī)床的依據(jù)。
借鑒傳統(tǒng)的機(jī)床功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),傳統(tǒng)的機(jī)床功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法包 括1)縮短傳動鏈,簡化傳動結(jié)構(gòu);2)使機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有靜、動態(tài)剛度和阻尼精度,以 及耐磨性,而且熱變形小,以適應(yīng)連續(xù)的自動化加工和提高加工生產(chǎn)率;3)采用高效傳動部 件,如滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌、間隙齒輪傳動副,以減小摩擦、消除傳動間隙和獲得更高的 加工精度。
步驟五,模塊自動裝配,根據(jù)步驟四已選擇的可重構(gòu)機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立參數(shù)化的模 塊庫并從其中選擇機(jī)械模塊,裝配生成整個(gè)可重構(gòu)機(jī)床;
所述建立參數(shù)化模塊庫中選擇機(jī)床模塊,模塊自動組裝,根據(jù)步驟四所建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 從模塊庫中選取機(jī)床模塊,選取出與各個(gè)頂點(diǎn)相匹配的機(jī)床模塊,使得選取的機(jī)床的齊次矩 陣的乘積等于目標(biāo)矩陣
MiM^gg^,,=乙
式中,M —第n個(gè)模塊的齊次變換矩陣,7;,—任務(wù)目標(biāo)矩陣,w工件表示。
步驟六,機(jī)床性能評價(jià)研究,從技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行評價(jià)研究。
從技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行評價(jià)研究,按照層次分析法,從可選方案中按照經(jīng)濟(jì)成本、 可靠性、可行性進(jìn)行優(yōu)選,評價(jià)系統(tǒng)包括技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo),如果評價(jià)不滿意則重新設(shè)計(jì)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下有益效果利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)機(jī)床的可重構(gòu),使得機(jī)床 系統(tǒng)不需要替換機(jī)床模塊就可以轉(zhuǎn)換配置,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的在線重構(gòu),提供無冗余功能的機(jī) 床,使機(jī)床功能與成本最優(yōu)化,并且機(jī)床通過快速重組可以組成生產(chǎn)線,適應(yīng)柔性化生產(chǎn)。
圖l為基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的機(jī)床重構(gòu)設(shè)計(jì)方案評價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的機(jī)床整機(jī)庫樣圖。
圖4為本發(fā)明的機(jī)床模塊庫樣圖。
圖5為本發(fā)明的機(jī)床設(shè)計(jì)向?qū)訄D。
圖6為本發(fā)明的模塊設(shè)計(jì)向?qū)訄D。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容和附圖所述實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 本發(fā)明提供了一種基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)方法,其結(jié)構(gòu)如圖l所示?;谀K化的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)方法是一種通過對機(jī)床進(jìn)行模塊聚類,進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化重組得到一種新 型柔性更適合需要的一種機(jī)床設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
本系統(tǒng)在整體結(jié)構(gòu)上采用了嵌入式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),在系統(tǒng)構(gòu)建中主要采用可移植性比較強(qiáng)的 PRO/E軟件建立機(jī)床模塊模型,底層數(shù)據(jù)庫采用MySQL 5.1,進(jìn)行各個(gè)模塊的調(diào)用聚類, 對各個(gè)模塊進(jìn)行自動裝配,再調(diào)用ANSYS10.0基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床進(jìn)行動、靜態(tài)分析, 實(shí)時(shí)顯示可重構(gòu)機(jī)床的動態(tài)結(jié)構(gòu)模型的可行性。在基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)方法中,只 需依照對話框,對機(jī)床模塊樣庫、模塊設(shè)計(jì)向?qū)?、機(jī)床設(shè)計(jì)向?qū)У染湍軐δK重構(gòu)設(shè)計(jì)出最 優(yōu)的配置機(jī)床。
基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)方法的方法實(shí)現(xiàn)如圖1所示,其詳細(xì)歩驟如下
(1) 先對預(yù)加工零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,不同的零部件和不同材質(zhì)要求進(jìn)行聚類組合,得 出相應(yīng)結(jié)果;
(2) 應(yīng)用CAPP子系統(tǒng)對加工零部件進(jìn)行工藝分解,工序統(tǒng)籌;
(3) 對象不同工藝工序進(jìn)行機(jī)床設(shè)備査詢,根據(jù)后期EM-plant進(jìn)行重組加工;
(4) 如果沒有可選機(jī)床,則進(jìn)行模塊化可重構(gòu)機(jī)床系統(tǒng)分析,依據(jù)機(jī)床主運(yùn)動參數(shù)確 定機(jī)床相關(guān)功能,再針對功能進(jìn)行模塊重構(gòu);
(5) 在模塊庫中如果沒有相應(yīng)的模塊,則需要進(jìn)行新模塊的設(shè)計(jì),創(chuàng)建新模塊于數(shù)據(jù) 及圖形庫和幾何造型系統(tǒng);
(6) 再對模塊進(jìn)行重構(gòu),進(jìn)行虛擬裝配;
(7)對基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床進(jìn)行仿真及干涉分析,輸出產(chǎn)品裝配圖,對產(chǎn)品技術(shù) 使用文件進(jìn)行編制;
本發(fā)明充分考慮了機(jī)床制造環(huán)境下的不確定性和模塊的開放性等特征,為解決傳統(tǒng)機(jī)械 笨重而冗余問題提出了一個(gè)可操作的基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)方法,提供了系統(tǒng)對企業(yè) 的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的接口,使得整個(gè)機(jī)床的生產(chǎn)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)不受設(shè)計(jì)和試驗(yàn)等限制,企業(yè)內(nèi)部異構(gòu) 系統(tǒng)可以便捷地在模塊重構(gòu)平臺交互,很好地適應(yīng)模塊化功能環(huán)境下機(jī)床之間以及模塊內(nèi)部 制造單元之間的集成、轉(zhuǎn)換和重構(gòu)等的特性,實(shí)現(xiàn)了良好的通用性和可重構(gòu)性。
上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉 本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改,并把在此說明的一般原理應(yīng) 用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此,本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例,本領(lǐng)域技 術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示,對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)方法,其特征在于包括如下步驟步驟一,基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的模塊創(chuàng)建;步驟二,模塊編碼系統(tǒng)研究,利用遺傳算法對各模塊進(jìn)行系統(tǒng)編碼;步驟三,模塊優(yōu)化設(shè)計(jì),將編碼模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;步驟四,進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型,利用圖論設(shè)計(jì)可重構(gòu)的功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),表達(dá)各個(gè)功能之間的拓?fù)潢P(guān)系,并選擇可重構(gòu)機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);步驟五,模塊自動裝配,根據(jù)步驟四已選擇的可重構(gòu)機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立參數(shù)化的模塊庫并從其中選擇機(jī)械模塊,裝配生成整個(gè)可重構(gòu)機(jī)床;步驟六,機(jī)床性能評價(jià)研究,從技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行評價(jià)研究。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于步驟一中所述基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的模塊創(chuàng)建, 是指針對不同可重構(gòu)機(jī)床類型包括加工中心、銑床、磨床、鉆床、車床和拉床,對可重構(gòu) 機(jī)床的各個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì);根據(jù)機(jī)床大類建立參數(shù)化功能模塊庫包括床身、立柱、 工作臺、主軸、刀庫、轉(zhuǎn)臺和滑臺,基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的模塊創(chuàng)建為可重構(gòu)機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于步驟二中所述模塊編碼系統(tǒng)研究是指對 于建立的參數(shù)化設(shè)計(jì)的模塊進(jìn)行合理編碼,利用數(shù)值編碼系統(tǒng)對各個(gè)模塊進(jìn)行系統(tǒng)分類編碼, 有利于后期可重構(gòu)調(diào)用,建立基于遺傳算法的模塊分類模型可以更直觀的表達(dá)可重構(gòu)機(jī)床所 需執(zhí)行的運(yùn)動的順序和關(guān)系;自適應(yīng)遺傳算子操作在進(jìn)化過程中,為保證不陷入局部最優(yōu),引入適應(yīng)度變化率參數(shù)C/ 來衡量上下兩代種群 的變化其中y^max、力fn和^"分別是第f代種群中最大適應(yīng)度值、最小適應(yīng)度值和平均適應(yīng)度值,O 表示上下兩代種群表示在適應(yīng)度值上的差率;如果Ci 過大,種群有可能進(jìn)入局部最優(yōu),需 要降低交叉和變異算子;如果C7 過小,進(jìn)化的速度減弱,可以實(shí)時(shí)地加大交叉和變異算子;自適應(yīng)遺傳算子的變化可按如下式子求得 W + l)"c(0 + AW + l)""0 + ^;當(dāng)CR《0.95<formula>formula see original document page 3</formula>
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法,其特征在于步驟三中所述模塊優(yōu)化設(shè)計(jì),針對不同的模塊進(jìn)行數(shù)字結(jié)構(gòu)優(yōu)化,除去傳統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)床的笨重冗余部分,最大限度提高整機(jī)的結(jié)構(gòu)水平 和使用靈活性,實(shí)現(xiàn)功能和成本的最優(yōu)化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于步驟四中所述進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型,具體如下(a) 利用有向圖來表達(dá)可重構(gòu)機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其頂點(diǎn)代表機(jī)械模塊實(shí)體,有向邊代表 相連接機(jī)械模塊之間的運(yùn)動關(guān)系和連接方式,如接頭、結(jié)合界面;(b) 將機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本運(yùn)動分配到建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖上,每一個(gè)確定的功能,被分配到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的有向邊上,另外改變基座位置得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案,功能映射完成運(yùn)動的影射,同時(shí)完成基座的映射;(c) 在完成運(yùn)動映射及基座映射后得到的多種結(jié)構(gòu)配置中,選擇一個(gè)或一類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作 為設(shè)計(jì)可重構(gòu)機(jī)床的依據(jù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于步驟五中所述是指建立參數(shù)化模塊庫中 選擇機(jī)床模塊,模塊自動組裝,根據(jù)步驟五所建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從模塊庫中選取機(jī)床模塊,選 取出與各個(gè)頂點(diǎn)相匹配的機(jī)床模塊,使得選取的機(jī)床的齊次矩陣的乘積等于目標(biāo)矩陣式中,M。一第n個(gè)模塊的齊次變換矩陣,任務(wù)目標(biāo)矩陣,w工件表示。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法,其特征在于步驟五中所述"機(jī)床性能評價(jià)研究,從技術(shù) 性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行評價(jià)研究"是指按照層次分析法,從可選方案中按照經(jīng)濟(jì)成本、可靠性、 可行性進(jìn)行優(yōu)選,評價(jià)系統(tǒng)包括技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo),如果評價(jià)不滿意則重新設(shè)計(jì)。
全文摘要
一種基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)方法,包括如下步驟步驟一,基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的模塊創(chuàng)建;步驟二,模塊編碼系統(tǒng)研究,利用遺傳算法理論對各模塊進(jìn)行系統(tǒng)編碼;步驟三,模塊優(yōu)化設(shè)計(jì),將編碼模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;步驟四,進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型,利用圖論設(shè)計(jì)可重構(gòu)的功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),表達(dá)各個(gè)功能之間的拓?fù)潢P(guān)系,并選擇可重構(gòu)機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);步驟五,模塊自動裝配,根據(jù)步驟四已選擇的可重構(gòu)機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立參數(shù)化的模塊庫并從其中選擇機(jī)械模塊,裝配生成整個(gè)可重構(gòu)機(jī)床;步驟六,機(jī)床性能評價(jià)研究,從技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行評價(jià)研究。本發(fā)明通過模塊的重構(gòu)迅速滿足零件加工的某些變化需求,提供無冗余功能的機(jī)床,實(shí)現(xiàn)功能與成本的最優(yōu)化。
文檔編號B23P23/00GK101537567SQ200910050119
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者劉雪梅, 劍 張, 泓 張, 徐立云, 曾法力, 李愛平, 楠 謝, 華 黃 申請人:同濟(jì)大學(xué)