CN101221591A - 可重构机器的模块化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种计算机数字控制技术领域的可重构机器的模块化设计方法，包括如下步骤：步骤一，建立刚体在空间中运动模型；步骤二，进行任务分析，将上位机传达的任务加工信息解析为一系列可重构机器的功能；步骤三，进行拓扑构型，利用图论设计可重构机器的功能拓扑结构，表达各个功能之间的拓扑关系，并选择可重构机器的拓扑结构；步骤四，根据步骤三已选择的可重构机器的拓扑结构，建立参数化的模块库并从其中选择机械模块，装配生成整个可重构机器。本发明能够缩短开发周期并减少开发成本。

Description

可重构机器的模块化设计方法

技术领域

本发明涉及的是一种计算机辅助机械设计技术领域的***，特别是一种可重构机器的模块化设计方法。

背景技术

可重构制造***是一种具有主动适应外界环境变化和被动响应***内部扰动两大功能的制造***，它能够在现有***的基础上通过***构件的重构，改变***的结构，从而调整***的功能和生产能力以适应产品品种的变化或市场需求量的变化。可重构制造***，其6个特征分别为模块化、开放性、可扩展性、可集成性、可转变性、客户定制、可诊断性。其中模块化作为可重构制造***的最核心特征。可重构制造***由上层的规划调度控制器和底层的可重构机器组成。可重构机器作为可重构制造***的最小单元，根据制造***的工序需求和重构能力确定可重构机床必须具有的基本功能和结构配置，同时需要设计一些具有可重构能力的机械模块，并在机械模块库中选择合适的机械模块合成满足功能需求(包括运动和结构)和完成结构配置，实现资源在整个生命周期的可重用，最大化地利用现有的资源，为了实现机械结构的定制化柔性，需要根据可重构制造***的工序需求和重构能力确定可重构机器必须具有的基本功能和结构配置，并在模块库中选择合适的机械模块合成满足功能需求(包括运动和结构)和完成配置。

经对现有技术的文献检索发现，Yong-Mo Moon教授等在《Transactions ofthe ASME》(美国机械工程师协会学报)(2002年5月，V124第480页)上发表的“Design of Reconfigurable Machine Tools”(可重构机器设计)，该文中提出可重构机器的运动合成方法，不足之处是仅从可重构机器运动的可行性角度出发，而没有考虑其他方面的设计要求，如可重构机器设计的模块划分和相应模块的功能设计。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种可重构机器的模块化设计方法，使其从可重构机器及其计算机辅助软件相集成设计的角度，在构建机器机械结构时，同时对机器与控制器进行运动及相关配置实现控制模块的快速重构。

本发明是通过以下的技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

步骤一，建立刚体在空间中的运动模型；

所述建立刚体在空间中的运动模型，是指运用旋量方法建立起刚体运动与螺旋运动的等价关系，建立刚体在空间中运动的指数坐标方程，得到刚体的运动旋量以及运动的齐次变换矩阵，最终建立刚体在空间中运动模型，包括纯移动、纯转动、螺旋运动的运动模型，同时运用旋量对偶矢量的表示方法，描述出刚体空间运动的详细的运动信息，运动信息包括运动类型、运动范围，上述刚体是指在任何力的作用下体积和形状都不发生改变的物体。

步骤二，进行任务分析，将上位机传达的任务加工信息解析为一系列可重构机器的功能；

所述进行任务分析，是指：对于已知加工工序的加工任务，将其每道工序即刀具相对工件的每一步运动的运动旋量以旋量对偶矢量形式表示，把具有相同运动类型的工序合并，从而得到完成各工序所需执行的运动，同时，利用步骤一对加工任务刚体模型进行运动建模，建立可重构机器基本功能的运动学模型，以直观的表达可重构机器所需执行运动的顺序和关系，可重构机器基本功能的运动学模型表达式由一系列运动旋量(变换矩阵)和初始变换矩阵的乘积构成，即

T＝T₁T₂…T_nT₀

式中，T_n表示可重构机构所需执行的第n个运动，n为自然数，T₀表示是工具相对于工件的初始变换。

步骤三，进行拓扑构型，利用图论设计可重构机器的功能拓扑结构，表达各个功能之间的拓扑关系和执行顺序，并选择可重构机器的拓扑结构；

所述进行拓扑构型，具体如下：

(a)利用有向图来表达可重构机器的拓扑结构，其顶点代表机械模块实体，有向边代表相连结机械模块之间的运动关系和连结方式，如接头、接合界面；

(b)将机械结构的基本运动分配到建立的拓扑结构图上，每一个确定的功能，被分配到拓扑结构图的有向边上，另外改变基座位置得到相应的结构方案，因此功能映射完成运动的映射，同时完成基座的映射；

(c)在完成运动映射及基座映射后得到的多种结构配置中，选择一个或一类拓扑结构作为设计可重构机器的依据。

所述选择可重构机器的拓扑结构，具体如下：

若对于已有拓扑结构，从运动控制角度判断选择该拓扑结构的可重构机器是否可以控制，如果***所有状态变量的运动都可通过有限的控制点的输入来使其由任意的初态达到任意设定的终态，则称***是可控的，或称为状态可控的；

否则利用已有技术选择可重构机器的拓扑结构，如借鉴传统的机床功能结构设计方法进行拓扑结构设计，传统的机床功能结构设计方法包括：1)缩短传动链，简化传动结构；2)保证机床机械结构具有静、动态刚度和阻尼精度，以及耐磨性，而且热变形小，以适应连续的自动化加工和提高加工生产率；3)采用高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副，以减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度。

步骤四，根据步骤三已选择的可重构机器的拓扑结构，建立参数化的模块库并从其中选择机械模块，装配生成整个可重构机器。

所述建立参数化的模块库并从其中选择机械模块，具体如下：

(a)首先建立机械模块链表，机械模块链表包括ID(编号)、运动类型、运动轴线、运动方向，然后利用旋量方法建立机械模块的齐次变换矩阵，以及机械模块的运动旋量，最后以尺寸、运动范围作为参数设计每个模块，得到参数化的模块库；

(b)根据步骤三所建立的拓扑结构，从模块库中选取机械模块，选取的方向按照从工件到刀具的方向，选取出与各个顶点相匹配的机械模块，使得选取的机械模块的齐次矩阵的乘积等于目标矩阵：

            M₁M₂M₃…M_n＝T_w

式中，M_n--第n个模块的齐次变换矩阵，T_w--任务目标矩阵，w工件表示。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：利用本发明实现机器的可重构，使得机器机械***不需要替换机械模块就可以转换配置，从而实现机器的在线重构，在火焰切割机组的机床设计中使用该方法使得原开发周期缩短1-2个月。同时，机器的设计经济地满足所需的生产能力和功能，配置快速，节约成本，并使机器成本减小二到三成。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是本发明的运动模型图；

图3是本发明的加工任务示意图；

图4是本发明的可重构机器拓扑结构示意图，图(a)为拓扑结构视图，图(b)为顶点视图，图(c)为有向边视图；

图5是本发明的机械模块库样图；

图6是本发明的机械模块选择示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括如下具体步骤：

步骤一，建立刚体在空间中运动模型；

所述建立运动模型，是指运用旋量方法建立起刚体运动与螺旋运动的等价关系，建立刚体在空间中运动的指数坐标方程，计算刚体的运动旋量以及得到该运动的齐次变换矩阵，最终建立刚体在空间中运动模型，包括纯移动、纯转动、螺旋运动的运动模型，同时运用旋量对偶矢量的表示方法，描述出刚体空间运动的详细的运动信息，运动信息包括运动类型、运动范围，上述刚体是指在任何力的作用下体积和形状都不发生改变的物体。

如图2所示，建立对纯平移运动、纯旋转运动及刚体一般运动建立了运动模型，具体如下：

1、纯平移运动模型：

如图2(a)所示，模型的运动旋量可表示为：

式中， $\stackrel{\→}{s}={\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_3\end{array}\right]}^T$ 为移动方向的向量，s₁，s₂，s₃分别代表在x，y，z方向的投影。

$m_T=\left|\right|\stackrel{\→}{s}\left|\right|=\sqrt{s_1^2+s_2^2+s_3^2},\mathrm{\θ}=0$ θ表示刚体绕

的转角

其齐次变换矩阵形式： $T_T=\left[\begin{array}{cc}I& \stackrel{\→}{s}\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(1.3\right)$

2、纯旋转运动模型

如图2(b)所示，模型的运动旋量可表示为：

式中，

为原点至该空间矢量任一点的矢径。

$m_R=\left|\right|\stackrel{\→}{s}\left|\right|=\sqrt{s_1^2+s_2^2+s_3^2},{\mathrm{\θ}}^0=0$

其齐次变换矩阵形式： $T_R=\left[\begin{array}{cc}{e}^{\hat{s}{m}_R}& \stackrel{\→}{0}\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(2.3\right)$

3、刚体一般运动模型

如图2(c)所示，模型的运动的指数方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{r}}_2\left(\mathrm{\θ}\right)\\ 1\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{\θs}}& (I-e^{\mathrm{\θ}\hat{s}}){\stackrel{\→}{r}}_1+\mathrm{h\θ}\stackrel{\→}{s}\\ 0& 1\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{r}}_2\left(0\right)\\ 1\end{array}\right\}=T\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{r}}_2\left(0\right)\\ 1\end{array}\right\}---\left(3.1\right)$

式中， $T=\left[\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{\θs}}& (I-e^{\mathrm{\θ}\hat{s}}){\stackrel{\→}{r}}_1+\mathrm{h\θ}\stackrel{\→}{s}\\ 0& 1\end{array}\right]$ 为螺旋运动对应的齐次变换阵。

如果一个刚体做一系列螺旋运动，则：

$=T_n{T}_{n-1}\·\·\·T_1\stackrel{\→}{r}\left(0\right)---\left(3.2\right)$

对偶矢量的表述：

[M_M M_m M_C]描述了运动的范围，M_M，M_m，M_C分别表示运动的最大值、最小值及当前值，P_A+εP_T表示螺旋运动的节距，P_T为0，表示该运动为纯转动，P_A为0，表示该运动为纯移动。

步骤二，进行分析任务，将上位机传达的任务加工信息解析为一系列可重构机器的功能。

所述进行分析任务，是指：对于已知加工工序的加工任务，将其每道工序即刀具相对工件的每一步运动的运动旋量以旋量对偶矢量形式表示，把具有相同运动类型的工序合并，从而得到完成各工序所需执行的运动，以直观的表达可重构机器所需执行运动的顺序和关系，可重构机器基本功能的运动学模型表达式由一系列运动旋量(变换矩阵)和初始变换矩阵的乘积构成，即

                       T＝T₁T₂…T_nT₀

式中，T_n表示可重构机构所需执行的第n个运动，n为自然数，T₀表示是工具相对于工件的初始变换。

如图3所示，是本实施例的加工任务示意图，运用旋量的对偶矢量表达进行任务分析，分析并合并加工工序(运动旋量)得到完成加工任务所需的基本运动，具体如下：

首位置：(0  0  0  50  -50  70)

定位位置：(0  0  0  50  0  70)

进给位置：(0  0  0  50  30  70)

定位位置：(0  0  0  25  0  70-25)

进给位置：(0  0  0  25  30  70-25)

定位位置：(0  0  0  75  0  70-25)

进给位置：(0  0  0  75  30  70-25)

工件定位：(0  0  90  0  0  0)

合并各工序所有刀具相对工件的运动

定位和进给运动：

定位运动：

定位运动：

定位运动：

其中：

分别为沿图示方向的运动旋量，ε是Clifford(克里弗德)的对偶标记，ε1、ε0分别表示对偶方向的分量为1、0，T是表示矩阵转置。

步骤三，进行拓扑构型，利用图论设计可重构机器的功能拓扑结构，表达功能之间的拓扑关系，并选择可重构机器的拓扑结构；

所述进行拓扑构型，具体如下：

(a)利用有向图来表达可重构机器的拓扑结构，其顶点代表机械模块实体，有向边代表相连结机械模块之间的运动关系和连结方式，如接头、接合界面；

(b)将机械结构的基本运动分配到建立的拓扑结构图上，每一个确定的功能被分配到拓扑结构图的有向边上，除了运动以外，改变基座位置得到相应的结构方案，因此功能映射完成运动的映射，同时完成基座的映射；

(c)在完成运动映射及基座映射后得到的多种结构配置中，选择一个或一类结构树作为设计可重构机器的依据，因此，需要对所有的可行方案进行比较。

所述选择可重构机器的拓扑结构，具体如下：

若对于已有拓扑结构，从运动控制角度判断选择该拓扑结构的可重构机器是否可以控制，如果***所有状态变量的运动都可通过有限的控制点的输入来使其由任意的初态达到任意设定的终态，则称***是可控的，或称为状态可控的；

否则利用已有技术选择可重构机器的拓扑结构，如借鉴传统的机床功能结构设计方法进行拓扑结构设计，传统的机床功能结构设计方法包括：1)缩短传动链，简化传动结构；2)使机床机械结构具有静、动态刚度和阻尼精度，以及耐磨性，而且热变形小，以适应连续的自动化加工和提高加工生产率；3)采用高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副，以减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度。

如图4所示，是可重构机器拓扑结构示意图，即将机床所具备的基本运动分配到拓扑图的边上的过程，由于不同的分配方案产生不同的结构，列举出的这些结构又有优劣之分，需要遵循映射规则来进行运动的映射。

所述映射规则具体如下：

1，因平移运动可交换位置，不改变机床的功能，在运动分配过程中，忽略平移运动的相互次序，而纯转动、螺旋运动则需按加工次序进行分配；

2，为了提高加工精度，减少定位误差，限制在同一方向的运动分配为一个；

3，为了降低机床加工过程的复杂性，必要时可以以工件的定位运动辅助代替刀具的定位运动；

4，为提高机床的刚度，应使得运动与接触面平行。

对图3所示的加工任务建立其拓扑结构的树型表达并进行运动映射，如图4(a)所示，可重构机器拓扑结构的表达利用有向图表来表达，经过对其加工工序的优化，完成该加工任务需要四个自由度，分别为：沿X，Y，Z轴的移动和沿Z轴的转动，分别用符号表示为T_x，T_y，T_z，R_z，这四个运动分别对应映射到树型图的四条边上，所以机构需要至少有五个机械模块(从模块库中选出)，加上一块连接板机械模块则机构共有六个模块实体，在这串联的六个机械模块的五条边上进行运动映射，为了满足以上四条映射规则，同时R_Z的旋转运动不可交换性。机械模块库中机械模块的类型包括串联和并联，本实施例中的顶点如图4(b)所示，顶点代表机械模块实体，S表示串联方式模块顶点，同时根据相邻模块的连接位置不同，S顶点分为两类S1、S2，每个顶点具有输入和输出两个端口，每个端口表示该模块与相邻模块的连结位置，S1顶点的输入与输出端口同轴，S2顶点的输入与输出端口相互垂直，有向边(如图4(c)示)代表相连结机械模块之间的运动关系和连结方式(如接头、接合界面)。

步骤四，根据步骤三已选择的可重构机器的拓扑结构，建立参数化的模块库并从其中选择机械模块，装配生成整个可重构机器。

所述建立参数化的模块库并从其中选择机械模块，具体如下：

(a)首先建立机械模块链表，机械模块链表包括ID(编号)、运动类型、运动轴线、运动方向，然后利用旋量方法建立机械模块的齐次变换矩阵，以及机械模块的运动旋量，最后以尺寸、运动范围作为参数设计每个模块，得到参数化的模块库；

(b)根据步骤三所建立的拓扑结构，从模块库中选取机械模块，选取的方向按照从工件到刀具的方向，选取出与各个顶点相匹配的机械模块，使得选取的机械模块的齐次矩阵的乘积等于目标矩阵：

              M₁M₂M₃…M_n＝T_w

式中，M_n--第n个模块的齐次变换矩阵，T_w--任务目标矩阵，w工件表示。

如图5所示，为机械模块库样图，建立参数化的机械模块库，包括模块的ID(编号)、运动类型、运动轴线、运动方向。图5中，对模块库中各模块的示意图及其ID号作了描述，同时，机械模块库的内容表达以下方面：

1.各个模块输人/输出轴的空间方位关系，即平行、垂直或交叉。

2.各个模块运动行为类型，即移动或转动等。

3.利用旋量方法建立机械模块的齐次变换矩阵，以及它的运动旋量。

4.各个模块尺寸，运动范围等作为参数进行设计。

如图6所示，是对图4所示加工任务建立可重构机器进行的机械模块选择示意图。按照可重构机器拓扑结构的顺序选取模块，从工作台到刀具的方向来选择，从模块库中选取模块，使其齐次变换矩阵与加工任务的目标矩阵进行比较，最终使得构成可重构体系的所有模块的齐次矩阵的乘积等于目标矩阵：

                      M₁M₂M₃…M_n＝T_w

式中，M_n为第n个模块的齐次变换矩阵，T_w为任务目标矩阵，w工件表示。

最终完成对模块的选取，选取结果0-1-3-4-8-9。

与现有技术相比，本实施例具有如下有益效果：在火焰切割机组的机床设计中使用该方法使得原开发周期缩短1-2个月。同时，机器的设计经济地满足所需的生产能力和功能，配置快速，节约成本，使得机器成本减小二到三成。

Claims (6)

1.一种可重构机器的模块化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，建立刚体在空间中运动模型；

步骤二，进行分析任务，将上位机传达的任务加工信息解析为一系列可重构机器具备的功能；

步骤三，进行拓扑构型，利用图论设计可重构机器的功能拓扑结构，表达各个功能之间的拓扑关系和执行顺序，并选择可重构机器的拓扑结构；

步骤四，根据步骤三已选择的可重构机器的拓扑结构，建立参数化的模块库并从其中选择机械模块，装配生成整个可重构机器。

2.根据权利要求1所述的可重构机器的模块化设计方法，其特征是，所述建立运动刚体在空间中的运动模型，是指运用旋量方法建立起刚体运动与螺旋运动的等价关系，建立刚体在空间中运动的指数坐标方程，得到刚体的运动旋量以及运动的齐次变换矩阵，最终建立刚体在空间中运动模型，包括纯移动、纯转动、螺旋运动的运动模型，同时运用旋量对偶矢量的表示方法，描述出刚体空间运动的详细的运动信息，运动信息包括运动类型、运动范围，上述刚体是指在任何力的作用下体积和形状都不发生改变的物体。

3.根据权利要求1所述的可重构机器的模块化设计方法，其特征是，所述进行任务分析，是指：对于已知加工工序的加工任务，将其每道工序即刀具相对工件的每一步运动的运动旋量以旋量对偶矢量形式表示，把具有相同运动类型的工序合并，从而得到完成各工序所需执行的运动，同时，利用步骤一对加工任务刚体模型进行运动建模，建立可重构机器基本功能的运动学模型，以直观的表达可重构机器所需执行运动的顺序和关系，可重构机器基本功能的运动学模型表达式由一系列运动旋量和初始变换矩阵的乘积构成，即

T＝T₁T₂…T_nT₀

式中，T_n表示可重构机构所需执行的第n个运动，n为自然数，T₀表示是工具相对于工件的初始变换。

4.根据权利要求1所述的可重构机器的模块化设计方法，其特征是，所述进行拓扑构型，具体如下：

(a)利用有向图来表达可重构机器的拓扑结构，其顶点代表机械模块实体，有向边代表相连结机械模块之间的运动关系和连结方式，如接头、接合界面；

(b)将机械结构的基本运动分配到建立的拓扑结构图上，每一个确定的功能，被分配到拓扑结构图的有向边上，另外改变基座位置得到相应的结构方案，功能映射完成运动的映射，同时完成基座的映射；

(c)在完成运动映射及基座映射后得到的多种结构配置中，选择一个或一类拓扑结构作为设计可重构机器的依据。

5.根据权利要求1所述的可重构机器的模块化设计方法，其特征是，所述选择可重构机器的拓扑结构，具体如下：

若对于已有拓扑结构，从运动控制角度判断选择该拓扑结构的可重构机器是否可以控制，如果***所有状态变量的运动都可通过有限的控制点的输入来使其由任意的初态达到任意设定的终态，则称***是可控的，或称为状态可控的；否则利用已有技术选择可重构机器的拓扑结构。

6.根据权利要求1所述的可重构机器的模块化设计方法，其特征是，所述建立参数化的模块库并从其中选择机械模块，具体如下：

(a)首先建立机械模块链表，机械模块链表包括编号、运动类型、运动轴线、运动方向，然后利用旋量方法建立机械模块的齐次变换矩阵，以及机械模块的运动旋量，最后以尺寸、运动范围作为参数设计每个模块，得到参数化的模块库；

(b)根据步骤三所建立的拓扑结构，从模块库中选取机械模块，选取的方向按照从工件到刀具的方向，选取出与各个顶点相匹配的机械模块，使得选取的机械模块的齐次矩阵的乘积等于目标矩阵：

             M₁M₂M₃…M_n＝T_w

式中，M_n--第n个模块的齐次变换矩阵，T_w--任务目标矩阵，w工件表示。

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