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外文翻譯
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
學生姓名
班 級
學 號
指導教師
外文資料名稱: Integrated Machine and Control
Design for Reconfigurable
Machine Tools
外文資料出處: The University of Michigan Ann Arbor, MI 48109-2125
附 件: 1.外文資料翻譯譯文
2.外文原文
指導教師評語：
簽名：
年 月 日
可重構機床的一體化及控制設計
D. M.蒂爾伯里和S.庫塔
周云譯
摘要：在本文中，我們講述了可重構機床的設計程序系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。該設計的出發(fā)點是實現(xiàn)部分操作的自動化。這些操作可分解為一系列的機床必須執(zhí)行的功能，這些功能再映射到每個有相關的機械控制模塊的模板上。機床一旦被組裝好，它的控制模塊就被連接在一起了，操作順序控制模塊，用戶界面控制模塊，以及模式轉換邏輯控制設計模塊。本文詳細說明了可重構機床的一體化及控制設計。
一、引言
在當今競爭激烈的市場，制造系統(tǒng)必須迅速響應不斷變化的客戶需求，減少產(chǎn)品的生命周期。傳統(tǒng)的傳輸線是專為大批量的生產(chǎn)，固定的自動化模式設計的，因此，不能輕易適應變化的產(chǎn)品設計。另一方面，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)為基于“彈性”的廣義制造系統(tǒng)可提供的靈活性，但通常是緩慢和昂貴的，因為他們沒有任何特別的優(yōu)化產(chǎn)品或產(chǎn)品系列。
美國密歇根大學正努力發(fā)展可重構加工系統(tǒng)[3] [4]的理論和技術 ，以取代以往每次生成新產(chǎn)品時都要從頭建立新系統(tǒng)的做法，使現(xiàn)有的系統(tǒng)可以重組產(chǎn)生新的部分。在本文中，我們描述了如何運用一體機和控制設計的戰(zhàn)略使機床能夠快速方便地配置和重新配置。
可重構機床是為了滿足新產(chǎn)品系列的需要而準確提供相關功能而設計的，鑒于一系列操作的執(zhí)行，它還可以配置適當?shù)慕M裝機模塊，其中的每個作用模塊在程序上配有一個與它相關的控制模塊，當這些機械模塊組裝好以后，控制模塊便連接在一起了，機床就可以開始工作，因此，大規(guī)模的操作緩慢的專一控制系統(tǒng)的設計將不再需要。第二部分介紹了如何設計機床的一套基本模塊以及模塊間的準確連接，第三部分介紹了如何控制程序庫中的相似組裝模塊。第四部分介紹了機械模塊和控制模塊在機床中的應用。文章最后提出了今后的工作情況說明。
二、機械設計
密歇根大學正在進行制造系統(tǒng)配置方面的演講，主要問題是關于系列產(chǎn)品的描述和生產(chǎn)中提取時所需的加工工序部分的講解 [7] 。這些操作根據(jù)工件的配合公差，執(zhí)行順序和期望的系統(tǒng)周期被分組，其目的就是實現(xiàn)每個操作“組”在一臺單獨機床上的生產(chǎn)工作。該操作組在這里能夠鉆出一系列與V6和V8氣缸蓋上的凸輪塔配合的孔，如圖1所示?？芍貥嫏C床輸入的設計程序是操作組的加工工序，刀位生產(chǎn)過程能夠產(chǎn)生相關數(shù)據(jù)。樣本數(shù)據(jù)包括定位和鉆孔的信息，如圖2所示。
可重構機床設計過程包括三個主要階段：明確任務，模塊的選擇和評價[14 ] 。經(jīng)過簡短的文獻回顧，這三個階段將在本節(jié)中概述。
(a) V6 汽缸蓋 (b) V8 汽缸蓋
圖1、兩個示例零件。將要進行的操作是鉆出與凸輪塔配合的定位孔。
V8引擎上的兩個定位孔在一條直線上。V6引擎上的一個陣列有八個孔。
圖2、在圖1所示零件上鉆孔的操作順序（刀位）。
CL文件由CAD程序包（例如IDEAS）生成，包括鉆孔位置與主軸速度、刀具、冷卻劑相關的信息。
圖3、高水平的操作程序顯示出因果的相關性和并行性。
這個抽象表征的順序操作來源于圖2CL數(shù)據(jù),并將被用來設計序列分析的控制。
1、有關的研究
由于可重構在加工系統(tǒng)中是一個比較新的概念，即使有的話，已經(jīng)出版的有關組合機床設計的文學作品也是很少的。但是，組合機床已在市場上好幾年了，一些以往發(fā)表的有關組合機器人，組合機床和裝配的文章的確與可重構機床有一定關系。例如， Shinno和Ito [17] ， [18] ， [19] ， [20]提出過一種機床結構配置的方法，他們把機床結構分解成簡單的幾何形式，例如：箱，缸等。Yan 和 Chen [21], [1]把這種方法擴展到了加工中心的結構設計中。Ouyang等人[12]把Ito的這種方法應用到了組合機床系統(tǒng)中，形成了一種機床模塊的列舉法。Paradis 和 Khosla [15]明確了最適合執(zhí)行的模塊化裝配配置的特定任務。Chen [2]找到了一個最佳的配置結構用于處理問題的特定任務，他的步驟是根據(jù)組裝的關聯(lián)矩陣，并采用傳統(tǒng)算法來解決優(yōu)化問題。在系統(tǒng)方面，Rogers 和 Bottaci [16]論述了可重構制造系統(tǒng)的意義，Owen等人[13]開發(fā)了一種用于教育的模塊化重組制造系統(tǒng)綜合計劃。
在我們的運作中，運動圖和布局結構（即螺旋理論，圖論等）是用來捕獲可重構機床特點的傳統(tǒng)方法。這些數(shù)學方案常用于綜合布局，功能分解，和繪圖程序；具體細節(jié)可以在[9]找到。
2、任務說明
明確一臺可重構機床設計的任務，需要分析刀具位置數(shù)據(jù)，以確定完成所期望的運動所必需的一系列功能。分為三個步驟：首先，用產(chǎn)生的曲線圖來抽象的表示運動，然后，把這些圖表分解成功能，最后，這些功能再映射到程序庫中的機械模塊上。
機床的結構圖對系統(tǒng)的備用配置進行列舉，提供了圖表的識別方法。圖表表示法也被用于分配機械模塊到圖元素。一個圖表是由一組頂點連接在一起的邊緣。當使用圖作為機床結構的抽象表示時,我們定義兩個不同類型的頂點:0型和1型。一個頂點表示有兩個端口的物理對象，每個端口代表在對象上的位置，可以連接到鄰近的對象。一0型頂點的輸入和輸出端口是互不干擾的,而1型頂點的輸入和輸出端口是互相正交的。加工任務也分為0型或1型,這取決于刀具是平行還是垂直于工件。
圖4顯示了一個0型任務圖。四個1型頂點與幾個0型頂點相結合以三維形式創(chuàng)建了一個機床結構。因為0型頂點不改變方向，它們可以在各種組合中被用來作為墊片。原點表示機床的基準。原點的選擇不是唯一的，不同的選擇將導致不同的機床設計。結構功能被分配到圖的頂點;運動功能（如需要）被分配到邊緣。例如，圖4舉的例子，如何在X，Y，Z方向平移運動可分配給圖形的邊緣，表示了邊緣的兩個頂點所代表的有形物體之間的相對運動。
圖4、一個圖代表一種機床結構。
平移運動 (TX; TY ; TZ)被分配到圖的邊緣。頂點有結構的功能。
機床的基本功能是通過工具和工件間的物理運動來描述的。這些運動功能可由類似變化的模塊 [11]來表示 ，我們期望的機床功能將被編碼到模塊T上，然后根據(jù)操作順序進行必要的加工運動來完成加工任務。在圖2中，該工藝文件包含了工具在笛卡爾坐標系中的位置和運動。例如，第一運動可被分解為：
P1處可表示工具在該處的位置和運動方向，用于定位，而F1處則表示進給運動?？梢缘贸?，任何兩個相鄰的位置的運動轉換可以可以被分解為：
其他的運動描述可以類似表示。
對于各種類型的加工操作，模板常被作為一個起點，用來確定進行加工任務所需要的不同運動功能。例如，模板銑削和鉆井作業(yè)表明運動功能所必需的主軸旋轉，工具進給和工具定位。通過使用此模板，我們可以把精確的進給和定位信息提供給加工過程，便可以得出確切的必要的運動參數(shù)，如工具旋轉， X軸方向的直線運動,Y，Z軸方向的進給運動，以及Z軸方向的工具定位運動如圖5所示。
圖5、功能分解模板
在運動分解階段每一個被確定的運動函數(shù)都會被映射在如上所示的曲線圖上，不同位置的特定函數(shù)可以生成多種解決方案。由于理論上的直線運動是交替出現(xiàn)的，所以他們在圖形中的順序也是交替變化的。在函數(shù)的繪制中，螺旋運動（包括純轉動運動）和機床結構的布局是最重要的信息。
3、模塊選擇
我們可以根據(jù)任務明確階段繪制到圖表中的運行情況在模塊庫中選擇商品模塊，模塊庫中的存儲數(shù)據(jù)包含代表其運動或結構功能的同質變換矩陣，各種運動信息的變化矢量，代表模塊剛度的規(guī)則矩陣，模塊連接的信息，和電源要求（如軸和滑塊等活動模塊）。
模塊選擇的第一步是比較模塊間的相似變換矩陣，進行適當?shù)倪x擇以滿足任務的要求，該產(chǎn)品的所有模塊矩陣應等于預期的任務矩陣：T= T1T2...Tn。再次，對于某一特定模塊的結構配置我們會有許多可能的選擇。圖6顯示了不同的滑塊，軸和一些結構要素，可以根據(jù)圖4進行組裝。
一個配有CAD模型和變換矩陣的滑行模塊如圖7所示。它能夠在一個方向上做直線運動，通過變量μ1表明次運動在其變換矩陣內(nèi)。它的數(shù)據(jù)庫記錄如表1所示，不僅存儲著其變換矩陣，而且還有制造商,模塊名稱，初始位置，功率大小和運動范圍等。一些變量參數(shù)可根據(jù)模塊的最小限量，初始値，最大位移等信息而被擴大。
圖6、如圖4所示結構可以被認為是不同模塊的選擇
圖7、機械模塊的典型示例。左邊為一組合機床的CAD模型，其右邊為變換矩陣。
表格1
這臺機器模塊的數(shù)據(jù)庫信息和文件如圖7
4、評價
一旦一套有效運行的模塊被選中,由此產(chǎn)生的機械設計就必須進行評估?？芍貥嫏C床的評價標準由以上的系統(tǒng)程序合成，包括工件包層，自由度數(shù)，使用的模塊的數(shù)量和動態(tài)剛度。
機床的自由度數(shù)必須保持符合最低要求，以降低驅動功率，盡量減少錯誤鏈。每個活動實例表明，由該方法生成的具有精確的自由度數(shù)的設計必須執(zhí)行在給定部分所需的加工操作[10]。機床設計方案如圖8所示，這是由圖1零件使用的方法產(chǎn)生的。
由此產(chǎn)生的設計就必須進行預期的準確性的評估。整個機床的剛度，性能方面最重要的因素之一，根據(jù)模塊矩陣和連接方法估計。
(a)V6機床 (b)V8機床
圖8、可重構機床的兩個不同設計
三、控制設計
由于機床是根據(jù)模塊組成原理配置的，因此我們可以控制它的運作。在這項工作中，我們把重點放在邏輯控制的順序安排和機械模塊的協(xié)調性上；有些機床具有獨立的系統(tǒng)形式[6] ，它可以控制著每一個運動構件，這就是我們提及到的機械控制模塊。在機械設計方面，我們常把從動件與主動件連接在一起。而在控制設計方面，還必須用“膠水”模塊把機械控制模塊連接起來。可重構的總體控制系統(tǒng)結構如圖9所示：與圖8的兩個機器結構類似，但它沒有Y軸向的控制模塊。如圖所示，機械控制模塊處于最低層，直接作用于機械系統(tǒng)。用戶界面控制模塊是在最高層，與用戶按鈕和顯示屏相連接。控制模塊的操作聯(lián)接可以被界定為某部分加工的高水平的操作聯(lián)接，如圖3所示。三個模塊處理模式切換邏輯。在本節(jié)中，我們簡要地描述這些類型的每一個控制模塊以及它們的互動與協(xié)調。
圖9、該模塊化控制系統(tǒng)的總體結構
1、 機床控制模塊
每臺機床控制模塊有一個明確的界面規(guī)格:它接收來自一給定設置的離散信號,并將結果反饋到給定設置?？刂颇K將連續(xù)控制，如軸的伺服控制。這種持續(xù)的控制采用標準的PID算法來設計，來自機模塊定義的軸參數(shù)有慣量，功率，絲桿節(jié)距等。此外，每臺機床控制模塊將包含與機械模塊相關的任何機器服務的控制，如潤滑或冷卻劑。因此,每臺機床控制模塊是一個獨立的控制器，可以進行設計，可以單獨地測試機器的其余部分。
設計一個機械控制模塊必須做到只用一個庫存的機械模塊。每當機械模塊用在機械設計中，控制模塊可用于相關的控制設計?？刂颇K有自己的處理能力，可以單獨使用, I/O和網(wǎng)絡連接到該控制系統(tǒng)的其余部分，也可用作一個在集中樣式中實施的一體機控制器，。
如圖10所示是一個機械控制模塊例子的幻燈片。模塊可以接受四個命令：移動到x位置，停止，緩慢移動到x的正方向，緩慢移動到x負方向。當它已經(jīng)完成了預期的操作,它返回到“已做”的響應。一個看門狗定時器被包含(但未顯示), 如果預先設定的時間已過而已完成的響應沒有發(fā)出，就會返回一個“錯誤”的響應。
2、操作程序
模塊的操作順序是指從高級別序列提取刀位數(shù)據(jù)，如圖3所示。該控制模塊的主要結構是一個必須操作的部分的序列，需要等待每個步驟的完成。圖11給出了圖8（b）機器的操作順序模塊和圖3的操作數(shù)序。在設計中，僅是將錯誤傳遞到用戶界面的簡單錯誤處理被合并，但為了簡單起見在圖中沒有顯示出來。如果接受到一個“重置”命令，主軸停止轉動，滑動到初始位置。V6機床的操作順序是類似的，但是有跟多的操作，因為有兩個被列序的線性軸。如圖9的總體結構, 操作程序控制模塊有兩個端口：一個連接到自動模式控制模塊，另一個連接到?jīng)_突檢查。到操作層序界面控制模塊如圖12所示。
圖10、滑動控制器?；瑒涌刂破靼ǎㄔ谙潴w內(nèi)）伺服控制器。
當滑動到指定位置并在允許公差范圍內(nèi)，一“已做”的響應被反饋回來。
圖11、操作程序模塊,顯示出操作和事件的整體序列。模塊界面如圖12所示。
任何時候收到重置指令，為了簡單起見顯示只部分事件痕跡。錯誤事件的痕跡被刪除。
圖12、操作程序控制模塊的框圖顯示端口和共享事件。
被模塊接收到的事件是斜體，與上一級的模塊共享事件是粗體。
3、 模塊化控制結構
用戶界面控制模塊與用戶通過一組按鈕來控制控制系統(tǒng)的開啟與關閉，控制模式之間的切換，單補通過操作順序。其主要功能是通過其余的控制器傳遞用戶命令并向用戶顯示機器的現(xiàn)狀。
機床控制器有幾種不同的模式。在自動模式，操作程序執(zhí)行不斷;另一種模式可以執(zhí)行的操作順序只有一次。在同步模式下，一個按鈕命令必須用于啟動操作程序的每一步，在手動模式下，通過同時移動有源元件一部分的手動進給命令，，更好的控制命令是可行的。不是重復每個控制模式的操作順序，而是使用序列的表示形式。該模式切換邏輯決定適當?shù)臅r間發(fā)送“開始”事件到操作程序。
沖突的檢查控制模塊的主要功能是傳遞來自操程序中的命令和手動模式模塊給適當?shù)臋C器控制模塊。它可以使用機器模塊定義的數(shù)據(jù)庫，并用數(shù)據(jù)庫開檢查引起一些機械干擾的違規(guī)指令。由于定義完善的界面到到低層次的機控制模塊，沖突檢查的設計可以通過高層次的控制指令來做。物理I/ O的詳細信息由機器控制模塊來處理。
如上所述,每個控制模塊是由通過一個接收某一語言對的有限狀態(tài)機器來表示的。(允許事件的序列)。我們已經(jīng)表明隨著這些語言中的一些定義完善的條件和模塊連接，整體控制結構可以保證無死鎖[8];舉所有合并后的邏輯控制器可能的序列，這將是不切實際的，不需要驗證。
四、可重構性能
已有機械模塊可用于多種不同機器設計，與每個機械模塊相關的控制模塊合并到整個機床的控制設計中。本機庫和控制模塊既可以通過縮短了設計周期顯著地減少新的加工體系的前置時間，提升時間產(chǎn)能，因為在它們連接之前每個模塊可單獨進行測試。
對于某些部分的變化（如圖1所示的V6和V8發(fā)動機缸蓋之間），機床將需要重新配置，可通過增加一個軸或改變主軸。當這種類型的重組發(fā)生時，操作程序控制模塊和沖突檢查（如新機械干擾的產(chǎn)生）需要作出改變。
因為它們擁有一個定義完善的界面,因此每個單獨的控制模塊可以獨立地改變。只要重新設計的控制模塊有同樣的離散事件接口,由此產(chǎn)生的系統(tǒng)被保障是自由死鎖。例如,一個摩擦補償控制算法可以被加到一個滑控制模塊。這樣做會提高該模塊的性能,但唯一的改變必須在最低級的模塊中。
五、結論和未來的工作
從歷史上看，機床設計已具有一定的經(jīng)驗基礎。在這項研究中，我們介紹了一種基于數(shù)學基礎上的可重構機床的相關性能評價以及其相關的控制設計。這項研究工作已被應用到新一代機床配置和模塊化設計中去，該系統(tǒng)的設計工序是以加工要求為出發(fā)點的。
方法指出，合成機床可以配有機械模塊的程序庫以便于數(shù)據(jù)的收集與存儲，自動控制，并準備把它用于任何機械設計。該方法還能夠確保將所有的可行運動和一些差異明顯的構造進行系統(tǒng)的列舉，以減少錯失一個良好設計的機會。
我們已經(jīng)開發(fā)了一個基于Java機械設計加工的自動化程序，目前，我們正準備把控制設計程序并入到現(xiàn)有的框架內(nèi)。我們也擴大了現(xiàn)有的設備和控制模塊庫，連續(xù)變量控制的獨立區(qū)域也正在逐漸正規(guī)化。
致謝
作者想要感謝ERC成員的支持以及他們提供的資料。MEAM畢業(yè)的學生Eric Endsley, Morrison Lucas, and Yong-Mo Moon為這篇文章的寫作提供了幫助。
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