[发明专利]可重构机器的模块化设计方法

说明书

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系统，特别是一种可重构机器的模块化设计方法。

背景技术

可重构制造系统是一种具有主动适应外界环境变化和被动响应系统内部扰动两大功能的制造系统，它能够在现有系统的基础上通过系统构件的重构，改变系统的结构，从而调整系统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。可重构制造系统，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系统的最核心特征。可重构制造系统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系统的最小单元，根据制造系统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系统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：