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外文翻譯 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)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(dǎo)教師評(píng)語： 簽名： 年 月 日 可重構(gòu)機(jī)床的一體化及控制設(shè)計(jì) 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(gòu)機(jī)床的設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)部分操作的自動(dòng)化。這些操作可分解為一系列的機(jī)床必須執(zhí)行的功能，這些功能再映射到每個(gè)有相關(guān)的機(jī)械控制模塊的模板上。機(jī)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(zhuǎn)換邏輯控制設(shè)計(jì)模塊。本文詳細(xì)說明了可重構(gòu)機(jī)床的一體化及控制設(shè)計(jì)。 一、引言 在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)，制造系統(tǒng)必須迅速響應(yīng)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(dòng)化模式設(shè)計(jì)的，因此，不能輕易適應(yīng)變化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。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?yàn)樗麄儧]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(xué)正努力發(fā)展可重構(gòu)加工系統(tǒng)[3] [4]的理論和技術(shù) ，以取代以往每次生成新產(chǎn)品時(shí)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(yùn)用一體機(jī)和控制設(shè)計(jì)的戰(zhàn)略使機(jī)床能夠快速方便地配置和重新配置。 可重構(gòu)機(jī)床是為了滿足新產(chǎn)品系列的需要而準(zhǔn)確提供相關(guān)功能而設(shè)計(jì)的，鑒于一系列操作的執(zhí)行，它還可以配置適當(dāng)?shù)慕M裝機(jī)模塊，其中的每個(gè)作用模塊在程序上配有一個(gè)與它相關(guān)的控制模塊，當(dāng)這些機(jī)械模塊組裝好以后，控制模塊便連接在一起了，機(jī)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(shè)計(jì)將不再需要。第二部分介紹了如何設(shè)計(jì)機(jī)床的一套基本模塊以及模塊間的準(zhǔn)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(jī)械模塊和控制模塊在機(jī)床中的應(yīng)用。文章最后提出了今后的工作情況說明。 二、機(jī)械設(shè)計(jì) 密歇根大學(xué)正在進(jìn)行制造系統(tǒng)配置方面的演講，主要問題是關(guān)于系列產(chǎn)品的描述和生產(chǎn)中提取時(shí)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(shí)現(xiàn)每個(gè)操作“組”在一臺(tái)單獨(dú)機(jī)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?gòu)機(jī)床輸入的設(shè)計(jì)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(guān)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(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)過程包括三個(gè)主要階段：明確任務(wù)，模塊的選擇和評(píng)價(jià)[14 ] 。經(jīng)過簡(jiǎn)短的文獻(xiàn)回顧，這三個(gè)階段將在本節(jié)中概述。 (a) V6 汽缸蓋 (b) V8 汽缸蓋 圖1、兩個(gè)示例零件。將要進(jìn)行的操作是鉆出與凸輪塔配合的定位孔。 V8引擎上的兩個(gè)定位孔在一條直線上。V6引擎上的一個(gè)陣列有八個(gè)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(guān)的信息。 圖3、高水平的操作程序顯示出因果的相關(guān)性和并行性。 這個(gè)抽象表征的順序操作來源于圖2CL數(shù)據(jù),并將被用來設(shè)計(jì)序列分析的控制。 1、有關(guān)的研究 由于可重構(gòu)在加工系統(tǒng)中是一個(gè)比較新的概念，即使有的話，已經(jīng)出版的有關(guān)組合機(jī)床設(shè)計(jì)的文學(xué)作品也是很少的。但是，組合機(jī)床已在市場(chǎng)上好幾年了，一些以往發(fā)表的有關(guān)組合機(jī)器人，組合機(jī)床和裝配的文章的確與可重構(gòu)機(jī)床有一定關(guān)系。例如， Shinno和Ito [17] ， [18] ， [19] ， [20]提出過一種機(jī)床結(jié)構(gòu)配置的方法，他們把機(jī)床結(jié)構(gòu)分解成簡(jiǎn)單的幾何形式，例如：箱，缸等。Yan 和 Chen [21], [1]把這種方法擴(kuò)展到了加工中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。Ouyang等人[12]把Ito的這種方法應(yīng)用到了組合機(jī)床系統(tǒng)中，形成了一種機(jī)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(wù)。Chen [2]找到了一個(gè)最佳的配置結(jié)構(gòu)用于處理問題的特定任務(wù)，他的步驟是根據(jù)組裝的關(guān)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(gòu)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(jì)劃。 在我們的運(yùn)作中，運(yùn)動(dòng)圖和布局結(jié)構(gòu)（即螺旋理論，圖論等）是用來捕獲可重構(gòu)機(jī)床特點(diǎn)的傳統(tǒng)方法。這些數(shù)學(xué)方案常用于綜合布局，功能分解，和繪圖程序；具體細(xì)節(jié)可以在[9]找到。 2、任務(wù)說明 明確一臺(tái)可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)的任務(wù)，需要分析刀具位置數(shù)據(jù)，以確定完成所期望的運(yùn)動(dòng)所必需的一系列功能。分為三個(gè)步驟：首先，用產(chǎn)生的曲線圖來抽象的表示運(yùn)動(dòng)，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(jī)械模塊上。 機(jī)床的結(jié)構(gòu)圖對(duì)系統(tǒng)的備用配置進(jìn)行列舉，提供了圖表的識(shí)別方法。圖表表示法也被用于分配機(jī)械模塊到圖元素。一個(gè)圖表是由一組頂點(diǎn)連接在一起的邊緣。當(dāng)使用圖作為機(jī)床結(jié)構(gòu)的抽象表示時(shí),我們定義兩個(gè)不同類型的頂點(diǎn):0型和1型。一個(gè)頂點(diǎn)表示有兩個(gè)端口的物理對(duì)象，每個(gè)端口代表在對(duì)象上的位置，可以連接到鄰近的對(duì)象。一0型頂點(diǎn)的輸入和輸出端口是互不干擾的,而1型頂點(diǎn)的輸入和輸出端口是互相正交的。加工任務(wù)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(gè)0型任務(wù)圖。四個(gè)1型頂點(diǎn)與幾個(gè)0型頂點(diǎn)相結(jié)合以三維形式創(chuàng)建了一個(gè)機(jī)床結(jié)構(gòu)。因?yàn)?型頂點(diǎn)不改變方向，它們可以在各種組合中被用來作為墊片。原點(diǎn)表示機(jī)床的基準(zhǔn)。原點(diǎn)的選擇不是唯一的，不同的選擇將導(dǎo)致不同的機(jī)床設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)功能被分配到圖的頂點(diǎn);運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)可分配給圖形的邊緣，表示了邊緣的兩個(gè)頂點(diǎn)所代表的有形物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 圖4、一個(gè)圖代表一種機(jī)床結(jié)構(gòu)。 平移運(yùn)動(dòng) (TX; TY ; TZ)被分配到圖的邊緣。頂點(diǎn)有結(jié)構(gòu)的功能。 機(jī)床的基本功能是通過工具和工件間的物理運(yùn)動(dòng)來描述的。這些運(yùn)動(dòng)功能可由類似變化的模塊 [11]來表示 ，我們期望的機(jī)床功能將被編碼到模塊T上，然后根據(jù)操作順序進(jìn)行必要的加工運(yùn)動(dòng)來完成加工任務(wù)。在圖2中，該工藝文件包含了工具在笛卡爾坐標(biāo)系中的位置和運(yùn)動(dòng)。例如，第一運(yùn)動(dòng)可被分解為： P1處可表示工具在該處的位置和運(yùn)動(dòng)方向，用于定位，而F1處則表示進(jìn)給運(yùn)動(dòng)?？梢缘贸?，任何兩個(gè)相鄰的位置的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換可以可以被分解為： 其他的運(yùn)動(dòng)描述可以類似表示。 對(duì)于各種類型的加工操作，模板常被作為一個(gè)起點(diǎn)，用來確定進(jìn)行加工任務(wù)所需要的不同運(yùn)動(dòng)功能。例如，模板銑削和鉆井作業(yè)表明運(yùn)動(dòng)功能所必需的主軸旋轉(zhuǎn)，工具進(jìn)給和工具定位。通過使用此模板，我們可以把精確的進(jìn)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(yùn)動(dòng)參數(shù)，如工具旋轉(zhuǎn)， X軸方向的直線運(yùn)動(dòng),Y，Z軸方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以及Z軸方向的工具定位運(yùn)動(dòng)如圖5所示。 圖5、功能分解模板 在運(yùn)動(dòng)分解階段每一個(gè)被確定的運(yùn)動(dòng)函數(shù)都會(huì)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(yùn)動(dòng)是交替出現(xiàn)的，所以他們?cè)趫D形中的順序也是交替變化的。在函數(shù)的繪制中，螺旋運(yùn)動(dòng)（包括純轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)）和機(jī)床結(jié)構(gòu)的布局是最重要的信息。 3、模塊選擇 我們可以根據(jù)任務(wù)明確階段繪制到圖表中的運(yùn)行情況在模塊庫中選擇商品模塊，模塊庫中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包含代表其運(yùn)動(dòng)或結(jié)構(gòu)功能的同質(zhì)變換矩陣，各種運(yùn)動(dòng)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(dòng)模塊）。 模塊選擇的第一步是比較模塊間的相似變換矩陣，進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇以滿足任務(wù)的要求，該產(chǎn)品的所有模塊矩陣應(yīng)等于預(yù)期的任務(wù)矩陣：T= T1T2...Tn。再次，對(duì)于某一特定模塊的結(jié)構(gòu)配置我們會(huì)有許多可能的選擇。圖6顯示了不同的滑塊，軸和一些結(jié)構(gòu)要素，可以根據(jù)圖4進(jìn)行組裝。 一個(gè)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(gè)方向上做直線運(yùn)動(dòng)，通過變量μ1表明次運(yùn)動(dòng)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(chǔ)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(yùn)動(dòng)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(kuò)大。 圖6、如圖4所示結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為是不同模塊的選擇 圖7、機(jī)械模塊的典型示例。左邊為一組合機(jī)床的CAD模型，其右邊為變換矩陣。 表格1 這臺(tái)機(jī)器模塊的數(shù)據(jù)庫信息和文件如圖7 4、評(píng)價(jià) 一旦一套有效運(yùn)行的模塊被選中,由此產(chǎn)生的機(jī)械設(shè)計(jì)就必須進(jìn)行評(píng)估。可重構(gòu)機(jī)床的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)剛度。 機(jī)床的自由度數(shù)必須保持符合最低要求，以降低驅(qū)動(dòng)功率，盡量減少錯(cuò)誤鏈。每個(gè)活動(dòng)實(shí)例表明，由該方法生成的具有精確的自由度數(shù)的設(shè)計(jì)必須執(zhí)行在給定部分所需的加工操作[10]。機(jī)床設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)就必須進(jìn)行預(yù)期的準(zhǔn)確性的評(píng)估。整個(gè)機(jī)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(jì)。 (a)V6機(jī)床 (b)V8機(jī)床 圖8、可重構(gòu)機(jī)床的兩個(gè)不同設(shè)計(jì) 三、控制設(shè)計(jì) 由于機(jī)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(yùn)作。在這項(xiàng)工作中，我們把重點(diǎn)放在邏輯控制的順序安排和機(jī)械模塊的協(xié)調(diào)性上；有些機(jī)床具有獨(dú)立的系統(tǒng)形式[6] ，它可以控制著每一個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，這就是我們提及到的機(jī)械控制模塊。在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，我們常把從動(dòng)件與主動(dòng)件連接在一起。而在控制設(shè)計(jì)方面，還必須用“膠水”模塊把機(jī)械控制模塊連接起來?？芍貥?gòu)的總體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示：與圖8的兩個(gè)機(jī)器結(jié)構(gòu)類似，但它沒有Y軸向的控制模塊。如圖所示，機(jī)械控制模塊處于最低層，直接作用于機(jī)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(gè)模塊處理模式切換邏輯。在本節(jié)中，我們簡(jiǎn)要地描述這些類型的每一個(gè)控制模塊以及它們的互動(dòng)與協(xié)調(diào)。 圖9、該模塊化控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 1、 機(jī)床控制模塊 每臺(tái)機(jī)床控制模塊有一個(gè)明確的界面規(guī)格:它接收來自一給定設(shè)置的離散信號(hào),并將結(jié)果反饋到給定設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的PID算法來設(shè)計(jì)，來自機(jī)模塊定義的軸參數(shù)有慣量，功率，絲桿節(jié)距等。此外，每臺(tái)機(jī)床控制模塊將包含與機(jī)械模塊相關(guān)的任何機(jī)器服務(wù)的控制，如潤(rùn)滑或冷卻劑。因此,每臺(tái)機(jī)床控制模塊是一個(gè)獨(dú)立的控制器，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以單獨(dú)地測(cè)試機(jī)器的其余部分。 設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械控制模塊必須做到只用一個(gè)庫存的機(jī)械模塊。每當(dāng)機(jī)械模塊用在機(jī)械設(shè)計(jì)中，控制模塊可用于相關(guān)的控制設(shè)計(jì)?？刂颇K有自己的處理能力，可以單獨(dú)使用, I/O和網(wǎng)絡(luò)連接到該控制系統(tǒng)的其余部分，也可用作一個(gè)在集中樣式中實(shí)施的一體機(jī)控制器，。 如圖10所示是一個(gè)機(jī)械控制模塊例子的幻燈片。模塊可以接受四個(gè)命令：移動(dòng)到x位置，停止，緩慢移動(dòng)到x的正方向，緩慢移動(dòng)到x負(fù)方向。當(dāng)它已經(jīng)完成了預(yù)期的操作,它返回到“已做”的響應(yīng)。一個(gè)看門狗定時(shí)器被包含(但未顯示), 如果預(yù)先設(shè)定的時(shí)間已過而已完成的響應(yīng)沒有發(fā)出，就會(huì)返回一個(gè)“錯(cuò)誤”的響應(yīng)。 2、操作程序 模塊的操作順序是指從高級(jí)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(jié)構(gòu)是一個(gè)必須操作的部分的序列，需要等待每個(gè)步驟的完成。圖11給出了圖8（b）機(jī)器的操作順序模塊和圖3的操作數(shù)序。在設(shè)計(jì)中，僅是將錯(cuò)誤傳遞到用戶界面的簡(jiǎn)單錯(cuò)誤處理被合并，但為了簡(jiǎn)單起見在圖中沒有顯示出來。如果接受到一個(gè)“重置”命令，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，滑動(dòng)到初始位置。V6機(jī)床的操作順序是類似的，但是有跟多的操作，因?yàn)橛袃蓚€(gè)被列序的線性軸。如圖9的總體結(jié)構(gòu), 操作程序控制模塊有兩個(gè)端口：一個(gè)連接到自動(dòng)模式控制模塊，另一個(gè)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(dòng)控制器?；瑒?dòng)控制器包括（在箱體內(nèi)）伺服控制器。 當(dāng)滑動(dòng)到指定位置并在允許公差范圍內(nèi)，一“已做”的響應(yīng)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(shí)候收到重置指令，為了簡(jiǎn)單起見顯示只部分事件痕跡。錯(cuò)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(jí)的模塊共享事件是粗體。 3、 模塊化控制結(jié)構(gòu) 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(guān)閉，控制模式之間的切換，單補(bǔ)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(jī)器的現(xiàn)狀。 機(jī)床控制器有幾種不同的模式。在自動(dòng)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(gè)按鈕命令必須用于啟動(dòng)操作程序的每一步，在手動(dòng)模式下，通過同時(shí)移動(dòng)有源元件一部分的手動(dòng)進(jìn)給命令，，更好的控制命令是可行的。不是重復(fù)每個(gè)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(dāng)?shù)臅r(shí)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(dòng)模式模塊給適當(dāng)?shù)臋C(jī)器控制模塊。它可以使用機(jī)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(jī)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(jī)控制模塊，沖突檢查的設(shè)計(jì)可以通過高層次的控制指令來做。物理I/ O的詳細(xì)信息由機(jī)器控制模塊來處理。 如上所述,每個(gè)控制模塊是由通過一個(gè)接收某一語言對(duì)的有限狀態(tài)機(jī)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(jié)構(gòu)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(shí)際的，不需要驗(yàn)證。 四、可重構(gòu)性能 已有機(jī)械模塊可用于多種不同機(jī)器設(shè)計(jì)，與每個(gè)機(jī)械模塊相關(guān)的控制模塊合并到整個(gè)機(jī)床的控制設(shè)計(jì)中。本機(jī)庫和控制模塊既可以通過縮短了設(shè)計(jì)周期顯著地減少新的加工體系的前置時(shí)間，提升時(shí)間產(chǎn)能，因?yàn)樵谒鼈冞B接之前每個(gè)模塊可單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試。 對(duì)于某些部分的變化（如圖1所示的V6和V8發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋之間），機(jī)床將需要重新配置，可通過增加一個(gè)軸或改變主軸。當(dāng)這種類型的重組發(fā)生時(shí)，操作程序控制模塊和沖突檢查（如新機(jī)械干擾的產(chǎn)生）需要作出改變。 因?yàn)樗鼈儞碛幸粋€(gè)定義完善的界面,因此每個(gè)單獨(dú)的控制模塊可以獨(dú)立地改變。只要重新設(shè)計(jì)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(gè)摩擦補(bǔ)償控制算法可以被加到一個(gè)滑控制模塊。這樣做會(huì)提高該模塊的性能,但唯一的改變必須在最低級(jí)的模塊中。 五、結(jié)論和未來的工作 從歷史上看，機(jī)床設(shè)計(jì)已具有一定的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。在這項(xiàng)研究中，我們介紹了一種基于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的可重構(gòu)機(jī)床的相關(guān)性能評(píng)價(jià)以及其相關(guān)的控制設(shè)計(jì)。這項(xiàng)研究工作已被應(yīng)用到新一代機(jī)床配置和模塊化設(shè)計(jì)中去，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工序是以加工要求為出發(fā)點(diǎn)的。 方法指出，合成機(jī)床可以配有機(jī)械模塊的程序庫以便于數(shù)據(jù)的收集與存儲(chǔ)，自動(dòng)控制，并準(zhǔn)備把它用于任何機(jī)械設(shè)計(jì)。該方法還能夠確保將所有的可行運(yùn)動(dòng)和一些差異明顯的構(gòu)造進(jìn)行系統(tǒng)的列舉，以減少錯(cuò)失一個(gè)良好設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。 我們已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)基于Java機(jī)械設(shè)計(jì)加工的自動(dòng)化程序，目前，我們正準(zhǔn)備把控制設(shè)計(jì)程序并入到現(xiàn)有的框架內(nèi)。我們也擴(kuò)大了現(xiàn)有的設(shè)備和控制模塊庫，連續(xù)變量控制的獨(dú)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(xué)生Eric Endsley, Morrison Lucas, and Yong-Mo Moon為這篇文章的寫作提供了幫助。 參考文獻(xiàn) [1] F.-C. 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Mechanism and Machine Theory, 33(1-2):197-212, 1998. 在安裝有三菱PLC編程調(diào)試軟件GX Developer"的計(jì)算機(jī)內(nèi)追加安裝GX Simulator后，就能夠在1臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PLC離線狀態(tài)下的順控程序調(diào)試工作。GX Simulator仿真軟件可對(duì)三菱A系列、FX系列、Q系列PLC的用戶程序進(jìn)行離線仿真與調(diào)試，能夠更有效地完成順控程序調(diào)試工作，從而縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期，降低費(fèi)用。GX Simulator軟件具有如下PLC仿真功能： ①監(jiān)視、測(cè)試PLC內(nèi)部軟元件、內(nèi)存功能。利用GX Simulator可在PLC離線的狀態(tài)下成批量監(jiān)視軟元件的狀態(tài)，并可強(qiáng)制開、閉位軟元件和改變字軟元件的當(dāng)前值進(jìn)行軟元件測(cè)試。 ②能夠模擬外部機(jī)器運(yùn)行I／O系統(tǒng)設(shè)定功能。GX Simulator可在I／O系統(tǒng)設(shè)定中通過使用位軟元件的ON／OFF條件和字軟元件的值的組合對(duì)話界面的設(shè)定，就能夠模擬來自外部的輸入。 ③能夠進(jìn)行軟元件緩沖存儲(chǔ)器的保存讀取的工具功能。 ④模擬和外部機(jī)器通信串行通信功能。GX Simulator可以通過該功能來模擬外部機(jī)器的串行通 信模塊，進(jìn)行可編程控制器與外部機(jī)器的串行通信模塊之間傳輸通訊格式是否正確的驗(yàn)證工作。 ⑤能夠進(jìn)行軟元件，緩沖存儲(chǔ)器的保存讀取。通過該功能可以保存PLC內(nèi)的軟元件、存儲(chǔ)器、特殊功能模塊的緩沖存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，并可以將其用于以后調(diào)試工作中。 一、仿真軟件的功能是將程序在虛擬的PLC中啟動(dòng)運(yùn)行,如果沒有編好的程序,如何進(jìn)行仿真?所以,在安裝仿真軟件GX-Simulator之前,必須先安裝編程軟件GX-Developer,并且版本要互相兼容。 二、安裝好編程軟件和仿真軟件后,在桌面或者開始菜單中并沒有仿真軟件的圖標(biāo)。因?yàn)榉抡孳浖患傻骄幊誊浖礼X-Developer中了，其實(shí)這個(gè)仿真軟件相當(dāng)于編程軟件的一個(gè)插件。 三、接下來我們做一個(gè)實(shí)例： （1）啟動(dòng)編程軟件GX-Developer，創(chuàng)建一個(gè)新工程。 （2）編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的梯形圖。 （3）可以通過菜單欄啟動(dòng)仿真。 （4）也可以通過快捷圖標(biāo)啟動(dòng)仿真。 （5）上面兩種方式都可以啟動(dòng)仿真，這個(gè)小窗口就是仿真窗口，顯示運(yùn)行狀態(tài)，如果出錯(cuò)會(huì)有說明。 （6）啟動(dòng)仿真后程序開始模擬PLC寫入過程。 （7）這時(shí)程序已經(jīng)開始運(yùn)行。 （8）并且可以通過軟件元件測(cè)試來強(qiáng)制一些輸入條件ON。 四、對(duì)機(jī)體加工專用機(jī)床主軸，滑臺(tái)，夾具的調(diào)整和整機(jī)循環(huán)動(dòng)作進(jìn)行順序控制的PLC程序仿真測(cè)試如下： 1.運(yùn)行三菱PLC編程軟件GX-Developer，打開PLC程序； 2.在菜單欄工具中啟動(dòng)仿真； 3.啟動(dòng)仿真后程序開始模擬PLC寫入過程； 4．這時(shí)程序已經(jīng)開始運(yùn)行，這個(gè)小窗口就是仿真窗口，顯示運(yùn)行狀態(tài)，如果出錯(cuò)會(huì)有說明； 使用GX Simulator進(jìn)行仿真測(cè)試，其作順序如下： ① 按圖啟動(dòng)軟元件內(nèi)存監(jiān)視功能； ②按圖從軟元件存儲(chǔ)器監(jiān)視畫面的[軟元件存儲(chǔ)器]一[位軟元件窗口]或者[字軟元件窗口]中添加要進(jìn)行監(jiān)視／測(cè)試的軟元件。 ③在[軟元件窗口]中通過雙擊要測(cè)試的元件X000～X063改變其ON／OFF的狀態(tài)，如第1次雙擊X000導(dǎo)通，第2次雙擊將X000關(guān)閉。另外可以啟動(dòng)時(shí)序圖功能，通過[軟元件登陸]功能來監(jiān)測(cè)若干輸出的時(shí)序，其仿真監(jiān)視結(jié)果如圖所示。通過圖例的監(jiān)視結(jié)果，可以分析控制程序是否符合設(shè)計(jì)要求，而在這過程中無需PLC硬件，若測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)要求不合，只需返回GX Developer環(huán)境中對(duì)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行修改，然后再進(jìn)行仿真測(cè)試，直到符合設(shè)計(jì)要求為止。 ④通過選擇GX Devekoper菜單的[工具]一[梯形邏輯圖測(cè)試終了]結(jié)束仿真調(diào)試。 5．通過以上仿真對(duì)所設(shè)計(jì)的PLC程序進(jìn)行仿真測(cè)試過程，仿真窗口無錯(cuò)誤提示，達(dá)到指定的目的，說明仿真結(jié)果狀態(tài)正常。 8 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 附 件 三 PLC仿真報(bào)告 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 完成日期 2011年6月6日 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 課題： 兩端面鉸孔機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 專 業(yè) 系 主 任 發(fā) 放 日 期 2011年 2 月 20 日 一、設(shè)計(jì)內(nèi)容 根據(jù)零件加工要求，設(shè)計(jì)一臺(tái)兩端面鉸孔機(jī)床，具體進(jìn)行兩端面鉸孔機(jī)床總體設(shè) 計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容有： 1.確定機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案； 2.根據(jù)機(jī)床的總體電氣控制要求，繪制機(jī)床總體電氣分布圖； 3.按照儀表面板要求，進(jìn)行操縱臺(tái)面板的設(shè)計(jì)； 4.進(jìn)行主電路設(shè)計(jì)，繪制控制系統(tǒng)的電路圖； 5.選定PLC的型號(hào)，分配輸入/輸出點(diǎn)，繪制輸入/輸出端子接線圖； 6. 進(jìn)行PLC編程，編制機(jī)床主軸、滑臺(tái)、夾具的調(diào)整和整機(jī)循環(huán)的動(dòng)作程序。 二、設(shè)計(jì)依據(jù) 1．課題來源：江蘇高精機(jī)電設(shè)備裝備公司； 2．被加工零件：兩端面鉸孔零件（附零件圖）； 3．工件材料：HT250； 4．加工內(nèi)容：兩端面鉸4個(gè)孔（φ12）； 5. 生產(chǎn)綱領(lǐng)：大批大量； 6．批量：本機(jī)床設(shè)計(jì)、制造一臺(tái)； 7．控制對(duì)象：機(jī)床的動(dòng)力頭、兩個(gè)進(jìn)給滑臺(tái)； 8．伺服機(jī)構(gòu)：交流伺服系統(tǒng)； 9．控制方式：采用日本三菱PLC控制器。 三、設(shè)計(jì)要求 1．機(jī)床整體布局要合理、美觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，便于維修； 2．機(jī)床應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，控制動(dòng)作要準(zhǔn)確、可靠； 3．機(jī)床各動(dòng)力部件用電氣控制； 4．用PLC對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)快進(jìn)、工進(jìn)、快退等一系列動(dòng)作； 5．設(shè)計(jì)圖樣總量：折合成A0幅面在2張以上；工具要求：應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件繪圖；過 程要求：裝配圖需提供手工草圖； 6．畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書按學(xué)校規(guī)定的格式規(guī)范統(tǒng)一編排、打印，字?jǐn)?shù)不少于1萬字； 7．查閱文獻(xiàn)資料10篇以上，并有不少于3000漢字的外文資料翻譯； 8．到相關(guān)單位進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)，撰寫不少于3000字實(shí)習(xí)報(bào)告； 9．撰寫開題報(bào)告。 四、畢業(yè)設(shè)計(jì)物化成果的具體內(nèi)容及要求 1、畢業(yè)成果要求： 1）畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 份 2）繪制機(jī)床電氣總體分布圖 1 張 3）繪制操縱臺(tái)面板圖 1 張 4）繪制機(jī)床電路圖 2 張 5）繪制PLC輸入/輸出接線圖 1 張 2、控制程序： 程序清單、程序設(shè)計(jì)說明書和PLC仿真測(cè)試報(bào)告。 3、外文資料翻譯（英譯中）要求： 1）外文翻譯材料中文字不少于3000字； 2）內(nèi)容必須與畢業(yè)設(shè)計(jì)課題相關(guān)； 3）所選外文資料應(yīng)是近10年的文章，并標(biāo)明文章出處。 五、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度計(jì)劃 起訖日期 工作內(nèi)容 備 注 2月20日～2月21日 布置任務(wù) 2月21日～3月19日 調(diào)查研究，畢業(yè)實(shí)習(xí)，方案論證，總體設(shè)計(jì) 3月20日～4月7日 技術(shù)設(shè)計(jì)（部件設(shè)計(jì)） 4月7日～5月7日 工作設(shè)計(jì)（零件設(shè)計(jì)） 5月8日～5月25日 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5月26日～5月27日 畢業(yè)設(shè)計(jì)預(yù)答辯 5月28日～6月6日 修改資料 6月7日～6月8日 評(píng)閱材料 6月9日～6月10日 畢業(yè)答辯 6月11日～6月15日 材料整理裝袋 六、 主要參考文獻(xiàn)： 1．陳旭東主編. 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M]. 北京市：清華大學(xué)出版社, 2010. 2．段有艷著. 圖解PLC機(jī)電控制技術(shù)[M]. 北京市：中國電力出版社, 2010. 3．王兆明編著. 電氣控制與PLC技術(shù)[M]. 北京市：清華大學(xué)出版社, 2010. 4．李名望編著. 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)實(shí)例教程[M]. 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畢業(yè)實(shí)習(xí)是我們機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)中不可缺少的組成分，也是畢業(yè)設(shè)計(jì)不可或缺的重要環(huán)節(jié)，其目的在于通過實(shí)習(xí)使我們獲得基本生產(chǎn)的感性知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，擴(kuò)大知識(shí)面，提高動(dòng)手操作能力，同時(shí)畢業(yè)實(shí)習(xí)又是鍛煉我們業(yè)務(wù)能力和素質(zhì)提高的重要渠道，培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生吃苦耐勞的精神。通過畢業(yè)實(shí)習(xí)，我們可以更好更直接的了解產(chǎn)業(yè)狀況，了解本專業(yè)的發(fā)展前景，了解國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)，以及對(duì)公司的運(yùn)作、管理、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售等各個(gè)方面都有了深刻的認(rèn)識(shí)，有效地快速地提高了我們將來工作的能力。通過這次畢業(yè)實(shí)習(xí)，進(jìn)一步鞏固和深化所學(xué)的理論知識(shí)，彌補(bǔ)以前單一理論教學(xué)的不足,為學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。 二、實(shí)習(xí)過程 實(shí)習(xí)期間，我們到江蘇長(zhǎng)虹集團(tuán)和江動(dòng)集團(tuán)參加畢業(yè)實(shí)習(xí)的工作。江蘇長(zhǎng)虹集團(tuán)是從事汽車焊裝、涂裝和總裝生產(chǎn)線的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造的專業(yè)化公司。江動(dòng)集團(tuán)主要生產(chǎn)單缸機(jī)、多缸機(jī)、汽油機(jī)、拖拉機(jī)以及發(fā)電機(jī)組。由于我的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是兩端面鉸孔機(jī)床總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì)，所以我的畢業(yè)實(shí)習(xí)主要在江動(dòng)集團(tuán)進(jìn)行。在江動(dòng)集團(tuán)參加畢業(yè)實(shí)習(xí)過程中，我主要了解了一些加工機(jī)體的組合機(jī)床。用于加工機(jī)體的組合機(jī)床有很多，主要是對(duì)機(jī)體的粗鏜、半精鏜、精鏜等，以及對(duì)汽缸蓋等部位進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸等加工，不同型號(hào)的機(jī)體加工應(yīng)該使用不同的夾具。 三、實(shí)習(xí)內(nèi)容 江蘇江淮動(dòng)力股份有限公司是高科技民營(yíng)企業(yè)—重慶東銀集團(tuán)旗下專業(yè)生產(chǎn)中、小功率發(fā)動(dòng)機(jī)的大型企業(yè)，位居中國企業(yè)500強(qiáng)、中國農(nóng)機(jī)行業(yè)上市公司之列。 公司創(chuàng)建于1945年，1959年開始生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)有員工6000人。公司擁有自主版權(quán)和江動(dòng)特色的節(jié)能單缸機(jī)、輕型多缸機(jī)、通用汽油機(jī)、小馬力單缸機(jī)和拖拉機(jī)、發(fā)電機(jī)組（柴、汽油）等六大系列400多個(gè)品種的優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品覆蓋全國30個(gè)省、市和自治區(qū)，同時(shí)遠(yuǎn)銷歐美亞非等40多個(gè)國家和地區(qū)。2008年，公司產(chǎn)銷各類發(fā)動(dòng)機(jī)及終端產(chǎn)品120萬臺(tái)，實(shí)現(xiàn)出口創(chuàng)匯1.28億美元，連續(xù)十一年雄居全國同行第一。江動(dòng) “JD”商標(biāo)系“中國馳名商標(biāo)”，“江動(dòng)”牌發(fā)動(dòng)機(jī)被評(píng)為“中國名牌產(chǎn)品”。 江蘇江淮動(dòng)力股份有限公司專門成立了省級(jí)技術(shù)中心和企業(yè)博士后流動(dòng)站，現(xiàn)有在站博士一名以及四名教授級(jí)高工，產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)豐富；另投資了四千萬元建成了通過國家CNAL認(rèn)證的試驗(yàn)中心，擁有AVL、尖科、上海內(nèi)燃機(jī)研究所、德國ABB等公司高端測(cè)試設(shè)備，為研究最新技術(shù)提供了保障。 該企業(yè)對(duì)人才資源的管理有著一套獨(dú)特的方案： 1.構(gòu)建公司人才工程，加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)： 實(shí)施職位分析，建立素質(zhì)模型，規(guī)范職位管理；建立“225人才工程”。建立精英人才20人，中堅(jiān)人才隊(duì)伍200人，技術(shù)、管理、業(yè)務(wù)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)等基層骨干500人的人才工程；實(shí)施“322人才梯隊(duì)計(jì)劃”。1個(gè)總經(jīng)理崗位后備梯隊(duì)3人，1個(gè)副總經(jīng)理崗位梯隊(duì)后備2人，1個(gè)部門經(jīng)理崗位后備梯隊(duì)2人；實(shí)施職業(yè)生涯規(guī)范，建立人才培養(yǎng)通道；多渠道、多形式拓展員工培訓(xùn)。 2.拓寬渠道，吸引優(yōu)秀人才： 與高校合作，吸收應(yīng)屆畢業(yè)生；建立內(nèi)部人才網(wǎng)絡(luò)，吸引管理、技術(shù)、營(yíng)銷人才；借用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，廣羅社會(huì)人才；利用獵頭渠道，選拔優(yōu)秀人才。 3.采用集團(tuán)化人力資源管理模式，建立兩級(jí)人力資源管理體系： 在股份公司層面上構(gòu)建人力資源管理平臺(tái)，為事業(yè)部、子公司提供人力資源技術(shù)支持、指導(dǎo)和服務(wù)，并實(shí)施監(jiān)督；統(tǒng)一人力資源管理政策、制度，子公司結(jié)合本事業(yè)部建立細(xì)則；規(guī)范人事管理權(quán)限，規(guī)范兩級(jí)管理運(yùn)作；建立與上級(jí)有關(guān)政府部門良好的聯(lián)系，共同協(xié)調(diào)解決外部事件。 4.導(dǎo)入現(xiàn)代人力資源管理技術(shù)，提升人力資源管理能力： 運(yùn)用工作分析技術(shù)，建立職位體系，為招聘、人力資源配置、培訓(xùn)、薪酬、績(jī)效奠定基礎(chǔ)；應(yīng)用人力測(cè)評(píng)體系，提高選人的信度和效度；建立市場(chǎng)領(lǐng)先、體現(xiàn)公平、一致的戰(zhàn)略薪酬體系；運(yùn)用平衡計(jì)分卡，建立有效的戰(zhàn)略績(jī)效管理體系。 實(shí)習(xí)過程中，我們了解到組合機(jī)床在加工機(jī)體部分時(shí)，為保證加工精度，使用多軸對(duì)機(jī)體上一個(gè)面的多個(gè)孔進(jìn)行同時(shí)加工，減少了工件間的搬運(yùn)，節(jié)約時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。組合機(jī)床對(duì)多孔鉆削加工具有較大的優(yōu)勢(shì)，它按孔的坐標(biāo)分布位置實(shí)行一次加工，保證了孔的坐標(biāo)位置尺寸精度，而原有機(jī)床采用多工序加工，加工效率低，加工尺寸不容易保證，而且位置精度也不高。改進(jìn)后，采用一次裝夾，同時(shí)對(duì)進(jìn)氣和排氣孔進(jìn)行鏜加工，提高了加工效率。其次，夾具采用一面兩銷定位，保證了導(dǎo)管孔及氣門閥座孔對(duì)定位銷孔的位置精度。夾緊方式采用液壓夾緊，改變了原來的手動(dòng)夾緊，提高了工作的效率，和對(duì)相應(yīng)部分進(jìn)行了計(jì)算、分析、校核。組合機(jī)床提高了生產(chǎn)效率，又能滿足工件的加工精度，并且減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，較好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求。 四、分析 組合機(jī)床一般采用多軸、多刀、多序、多面或多工位同時(shí)加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。由于通用部件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設(shè)計(jì)和制造周期。因此，組合機(jī)床兼有低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)，在大批、大量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并可用以組成自動(dòng)生產(chǎn)線。 組合機(jī)床一般用于加工箱體類或特殊形狀的零件。加工時(shí)，工件一般不旋轉(zhuǎn)，由刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和刀具與工件的相對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)鉆孔、擴(kuò)孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、銑削平面、切削內(nèi)外螺紋以及加工外圓和端面等。有的組合機(jī)床采用車削頭夾持工件使之旋轉(zhuǎn)，由刀具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)某些回轉(zhuǎn)體類零件(如飛輪、汽車后橋半軸等)的外圓和端面加工。 五、實(shí)習(xí)感想 大學(xué)畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告是學(xué)生完成大學(xué)四年全部課程后的最重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。為了這次畢業(yè)實(shí)習(xí)，做準(zhǔn)備、搜集素材，了解有關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)和注意事項(xiàng)。通過這次實(shí)習(xí)過程我知道了，理論與實(shí)踐的差距，實(shí)際操作會(huì)使得主觀理論想法不完美，因?yàn)閷?shí)踐中有很多外在因素的干擾，由此我得到了一個(gè)新的想法，就是理論知識(shí)有時(shí)是用來給我們把握大方向的，而實(shí)際做的時(shí)候，會(huì)讓我們注重一些小的細(xì)節(jié)，很多時(shí)候只有動(dòng)手才會(huì)知道怎么去做，理論與實(shí)踐要相結(jié)合，這對(duì)我畢業(yè)后的工作是個(gè)不小的幫助。 3