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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 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)制造及其自動化 學(xué)生姓名 班 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 完成日期 2011年6月6日 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題申報表 指導(dǎo)教師 職稱 副教授 所在專業(yè)（系） 機(jī)械電子 課 題 名 稱 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) 課?? 題?? 來?? 源 課?? 題?? 性 質(zhì) 題目類別 科研 課題 生產(chǎn) 實(shí)際 課程或?qū)嶒?yàn)室建設(shè) 其它 技術(shù) 研究 工程 設(shè)計(jì) 軟件 開發(fā) 理論 研究 其它 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 畢業(yè) 論文 √ √ √ 適用專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 選題理由 1、本課題來源于生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)內(nèi)容符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。主要任務(wù)是進(jìn)行兩端面鉸孔機(jī)床的總體設(shè)計(jì)及電氣控制部分設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：總體設(shè)計(jì)方案、硬件應(yīng)用和軟件編程，通過設(shè)計(jì)能夠培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用PLC對伺服電機(jī)進(jìn)行控制編程的能力，使學(xué)生能夠得到機(jī)、電、計(jì)算機(jī)方面知識的綜合訓(xùn)練。 2、本課題工作量適中，繪圖的工作量適中，編程工作量較大。難易程度適中，重點(diǎn)和難點(diǎn)突出，重點(diǎn)在總體方案設(shè)計(jì)、硬件的應(yīng)用上和主電路設(shè)計(jì)，難點(diǎn)是系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 3、本課題機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)資料已具備，有關(guān)軟硬件應(yīng)該的資料較多，學(xué)生能夠查閱有關(guān)資料完成該課題。 主要內(nèi)容 根據(jù)零件加工的要求，設(shè)計(jì)一臺兩端面鉸孔機(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)床電氣總體分布圖； 3.按照儀表面板要求，繪制操作臺面板設(shè)計(jì)圖； 4.進(jìn)行主電路設(shè)計(jì)，繪制電路圖； 5.選定PLC型號，繪制PLC輸入/輸出端子接線圖； 6.編寫機(jī)床動作PLC程序。 成果要求 □開題報告：??? 2千????字以上 □說 明 書：????1萬????字 □圖??? 紙：??? 0?號?2 張以上 □譯??? 文：????3千漢字以上 □論??? 文：????????????? 字 □其??? 它： 專業(yè)系審查意見： 專業(yè)系主任（簽名）： 學(xué)院審批意見： 院 長（簽名）： 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 附 件 一 程序清單 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué)生姓名 班 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 完成日期 2011年6月6日 一、機(jī)床的操作順序流程說明。 合上空氣開關(guān)-QF，按“電源”按鈕，電源接通，電源指示燈亮，將“液壓站 開/?！毙o開關(guān)-SA2打至“開”，可以進(jìn)行機(jī)床動力頭、滑臺、夾具的調(diào)整和整機(jī)循環(huán)。 1．機(jī)床調(diào)整 將“循環(huán)/調(diào)整”旋鈕-SA1打至“調(diào)整”。 a. 按“左軸轉(zhuǎn)動”按鈕-SB1，可實(shí)現(xiàn)左主軸的點(diǎn)動。 b. 按“右軸轉(zhuǎn)動”按鈕-SB2，可實(shí)現(xiàn)右主軸的點(diǎn)動。 c. 按“左滑臺快進(jìn)”按鈕-SB3、“左滑臺工進(jìn)”按鈕-SB4，“左滑臺快退”按鈕-SB5，分別可實(shí)現(xiàn)左滑臺的點(diǎn)動快進(jìn)、工進(jìn)、快退。 d. 按“右滑臺快進(jìn)”按鈕-SB6、“右滑臺工進(jìn)”按鈕-SB7、“右滑臺快退”按鈕-SB8，分別可實(shí)現(xiàn)右滑臺的點(diǎn)動快進(jìn)、工進(jìn)、快退。 e. 按“夾緊”按鈕-SB9、“松開”按鈕-SB10，分別可實(shí)現(xiàn)夾具的點(diǎn)動夾緊、松開。 f. 按“托盤抬起”按鈕-SB11、“托盤”落下按鈕-SB12，分別可實(shí)現(xiàn)托盤的點(diǎn)動抬起、落下。 2．機(jī)床循環(huán) 將“循環(huán)調(diào)整”按鈕開關(guān)-SA1打至“循環(huán)”。 a. 滑臺處于原位時（-SQ1、6被壓合），上料，按“循環(huán)啟動”按鈕-SB13，電磁閥-YV3得電，托盤落下。 b. 托盤落下到位后，壓力繼電器-SP3發(fā)訊，電磁閥-YV1得電，夾具夾緊。 c. 夾具夾緊后，壓力繼電器-SP1發(fā)訊，冷卻泵、沖屑泵同時啟動，左右滑臺快進(jìn)。 d. 滑臺壓合工進(jìn)行程開關(guān)-SQ2、-SQ7，滑臺轉(zhuǎn)為工進(jìn)。 e. 滑臺工進(jìn)結(jié)束，行程開關(guān)-SQ3、-SQ8及死擋鐵開關(guān)-SQ5、-SQ10同時發(fā)訊，左、右滑臺快退。 f. 左、右滑臺快退至原位后，主軸停，冷卻泵停，夾具夾緊松開 g. 夾具松開壓力繼電器-SP2發(fā)訊，沖屑泵停托盤抬起。 卸料，至此，完成一個工作循環(huán)。 3. 故障處理 加工過程中如出現(xiàn)意外情況，按“急?！卑粹o，可使機(jī)床失電。 機(jī)床總循環(huán)工作流程圖如圖1-1 二、PLC輸入\輸出設(shè)備的確定以及其輸入\輸出信號地址的分配。 根據(jù)以上對機(jī)床的操作順序流程進(jìn)行說明。PLC控制系統(tǒng)的輸入元件中包括工作方式選擇開關(guān)、循環(huán)啟動、急停、復(fù)位等按鈕和旋鈕（共22個），用于檢測各工位工作行程開關(guān)（4個），用于控制滑臺的行程開關(guān)（共10）個和壓力繼電器(SP1～SP3)（共3個）。輸入設(shè)備總計(jì)33個；輸出元件包括控制動力頭主軸電機(jī)、滑臺工進(jìn)和快速電機(jī)運(yùn)行的接觸器線圈、夾緊、松開等電磁換向閥線圈（共24個輸出線圈和指示燈）。 圖1-1 機(jī)床循環(huán)工作流程圖 該機(jī)床由PLC組成的電控系統(tǒng)共有各種輸入信號為33個，輸出信號為24個。系統(tǒng)的輸入/輸出信號地址分配分別如表1-1、1-2所示。 表1-1 輸入信號地址分配表 序號 地址 功 能 序號 地址 功 能 0 X0 調(diào)整 17 X21 循環(huán)停止 1 X1 液壓站開 18 X22 總電源 2 X2 冷卻泵開 19 X23 急停 3 X3 沖屑泵開 20 X27 左滑臺原位 4 X4 左軸轉(zhuǎn)動 21 X30 左滑臺工進(jìn) 5 X5 右軸轉(zhuǎn)動 22 X31 左滑臺工進(jìn)結(jié)束 6 X6 左滑臺快進(jìn) 23 X32 左滑臺后退極限 7 X7 左滑臺工進(jìn) 24 X33 左滑臺死擋鐵 8 X10 左滑臺快退 25 X36 右滑臺原位 9 X11 右滑臺快進(jìn) 26 X37 右滑臺工進(jìn) 10 X12 右滑臺工進(jìn) 27 X40 右滑臺工進(jìn)結(jié)束 11 X13 右滑臺快退 28 X41 右滑臺后退結(jié)束 12 X14 夾緊 29 X42 右滑臺死擋鐵 13 X15 松開 30 X45 夾緊到位壓力繼電器 14 X16 托盤抬起 31 X46 松開到位壓力繼電器 15 X17 托盤落下 32 X47 托盤落下壓力繼電器 16 X20 循環(huán)啟動 表1-2 輸出信號地址分配表 序號 地址 功 能 序號 地址 功 能 0 Y00 左滑臺原位 12 Y26 左滑臺快退 1 Y01 右滑臺原位 13 Y27 右滑臺工進(jìn) 2 Y02 左主軸正轉(zhuǎn) 14 Y30 右滑臺快進(jìn) 3 Y03 右主軸正轉(zhuǎn) 15 Y31 右滑臺快退 4 Y04 夾緊 16 Y32 液壓站電機(jī) 5 Y05 松開 17 Y33 冷卻泵電機(jī) 6 Y06 托盤落下 18 Y34 沖屑泵電機(jī) 7 Y07 電源 19 Y35 總電源 8 Y20 左主軸正轉(zhuǎn) 20 Y40 夾緊 9 Y21 右主軸正轉(zhuǎn) 21 Y41 松開 10 Y24 左滑臺工進(jìn) 22 Y42 托盤抬起 11 Y25 左滑臺快進(jìn) 23 Y43 托盤落下 內(nèi)部繼電器M在程序中的作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的中間繼電器，其功 能是在程序中用于中間狀態(tài)暫存、移位、輔助運(yùn)算或賦予特別用途。普通型繼電器在斷電或停止運(yùn)行時線圈將失電，機(jī)內(nèi)不記憶停電瞬間的狀態(tài)，再次得電時從失電狀態(tài)開始執(zhí)行程序。PLC系統(tǒng)內(nèi)部繼電器的地址分配如表1－3。 表1-3 內(nèi)部繼電器地址分配表 序號 內(nèi)部 繼電器 功 能 序號 內(nèi)部 繼電器 功 能 0 M0 循環(huán)啟動 9 M9 左滑臺工進(jìn) 1 M1 托盤落下 10 M10 右滑臺工進(jìn) 2 M2 夾緊 11 M11 左滑臺快退 3 M3 冷卻泵電機(jī) 12 M12 右滑臺快退 4 M4 沖屑電機(jī)泵 13 M13 左滑臺退至原位 5 M5 左主軸正轉(zhuǎn) 14 M14 右滑臺退至原位 6 M6 右主軸正轉(zhuǎn) 15 M15 托盤抬起 7 M7 左滑臺快進(jìn) 16 M16 循環(huán)停止 8 M8 右滑臺快進(jìn) 該機(jī)床PLC控制系統(tǒng)的程序由公共程序、調(diào)整程序、循環(huán)程序3部分組成。 公用程序主要用來處理組合機(jī)床的各種操作信號，如啟動、急停以及各滑臺原位信號，機(jī)床啟動前應(yīng)具備的各種初始信號，并將處理結(jié)果作為機(jī)床啟動、停止、程序轉(zhuǎn)化的依據(jù)，公用程序一般采用檢測法設(shè)計(jì)。 調(diào)整程序包括主軸點(diǎn)動，各個滑臺的快進(jìn)進(jìn)、工進(jìn)、快退，夾緊缸的松開、夾緊，托盤抬起、落下等。 循環(huán)程序控制日常加工的整體循環(huán)，當(dāng)固定每日額定工作量后，按一下循環(huán)啟動，工人只要負(fù)責(zé)裝卸工件，機(jī)床便可以自動完成工件的鉸孔加工。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，工人只要按下“急?！卑粹o，機(jī)床的所有動作都停止。工人按下“循環(huán)停止”，則本次工件加工結(jié)束后，循環(huán)停止。 三．梯形圖解釋。 電源啟動 電源指示燈亮 液壓站開 左滑臺原位 右滑臺原位 急停 循環(huán)則跳至P0段 冷卻泵開 沖屑泵開 左主軸點(diǎn)動 左主軸點(diǎn)動指示燈亮 右主軸點(diǎn)動 右主軸點(diǎn)動指示燈亮 左滑臺點(diǎn)動快進(jìn) 左滑臺點(diǎn)動工進(jìn) 左滑臺點(diǎn)動快退 右滑臺點(diǎn)動快進(jìn) 右滑臺點(diǎn)動工進(jìn) 右滑臺點(diǎn)動快退 夾緊 松開 托盤抬起 托盤落下 沒有循環(huán)則結(jié)束 循環(huán)運(yùn)行狀態(tài) 托盤落下狀態(tài) 托盤落下 托盤落下指示燈亮 托盤落下停止 夾緊狀態(tài) 夾緊 夾緊指示燈亮 冷卻泵開狀態(tài) 沖屑泵開狀態(tài) 左主軸轉(zhuǎn)動狀態(tài) 右主軸轉(zhuǎn)動狀態(tài) 左滑臺快進(jìn)狀態(tài) 右滑臺快進(jìn)狀態(tài) 冷卻泵開 沖屑泵開 左主軸正轉(zhuǎn) 左主軸正轉(zhuǎn)指示燈亮 右主軸正轉(zhuǎn) 右主軸正轉(zhuǎn)指示燈亮 左滑臺快進(jìn) 右滑臺快進(jìn) 左滑臺快進(jìn)停止 左滑臺工進(jìn)狀態(tài) 右滑臺快進(jìn)停止 右滑臺工進(jìn)狀態(tài) 左滑臺工進(jìn) 右滑臺工進(jìn) 左滑臺工進(jìn)停止 左滑臺快退狀態(tài) 右滑臺工進(jìn)停止 右滑臺快退狀態(tài) 左滑臺快退 右滑臺快退 左滑臺快退停止 左滑臺退至原位狀態(tài) 右滑臺快退停止 右滑臺退至原位狀態(tài) 左主軸正轉(zhuǎn)停止 右主軸正轉(zhuǎn)停止 冷卻泵停 夾具夾緊停止 夾具松開 松開指示燈亮 沖屑泵停 左滑臺退至原位停止 右滑臺退至原位停止 托盤抬起狀態(tài) 托盤抬起 托盤抬起停止 循環(huán)停止?fàn)顟B(tài) 循環(huán)停止 結(jié)束 10 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 附 件 二 程序設(shè)計(jì)說明書 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué)生姓名 班 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 完成日期 2011年6月6日 外文翻譯 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué)生姓名 班 級 學(xué) 號 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)今競爭激烈的市場，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，其中的每個作用模塊在程序上配有一個與它相關(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)每個操作“組”在一臺單獨(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)過程包括三個主要階段：明確任務(wù)，模塊的選擇和評價[14 ] 。經(jīng)過簡短的文獻(xiàn)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(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(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(yùn)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(jī)械模塊上。 機(jī)床的結(jié)構(gòu)圖對系統(tǒng)的備用配置進(jìn)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(jī)械模塊到圖元素。一個圖表是由一組頂點(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,我們定義兩個不同類型的頂點(diǎn):0型和1型。一個頂點(diǎn)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(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0型任務(wù)圖。四個1型頂點(diǎn)與幾個0型頂點(diǎn)相結(jié)合以三維形式創(chuàng)建了一個機(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)動可分配給圖形的邊緣，表示了邊緣的兩個頂點(diǎn)所代表的有形物體之間的相對運(yùn)動。 圖4、一個圖代表一種機(jī)床結(jié)構(gòu)。 平移運(yùn)動 (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)動來描述的。這些運(yùn)動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。例如，第一運(yùn)動可被分解為： P1處可表示工具在該處的位置和運(yùn)動方向，用于定位，而F1處則表示進(jìn)給運(yùn)動?？梢缘贸?，任何兩個相鄰的位置的運(yùn)動轉(zhuǎn)換可以可以被分解為： 其他的運(yùn)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(diǎn)，用來確定進(jìn)行加工任務(wù)所需要的不同運(yùn)動功能。例如，模板銑削和鉆井作業(yè)表明運(yùn)動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)動參數(shù)，如工具旋轉(zhuǎn)， X軸方向的直線運(yùn)動,Y，Z軸方向的進(jìn)給運(yùn)動，以及Z軸方向的工具定位運(yùn)動如圖5所示。 圖5、功能分解模板 在運(yùn)動分解階段每一個被確定的運(yùn)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(yùn)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(yùn)動（包括純轉(zhuǎn)動運(yùn)動）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，模塊庫中的存儲數(shù)據(jù)包含代表其運(yùn)動或結(jié)構(gòu)功能的同質(zhì)變換矩陣，各種運(yùn)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(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，對于某一特定模塊的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)要素，可以根據(jù)圖4進(jìn)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(yùn)動，通過變量μ1表明次運(yùn)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(yùn)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(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 這臺機(jī)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(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)行評估。可重構(gòu)機(jī)床的評價標(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)動功率，盡量減少錯誤鏈。每個活動實(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)確性的評估。整個機(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運(yùn)動構(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，我們常把從動件與主動件連接在一起。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。可重構(gòu)的總體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示：與圖8的兩個機(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(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 每臺機(jī)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(shè)置的離散信號,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，如潤滑或冷卻劑。因此,每臺機(jī)床控制模塊是一個獨(dú)立的控制器，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以單獨(dú)地測試機(jī)器的其余部分。 設(shè)計(jì)一個機(jī)械控制模塊必須做到只用一個庫存的機(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所示是一個機(jī)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(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)。一個看門狗定時器被包含(但未顯示), 如果預(yù)先設(shè)定的時間已過而已完成的響應(yīng)沒有發(fā)出，就會返回一個“錯誤”的響應(yīng)。 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(jié)構(gòu)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(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(zhuǎn)動，滑動到初始位置。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€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。滑動控制器包括（在箱體內(nèi)）伺服控制器。 當(dāng)滑動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(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(jìn)給命令，，更好的控制命令是可行的。不是重復(fù)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(dāng)?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(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,每個控制模塊是由通過一個接收某一語言對的有限狀態(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)，與每個機(jī)械模塊相關(guān)的控制模塊合并到整個機(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間，提升時間產(chǎn)能，因?yàn)樵谒鼈冞B接之前每個模塊可單獨(dú)進(jìn)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(jī)缸蓋之間），機(jī)床將需要重新配置，可通過增加一個軸或改變主軸。當(dāng)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(jī)械干擾的產(chǎn)生）需要作出改變。 因?yàn)樗鼈儞碛幸粋€定義完善的界面,因此每個單獨(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,一個摩擦補(bǔ)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(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)性能評價以及其相關(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，自動控制，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)動和一些差異明顯的構(gòu)造進(jìn)行系統(tǒng)的列舉，以減少錯失一個良好設(shè)計(jì)的機(jī)會。 我們已經(jīng)開發(fā)了一個基于Java機(jī)械設(shè)計(jì)加工的自動化程序，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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