專利名稱：可重構(gòu)機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，特別是一種可重 構(gòu)機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)背景可重構(gòu)制造系統(tǒng)是一種具有主動(dòng)適應(yīng)外界環(huán)境變化和被動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部擾 動(dòng)兩大功能的制造系統(tǒng)，它能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過系統(tǒng)構(gòu)件的重構(gòu)，改變 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從而調(diào)整系統(tǒng)的功能和生產(chǎn)能力以適應(yīng)產(chǎn)品品種的變化或市場(chǎng)需求 量的變化。可重構(gòu)制造系統(tǒng)，其6個(gè)特征分別為模塊化、開放性、可擴(kuò)展性、可 集成性、可轉(zhuǎn)變性、客戶定制、可診斷性。其中模塊化作為可重構(gòu)制造系統(tǒng)的最 核心特征?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)由上層的規(guī)劃調(diào)度控制器和底層的可重構(gòu)機(jī)器組成。 可重構(gòu)機(jī)器作為可重構(gòu)制造系統(tǒng)的最小單元，根據(jù)制造系統(tǒng)的工序需求和重構(gòu)能 力確定可重構(gòu)機(jī)床必須具有的基本功能和結(jié)構(gòu)配置，同時(shí)需要設(shè)計(jì)一些具有可重 構(gòu)能力的機(jī)械模塊，并在機(jī)械模塊庫(kù)中選擇合適的機(jī)械模塊合成滿足功能需求 (包括運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu))和完成結(jié)構(gòu)配置，實(shí)現(xiàn)資源在整個(gè)生命周期的可重用，最大化 地利用現(xiàn)有的資源，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的定制化柔性，需要根據(jù)可重構(gòu)制造系統(tǒng) 的工序需求和重構(gòu)能力確定可重構(gòu)機(jī)器必須具有的基本功能和結(jié)構(gòu)配置，并在模 塊庫(kù)中選擇合適的機(jī)械模塊合成滿足功能需求(包括運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu))和完成配置。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Yong-Mo Moon教授等在《Transactions oftheASME》(美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)學(xué)報(bào))(2002年5月，V124第480頁(yè))上發(fā)表的"Design of Reconfigurable Machine Tools"(可重構(gòu)機(jī)器設(shè)計(jì))，該文中提出可重構(gòu)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)合成方法，不足之處是僅從可重構(gòu)機(jī)器運(yùn)動(dòng)的可行性角度出發(fā)，而沒有考慮其他方面的設(shè)計(jì)要求，如可重構(gòu)機(jī)器設(shè)計(jì)的模塊劃分和相應(yīng)模塊的功能設(shè)計(jì)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可重構(gòu)機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)方法，使其從可重構(gòu)機(jī)器及其計(jì)算機(jī)輔助軟件相集成設(shè)計(jì)的角度，在構(gòu)建機(jī)器機(jī)械 結(jié)構(gòu)時(shí)，同時(shí)對(duì)機(jī)器與控制器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及相關(guān)配置實(shí)現(xiàn)控制模塊的快速重構(gòu)。本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括如下步驟步驟一，建立剛體在空間中的運(yùn)動(dòng)模型；所述建立剛體在空間中的運(yùn)動(dòng)模型，是指運(yùn)用旋量方法建立起剛體運(yùn)動(dòng)與螺 旋運(yùn)動(dòng)的等價(jià)關(guān)系，建立剛體在空間中運(yùn)動(dòng)的指數(shù)坐標(biāo)方程，得到剛體的運(yùn)動(dòng)旋 量以及運(yùn)動(dòng)的齊次變換矩陣，最終建立剛體在空間中運(yùn)動(dòng)模型，包括純移動(dòng)、純 轉(zhuǎn)動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型，同時(shí)運(yùn)用旋量對(duì)偶矢量的表示方法，描述出剛體空 間運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)信息，運(yùn)動(dòng)信息包括運(yùn)動(dòng)類型、運(yùn)動(dòng)范圍，上述剛體是指在 任何力的作用下體積和形狀都不發(fā)生改變的物體。歩驟二，進(jìn)行任務(wù)分析，將上位機(jī)傳達(dá)的任務(wù)加工信息解析為一系列可重構(gòu) 機(jī)器的功能；所述進(jìn)行任務(wù)分析，是指對(duì)于己知加工工序的加工任務(wù)，將其每道工序即 刀具相對(duì)工件的每一步運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)旋量以旋量對(duì)偶矢量形式表示，把具有相同運(yùn)動(dòng)類型的工序合并，從而得到完成各工序所需執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，利用步驟一對(duì) 加工任務(wù)剛體模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模，建立可重構(gòu)機(jī)器基本功能的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以直 觀的表達(dá)可重構(gòu)機(jī)器所需執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的順序和關(guān)系，可重構(gòu)機(jī)器基本功能的運(yùn)動(dòng)學(xué) 模型表達(dá)式由一系列運(yùn)動(dòng)旋量(變換矩陣)和初始變換矩陣的乘積構(gòu)成，即r = 7;r2-.-7;r0式中，r"表示可重構(gòu)機(jī)構(gòu)所需執(zhí)行的第n個(gè)運(yùn)動(dòng)，n為自然數(shù)，r。表示是工具相對(duì)于工件的初始變換。步驟三，進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型，利用圖論設(shè)計(jì)可重構(gòu)機(jī)器的功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，表達(dá)各個(gè)功能之間的拓?fù)潢P(guān)系和執(zhí)行順序，并選擇可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 所述進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型，具體如下(a) 利用有向圖來表達(dá)可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其頂點(diǎn)代表機(jī)械模塊實(shí) 體，有向邊代表相連結(jié)機(jī)械模塊之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和連結(jié)方式，如接頭、接合界面；(b) 將機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)分配到建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖上，每一個(gè)確定的 功能，被分配到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的有向邊上，另外改變基座位置得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案， 因此功能映射完成運(yùn)動(dòng)的映射，同時(shí)完成基座的映射；(C) 在完成運(yùn)動(dòng)映射及基座映射后得到的多種結(jié)構(gòu)配置中，選擇一個(gè)或 一類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)可重構(gòu)機(jī)器的依據(jù)。所述選擇可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體如下若對(duì)于已有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從運(yùn)動(dòng)控制角度判斷選擇該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可重構(gòu)機(jī)器是 否可以控制，如果系統(tǒng)所有狀態(tài)變量的運(yùn)動(dòng)都可通過有限的控制點(diǎn)的輸入來使其 由任意的初態(tài)達(dá)到任意設(shè)定的終態(tài)，則稱系統(tǒng)是可控的，或稱為狀態(tài)可控的；否則利用已有技術(shù)選擇可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如借鑒傳統(tǒng)的機(jī)床功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的機(jī)床功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法包括1)縮短傳動(dòng)鏈，簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；2)保證機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有靜、動(dòng)態(tài)剛度和阻尼精度，以及耐磨性，而且熱變形小，以適應(yīng)連續(xù)的自動(dòng)化加工和提高加工生產(chǎn)率；3)采用高效傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌、消隙齒輪傳動(dòng)副，以減小摩擦、消除傳動(dòng)間隙和獲得更高的加工精度。步驟四，根據(jù)步驟三己選擇的可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立參數(shù)化的模塊庫(kù)并從其中選擇機(jī)械模塊，裝配生成整個(gè)可重構(gòu)機(jī)器。所述建立參數(shù)化的模塊庫(kù)并從其中選擇機(jī)械模塊，具體如下(a) 首先建立機(jī)械模塊鏈表，機(jī)械模塊鏈表包括ID (編號(hào))、運(yùn)動(dòng)類型、 運(yùn)動(dòng)軸線、運(yùn)動(dòng)方向，然后利用旋量方法建立機(jī)械模塊的齊次變換矩陣，以及機(jī) 械模塊的運(yùn)動(dòng)旋量，最后以尺寸、運(yùn)動(dòng)范圍作為參數(shù)設(shè)計(jì)每個(gè)模塊，得到參數(shù)化 的模塊庫(kù)；(b) 根據(jù)步驟三所建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從模塊庫(kù)中選取機(jī)械模塊，選取的方 向按照從工件到刀具的方向，選取出與各個(gè)頂點(diǎn)相匹配的機(jī)械模塊，使得選取的 機(jī)械模塊的齊次矩陣的乘積等于目標(biāo)矩陣式中，似 一第n個(gè)模塊的齊次變換矩陣，7;—任務(wù)目標(biāo)矩陣，w工件表示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)機(jī)器的可重構(gòu)， 使得機(jī)器機(jī)械系統(tǒng)不需要替換機(jī)械模塊就可以轉(zhuǎn)換配置，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器的在線重 構(gòu)，在火焰切割機(jī)組的機(jī)床設(shè)計(jì)中使用該方法使得原開發(fā)周期縮短l-2個(gè)月。同 時(shí)，機(jī)器的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)地滿足所需的生產(chǎn)能力和功能，配置快速，節(jié)約成本，并使 機(jī)器成本減小二到三成。圖l是本發(fā)明的工作流程圖； 圖2是本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)模型圖； 圖3是本發(fā)明的加工任務(wù)示意圖；圖4是本發(fā)明的可重構(gòu)機(jī)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，圖(a)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)視圖，圖(b) 為頂點(diǎn)視圖，圖(c)為有向邊視圖； 圖5是本發(fā)明的機(jī)械模塊庫(kù)樣圖； 圖6是本發(fā)明的機(jī)械模塊選擇示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。如

圖1所示，本實(shí)施例包括如下具體步驟 步驟一，建立剛體在空間中運(yùn)動(dòng)模型；所述建立運(yùn)動(dòng)模型，是指運(yùn)用旋量方法建立起剛體運(yùn)動(dòng)與螺旋運(yùn)動(dòng)的等價(jià)關(guān) 系，建立剛體在空間中運(yùn)動(dòng)的指數(shù)坐標(biāo)方程，計(jì)算剛體的運(yùn)動(dòng)旋量以及得到該運(yùn) 動(dòng)的齊次變換矩陣，最終建立剛體在空間中運(yùn)動(dòng)模型，包括純移動(dòng)、純轉(zhuǎn)動(dòng)、螺 旋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型，同時(shí)運(yùn)用旋量對(duì)偶矢量的表示方法，描述出剛體空間運(yùn)動(dòng)的 詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)信息，運(yùn)動(dòng)信息包括運(yùn)動(dòng)類型、運(yùn)動(dòng)范圍，上述剛體是指在任何力的 作用下體積和形狀都不發(fā)生改變的物體。如圖2所示，建立對(duì)純平移運(yùn)動(dòng)、純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及剛體一般運(yùn)動(dòng)建立了運(yùn)動(dòng)模 型，具體如下1、純平移運(yùn)動(dòng)模型如圖2 (a)所示，模型的運(yùn)動(dòng)旋量可表示為附乂=
7為移動(dòng)方向的向量，A,&,A分別代表？在:c,y,z方向 的投影。"v = PII = V ^^",e = o 0表示剛體繞？的轉(zhuǎn)角<formula>formula see original document page 8</formula>其齊次變換矩陣形式<formula>formula see original document page 8</formula>(1.3)2 、純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模型如圖2 (b)所示，模型的運(yùn)動(dòng)旋量可表示為:<formula>formula see original document page 8</formula>式中，F(xiàn)為原點(diǎn)至該空間矢量任一點(diǎn)的矢徑。<formula>formula see original document page 8</formula>其齊次變換矩陣形式<formula>formula see original document page 8</formula>3 、剛體一般運(yùn)動(dòng)模型如圖2 (C)所示，模型的運(yùn)動(dòng)的指數(shù)方程:<formula>formula see original document page 8</formula>為螺旋運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的齊次變換陣。如果一個(gè)剛體做一系列螺旋運(yùn)動(dòng)，則:<formula>formula see original document page 8</formula>對(duì)偶矢量的表述<formula>formula see original document page 8</formula>[MM MMc]描述了運(yùn)動(dòng)的范圍，MM,M^Mc分別表示運(yùn)動(dòng)的最大值、最小值及當(dāng)前值，^+s尸,表示螺旋運(yùn)動(dòng)的節(jié)距，Pr為0，表示該運(yùn)動(dòng)為純轉(zhuǎn)動(dòng)， P,為O，表示該運(yùn)動(dòng)為純移動(dòng)。步驟二，進(jìn)行分析任務(wù)，將上位機(jī)傳達(dá)的任務(wù)加工信息解析為一系列可重構(gòu) 機(jī)器的功能。所述進(jìn)行分析任務(wù)，是指對(duì)于已知加工工序的加工任務(wù)，將其每道工序即 刀具相對(duì)工件的每一步運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)旋量以旋量對(duì)偶矢量形式表示，把具有相同運(yùn) 動(dòng)類型的工序合并，從而得到完成各工序所需執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)，以直觀的表達(dá)可重構(gòu) 機(jī)器所需執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的順序和關(guān)系，可重構(gòu)機(jī)器基本功能的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型表達(dá)式由一 系列運(yùn)動(dòng)旋量(變換矩陣)和初始變換矩陣的乘積構(gòu)成，即r = 7;r2,.. 7;r。式中，r"表示可重構(gòu)機(jī)構(gòu)所需執(zhí)行的第n個(gè)運(yùn)動(dòng)，n為自然數(shù)，r。表示是工 具相對(duì)于工件的初始變換。如圖3所示，是本實(shí)施例的加工任務(wù)示意圖，運(yùn)用旋量的對(duì)偶矢量表達(dá)進(jìn)行任務(wù)分析，分析并合并加工工序(運(yùn)動(dòng)旋量)得到完成加工任務(wù)所需的基本運(yùn)動(dòng)，具體如下首位置(00050 --5070)定位位置-(o0050070)進(jìn)給位置(o00503070)定位位置(000250進(jìn)給位置(o00253070-257^)定位位置(o0075070_25>/^進(jìn)給位置(o00753070-25^)工件定位(o09000o)合并各工序所有刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)定位和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)& =[80 0 定位運(yùn)動(dòng) ^=[50 0定位運(yùn)動(dòng) 式=[50 0o](o十s, i oy+e{0 0 0}J] 0 會(huì)o ,+"o 0 0}0](0 + el)[{l 0 0}r+s{0 0 0}r]定位運(yùn)動(dòng) <formula>formula see original document page 10</formula>其中4， i2，式，之分別為沿圖示方向的運(yùn)動(dòng)旋量，e是Clifford(克 里弗德)的對(duì)偶標(biāo)記，el、 eO分別表示對(duì)偶方向的分量為1、 0， T是表示矩 陣轉(zhuǎn)置。步驟三，進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型，利用圖論設(shè)計(jì)可重構(gòu)機(jī)器的功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，表達(dá)功 能之間的拓?fù)潢P(guān)系，并選擇可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 所述進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型，具體如下(a) 利用有向圖來表達(dá)可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其頂點(diǎn)代表機(jī)械模塊實(shí)體， 有向邊代表相連結(jié)機(jī)械模塊之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和連結(jié)方式，如接頭、接合界面；(b) 將機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)分配到建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖上，每一個(gè)確定的功 能被分配到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的有向邊上，除了運(yùn)動(dòng)以外，改變基座位置得到相應(yīng)的結(jié) 構(gòu)方案，因此功能映射完成運(yùn)動(dòng)的映射，同時(shí)完成基座的映射；(c) 在完成運(yùn)動(dòng)映射及基座映射后得到的多種結(jié)構(gòu)配置中，選擇一個(gè)或一 類結(jié)構(gòu)樹作為設(shè)計(jì)可重構(gòu)機(jī)器的依據(jù)，因此，需要對(duì)所有的可行方案進(jìn)行比較。所述選擇可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體如下若對(duì)于已有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從運(yùn)動(dòng)控制角度判斷選擇該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可重構(gòu)機(jī)器是 否可以控制，如果系統(tǒng)所有狀態(tài)變量的運(yùn)動(dòng)都可通過有限的控制點(diǎn)的輸入來使其 由任意的初態(tài)達(dá)到任意設(shè)定的終態(tài)，則稱系統(tǒng)是可控的，或稱為狀態(tài)可控的；否則利用已有技術(shù)選擇可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如借鑒傳統(tǒng)的機(jī)床功能結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)方法進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的機(jī)床功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法包括1)縮短傳動(dòng) 鏈，簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；2)使機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有靜、動(dòng)態(tài)剛度和阻尼精度，以及耐 磨性，而且熱變形小，以適應(yīng)連續(xù)的自動(dòng)化加工和提高加工生產(chǎn)率；3)采用高 效傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌、消隙齒輪傳動(dòng)副，以減小摩擦、消除傳 動(dòng)間隙和獲得更高的加工精度。如圖4所示，是可重構(gòu)機(jī)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，即將機(jī)床所具備的基本運(yùn)動(dòng)分 配到拓?fù)鋱D的邊上的過程，由于不同的分配方案產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)，列舉出的這些 結(jié)構(gòu)又有優(yōu)劣之分，需要遵循映射規(guī)則來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的映射。所述映射規(guī)則具體如下1，因平移運(yùn)動(dòng)可交換位置，不改變機(jī)床的功能，在運(yùn)動(dòng)分配過程中，忽略平移運(yùn)動(dòng)的相互次序，而純轉(zhuǎn)動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)則需按加工次序進(jìn)行分配；2，為了提高加工精度，減少定位誤差，限制在同一方向的運(yùn)動(dòng)分配為一個(gè); 3，為了降低機(jī)床加工過程的復(fù)雜性，必要時(shí)可以以工件的定位運(yùn)動(dòng)輔助代替刀具的定位運(yùn)動(dòng)；4，為提高機(jī)床的剛度，應(yīng)使得運(yùn)動(dòng)與接觸面平行。對(duì)圖3所示的加工任務(wù)建立其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的樹型表達(dá)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)映射，如圖4 (a)所示，可重構(gòu)機(jī)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表達(dá)利用有向圖表來表達(dá)，經(jīng)過對(duì)其加工工 序的優(yōu)化，完成該加工任務(wù)需要四個(gè)自由度，分別為沿X， Y， Z軸的移動(dòng)和沿z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，分別用符號(hào)表示為j;,7;,7;,A，這四個(gè)運(yùn)動(dòng)分別對(duì)應(yīng)映射到樹型圖的四條邊上，所以機(jī)構(gòu)需要至少有五個(gè)機(jī)械模塊(從模塊庫(kù)中選出)，加上一塊 連接板機(jī)械模塊則機(jī)構(gòu)共有六個(gè)模塊實(shí)體，在這串聯(lián)的六個(gè)機(jī)械模塊的五條邊上 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)映射，為了滿足以上四條映射規(guī)則，同時(shí)A的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不可交換性。機(jī)械模塊庫(kù)中機(jī)械模塊的類型包括串聯(lián)和并聯(lián)，本實(shí)施例中的頂點(diǎn)如圖4(b)所 示，頂點(diǎn)代表機(jī)械模塊實(shí)體，S表示串聯(lián)方式模塊頂點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)相鄰模塊的連 接位置不同，S頂點(diǎn)分為兩類S1、 S2，每個(gè)頂點(diǎn)具有輸入和輸出兩個(gè)端口，每個(gè) 端口表示該模塊與相鄰模塊的連結(jié)位置，Sl頂點(diǎn)的輸入與輸出端口同軸，S2頂 點(diǎn)的輸入與輸出端口相互垂直，有向邊(如圖4(c)示)代表相連結(jié)機(jī)械模塊之 間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和連結(jié)方式(如接頭、接合界面)。步驟四，根據(jù)步驟三己選擇的可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立參數(shù)化的模塊庫(kù) 并從其中選擇機(jī)械模塊，裝配生成整個(gè)可重構(gòu)機(jī)器。所述建立參數(shù)化的模塊庫(kù)并從其中選擇機(jī)械模塊，具體如下(a) 首先建立機(jī)械模塊鏈表，機(jī)械模塊鏈表包括ID (編號(hào))、運(yùn)動(dòng)類型、 運(yùn)動(dòng)軸線、運(yùn)動(dòng)方向，然后利用旋量方法建立機(jī)械模塊的齊次變換矩陣，以及機(jī) 械模塊的運(yùn)動(dòng)旋量，最后以尺寸、運(yùn)動(dòng)范圍作為參數(shù)設(shè)計(jì)每個(gè)模塊，得到參數(shù)化 的模塊庫(kù)；(b) 根據(jù)步驟三所建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從模塊庫(kù)中選取機(jī)械模塊，選取的方 向按照從工件到刀具的方向，選取出與各個(gè)頂點(diǎn)相匹配的機(jī)械模塊，使得選取的 機(jī)械模塊的齊次矩陣的乘積等于目標(biāo)矩陣<formula>formula see original document page 11</formula>式中，M"—第n個(gè)模塊的齊次變換矩陣，7;—任務(wù)目標(biāo)矩陣，w工件表示。 如圖5所示，為機(jī)械模塊庫(kù)樣圖，建立參數(shù)化的機(jī)械模塊庫(kù)，包括模塊的ID (編號(hào))、運(yùn)動(dòng)類型、運(yùn)動(dòng)軸線、運(yùn)動(dòng)方向。圖5中，對(duì)模塊庫(kù)中各模塊的示意 圖及其ID號(hào)作了描述，同時(shí)，機(jī)械模塊庫(kù)的內(nèi)容表達(dá)以下方面1. 各個(gè)模塊輸人/輸出軸的空間方位關(guān)系，即平行、垂直或交叉。2. 各個(gè)模塊運(yùn)動(dòng)行為類型，即移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)等。3. 利用旋量方法建立機(jī)械模塊的齊次變換矩陣，以及它的運(yùn)動(dòng)旋量。4. 各個(gè)模塊尺寸，運(yùn)動(dòng)范圍等作為參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖6所示，是對(duì)圖4所示加工任務(wù)建立可重構(gòu)機(jī)器進(jìn)行的機(jī)械模塊選擇示意 圖。按照可重構(gòu)機(jī)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的順序選取模塊，從工作臺(tái)到刀具的方向來選擇， 從模塊庫(kù)中選取模塊，使其齊次變換矩陣與加工任務(wù)的目標(biāo)矩陣進(jìn)行比較，最終 使得構(gòu)成可重構(gòu)體系的所有模塊的齊次矩陣的乘積等于目標(biāo)矩陣-式中，M"為第n個(gè)模塊的齊次變換矩陣，7;為任務(wù)目標(biāo)矩陣，w工件表示。 最終完成對(duì)模塊的選取，選取結(jié)果0-1-3-4-8-9。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)施例具有如下有益效果在火焰切割機(jī)組的機(jī)床設(shè)計(jì) 中使用該方法使得原開發(fā)周期縮短1-2個(gè)月。同時(shí)，機(jī)器的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)地滿足所需 的生產(chǎn)能力和功能，配置快速，節(jié)約成本，使得機(jī)器成本減小二到三成。
權(quán)利要求
1.一種可重構(gòu)機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一，建立剛體在空間中運(yùn)動(dòng)模型；步驟二，進(jìn)行分析任務(wù)，將上位機(jī)傳達(dá)的任務(wù)加工信息解析為一系列可重構(gòu)機(jī)器具備的功能；步驟三，進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型，利用圖論設(shè)計(jì)可重構(gòu)機(jī)器的功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，表達(dá)各個(gè)功能之間的拓?fù)潢P(guān)系和執(zhí)行順序，并選擇可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；步驟四，根據(jù)步驟三已選擇的可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立參數(shù)化的模塊庫(kù)并從其中選擇機(jī)械模塊，裝配生成整個(gè)可重構(gòu)機(jī)器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的可重構(gòu)機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征是，所述建 立運(yùn)動(dòng)剛體在空間中的運(yùn)動(dòng)模型，是指運(yùn)用旋量方法建立起剛體運(yùn)動(dòng)與螺旋運(yùn)動(dòng) 的等價(jià)關(guān)系，建立剛體在空間中運(yùn)動(dòng)的指數(shù)坐標(biāo)方程，得到剛體的運(yùn)動(dòng)旋量以及 運(yùn)動(dòng)的齊次變換矩陣，最終建立剛體在空間中運(yùn)動(dòng)模型，包括純移動(dòng)、純轉(zhuǎn)動(dòng)、 螺旋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型，同時(shí)運(yùn)用旋量對(duì)偶矢量的表示方法，描述出剛體空間運(yùn)動(dòng) 的詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)信息，運(yùn)動(dòng)信息包括運(yùn)動(dòng)類型、運(yùn)動(dòng)范圍，上述剛體是指在任何力 的作用下體積和形狀都不發(fā)生改變的物體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的可重構(gòu)機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征是，所述進(jìn) 行任務(wù)分析，是指對(duì)于已知加工工序的加工任務(wù)，將其每道工序即刀具相對(duì)工 件的每一步運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)旋量以旋量對(duì)偶矢量形式表示，把具有相同運(yùn)動(dòng)類型的工 序合并，從而得到完成各工序所需執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，利用步驟一對(duì)加工任務(wù)剛 體模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模，建立可重構(gòu)機(jī)器基本功能的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以直觀的表達(dá)可 重構(gòu)機(jī)器所需執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的順序和關(guān)系，可重構(gòu)機(jī)器基本功能的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型表達(dá)式 由一系列運(yùn)動(dòng)旋量和初始變換矩陣的乘積構(gòu)成，即式中，7;表示可重構(gòu)機(jī)構(gòu)所需執(zhí)行的第n個(gè)運(yùn)動(dòng)，n為自然數(shù)，t;表示是工具相對(duì)于工件的初始變換。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重構(gòu)機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征是，所述 進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型，具體如下(a) 利用有向圖來表達(dá)可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其頂點(diǎn)代表機(jī)械模塊實(shí)體， 有向邊代表相連結(jié)機(jī)械模塊之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和連結(jié)方式，如接頭、接合界面；(b) 將機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)分配到建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖上，每一個(gè)確定的功 能，被分配到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的有向邊上，另外改變基座位置得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案， 功能映射完成運(yùn)動(dòng)的映射，同時(shí)完成基座的映射；(c) 在完成運(yùn)動(dòng)映射及基座映射后得到的多種結(jié)構(gòu)配置中，選擇一個(gè)或一 類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)可重構(gòu)機(jī)器的依據(jù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重構(gòu)機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征是，所述 選擇可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體如下若對(duì)于已有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從運(yùn)動(dòng)控制角度判斷選擇該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可重構(gòu)機(jī)器是 否可以控制，如果系統(tǒng)所有狀態(tài)變量的運(yùn)動(dòng)都可通過有限的控制點(diǎn)的輸入來使其 由任意的初態(tài)達(dá)到任意設(shè)定的終態(tài)，則稱系統(tǒng)是可控的，或稱為狀態(tài)可控的；否則利用已有技術(shù)選擇可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的可重構(gòu)機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征是，所述建立參數(shù)化的模塊庫(kù)并從其中選擇機(jī)械模塊，具體如下(a) 首先建立機(jī)械模塊鏈表，機(jī)械模塊鏈表包括編號(hào)、運(yùn)動(dòng)類型、運(yùn)動(dòng)軸線、運(yùn)動(dòng)方向，然后利用旋量方法建立機(jī)械模塊的齊次變換矩陣，以及機(jī)械模塊 的運(yùn)動(dòng)旋量，最后以尺寸、運(yùn)動(dòng)范圍作為參數(shù)設(shè)計(jì)每個(gè)模塊，得到參數(shù)化的模塊庫(kù)；(b) 根據(jù)步驟三所建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從模塊庫(kù)中選取機(jī)械模塊，選取的方 向按照從工件到刀具的方向，選取出與各個(gè)頂點(diǎn)相匹配的機(jī)械模塊，使得選取的 機(jī)械模塊的齊次矩陣的乘積等于目標(biāo)矩陣<formula>formula see original document page 3</formula>式中，M"—第n個(gè)模塊的齊次變換矩陣，7;—任務(wù)目標(biāo)矩陣，w工件表示。
全文摘要
一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)領(lǐng)域的可重構(gòu)機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟步驟一，建立剛體在空間中運(yùn)動(dòng)模型；步驟二，進(jìn)行任務(wù)分析，將上位機(jī)傳達(dá)的任務(wù)加工信息解析為一系列可重構(gòu)機(jī)器的功能；步驟三，進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型，利用圖論設(shè)計(jì)可重構(gòu)機(jī)器的功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，表達(dá)各個(gè)功能之間的拓?fù)潢P(guān)系，并選擇可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；步驟四，根據(jù)步驟三已選擇的可重構(gòu)機(jī)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立參數(shù)化的模塊庫(kù)并從其中選擇機(jī)械模塊，裝配生成整個(gè)可重構(gòu)機(jī)器。本發(fā)明能夠縮短開發(fā)周期并減少開發(fā)成本。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101221591SQ20071017188
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者張衍均, 徐文超, 殷躍紅, 健 陸, 陳祥榴 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)