可重构机床模块化设计的分析与研究.pdf

第 2 7卷第 8期 2 O O 6年8月 煤矿机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 】 ． 2 7 No ． 8 Au g ． 2 006 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 6 0 8 一 O O 6 8 0 3 可重构机床模块化设计的分析与研究 梁睦 。李春广 。李铬 。梁东凯 1 ． 中原工学院 ，郑州 4 5 0 0 0 7 ；2 ． 河南理工大学 万方科技学院 ，河南 焦作 4 5 4 1 5 2 摘 要 根 据 国 内外数 控 系统的发展 现状 以及 可 重构 机床 的研 究进展 ， 阐述 了可 重 构机 床 的 基 本特 点 ， 机 械 与数控 系统 的模块 化设计 要 求 ， 以及 实现 可 重 构机床 模 块 化设 计 的关键 技 术 难 点 ， 间接 勾画 了可重 构机床 的模 块化设 计理 念 。 关 键词 可重构机 床 ；模 块 化设计 ；数 控 系统 ；技 术要 求 中图号 T G 6 5 9 文 献标识 码 A Re s e a r c h a n d An a l y s e 0 n M o d u l a r i z a t i o n De s i g n 0 f Re c o n s t r u c t e d M a c h i n e TO o l L I ANG M u ‘ -L I Ch u ng u a n g 。 -U Ge ‘ 。L I ANG D o n gk a l z 1 ． Z h o n g y u a n I n s ti t u t e o f T e c h n o l o g y 。Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7 。 C h i n a ； 2． Wa n _f a n g I nst i t u t e of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y He n a n P o l y t e c h n i c U niv e r s i t y 。J i a o z u o 4 5 4 1 5 2 。 C h i n a Ab s t r ac t Ac c o r d i n g t o t h e d e v e l o p me n t o f n u me r a l c o n t r o l s y s t e m i n a n d o u t o f o u r c o u n t r y n o wa d a y s a n d t h e p mg r e s s o f t h e r e s e a r c h o n r e c o n s t r u c t i o n ma c h i n e t o o l ，h a s d i s c u s s e d t h e b asi c c h a r a c t e r i s t i c s o f r e c o nst ruc t e d ma c h i ne t ool ，t h e mo d u l a r i z a t i o n d e s i g n r e q u i r e me n t o f me c h a n i s m an d n u me r a l c o n t r o l s y s t e m ，an d d i ffi c u l t p o i n t o f t h e k e y t e c h n o l o g y of r e ali z a t i o n of t h e mo d u l a r i z a t i o n d e s i g n s o f rec o ns t ruc t e d ma c h i n e t oo 1 ．Dr a f t t h e mo d u l a r i z a t i o n d e s i gn c o n c e p t i o n of r e c o n s t ruc t e d ma c h i n e t oo l i n d i r e c t l y． Ke y wo r d s r e c o ns t ruc t e d ma c h i n e t ool ；mo d u l a r i z a t i o n d e s i gn ；n u me r a l c o n t r o l s y s t e m；req ui reme n t o f t e c l m o l o g y 0 引言 可重构机床是为了快速而准确地提供响应新的 市场需 求 所需 的生 产能力 和 生产 同一零件族 内的新 零件所 需 的制造 功 能 ， 从 一 开 始 就设 计 成 可 面 向系 统级和生产资源级快速而又有竞争力的制造系统。 可重构模块化机床 的设计 目标是 ， 提供一台面向同 一 零件族内零件加工 的、 可容易地重构 以完成 多种 操作的机床 ； 它能容易地转换以完成各种类型的加 工操作 ， 能同时使用几把计算机控制 的刀具切削加 工零件； 它具有较简单的结构 ， 但仍能提供足够的支 撑零件刚性 ； 满足较高的设计精度要求 ； 它不仅能 以 有竞争力的成本 ， 较高的生产率 ， 而且能以最小的机 床调 整 时间和成本 加工 所需 要 的零件 。 1 可重构 机床 的特点 1 模块化其软、 硬件结构均是模块化的 ， 能 够对配置中的组员进行添加 、 删除 ， 使系统具有可扩 5 关联度排序 将上述各待选凿岩机性能指标与最优性能指标 的关联度按由大到小排序 r 3 r 2 rI 由此可见， c型凿岩机的综合性能最优 ， 因此可 以选择该机型作为本工程的施工机械。这与参考文 献[ 2 3 的评价结果一致。 3结 语 这 种基 于灰 色理 论 的机 械设 备选 型 的综 合性 能 分析方法能更直接和充分地利用评判对象的各方面 技术指标 和经济指标 ， 从而更客观和科学地优选出 适 合某 项 目施工 具体 情况 的施工 机械 。是一 种更 简 便 、 易实现的评价方法 ， 其特点是可操作性强， 非常 适合一般工程技术人员采用。但在确定评定指标体 6 8 系和各指标的权重系数一定要客观合理 ， 这也是该 方法评价结果是否准确、 可靠的关键。 参考 文献 [ 1 ] 顾 冰芳 。 王强 。 等 ． 工程机械质量水平的模糊评价方法[ J ] ． 建筑 机 械 。 2 0 0 1 1 1 3 8 4 0 ． [ 2 ] 魏效玲 。 曹庆奎 。 等． 矿山机械设备模糊综合评价数学模型 [ J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 0 3 2 4 2 ． [ 3 ] 刘德喜 ． 采掘机械[ M] ． 北京 煤炭工业 出版杜 。 1 9 9 4 ． [ 4 ] 王清印。 等 ． 灰色系统理 论的数学方 法及其应 用[ M] ． 成都 西 南 交通大学 出版社 。 1 9 9 0 ． 作者简介 赵月 罗 1 9 6 2一 。 女 。 河 北无极 县人 。 河 北工 程大学 机电学 院副教授 。 硕士。 T e h 0 3 1 07 4 2 8 6 9 5 。Em a i l z h a o y u e l u o h e b e u． e d u． c a ． 收稿 日期 2 0 0 6 ． 0 4 ． 1 2 维普资讯 笫 2 7 卷第 8 期 可重构机床模块化设计的分析与研究梁睦， 等 V 0 1 ． 2 7 N o ． 8 充性 和可 重用 性 。 2 可集成性 可重构机床的模块具有友好 的 接 口设 计 ， 可根 据客 户 的不 同需要进 行 扩展 。 3 定制性可围绕某一族零部件设计 。 只需要 对特殊的零部件提供柔性 ， 因此降低 了成本， 提高了 响应 速度 。 4 可转换性 通过一些模块 改变其功能和结 构 ， 在产品品种改变时形成新的加工能力 ， 并缩短加 工时 间 。 5 可诊 断性 当产 品品种 改变 时 ， 能够 对重 新 配置后 的制造系统进行错误 和误差的侦测和修正。 从可重构制造系统的 5个显著特点来看 ， 它与 开放式数控系统应具备的 5个基本特征在基本内涵 上基本 相符 ， 所 以可 以把 可 重构 数 控 机 床建 立 在 正 在 研究与 开 发的 开 放 式数 控 系统 的基 础 上 ， 利 用 目 前 已经取 得 的 成 果 ， 研 究 和 开 发 可 重 构 数 控 机 床。 根据 目前 开 放式 数 控 系统 的研 究 现状 ， 以及 在 模 块 化机床和模块化开放式体系结构控制器 2种关键技 术 日臻成熟的基础上 ， 构建一种基于开放式结构控 制器 的 可 重 构 的 数 控 系 统 ， 它 是 基 于 工 业 P C机 Wi n d o w s X P ／ 2 0 0 0操作 系统 ， 运动控制器、 组件 技术 的系统、 这种“ P cN C ” 的数控系统将 P c机的灵 活 性和硬件 的实时性结合起来 。同时， 运动控制器的 开放性使其建立的系统具有高可靠性、 灵活性 、 多功 能性和高性能价格 比， 重要 的是用户可以方便地开 发各种适合 自身需要的控制系统 ， 而不必依赖于封 闭式体系结构的 C N C控制器 ， 从而实现数控 系统的 可重构 性 。 2 数 控 系统组 件的 划分 按照组件化程序设计思想 ， 数控 系统应用程序 被划分为多个模 块 ， 每个模块保持一定的功能独立 性 ， 在协同工作时， 他们通过相互之间的接 口。 完成 确定的任务。这些模块库类似于函数库或类库； 模 块是从系统功能角度来划分的 ， 函数库则是从实现 这些模块 的具体功能来考虑的 ， 它们的划分标准不 一 样。系统组件库中的各个组件以不同功能函数的 方式 对外 开 放 ， 也 可 以界 面 的 方式 开 放 。通 过 函数 说明 ， 接 口参数和界面信息的提示 ， 用户可以选用相 应的功能模块或函数集成在一起 ， 以实现所需要的 功能和应用。为了使所创建 的可重构数控系统的组 件能够应用在不同的系统配置中 ， 或在同一配置中 转换功能 ， 需要对加工特征相近 的系统功能模块进 行合并 ， 这样可以防止 由于功能模块粒度太小 。 功能 简单和数量过多而造成 的数控系统 可转换性差 ， 转 换成本高的问题。 通过对数控系统软件结构 的分析 ， 结合 可重构 数控系统的主要 功能部件 ， 将系统应用软件划分成 以下五 大模块 1 系统初始化模块 它是形成整个控制系统 的平台 ， 主要实现特定 系统的配置加载和各种任务 的调动 ， 其中包括完成系统的初始化 。 如预处理 、 U O 任务、 插补任务的创建和调度及数据流的缓存等 ， 同 时还负责将控制过程 的信息 向应用 程序 的人机 接 口、 加载人机界面反馈 以及 在系统重构时对新配置 加 载。 2 人机界面模块 其中包括面板命令的接收 和参数显示 ； 面板命令包括输人、 文件管理、 工作方 式的转换 、 自动、 手动等； 参数显示包括工作方式显 示、 程序及运动信息显示 ， 故障报警显示 。 状态显示 和远程控制信息显示等。 3 核心控制模块 它实现程序预处理和插补 功能 ； 程序预处理是指输人的程序经运算处理 ， 产生 插补使用的数据和程序人 口地址 ， 主要实现译码、 刀 补、 速度处理 ； 插补作 为数控软件的核心 ， 主要完成 实时性较高的插补任务。 4 U O通讯模块负责处理工业 P C机与 P L C 之间交互各种机床信号 操 作面板开关、 行程开关、 系统辅助开关信号等 以及计算机与运动控制器之 间数据 的交 互 。 5 扩展模块如数控加工仿真显示模块 ， 代码 转换模块等。 3可重构 机床 模块化 设计 的关 键技 术 制造系统的重构 ， 实际上就是功能、 资源重新映 射的过程 ， 实现制造系统可重构性 的关键技术 ， 应从 以下几个方面考虑 3 ． 1 硬 件模块 化 与界 面标准化 硬件模块化设计包括功能模块的合理化分和模 块之间机械界面的通用化和标准化设计。正确合理 的模块划分可简化设备结构 ， 降低设备重构频率。 提 高模块之间的精度匹配 ， 减少重构操作 的工作量， 美 化设备的外观。另外 ， 可重构功能模块的标 准化也 极其重要 ， 只有实现标准化 ， 才便于组织专业化的大 规模生产 ， 实现不 同厂家模块 的互换。 可重构制造系统要真正得到广泛的应用 。 设计 时必须考虑各种模块的界面标准化。界面的标准化 研究主要包括以下内容 界面结合精度、 稳定性和可 靠性、 界面的标 准化、 模块更换的快速性 和方便性 ， 现存标准并不是建立在重构的基础之上 ， 因此 ， 它们 只能在界面标准化设计时提供一些基本的原则和策 略 ， 以供参考。 6 9 维普资讯 V o 1 ． 2 7 N o ． 8 可重构机床模块化设计的分析与研究梁睦 ， 等 第 2 7卷第 8 期 3 ． 2信 息平 台重构 集成技 术 制造系统的可重构性需要信息平 台可重构的支 持。如果信息平台是僵化 的结构 ， 制造系统 的可重 构性是不能实现的。制造系统重构不但要求信息平 台本身能根据需要进行快速 的重组 ， 而且 为了最大 限度地 利用 已有 的 生 产 资源 ， 还 需 要 用科 学 的方 法 全面描述生产资源信息。 1 基于软构件的信息平台 整个信息平台应当用模块化设计方法， 并应用 软构件的思想支持软件重构 ， 允许应用模块 方便地 在信息系统 内插入和拔出软构件。软构件是可重用 的软件单元 ， 可以用来构造其它软件 ， 软构件相当于 硬件系统 中的零件或元器 件 ， 可 以被灵 活地重用。 采用软构件思想进行信息平台的设计时， 应 严格按 照 C O R B A规 范 和 C O M ／ D C O M 标 准 ， 并 采 用 科 学 的 软件系统设计方法和软件系统集成封装方法。 2 遗 留系统 的 构件化 封装 企业在不同历史时期积累的大量信息和现有应 用系统 ， 通常称为遗 留系统 1 e g a c y s y s t e m ；信息 系 统重构 的一 个 重要 问题 就 是 集成 。遗 留 系统 、 遗 留 系统的对象化分装是实现企业可重构的信息集成的 关 键 之一 。其 核心 内容 就是 将遗 留系统 根据功 能划 分 ， 封装为可重用重构的软构件对象如组件、 构件、 功能体、 自主体、 智能代理等。当选用 C O R B A规范 标准以及 O R B对象总线 ， 作为信息重构集成的规范 标准时， 基于 C O R B A的遗 留系统的封装能满足任意 现有的和将来的客户要求 ， 方便地进行系统的重构。 3 层次资源信息模型 制造系统的重构 ， 可以看成是任务的分解 、 资源 的选取 、 任务的分配和资源 的调度等问题的解决过 程。因此 ， 在制造系统的重构过程 中， 制造资源信息 的表达是十分关键的。制造资源 的分布、 资源的拓 扑结构、 生产能力和状态等信息都是系统进行重构 的重要依据 ， 资源信息模 型的建立是实现制造系统 快速 重构 的基 础 ； 对 此 ， 可 采 用 支 持可 重 构 的 ， 基 于 面向对象方法 O O M和 S T E P标准的制造资源信息模 型表 达 方法 。 、 3 ． 3过 程诊 断技 术 可重构制造系统运行性能保障， 比传统 的制造 系统要求更高 ， 由于系统运行中的斜升效应 、 劣化效 应 和其他 因素与 效 应 的 影 响 ， 使 可 重构 系 统 的运 行 性 能在 寿命 期 内呈现 复杂 的状 况 。为 了保 证 可重 构 制造系统的可行性和效率 ， 缩短斜升期和劣化期 ， 必 须研 究系 统运行 性 能 的 测度 和评 价 ， 实 施 科 学 的 过 程诊 断技 术 ， 即过 程 中 的可 诊 断 性 问 题 。过 程 可诊 断性 定义 为 对 制 造 系统 运 行 性 能 的跟 踪 和 为 原 因 查找 、 诊断和控制提供有效信息 的能力。过程诊断 技术是实现系统重构的关键技术 ， 它保证 系统在运 行过程中具有 良好 的缺陷和故 障诊断能力 ； 可重构 制造系统的过程诊断技术， 必须适应具体 的制造活 动。 4结 语 目前 ， 可重构机床尚处在研究初期阶段 ， 有许多 技术 和 问题仍待 开 发 与研 讨 ； 将 开放 式 数 控 系 统 研 究 中 已取 得 的成 就 应 用 到 可 重构 数 控 系 统 中 ， 以开 放式 结构 控制器 为基 础 构成 可重 构 数 控 系 统 ， 使 系 统 开发人 员和 系统 用 户 可 以 更快 地 形 成 新 系 统 ， 通 过实际开发和使用表 明， 这种方法在数控 系统领域 具 有很 好 的应 用前 景 。 参考 文献 [ 1 ] 罗振壁 。 于学军 。 等 ．可重构性 和可重 构设计 理论 [ J ] ． 清 华大 学 学报， 2 0 0 4 5 5 7 75 8 0 ． C 2 ] F成恩．制造系统的可重构性 [ J ] ． 计算 机集 成制造 系统。2 0 0 0， 6 4 1 4 ． [ 3 ] 蔡宗琰， 杨旭东 。 严新 民． 可重构模 块化 机床的集成设 计[ J ] ． 机 床 与液压 。 2 o o 2 6 1 3 21 3 6 ． [ 4 】 张晓峰． 可 重构智能制造系统的基础研 究[ D 】 ． 南京 南京航空航 天大学 。 2 0 0 1 5 6 o一6 5 ． ’ C 5 3 贾延林 ． 模 块化设计 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 。 2 0 0 0 ． C 6 3 施进发 ． 机械模块学 [ M] ． 重庆 重 庆出版社 。 2 0 0 2 ． 【 7 ] 王剑彬 ． 超精密加工 机床的模块化设计【 J ] ． 组合 机床与 自动化 加 工技术 ． 2 0 0 0 6 3 0 3 2 ． 作者简介 梁睦 1 9 5 6一 。 上海人 ， 1 9 8 2毕业于西安矿业学 院机 械系机械设计 与制造专业 。 现为郑 州中原工学 院机 电学 院教授 。 担任 机械设计 。 机械设计基础课程教学 工作 。 已在国 内 C N刊物上发 表科 研论文 5 o篇 。 其 中核心期刊 3 O余 篇。 作为第一作者 的近 4 o篇 。 撰写 专著 1 部 ， 参加省级科研鉴定项 且 5 项 。 研究方 向为机械加 工工艺及 技术装备． 收 稿 日期 2 0 0 6 ． 0 4 ． 2 5 莱 芜 煤 机 厂 改 造 成 功 恒 压 变 频 供 水 系 统 由 山东煤矿莱芜机械厂 自行设计 、 制造的恒压变频供水系统 ， 经过紧张调试 、 于近 日投入使用 。 该系统采用 P I E控制 ， 通过文本显示器进行 供水 管网压力设定 ， 通过检测管 网压力 ， 利用变频器 内置 F I D进 行 自动 调节 ， 确保管 网压力保持恒定 。 在此之前 ， 该厂采用工频 5 O H z 供水 ， 由于水泵供水大于管 网需求 ， 达 到 0 ． 7 M P a 。采 用变频调速供水 以后 ， 频率一般在 4 3 4 5 H z 之问波动 ， 供 水压 力在 0 ． 5 M P a ， 完全满足管网需求 。通过 现场检测 ， 采 用变频调 速以后 ， 每小 时可节 电 2 O k Wh ， 节 电 率 达 3 o ％以上 ， 且水塔 通过 加装超声 波液位检测 ， 解决了水 塔溢流问题 ， 节约了大量宝贵的水 资源。 苗成标王益涛供稿 7O 维普资讯