专利名称：可重构切割机床的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械加工技术领域的装置，具体是一种可重构切割机床。
背景技术：
进入信息时代，制造企业面临激烈的竞争。传统的制造模式已经不能适应当今市 场快速变化和不可预测的环境。因此，未来的制造系统必须具备主动、快速适应外界环境变 化的功能，可重构制造系统正是在这一背景下提出的。可重构制造系统是最新的制造理念， 1999年被美国列为未来20年制造企业面临的十大关键技术的第一位。该制造系统包括多 方面的前沿技术，其中可重构机床是该系统实现的核心装备，也是该领域的研究重点之一。机床的发展历经了专用机床和CNC机床。专用机床的生产效率较高，适合单一品 种、大批量的生产。CNC机床能够适应多种产品的加工，但生产效率相对较低。可重构机床 的研究方向将吸取专用机床和CNC机床的优点，在生产效率和产品柔性方面进行优化，以 适合多品种小批量的生产需求。可重构机床是指在有限的功能模块库中，根据生产需求的 变化，在指定的工艺范围内，机床能够快速改变自身构型，满足需求。模块化的结构是可重 构实现的重要特征，这同重组机床有些类似。但可重构机床要求在生产过程中要随时改变 自身构型，这同重组机床在出厂后就不再改变自身构型有着很大的不同。总而言之，可重构机床吸取了专用机床和CNC机床的优点，在模块化结构的基础 上进一步开发适应多品种小批量生产需求的可变构型机床，仍是一项巨大的挑战。因此，目 前还没有一套完整的可重构机床设计方法。经过对现有技术的检索发现，国内外许多大学、科研机构都在进行该领域的研究。 其中，美国密歇根大学在该领域的研究比较领先，先后开发出两套可重构机床的原型机。具 体文献如1、Reconfigurable Machine Tools (可重构机床)· Annals of the CIRP，2001 50(1) :269_274 ;2、Dynamics of the arch-type reconfigurable machine tool (弧状 可重构机床的云力力学分析).International Journal of Machine Tools & Manufacture 47(2007)326-334。但上述现有技术都是针对某一种特殊类别的产品而进行的，比如汽车发动机的外 形等。国内浙江大学也进行过相类似的研究，以零件族为划分依据，将铣、车等工艺纳入可 重构规划。目前还没有相应的产品出现，停留在研究层面。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种可重构切割机床，具有标准的模 块化机械结构和界面；具有相贯线切割、平面切割等加工能力；在重构策略和重构方法的 流程化操作下，能够快速改变自身构型，满足需求变化。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括机床模块和与之相连接的控制 模块，其中控制模块接收加工任务并与机床模块相连接以输出的优化构型信息和运动信 息
所述的控制模块包括任务描述子模块、拓扑分析子模块、拓扑优化子模块、参数 分析子模块和参数优化子模块，其中任务描述子模块接收ERP系统的加工任务，分析后分 别输出至拓扑分析子模块和参数分析子模块，拓扑分析子模块将接收信息分解为商空间形 式的加工运动信息并输出至拓扑优化子模块，拓扑优化子模块从加工运动信息中优化选择 得到构型信息并输出至参数分析子模块，参数分析子模块将加工任务和构型信息合成可实 现构型信息并输出至参数优化子模块，参数优化子模块与机床模块相连接并输出优化构型 信息及运动信息。所述的机床模块包括基础底座子模块、工件运动子模块和割枪运动子模块，其中基础底座子模块置于水平地面之上，实现支撑作用；工件运动子模块和割枪运动子模 块分别根据控制模块的信息与基础底座子模块连接以及从各子集中选择模块。所述的优化构型信息包含基础底座子模块、工件运动子模块和割枪运动子模块之 间的连接顺序；所述的运动信息包含基础底座子模块、工件运动子模块和割枪运动子模块的子集 选择需求信息。所述的控制模块包括任务描述子模块、拓扑分析子模块、拓扑优化子模块、参数 分析子模块和参数优化子模块，其中任务描述子模块接收制造系统的ERP层的加工任务， 将其表述为$ =五MJ(CW C,)运+ 的形式，S卩(加工运动的李群描述)一[加 工运动的最大、最小值](局部参考坐标系、全局参考坐标系){加工运动的旋量描述}，其中 (加工运动的李群描述)将传递给拓扑分析子模块和拓扑优化子模块信息，[加工运动的最 大、最小值](局部参考坐标系、全局参考坐标系){加工运动的旋量描述}将传递给参数分 析子模块和参数优化子模块信息。拓扑分析子模块接收任务描述子模块信息，基于商空间 分析方法，将(加工运动的李群描述)分解为多个(加工运动的李子群描述1+加工运动的 李子群描述2)的形式，分别代表工件运动的李群描述和割枪运动的李群描述。拓扑优化子 模块接收拓扑分析子模块的信息，从多个(加工运动的李子群描述1+加工运动的李子群描 述2)中选择最优的一个，作为传递给参数分析子模块的信息。参数分析子模块接收任务描 述子模块和拓扑优化子模块的信息，从模块库中选择能够满足拓扑信息的模块，并按照拓 扑信息组成可重构机床，包含多种方案。参数优化子模块接收参数分析子模块的信息，从多 种实现方案中选择最优的一个，作为最终的实现方案，并传递给实体模块信息。所述的工件运动子模块用于完成被切割工件的各种运动实现，该工件运动子模块 内设有实现固定及平面切割运动的平板固定模块、实现旋转及相贯线切割运动的圆管转 动模块以及用于相贯线切割中方管的旋转驱动的方管驱动模块。模块的连接及选择依据控 制模块的信息。所述的割枪运动子模块用于完成割枪的各种运动实现，该割枪运动子模块内设 有提供电机、液压、气压等动力源的动力模块、改变动力源的方式及方向的传动模块、用于 夹持割枪的夹持模块和提供切割源的割枪模块，其中动力模块与传动模块相连接以传输 原始动力源，传动模块与夹持模块相连接以传递空间运动，夹持模块与割枪模块相连接以 传递空间运动，割枪模块实现最终的切割功能。模块的连接及选择依据控制模块的信息。
图1为本发明结构示意图。图2为本发明系统结构示意图。图3为本发明组件示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。如图1-图3所示，本实施例包括机床模块1和与之相连接的控制模块2，其中 机床模块1包括基础底座子模块3、工件运动子模块4和割枪运动子模块5，其中基础底 座子模块3置于水平地面之上，工件运动子模块4和割枪运动子模块5分别置于基础底座 子模块3之上并分别与控制模块2相连接以接收优化构型信息并完成加工任务；如图3a和图3b所示为所述的基础底座子模块3 ；如图2、图3c、图3d和图3e所示，所述的工件运动子模块4用于完成被切割工件的 各种运动实现，该工件运动子模块4内设有实现固定及平面切割运动的平板固定模块11、 实现旋转及相贯线切割运动的圆管转动模块12以及用于相贯线切割中方管的旋转驱动的 方管驱动模块13。如图2和图3f所示，所述的割枪运动子模块5用于完成割枪的各种运动实现，该割 枪运动子模块5内设有提供电机、液压、气压等动力源的动力模块14、改变动力源的方式及 方向的传动模块15、用于夹持割枪的夹持模块和提供切割源的割枪模块16，其中动力模块 14与传动模块15相连接以传输原始动力源，传动模块15与夹持模块相连接以传递空间运 动，夹持模块与割枪模块16相连接以传递空间运动，割枪模块16实现最终的切割功能。所述的控制模块2包括任务描述子模块6、拓扑分析子模块7、拓扑优化子模块 8、参数分析子模块9和参数优化子模块10，其中任务描述子模块6接收ERP系统的加工任 务，分析后分别输出至拓扑分析子模块7和参数分析子模块9，拓扑分析子模块7将接收信 息分解为商空间形式的加工运动信息并输出至拓扑优化子模块8，拓扑优化子模块8从加 工运动信息中优化选择得到构型信息并输出至参数分析子模块9，参数分析子模块9将加 工任务和构型信息合成可实现构型信息并输出至参数优化子模块10，参数优化子模块10 与机床模块1相连接并输出优化构型信息。所述的任务描述子模块6接收制造系统的ERP层的加工任务，将其表述为 $ = E^[Mm MiJCw C,)运+ 的形式，S卩(加工运动的李群描述)一[加工运动的最 大、最小值](局部参考坐标系、全局参考坐标系){加工运动的旋量描述}，其中(加工运 动的李群描述)将传递给拓扑分析子模块7和拓扑优化子模块8信息，[加工运动的最大、 最小值](局部参考坐标系、全局参考坐标系){加工运动的旋量描述}将传递给参数分析 子模块9和参数优化子模块10信息。拓扑分析子模块7接收任务描述子模块6信息，基于 商空间分析方法，将(加工运动的李群描述)分解为多个(加工运动的李子群描述1+加工 运动的李子群描述2)的形式，分别代表工件运动的李群描述和割枪运动的李群描述。拓扑 优化子模块8接收拓扑分析子模块7的信息，从多个(加工运动的李子群描述1+加工运动的李子群描述2)中选择最优的一个，作为传递给参数分析子模块9的信息。参数分析子模 块9接收任务描述子模块6和拓扑优化子模块8的信息，从模块库中选择能够满足拓扑信 息的模块，并按照拓扑信息组成可重构机床，包含多种方案。参数优化子模块10接收参数 分析子模块9的信息，从多种实现方案中选择最优的一个，作为最终的实现方案，并传递给 实体模块信息。本实施例通过以下方式进行工作(1)任务描述模块是重构控制模块2与制造管理层的接口，将接收到的加工任务 描述为标准的数学形式$ =五— [Mm MJiCw C,){S + YQ}这一数学形式综合考虑了拓扑设计、优化的需要以及参数设计、优化的需要。其中E表示运动类型的李群描述形式，包 括最基本的六种低副子群(转动R、移动P、螺旋H、圆柱C、球面S、平面G)及扩展子群(二 维平移T2、三维平移T3、螺旋平移Y、转动平移X)等；[Mm MJ表示运动空间的极大、极小值； (Cw C1)表示运动的参考坐标系是全局或局部，取值为0或1 ；仿+ 表示加工任务所需运 动的旋量形式。(2)拓扑设计模块将任务描述模块输出的拓扑任务分解为工件运动形式和割枪运 动形式。根据任务描述的形式不同，可以分为李子群、第一类子流形、第二类子流形，不同的 形式有不同的分解方法。李子群是构型综合的最基本运动单元，全部12种李子群为转动R、移动P、螺旋H、 圆柱C、球面S、平面G、二维平移T2、三维平移T3、螺旋平移Y、转动平移X、刚性连接E和三 平移三转动G。对于第一类子流形，构成乘积的运动就是商空间运动。对于第二类子流形，如果M1 η M2 = Φ那么M1 ·Μ2就是商空间分解。如果 M1 η M2 ^ Φ，那么似M1/M1AM2 .似2、M1 .似M21/M1AM2、似M1/A . ^M2…都是商空间分解。(3)拓扑优化模块将拓扑设计模块输出的运动序对中不符合切割工艺的去除掉。 从工艺角度看，需要淘汰掉的类型有两种。第一种，刀具的运动链长度大于工件的运动链长 度。第二种，割枪的运动链中存在R、S、H运动类型的。(4)参数设计模块依据拓扑优化模块输出的运动序对从模块库中寻找模块组合， 以实现运动序对，得到可实现的构型。拓扑优化模块得到的割枪和工件两个支路，都可以用 如下的形式表达Mt = Mtl · Mt2…Mtn，Mp = Mpl · Mp2…Mpn其中Mt和Mp分别表示刀具和工件运动链的运动类型，Mti和Mpi分别表示刀具和工 件的运动模块的数学形式。在上述描述基础上，循环计算Mil1Mi = Mtl--Mtn，直到Mfil1…Mi21Mil1Mi = I。(5)参数优化模块在上述得到的可实现机床结构中，还需要进一步优化，以得到最优的模块机床。一 般采用的目标有能耗最少旋量的互易积为模块的运动旋量同所受的力旋量的内积运算，其具有 瞬时功率的物理意义。例T(X)T(Z)的旋量表达为St = Stl *St2，其中Stl = Vtl · (000,100)， Stl = Vt2 · (000,001)。驱动 T(X)T(Z)的电机力螺旋可表示为 Ftl = · (100,000)，Ft2 =f21 (001,000), vtl vt2 f2分别为对应轴的运动速度和电机驱动力。因此驱动直线运动 产生T(x)T(z)的功率为W = / StloFtl+St2oFt20因此，可以列写下列优化目标min∑Wi重构成本最低在用户的使用过程中进行重构，特别需要考虑重构的成本问题。其 主要成本为时间成本、人工成本、配件成本。因此，面对一项新的需求，我们要尽量找到同 现有构型最接近的构型来完成该任务，以降低各项成本。因此，可以列写下列优化目标rninCosttime+Costhuman+Costsource实施效果在浦钢公司宽厚板轧机工程的成品火焰切割机组项目中，采用了该专利技术。正 常情况下的重构时间少于5分钟，该技术的采用将原有系统的运行效率提高了 1倍，平均准 备时间(管理时间、工艺准备时间)减少了 30%左右，每月间接创收20万元。(可参考上 海市计算机软件评测重点实验室测试报告，编号T20090414-JB01)
权利要求
一种可重构切割机床，包括机床模块和与之相连接的控制模块，其中控制模块接收加工任务并与机床模块相连接以输出的优化构型信息和运动信息，其特征在于所述的控制模块包括任务描述子模块、拓扑分析子模块、拓扑优化子模块、参数分析子模块和参数优化子模块，其中任务描述子模块接收ERP系统的加工任务，分析后分别输出至拓扑分析子模块和参数分析子模块，拓扑分析子模块将接收信息分解为商空间形式的加工运动信息并输出至拓扑优化子模块，拓扑优化子模块从加工运动信息中优化选择得到构型信息并输出至参数分析子模块，参数分析子模块将加工任务和构型信息合成可实现构型信息并输出至参数优化子模块，参数优化子模块与机床模块相连接并输出优化构型信息及运动信息；所述的机床模块包括基础底座子模块、工件运动子模块和割枪运动子模块，其中基础底座子模块置于水平地面之上，实现支撑作用；工件运动子模块和割枪运动子模块分别根据控制模块的信息与基础底座子模块连接以及从各子集中选择模块；所述的优化构型信息包含基础底座子模块、工件运动子模块和割枪运动子模块之间的连接顺序；所述的运动信息包含基础底座子模块、工件运动子模块和割枪运动子模块的子集选择需求信息。
2.根据权利要求1所述的可重构切割机床，其特征是，所述的工件运动子模块用于完 成被切割工件的各种运动实现，该工件运动子模块内设有实现固定及平面切割运动的平 板固定模块、实现旋转及相贯线切割运动的圆管转动模块以及用于相贯线切割中方管的旋 转驱动的方管驱动模块。
3.根据权利要求1所述的可重构切割机床，其特征是，所述的割枪运动子模块用于完 成割枪的各种运动实现，该割枪运动子模块内设有提供电机、液压、气压等动力源的动力 模块、改变动力源的方式及方向的传动模块、用于夹持割枪的夹持模块和提供切割源的割 枪模块，其中动力模块与传动模块相连接以传输原始动力源，传动模块与夹持模块相连接 以传递空间运动，夹持模块与割枪模块相连接以传递空间运动，割枪模块实现最终的切割 功能。
全文摘要
一种机械加工技术领域的可重构切割机床，包括基础底座子模块、工件运动子模块、割枪运动子模块、任务描述模块、拓扑设计模块、拓扑优化模块、参数设计模块和参数优化模块。本发明具有标准的模块化机械结构和界面；具有相贯线切割、平面切割等加工能力；在重构策略和重构方法的流程化操作下，能够快速改变自身构型，满足需求变化。
文档编号B23K7/10GK101844261SQ201010154488
公开日2010年9月29日 申请日期2010年4月24日 优先权日2010年4月24日
发明者徐文超, 曹志, 朱剑英, 殷跃红 申请人:上海交通大学