可重构机床的模块化设计与分析方法研究

可重组制造系统可解决不可预测、快速多变和不断增强的全球化市场竞争等一系列问题，其中可重构机床是其核心的硬件设备基础。为此，本课题基于系统快速重构的特征，首先提出可重构机床的模块粒度划分及其相关性分析。以机床功能为依据，通过子功能与结构映射分析满足功能的部件结构，求解满足设计功能的机床模块划分。其次，对产品特征与生产工艺进行聚类，分析机床功能模块与相应工艺之间的相关性，实现从模块功能域到模块结构域的映射过程。构建机床全生命周期的的重构优化策略，为机床配置方案提供理论基础。最后，建立可反映机床动态特性的动力学模型，采用嵌入式分析方法对零部件和整机进行动静态性能、物理几何结构和误差性能的系统分析，预测模块化机床重构后的使用功能。将上述研究成果应用到生产实践中，有利于及时调整加工设备的生产能力及生产功能，从而动态响应订单变化。

面对全球日益激烈的市场竞争和快速变化的客户需求，定制、快速、个性化是机床产品新的发展趋势。可重构机床的模块化设计方法研究能快速响应企业的个性化需求。本项目从可重构机床的模块划分、可重构配置与机床动静态性能分析出发，构建了适合可重构机床快速模块化设计框架，形成了一个适合机械行业可重构机床模块化设计的方法，为机床行业的发展奠定理论基础。. 主要研究内容及成果可归纳如下：. （1）可重构机床模块化设计过程中，合理的模块划分粒度是可重构机床进行快速和最优配置、重构的基础。机床模块划分研究包括工艺规划、机床功能分解、功构映射关系和子功能相关度。根据客户需求进行工艺规划和模块划分，提出了面向机床结构可重构设计的多零件工序族工艺规划方法，对不同客户需求建立相应的功构映射关系，为可重构机床的模块化设计提供了基础。. （2）依据机床功能-结构相关性，构建了基于多目标约束的可重构机床配置模型，分析了其可配置性、经济性和可靠性，建立了可重构机床的快速配置、重构优化策略。根据可重构机床配置生成机理与图重写规则的重写操作相似性，提出了一种基于图重写规则的可重构配置规划方法，利用图重写规则对节点有无标识、边的标识属性和图表示有向、无向等约定进行操作，可有效地对可重构机床进行快速配置重构，减少了重构斜升时间。. （3）可重构机床的性能分析方法包括对嵌入式机床模块和整机进行动静态性能分析，以及物理几何结构和误差性能的系统分析，并预测模块化机床重构后的使用功能。在模块动态性能设计的基础上，建立了整机有限元模型，利用变量化分析方法对机床进行了模块化动态设计，使机床在模块筋板、模块框架和导轨滑块结合部等方面得到了综合优化，并基于非参数化方法结合有限元分析技术对机床主轴-刀柄结合面非线性动态特征参数进行了识别，进而提升了整机的动力学性能。. （4）构建了基于模块化的可重构机床配置重构规划系统框架，利用Visual C++平台建立了基于模块化的可重构机床配置重构规划系统。系统包括五个主模块：机床整机库模块、功能模块库模块、配置任务管理模块、配置设计模块和重构设计模块。实现了机床产品工艺聚类、工艺-结构映射、配置设计和重构设计等功能，有效解决了利用动态数据库对客户需求进行工艺规划的问题，实现了可重构机床的模块化设计。