基于模块化的可重构机床设计方法

摘要

一种基于模块化的可重构机床设计方法，包括如下步骤：步骤一，基于参数化设计的模块创建；步骤二，模块编码系统研究，利用遗传算法理论对各模块进行系统编码；步骤三，模块优化设计，将编码模块进行结构优化；步骤四，进行拓扑构型，利用图论设计可重构的功能拓扑结构，表达各个功能之间的拓扑关系，并选择可重构机床的拓扑结构；步骤五，模块自动装配，根据步骤四已选择的可重构机床的拓扑结构，建立参数化的模块库并从其中选择机械模块，装配生成整个可重构机床；步骤六，机床性能评价研究，从技术性能和经济性能进行评价研究。本发明通过模块的重构迅速满足零件加工的某些变化需求，提供无冗余功能的机床，实现功能与成本的最优化。

主权项

1.一种基于模块化的可重构机床设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一，基于参数化设计的模块创建；步骤二，模块编码系统研究，利用遗传算法对各模块进行系统编码；步骤三，模块优化设计，将编码模块进行结构优化；步骤四，进行拓扑构型，利用图论设计可重构的功能拓扑结构，表达各个功能之间的拓扑关系，并选择可重构机床的拓扑结构；步骤五，模块自动装配，根据步骤四已选择的可重构机床的拓扑结构，建立参数化的模块库并从其中选择机械模块，装配生成整个可重构机床；步骤六，机床性能评价研究，从技术性能和经济性能进行评价研究；其中：步骤一中所述基于参数化设计的模块创建，是指针对不同可重构机床类型：包括加工中心、铣床、磨床、钻床、车床和拉床，对可重构机床的各个模块进行参数化设计；根据机床大类建立参数化功能模块库：包括床身、立柱、工作台、主轴、刀库、转台和滑台，基于参数化设计的模块创建为可重构机床系统设计建立基础；步骤二中所述模块编码系统研究是指：对于建立的参数化设计的模块进行合理编码，利用数值编码系统对各个模块进行系统分类编码，有利于后期可重构调用，建立基于遗传算法的模块分类模型可以更直观的表达可重构机床所需执行的运动的顺序和关系；自适应遗传算子操作：在进化过程中，为保证不陷入局部最优，引入适应度变化率参数CR来衡量上下两代种群的变化：$\mathrm{CR}=\frac{{\mathrm{fit}}_t^{\max }-{\overline{\mathrm{fit}}}_t}{{\mathrm{fit}}_t^{\max }-{\mathrm{fit}}_t^{\min }}/\frac{{\mathrm{fit}}_{(t-1)}^{\max }-{\overline{\mathrm{fit}}}_{(t-1)}}{{\mathrm{fit}}_{(t-1)}^{\max }-{\mathrm{fit}}_{(t-1)}^{\min }}$其中和分别是第t代种群中最大适应度值、最小适应度值和平均适应度值，CR表示上下两代种群表示在适应度值上的差率；如果CR过大，种群有可能进入局部最优，需要降低交叉和变异算子；如果CR过小，进化的速度减弱，可以实时地加大交叉和变异算子；自适应遗传算子的变化可按如下式子求得：步骤三中所述模块优化设计，针对不同的模块进行数字结构优化，除去传统设计机床的笨重冗余部分，最大限度提高整机的结构水平和使用灵活性，实现功能和成本的最优化；步骤四中所述进行拓扑构型，具体如下：(a)利用有向图来表达可重构机床的拓扑结构，其顶点代表机械模块实体，有向边代表相连接机械模块之间的运动关系和连接方式；(b)将机械结构的基本运动分配到建立的拓扑结构图上，每一个确定的功能，被分配到拓扑结构图的有向边上，另外改变基座位置得到相应的结构方案，功能映射完成运动的影射，同时完成基座的映射；(c)在完成运动映射及基座映射后得到的多种结构配置中，选择一个或一类拓扑结构作为设计可重构机床的依据；步骤五中所述模块自动装配是指：建立参数化模块库中选择机床模块，模块自动组装，根据步骤五所建立的拓扑结构，从模块库中选取机床模块，选取出与各个顶点相匹配的机床模块，使得选取的机床的齐次矩阵的乘积等于目标矩阵：M₁M₂M₃gggM_n＝T_w式中，M_n-第n个模块的齐次变换矩阵，T_w-任务目标矩阵，w工件表示。