2022年组合机床设计方案模块化建模方法外文文献 .docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用毕业设计 论文> 外文资料翻译设计题目 : 取力箱箱体工艺及装备设计译文题目 : 组合机床设计的模块化建模方法附件 1：外文资料翻译译文组合机床设计的模块化建模方法图尔加· 埃萨尔美国密歇根高校争论生争论助理机械工程系安阿伯Ann Arbor tersal umich.edu 杰弗里 L· 斯坦美国密歇根高校机械工程学系教授 卢卡斯· 卢卡 塞浦路斯高校机械与制造工程讲师部Ann Arbor stein umich.edu lsloucaucy.ac.cy 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用摘要 在市场需求讯息万变的情形下,为提升工业竞争力,称为组合 机床<RMTs）的新一代机床应运而生；为这些机床的高效设计,就须 提出新的方法和工具；这是本文提出组合机床伺服轴模块化建模方 法的目的,而这也只是努力进展集成的组合机床设计和掌握环境的 一部分；该机床的组件被模块化,这样就可以将相应的组件基于机 床拓扑学装配起来得到任何特定的配置模型；组件模型使用内置的 图形代码以促进所需模块库的直接进展；这些机床模块可用于评 估,设计和机床伺服轴的掌握；这种方法已有实践证明,人们对其 优缺也有肯定熟悉；结果说明,该方法是实现自动化和集成的机床 设计环境很有期望的一步；人们对完成这个目标所要面对的挑战也 进行了探讨；引言 不断增长的竞争迫使制造商更快速地响应需求的变化；因此,制造商必需面对产品市场周期短,过渡时期短,型号和量变化频繁 的情形,而且不能影响产品质量和成本；作为制造系统的核心,改进的机床在满意上面提到的需求上把 握着关键技术；传统的机床在专用和柔性上的缺点今更胜昔：因其 设计的重点在单一部件,使专用设备缺乏柔性机床所具备的敏捷性 和可扩展性；另一方面,柔性机床无法实现鲁棒性,高的成本效益 和专用设备全部的生产量水平；名师归纳总结 新一代机床在美国密歇根高校工程技术争论中心由Ann Arbor第 2 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用主持开发,为的是克服现有生产系统的不足部分为可重构制造系统 而开发；这些机床称为组合机床 <RMTs）2 ,它们结合了专业和敏捷的优点；它们环绕一个零件族和他们的结构 设计,在硬件和软件方面,可以快速的转变,经济有效地实现精确 的功能和满意设备需求 3 ；含多种配置,供应所需柔性和可扩展性,RMTs本质上导致了更复杂的机床设计问题；帮忙促进 RMTs设计的方法和工具将很大的促进可重构制造系统的应用4-6 ；RMTs设计问题的一个重要方面是进展动态模型的设计,伺服轴的掌握和赋值；使 RMTs建模问题特殊 的是,即使仅有一台机床,也和存在几种不同的配置,且单独的模 式,必需开发；为全部可能的配置开发动态模型可能是一个繁琐和 费时的任务,即使利用了特殊的方法；而且,没有系统的方法建模 将需要大量的专业学问,并简洁出错,从而降低了设计中使用模型 的效率；本文提出了一种方法,可以有助于削减RMTs建模的时间,出错和麻烦；这一方法的核心思想是利用 RMTs的模块化结构的优势,采 取 RMTs模块化建模方法的建模概念；第一,RMTs的物理组件的模块化建模方式是使用键合图建模工具 7 ；该 键合图模型被封装在一个定义的连接端口的示意图中；然后,原理 组件模型依据给定的配置拓扑来组装猎取配置模型；配置模型很容 易与非动部件如插补器和掌握器结合,这可用条形图便利表达；但 是这超出了本文的范畴；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用背景RMTs概念是由科伦和哥打 2 提出,从那时起, RMTs的设计就是一个活跃的争论领域；设计RMTs4的方法、工具以及评判结构刚度 5 和提示错误 6 设计的替代工具已经开发出来；然而,开发 一个系统级建模方法的问题仍没有解决；传统上,机床模型描画伺服电机和驱动装置为第一或其次阶系统8,9 ；然而,陈和特卢斯季认为一旦采纳了高速机床伺服驱动的结构动力可能会影响系统性 能 10 ；很多争论人员认定需要协作结构动力学在高速机床上使用高阶模型,以便能够胜利设计其掌握系统11-13 ；这些论述清晰地说明,机床建模不是一项简洁的任务和考虑复杂模型时必需要细 心,但他们没有供应系统的建模方法,因此,仍旧得应用特殊方 法；为有助于设计和掌握机床伺服驱动,仍有人努力做自动仿真模 型的争论；威尔逊和斯坦开发了一个叫建模助手的软件程序能在一 个给定的影响范畴内自动创成机床驱动系统微型模型 <FROI）14 ；该模型包括飞轮、一个扭转轴、一滚珠丝杠、一滚珠直流电动机、一个扭转连接键、带驱动和齿轮副的组成部分,其复杂性自动增 加,直至超过规定 FROI的特点值；这项工作仅是一个概念模型推演 法就的证明,不能适用于任何真正的机床系统；不过,这种方法可 以用来确定进展系统模型时其复杂性是否适当；戈蒂埃等已经开发出一种名为SICOMAT的软件包 <仿真与掌握的机床分析）,这有助于建模,仿真,模态分析和掌握器的一倍或两名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用倍减震或两个机床轴耦合15 ；他们的模型由大量的模块和弹簧描述机械系统的动态特性；这项工作使得机床的建模过程更加系统,因此对建模工程师来讲是很有价值的工具,但它缺乏 RMTs设计方式所要求的普遍性、模块性和柔性；RMTs建模方法如图 1 显示了所设想的 RMTs建模环境；这对于实现RMTs建模任务自动化是抱负的,而特定的 RMTs的配置模型自动从标准组件模块库组装；这样全部人 工或自动产生的候选设计都可以快速模拟,而其模型可用于就它们 的伺服轴动态性能和帮忙设计方面评判候选方案,如图一所示,模块化组件模型库是一个自动的RMT建模环境的重要组成部分；因此,拟议方式的第一步就是为了开发用于生成 RMT配置组件的标准 模型；本文将重点放在机械零件上,并争论了它们模块化的建模方 法；由于机械部件之间相互影响,促成它们的模块化；更好玩的造型；只沟通如插补器和掌握器信号的模块化建模的 组件,提出了一种比较简洁的问题,这儿不再争论；为促进模块化 和使组件与环境之间的能量沟通更简洁,键合图被作为了建模语 言；键合图供应电力的物理系统的图形表示；此外,键合图用统一的方式描述了不同的能源领域,这对RMTs建模是相应的优势,由于他们的伺服轴可能包括来自不同领域如机械、电气或液压的组件；键合图只是用在这项工作中模型表达分级结构中的一级；键合图下 一水平的数学方程式代表键合图表达的物理现象,这种数学表达只 是层次结构中的最低水平；最高级别的键合图都被封装在一个示意名师归纳总结 图中,这不仅表现紧凑,而且仍显示与环境融合的连接端口；图2第 5 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用说明白这种层次模式表达；这篇论文全部的模型显示在原理层次,由于本文的目的不是讨 论他们的来历,而是想一旦得到这些模型能够做些什么；本文所用 模型的具体描述在 16 中都可以找到；为了能够应对任何经受不同 配置的机械部件的空间运动,使用了捕获三维动态的模型；此外,最初的假设是,在机械领域范畴内全部组成部分都可作为刚体充分 表达；图 3 所示的有 N 连接端口的一般刚体是模块库中的一个主要模 块；对应于刚体上爱好点的端口,与环境发生物理上的交互；关系 用于指示端口是原子端口,如主要部分能通过端口与所处环境交换 能量；而现行的关系就指出了信号端口；只有信息通过这些端口传 输；模型库仍包含三维连接模块可用于描述构件模型的相关运动；这些联合模块和端口也以标准开发,这样他们可以连接到其他模型模块；该库供应了两种方法来表达制约因素：<1）硬的弹簧和减震器可以用来实现更现实的限制,或近似抱负的限制；<2）拉格朗日 乘数可以引进来表达抱负约束；对于联合模块的论述读者也被称为 16 ；一旦模型库由一些基本的模块化刚体和模型组建,建模过程 可以进行如下： RMT构件被分解成单件,每个单件与库中的模型相 关；假如库中的模型模块都不能完全描述这个单件,那么必需开发 一个新的相关模块并添加到库中；然后,模型依据构件拓扑并使用 必要的结合块组装；一旦获得组件模型,它可以储备在库中备用；最终,组件模型依据给定的配置拓扑获得该配置模型的组装；这个名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用过程可以用图 4 的流程图及以下部分的例子赐予证明；实例下面两个例子给提议的建模方法一个概述；第一个例子显示了一个幻灯片建模和其次个例子采纳该幻灯片模式进展为 RMTs模式；这些例子的目的是供应一个关于组件的模块化如何用在建模流程中的总体思路,而不是说明每个<子）组件如何识别和建模的具体信息；因此,该模型模块的细节如它们的复杂程度都没有争论；滑动体建模是大多数机床工具基本组成部分,包括 RMTs；不同的 RMTs配置可以通过添加 / 删除滑动体获得或重新配置现有结构中的滑动体；因此演示一个滑动体建模流程是有益的；参看图 5 所示的滑动体；这是假设的构成部分即如下列图；本示例的目的,全部除电机外的子构件可以像刚体与各连接点样建模；电动机的动力可分为两个用途：三维架构刚体动力和驱动转子和定子之间旋转运动的机电动力；电动机猎取双领域动力的模型也已经开发出来,其示意图由图 6 给出；弓形 RMT的模型是由美国国家科学基金会工程争论中心可重构制造系统在密歇根高校开发的,是世界上第一个完整规模的 RMTs；这是一个 3 轴机床,其设计环围着具有五个不同表面族,这些表面倾角变化范畴从 - 15 ° 至 45 ° ,一次增量 15 ° ；它仍具有如磨削、钻削加工任意角度的柔性；弓形RMT的可重构性来自于主轴单元,它可通过弓形模块的弯曲导向槽移动从而在上面提到的 5 个角度得到配置,然后在任意一个位子上由机械挡块固定；为了举例假名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用设基本模块是完全相同的,并对机床没有动力的影响；该工作台、圆柱、主轴基本上都是滑动体,其模型都以上述滑动体模型为基 础；该拱被建模为刚体并带有与每个机械挡块连接的端口；最终,该拱式 RMT模型按实际机器的拓扑结构组装；要留意这个数字显示 的模型只是配置之一；其他配置的模型可通过转变拱模型连接端口 得到；既然模型已组装,运动方程可以自动从图形模式得出,并执行 仿真；尽管数学模型预备好了,由于当前缺乏好的系统参数估量,我们不能在本文中供应任何仿真结果；一旦参数值可用仿真就很容 易进行；争论本文中标准建模和分级建模概念被确定为RMTs建模方法的主要特点； RMTs的模块化结构使这种建模方法很有好处,由于这些模型包含了全部可重构的重要特点 17 ：1模块化： <子）组件建模模块化 2可集成：该模块可以通过其连接端口与其他模块集成 3定制：具体程度包括了模型模块都可为单个组件进行定制 4可重构性：模型可以很简洁地从一个配置转换到另一个 5诊断性：可便利地进行模块的模型验证本文介绍的方法可以将建模任务分为两个步骤：<1）开发组件模型； <2）装配配置模型；虽然第一步仍旧需要大量的建模学问,第 二步更系统,甚至将来要实现自动化；此外,两个步骤各有侧重：名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用第一步的重点是组件内动态,而其次个步骤重点是组件之间的动态；相对于伺服轴建模现有的方法,各个不同的RMTs配置都是一个潜在的新建模问题,本文提出的方法答应配置模式更快的进展；配 置可以使用库中的模型模块快速组装,假如如此,使用在给定配置 的全部组件在模库中都有对应的模块；因此,一个完善的模型库对 这一方法的有效性是必不行少的；对机床的机械部件三维多体建模方法推动了机械领域的模块 化；因此,机床滑动模型可用于任何配置,例如在一个滑台移动有 更多约束的环境下而不需要特殊的滑台模型；以多体的方法,开发 通用组件模型可以没有组件接口的先验学问；然而三维多体方法的 一个缺点是通用模型可能比某一实际配置的需求更复杂；例如,在 给定的配置中一个组件可能只是被限制在一个平面运动中,在这种 情形下,三维模型就过复杂了；该模型应当简化,否就模型中不必 要的复杂性降低了模型的运算效率；拟议的模块化建模方法将从集 成模型降阶算法中受益；这将是今后工作的重点；目前,该机构被认为是刚性,这并不总是很接近；为了能够研 究结构动力学的影响,柔性的机构模式也应开发并添加到模库内；最 后 , 值 得 注 意 的 是 商 业 可 用 软 件 包 如 ADAMS,、 DADS、EASY5、 Dymola 等也可用于 RMTs建模的目的；然而,实行统一强大的键合图供应的功能 基础方法,并简化将来的模式使其更易于实施,那么键合图就被选名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用为建模语言；概要和结论 模块化建模方法被提议作为组合机床建模方法；这些部件在标 准方式下建模,这么做的目的就是为了在组建给定的机床配置模型 时只需将相应的模块组装就可以了；本文给出了两个例子来说明这 种方法,并且争论了这种方法的优劣；这项工作的结果说明,RMTs的模块化建模问题可以使建模过程系统化,这样对于在职工程师来讲要获得自动的设计建模环境有潜 在的用处；但是如在争论中所强调的那样,仍旧有很多挑战需要在 自动化建模环境切实执行之前落实；致谢这项工作是在欧洲经济共同体9529125 授权下由国家科学基金会可重构制造系统工程技术争论中心支持的；参考1 Mehrabi, M. G. and Ulsoy, A. G., 1997, State-of-the-Art in Reconfigurable Machining Systems , ERC/RMS TechnicalReport, University of Michigan, Ann Arbor2Koren, Y. and Kota, S., 1999, Reconfigurable MachineTool, U.S. Patent 5,943,750名师归纳总结 3Landers, R. G., Min, B. K., Koren, Y., Annals of the CIRP, 第 10 页,共 24 页2001, “ Reconfigurable MachineTools” ,Vol.50/1, pp. 269 274- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用4 Moon, Y-M., 2000, Reconfigurable Machine Tool Design:Theory and Application , Ph.D. dissertation, Department ofMechanical Engineering, The University of Michigan, Ann Arbor, MI 5 Yigit, A. S. and Ulsoy, A. G., 2002, “ Dynamic StiffnessEvaluation for Reconfigurable Machine Tools IncludingWeakly Nonlinear JointCharacteristics” , Proc. IME, Part B:Journal of Engineering Manufacture , Vol. 216/B1, pp. 87-1016 Moon, S-K., 2002, Error Predication and Compensationof Reconfigurable Machine Tool Using Screw Kinematics ,Ph.D. dissertation, Department of Mechanical Engineering, TheUniversity of Michigan, Ann Arbor, MI 7 Karnopp, D. and Rosenberg, R. C., 1975, SystemDynamics: A Unified Approach, John Wiley & Sons8 Koren, Y., 1984, Numerical control of machine tools, Khanna, Nai Sarak, Delhi9 Gross, H., 1983, Electrical feed-drives for machine tools, John Wiley & Sons.10 Chen, Y. and Tlusty, J., 1995, “ Effect of low-frictionguideways and lead-screw flexibility on dynamics 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用of high-speed machines ” , Annals of the CIRP , Vol. 44/1, pp. 353-356 11 Pritschow, G., Bretschneider, J., Fahrbach, C., 1996, “ Control of High Dynamic Servo Axes for Milling Machines” , Production Engineering, Vol. 3/1, pp. 63-68.12 Smith, D. A., 1999, Wide Bandwidth Control of High-Speed Milling Machine Feed Drives , Ph.D. dissertation,Department of Mechanical Engineering, The University ofFlorida, Gainesville, FL 13 Poignet, Ph., Gautier, M., Khalil, W., 1999, “ Modeling,control and simulation of high speed machine tool axes” , IEEE/ASME International Conference on Advanced IntelligentMechatronics , pp. 617-622 14 Wilson, B. H. and Stein, J. L., 1993, "Model BuildingAssistant: An Automated Modeling Tool for Machine Tool Drive Systems", Proceedings of the 1993 InternationalConference on Bond Graph Modeling , Vol. 25/2, pp. 169-17815 Gautier, M., Pham, M.T., Khalil, W., Lemoine, Ph.,Poignet, Ph., 2001, “ SICOMAT: A system for simulation andcontrol analysis of machine tools” , IEEE/ASME InternationalConference on Advanced Intelligent 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用Mechatronics , Vol. 1, pp.665-67016 Ersal, T., Stein, J. L., Louca, L. S., 2004, “ A Bond GraphBased Modular Modeling Approach towards an AutomatedModeling Environment for Reconfigurable Machine Tools ” , Proceedings ofthe1st International Conference on IntegratedModeling and Analysis in Applied Control and AutomationPart of the 1st International Mediterranean ModelingMulticonference> , Genoa, Italy, October 28-3117 Koren, Y., Heisel, U., Jovane, F., Moriwaki, T., Pritschow,G., Ulsoy, A. G., Van Brussel, H., 1999, “ Reconfigurable Manufacturing Systems” ,Annals of the CIRP, Vol. 48/2, pp.527-540附件 2：外文原文A MODULAR MODELING APPROACH FOR THE DESIGN OFRECONFIGURABLEMACHINE TOOLSTulga Ersal Graduate Student Research AssistantDepartment of MechanicalEngineeringUniversity of Michigan, Ann Arbortersalumich.edu Jeffrey L. Stein ProfessorDepartment of Mechanical EngineeringUniversity of Michigan, Ann Arborsteinumich.edu Loucas S. Louca LecturerDepartment of Mechanical and ManufacturingEngineeringUniversity of Cypruslsloucaucy.ac.cy ABSTRACT A new generation of machine tools called Reconfigurable Machine Tools RMTs> is emerging as a means for industry to be more competitive in a market that experiences frequent changes in demand. New methodologies and tools 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用arenecessary for the efficient design of these machine tools. It isthe purpose of this paper to present a modular approach forRMT servo axis modeling, which is part of a larger effort to develop an integrated RMT design and control environment. The components of the machine tool are modeled in a modularway, such that the model of any given configuration can beobtained by assembling the corresponding component models together based on the topology of the machine. The component models are built using the bond graph language that enables thestraightforward development of the required modular library.These machine tool models can be used for the evaluation,design and control of the RMT servo axes. The approach is demonstrated through examples, and the benefits anddrawbacks of this approach are discussed. The results show that the proposed approach is a promising step towards anautomated and integrated RMT design environment, and thechallenges in order to complete this goal are discussed. INTRODUCTION The ever-growing competition forces manufacturers to respond more quickly to changes in demand. As a result, manufacturers have to deal with short product life cycles, short ramp-up times and frequent changes in product mix andvolumes, without compromising product quality and cost.Being the heart of a manufacturing system, improvedmachine toolshold the key in meeting the above mentionedrequirements. Theshortcomings of conventional machine tools,which can be classified as dedicated and flexible, are being feltmore today than in the past: With their design focus being asingle part, dedicated machines lack the flexibility and scalability that the flexible machines offer. On the other hand, flexible machines cannot achieve the robustness, the cost-effectiveness and thethroughput levels of dedicated machines1. A new generation of machine tools is being developed in theEngineeringResearch Center for Reconfigurable Manufacturing Systems at the University of Michigan, Ann Arbor, as part of an effort to overcome the insufficiencies ofcurrent manufacturingsystems. These machine tools are calledReconfigurable Machine Tools RMTs> 2, and they combinethe advantages of their dedicated and flexible counterparts.They are designed around a partfamily and their structure, in terms of both hardware and software, can bechanged quickly and cost-effectively to achieve the exact functionality and capacitydesired 3. Containing several configurations to provide the neededflexibility andscalability, RMTs intrinsically lead to morecomplex machine tool design problems. Methodologies andtools that would help facilitate the design ofRMTs could highly benefit and encourage the employment of reconfigurable manufacturingsystems 4-6. One important aspect of the RMT design problem is developing dynamic models for the design, evaluation andcontrol of servo axes. What makes the problem ofmodelingRMTs unique is that even though there is a single machine tool,there exist several configurations, which separate models haveto be 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用developed for. Developing dynamic models for all possible configurations could be a cumbersome and time-consuming task if adhoc methods are utilized. Moreover, without a systematic methodology modeling would require alot of expertise and would be prone to errors, which woulddegrade the efficiency of using models in the design.In this paper we present a methodology that could help make the RMT modeling task less time demanding, less error-prone and less challenging. The key idea of this methodology is to take advantage of the modular structure of the RMTs andadopt modular modeling concepts into the RMT modelingmethodology. First, the physical components of an RMT aremodeled in a modular way using the bond graph mode