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文/江畔雨落
編輯/江畔雨落
前言
機器發展到今天已經走了很長一段路，從機械化時代取代人力，到自動化時代取代人類操作，現在進入了一個叫做自主化的新時代。
趨勢是通過使用嵌入式計算機、智能感測器和智能控制等先進技術使機器自主化，以便最終機器能夠在沒有人為干預的情況下自行運行。
模塊化可重構機器代表了這些智能機器的最高水平，因為它們能夠改變其結構以迅速適應新環境，執行新任務，甚至從損壞中恢復。
除了這些功能優勢外，模塊化可重構機器在經濟上比傳統機器更具優勢，基於可批量生產的模塊構建，整體成本更低，此外，由於消除了對全新機器的再投資的需要，因此經常性成本和交貨時間最小化。
儘管世界各地已經開發了許多模塊化可重構機器，但它們仍然主要基於傳統機器的方法，並根據具體情況對模塊化可重構機器進行了一些修改，因此必須發展一種新的理論來處理不同拓撲性質。
模塊化可重構機器的發展經歷了什麼？又是怎樣進行修改升級的呢？
模塊化可重構的研究
對模塊化可重構機器的研究是一個新興領域，研究活動發生在兩個領域：機器人和製造，在機器人領域，已經提出了許多有趣的模塊化可重構機器人，雖然這些可重構機器人是臨時提出的，但它們大致可分為三類：自組裝、自配置和手動配置。
自組裝機器人具有最高水平的可重構性，因為它們可以從自己的模塊自動組裝和拆卸，甚至可以自行生長，自配置機器人雖然不是自組裝，但可以在機器人系統通過某種形式的手動輔助組裝後執行自重新配置。
手動配置機器人是可重構機器人的最低級別，只能通過手動輔助重新配置，然而，在工業應用方面，由於其結構簡單，最後一種類型是最經濟和堅固的。
在製造領域，主要精力用於開發可重構機床，使用螺桿理論進行運動學分析和用於機器結構合成的圖論，進一步開發了可重構機床和相關控制系統的系統設計方法。
引入一種新的螺釘表示用於可重構機床的運動學建模，在工作中通過將所需的加工操作分解為一組任務矩陣來完成模塊選擇，然後將其映射到機床模塊，但是沒有明確的指南可用於確定任務矩陣。
隨著加工操作數量的增加，確定一組最小但足夠的任務矩陣變得相當困難，機床的模塊化設計已經研究了幾十年。
一些研究人員將機床結構分解為簡單的幾何形式，例如板、梁和盒子，他們的研究為柔性製造系統的機床設計做出了貢獻。
後來又有人改編了模塊化機床合成方法，並開發了一種枚舉機床模塊的方法。
採用模塊化結構的兩個主要好處是組件的標準化和設備的可重構性，特別是模塊化設計的優點。
這些優點可以簡單概括為設備可重構性、迅速引進新設備的可維護性、設計信息重用。
儘管傳統的機床設計記錄在中，模塊化設計記錄在中，但這些方法並未在可重新配置機床的背景下進行。
解決辦法
模塊化可重構機床系統設計方法包括三個步驟：模塊識別、模塊確定和布局合成。
第一步，從一系列通用機器中收集模塊組件以建立模塊庫。在第二步中，對於要加工的給定零件系列，從模塊庫中選擇一組所需的模塊，以構建所需的可重新配置機床。
在第三步中，通過考慮許多性能指標進行評估來決定最終的機器布局，基於這種方法，已經開發了一個軟體包，可以為給定的零件系列設計模塊化可重構機床。
模塊化可重構機床 基於構建塊進行設計，在此設計問題中輸入是一組要加工的零件，稱為零件組，每個零件共享一些加工特徵，但在其他特徵上有所不同。
輸出是可重新配置機床的最終設計，該機床可以通過重新配置使用最少的模塊集來加工零件系列中的所有加工特徵。
當將給定的零件系列輸入設計系統時，將根據刀具運動要求提取一組加工特徵並將其與機床模塊相關，這是第一步，稱為模塊識別。
然後將選擇並評估一組機器模塊，以形成一組最小的模塊，這是第二步，稱為模塊選擇，最後，將根據許多性能指標確定最終設計，這是第三步，稱為布局合成。
根據兩個核心功能為每台機器創建功能分類：運動和支撐，運動模塊包括旋轉和線性運動系統;支撐模塊包括機床床身和立柱。
這些模塊在第二個模塊中示出，它們的設計屬性在第三個模塊中示出，運動要求在最後一個模塊中示出，基於中總結的機床控制系統，可以為執行器和控制器創建類似的分類結構。
該庫用作加工特徵庫，加工特徵標識必須移除的材料體積，以便從初始庫存中獲得最終零件幾何形狀，以及驅動刀具進行加工所需的運動，通常稱為刀具接近方向。
可重構機床設計的基本思想是保留所有通用模塊作為基礎，同時嘗試減少不同任務所需的單個或類似模塊的數量，有人可能會爭辯說，通過簡單地組合所有六個模塊。
最終的機床將能夠在不重新配置的情況下加工所有特徵，然而這是多功能機床的傳統設計方法。
代價是加工零件系列中的每個零件時可能不需要額外的機床軸，可重新配置機床設計的本質是找到可以加工零件系列所有特徵的最小數量的機床軸。
如果通過將單個模塊重新配置，模塊總數將減少到五個，但是其他兩個單一模塊不能簡單地通過重新配置來替換。
普通模塊作為基礎，類似模塊用於重配置設計，單數模塊由於用途單一，一般無法設計重配置。
選擇模塊後，將生成布局以形成所需的可重新配置機床，採用樹形圖枚舉演算法，第一步是通過定義枚舉約束。
執行枚舉和檢查同構來枚舉所有通用布局，廣義布局生成的枚舉約束為頂點數、吊墜頂點數、最大數量的解決方案，頂點數設置為等於所選模塊組件數，吊墜頂點的數量根據加工要求設置。
所採用的布局枚舉演算法是一種用於生成根樹類型布局的不斷增長的演算法，該演算法通過分配頂點數、變數的初始值和約束常量來初始化。
此時樹形圖中只有一個頂點，然後將新頂點載入到樹圖中，並通過將新頂點與現有頂點連接來生成解決方案。
可以通過將第二個頂點與根頂點連接來創建一個解決方案，載入折點將繼續，直到生成所有可能的解決方案或解決方案的數量超過最大值。
生成新布局時，該布局可能與現有布局之一同構，因此在溶液生成期間執行同構檢測，該方法需要首先檢查樹是否紮根。
如果樹沒有紮根，則確定樹的中心並被視為有根，找到樹中心的一種方法是重複刪除連通性為 1 的所有頂點，直到留下單個頂點或兩個由邊連接的頂點。
如果頂點是唯一剩下的頂點，則頂點是樹的中心，如果剩下兩個頂點，將有兩個單獨的中心。
樹紮根後，將應用同構檢測演算法，廣度優先搜索或深度優先搜索方法都可以用於此目的。
創建通用布局下一步是通過將通用布局中的頂點替換為模塊組件，將通用布局轉換為專用布局。
為了便於說明對模塊組件進行，此模塊組件上有兩個連接埠，其中一個是稜柱形埠，另一個是固定埠。
在這項工作中考慮三種不同類型的連接埠：稜柱形埠、迴旋埠和固定埠，稜柱形埠是指其坐標系能夠沿其自身的移動特定範圍內的距離的連接埠。
對於給定的零件系列，通過提取其加工特徵，可以正確選擇相應的模塊集，從中可以對許多機床配置進行分組，通過重新配置組合單個或相似的模塊，可以確定最少的模塊集。
然後可以執行布局綜合過程以生成基於樹形圖演算法的通用布局，並通過檢查所選模塊來減少它們以創建特定的布局。
結合模塊化機床設計的三個重要問題，即可重構性、剛度和誤差敏感性，通過布局評估過程找到基於組合指標的最終設計。
參考文獻：
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