可重構(gòu)機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)與分析方法研究結(jié)題摘要

面對(duì)全球日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和快速變化的客戶需求，定制、快速、個(gè)性化是機(jī)床產(chǎn)品新的發(fā)展趨勢(shì)。可重構(gòu)機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)方法研究能快速響應(yīng)企業(yè)的個(gè)性化需求。本項(xiàng)目從可重構(gòu)機(jī)床的模塊劃分、可重構(gòu)配置與機(jī)床動(dòng)靜態(tài)性能分析出發(fā)，構(gòu)建了適合可重構(gòu)機(jī)床快速模塊化設(shè)計(jì)框架，形成了一個(gè)適合機(jī)械行業(yè)可重構(gòu)機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)的方法，為機(jī)床行業(yè)的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。 主要研究?jī)?nèi)容及成果可歸納如下： （1）可重構(gòu)機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)過程中，合理的模塊劃分粒度是可重構(gòu)機(jī)床進(jìn)行快速和最優(yōu)配置、重構(gòu)的基礎(chǔ)。機(jī)床模塊劃分研究包括工藝規(guī)劃、機(jī)床功能分解、功構(gòu)映射關(guān)系和子功能相關(guān)度。根據(jù)客戶需求進(jìn)行工藝規(guī)劃和模塊劃分，提出了面向機(jī)床結(jié)構(gòu)可重構(gòu)設(shè)計(jì)的多零件工序族工藝規(guī)劃方法，對(duì)不同客戶需求建立相應(yīng)的功構(gòu)映射關(guān)系，為可重構(gòu)機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。 （2）依據(jù)機(jī)床功能-結(jié)構(gòu)相關(guān)性，構(gòu)建了基于多目標(biāo)約束的可重構(gòu)機(jī)床配置模型，分析了其可配置性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，建立了可重構(gòu)機(jī)床的快速配置、重構(gòu)優(yōu)化策略。根據(jù)可重構(gòu)機(jī)床配置生成機(jī)理與圖重寫規(guī)則的重寫操作相似性，提出了一種基于圖重寫規(guī)則的可重構(gòu)配置規(guī)劃方法，利用圖重寫規(guī)則對(duì)節(jié)點(diǎn)有無標(biāo)識(shí)、邊的標(biāo)識(shí)屬性和圖表示有向、無向等約定進(jìn)行操作，可有效地對(duì)可重構(gòu)機(jī)床進(jìn)行快速配置重構(gòu)，減少了重構(gòu)斜升時(shí)間。 （3）可重構(gòu)機(jī)床的性能分析方法包括對(duì)嵌入式機(jī)床模塊和整機(jī)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)性能分析，以及物理幾何結(jié)構(gòu)和誤差性能的系統(tǒng)分析，并預(yù)測(cè)模塊化機(jī)床重構(gòu)后的使用功能。在模塊動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立了整機(jī)有限元模型，利用變量化分析方法對(duì)機(jī)床進(jìn)行了模塊化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，使機(jī)床在模塊筋板、模塊框架和導(dǎo)軌滑塊結(jié)合部等方面得到了綜合優(yōu)化，并基于非參數(shù)化方法結(jié)合有限元分析技術(shù)對(duì)機(jī)床主軸-刀柄結(jié)合面非線性動(dòng)態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別，進(jìn)而提升了整機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能。 （4）構(gòu)建了基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床配置重構(gòu)規(guī)劃系統(tǒng)框架，利用Visual C 平臺(tái)建立了基于模塊化的可重構(gòu)機(jī)床配置重構(gòu)規(guī)劃系統(tǒng)。系統(tǒng)包括五個(gè)主模塊：機(jī)床整機(jī)庫(kù)模塊、功能模塊庫(kù)模塊、配置任務(wù)管理模塊、配置設(shè)計(jì)模塊和重構(gòu)設(shè)計(jì)模塊。實(shí)現(xiàn)了機(jī)床產(chǎn)品工藝聚類、工藝-結(jié)構(gòu)映射、配置設(shè)計(jì)和重構(gòu)設(shè)計(jì)等功能，有效解決了利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)客戶需求進(jìn)行工藝規(guī)劃的問題，實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)。 2100433B

可重組制造系統(tǒng)可解決不可預(yù)測(cè)、快速多變和不斷增強(qiáng)的全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等一系列問題，其中可重構(gòu)機(jī)床是其核心的硬件設(shè)備基礎(chǔ)。為此，本課題基于系統(tǒng)快速重構(gòu)的特征，首先提出可重構(gòu)機(jī)床的模塊粒度劃分及其相關(guān)性分析。以機(jī)床功能為依據(jù)，通過子功能與結(jié)構(gòu)映射分析滿足功能的部件結(jié)構(gòu)，求解滿足設(shè)計(jì)功能的機(jī)床模塊劃分。其次，對(duì)產(chǎn)品特征與生產(chǎn)工藝進(jìn)行聚類，分析機(jī)床功能模塊與相應(yīng)工藝之間的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)從模塊功能域到模塊結(jié)構(gòu)域的映射過程。構(gòu)建機(jī)床全生命周期的的重構(gòu)優(yōu)化策略，為機(jī)床配置方案提供理論基礎(chǔ)。最后，建立可反映機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)力學(xué)模型，采用嵌入式分析方法對(duì)零部件和整機(jī)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)性能、物理幾何結(jié)構(gòu)和誤差性能的系統(tǒng)分析，預(yù)測(cè)模塊化機(jī)床重構(gòu)后的使用功能。將上述研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，有利于及時(shí)調(diào)整加工設(shè)備的生產(chǎn)能力及生產(chǎn)功能，從而動(dòng)態(tài)響應(yīng)訂單變化。

超大構(gòu)件是指結(jié)構(gòu)尺寸超過現(xiàn)有加工設(shè)備允許的尺寸上限或超過現(xiàn)有機(jī)床加工能力的大尺寸結(jié)構(gòu)零件。隨著我國(guó)重大基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)防裝備的發(fā)展，超大構(gòu)件加工制造瓶頸問題日益突出。本項(xiàng)目提出一種實(shí)現(xiàn)超大構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)可重構(gòu)加工方法，重點(diǎn)研究超大構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)可重構(gòu)加工系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論，建立超大加工空間分割與規(guī)劃模型和超大構(gòu)件加工系統(tǒng)自適應(yīng)尋位模型，探索超大構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)加工系統(tǒng)可重構(gòu)設(shè)計(jì)方法和加工質(zhì)量預(yù)測(cè)與控制方法，實(shí)現(xiàn)超大構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)可 2100433B

大規(guī)模MIMO是5G移動(dòng)通信的核心技術(shù)。由于使用了大規(guī)模天線陣列進(jìn)行復(fù)雜時(shí)空信號(hào)處理和傳輸，大規(guī)模MIMO通信對(duì)硬件系統(tǒng)的計(jì)算能力提出了苛刻的要求。本課題研究面向5G通信大規(guī)模MIMO信號(hào)處理中的計(jì)算密集型算法，提出了一種粗粒度可重構(gòu)硬件加速方法，研究了面向計(jì)算密集型算法的粗粒度可重構(gòu)處理器硬件架構(gòu)、高靈活性片上可重構(gòu)存儲(chǔ)架構(gòu)、低功耗可重構(gòu)處理器片上任務(wù)調(diào)度和負(fù)載均衡方法等關(guān)鍵技術(shù)。研究通過對(duì)大規(guī)模MIMO信號(hào)處理中的典型算法和算子，包括如信號(hào)檢測(cè)算法、信道估計(jì)算法、SVD算子、FIR濾波算子的并行化方法的研究，提出了一套完整的可重構(gòu)硬件電路架構(gòu)和對(duì)應(yīng)的算法映射方法，研究最終在基于FPGA的芯片驗(yàn)證平臺(tái)上進(jìn)行了可重構(gòu)處理器的電路級(jí)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，并對(duì)比了基于通用CPU的軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)方法加速增益，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，研究所提出的可重構(gòu)硬件加速器可實(shí)現(xiàn)4~8倍的算法加速比、5~6倍以上的能量效率提升。本研究的相關(guān)研究成果特別適合于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可重構(gòu)處理器設(shè)計(jì)和處理器優(yōu)化、5G移動(dòng)通信芯片設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。