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可重构制造
图1：磁流变夹具
图2：实心球夹具
图3：镙针矩阵夹具
可重构制造装备在实际中的应用
2可重构模具
在可重构模具装备领域，研究时间最长和成果最为丰硕的研究团队有 三个，他们分别是： 美国麻省理工大学的David Hardt 教授与团队；中国吉林大学李明哲教 授与团队以及英国诺丁汉大学Nabil Gindy 教授与团队。其中，麻省理 工大学和吉林大学致力于可重构板金模的研究，诺丁汉大学致力于可 重构真空成型模的研究。
可重构制造装备的必要性与优势
自18 世纪中叶工业革命以来，实作为现夹具、模 具等制造装备的单套多用一直是研究人员和企业共同 孜孜以求的目标。随着资源的日益枯竭，实施绿色制 造日益重要。可重构制造装备企业实施绿色制造的关 键技术和方法之一，越来越得到科研人员和企业的重 视。夹具和模具在用来在加工过程中夹紧和成型工件 ，对于工件的加工质量至关重要；目前工厂对于复杂 的零件的加工，基本上使用“１对１”专用夹具或模 具，这对于传统的大批量生产还不是大问题；而现代 的制造业正在向小批量、个性化和多品种发展，“１ 对１”专用夹具和模具已极其低效，也导致工具的费 用极其昂贵；由于由于可重构制造装备的柔性，可以 大量减少工具的费用，因而深受欢迎，尤其受具有高 附加值行业的欢迎．
可重构制造
主讲:吴斌 队员：余远文、朱耀祥、谢志斌 虞春杰、姚震
什么是可重构制造？
可重构制造系统是指能够通过对制造系统 结构及其组成单元进行快速重组或更新，及时 调整制造系统的功能和生产能力，以迅速响应 市场变化及其他需求的一种制造系统。其核心 技术是系统的可重构性，即利用对制造设备及 其模块或组件的重排、更替、剪裁、嵌套和革 新等手段对系统进行重新组态、更新过程、变 换功能或改变系统的输出(产品与产量)。
可重构模块化机器人pptx
动力学模型优化
为了实现机器人的更优性能，需要对动力学模型进行优 化，包括优化模型参数、减少计算复杂度等。
04
基于ROS的可重构模块化机器人软件系
统设计
ROS系统介绍
ROS发展史
简述ROS的起源、发展历程和 现状。
ROS基本概念
解释ROS的基本概念和重要术语 ，如节点、话题、服务、参数等 。
ROS特点
06
总结与展望
研究成果总结
已实现机器人单模块与多模块组合的硬件设计与实验 针对多模块组合的机器人运动协调控制进行了研究
完成了可重构模块化机器人的初步设计与实现 建立了基于ROS的机器人控制软件框架
研究不足与展望
1
现有的可重构模块化机器人尚存在一些不足之 处，例如：模块间通信不够稳定、缺乏有效的 全局路径规划算法等
当前，可重构模块化机器人的研究面临着 一些技术瓶颈和挑战。其中之一是模块之 间的连接和通信问题。由于可重构模块化 机器人的自由度和灵活性较高，因此需要 研究更加可靠、高效和安全的连接和通信 方式。
挑战
此外，可重构模块化机器人的感知和控制 问题也是一个亟待解决的挑战。由于机器 人在变构过程中需要适应不同的任务和环 境，因此需要研究更加精准的感知技术、 控制策略和操作算法。此外，还需要考虑 机器人在实际应用中的可靠性和安全性问 题。
运动学正解模型
已知机器人各关节变量值，求解末端执行器位置和姿态。
运动学模型精度校准
由于实际应用中可能存在误差，需要对运动学模型进行精度校 准，以提高机器人的运动精度。
可重构模块化机器人动力学建模
动力学建模基础
建立机器人的动力学模型，需要知道机器人各关节的驱 动力矩和阻力矩。
动力学模型求解
为了实现机器人的更优性能，需要对动力学模型进行优 化，包括优化模型参数、减少计算复杂度等。
04
基于ROS的可重构模块化机器人软件系
统设计
ROS系统介绍
ROS发展史
简述ROS的起源、发展历程和 现状。
ROS基本概念
解释ROS的基本概念和重要术语 ，如节点、话题、服务、参数等 。
ROS特点
06
总结与展望
研究成果总结
已实现机器人单模块与多模块组合的硬件设计与实验 针对多模块组合的机器人运动协调控制进行了研究
完成了可重构模块化机器人的初步设计与实现 建立了基于ROS的机器人控制软件框架
研究不足与展望
1
现有的可重构模块化机器人尚存在一些不足之 处，例如：模块间通信不够稳定、缺乏有效的 全局路径规划算法等
当前，可重构模块化机器人的研究面临着 一些技术瓶颈和挑战。其中之一是模块之 间的连接和通信问题。由于可重构模块化 机器人的自由度和灵活性较高，因此需要 研究更加可靠、高效和安全的连接和通信 方式。
挑战
此外，可重构模块化机器人的感知和控制 问题也是一个亟待解决的挑战。由于机器 人在变构过程中需要适应不同的任务和环 境，因此需要研究更加精准的感知技术、 控制策略和操作算法。此外，还需要考虑 机器人在实际应用中的可靠性和安全性问 题。
运动学正解模型
已知机器人各关节变量值，求解末端执行器位置和姿态。
运动学模型精度校准
由于实际应用中可能存在误差，需要对运动学模型进行精度校 准，以提高机器人的运动精度。
可重构模块化机器人动力学建模
动力学建模基础
建立机器人的动力学模型，需要知道机器人各关节的驱 动力矩和阻力矩。
动力学模型求解
先进制造技术02章节
2. 光栅扫描法
对于任一层片，先沿Y方向扫描固化，再沿X方向扫描固化。 研究表明，固化期间扭曲变形的程度与零件内部未固化树脂所占体积有关。 光栅扫描的基本思想是尽可能地减少零件内部的未固化树脂。
第二章 加工域活动中的先进工艺
3. STAR-WEAVE扫描法
这种扫描法的扫描路线为分形曲线，故又称为分形扫描路径。 当分形曲线的维数为2时，曲线可充满平面，生成非自交、简单且自相似的 结构，具有递归性，易于计算机处理。 分形扫描路径都是小折线，扫描方向在不断改变，使得刚刚烧过的部分沿扫 描方向能够自由收缩。所以零件内部应力较小，变形也小。
优点：
SLA工艺 的特点
由于紫外激光波长短，可以得到很小的 聚焦光斑，从而得到较高的尺寸精度。 缺点： 有时需要辅助支撑结构；翘曲变形大； 成本较高；材料有污染。
第二章 加工域活动中的先进工艺
第二章 加工域活动中的先进工艺
第二章 加工域活动中的先进工艺
2. 选择性激光烧结（selective laser sintering, SLS）
第二章 加工域活动中的先进工艺
③LEAF格式 LEAF（layer exchange ASCII format）格式采用二叉树形式表示整个实体模 型的分层 。基于CSG（Constructive Solid Geometry ）模型的切片几乎都能直接 在LEAF中表达，但该数据格式十分复杂。
④SLC格式 SLC（stereo lithography contour）是一个二维半的实体轮廓模型，由Z方向 上一系列逐步上升的横截面组成。SLC算法比较复杂，所需时间长。
SLS技术是C.R.Deckard于1989年研制成功，1992年由DTM公司推出商品化 产品。SLS原理与SLA十分相似，其主要区别是SLS使用的是粉末状的材料。 目前，可用于SLS技术的材料有四类：金属类、陶瓷类、塑料类和复合材料 类。 SLS采用二氧化碳类红外激光对已预热（或未预热）的粉末一层层地扫描加 热，使其达到烧结温度，最后烧结出由金属或塑料制成的立体结构。
(新)可重构制造系统_
可重构制造系统（RMS）研究现状及发展趋势可重构制造系统（RMS，Reconfigurable Manufacturin g System）是指为能适应市场的需求变化，按系统规划的要求，以重排、重复利用、革新组元或子系统的方式，快速调整制造过程、制造功能和制造生产能力的一类新型可变制造系统。
它是基于现有的或可获得的新机床设备和其它组元的、可动态组态的新一代制造系统。
一般一条可重构制造系统相当于几条传统的制造系统。
RMS，Reconfigurable Manufacturing System）是指为能适应市场的需求变化，按系统规划的要求，以重排、重复利用、革新组元或子系统的方式，快速调整制造过程、制造功能和制造生产能力的一类新型可变制造系统。
它是基于现有的或可获得的新机床设备和其它组元的、可动态组态的新一代制造系统。
一般一条可重构制造系统相当于几条传统的制造系统。
1 发展现状概述可重构制造系统是继承20年代的自动化流水线、50年代的NC机床、60年代的FMS和80年代的CIMS之后，由国外一些实施先进制造的企业首先创造的又一类新型可变制造系统。
其目的在于：大大缩短适应产品品种与产量变化的制造系统的规划、设计和建造时间及新产品的上市时间，大幅度地压缩系统建造的投资、降低生产成本、保证质量、合理利用资源、提高企业的市场竞争力和利润率。
它涉及：先进的制造战略、营销、新产品创新与改进的设计与开发、系统工程与分析、随机动态规划与决策论、质量工程、系统可靠性和运行跟踪与诊断、计算机技术、自治与协同控制、硬软件接口与协议技术、经济可承受性、系统集成管理和生产运作管理等多学科、多种技术的交叉融合。
20年代的自动化流水线、50年代的NC机床、60年代的FMS 和80年代的CIMS之后，由国外一些实施先进制造的企业首先创造的又一类新型可变制造系统。
其目的在于：大大缩短适应产品品种与产量变化的制造系统的规划、设计和建造时间及新产品的上市时间，大幅度地压缩系统建造的投资、降低生产成本、保证质量、合理利用资源、提高企业的市场竞争力和利润率。
可重构制造系统及其关键支持技术
１ 可重构制造 系统 内涵
制造 业是 国 民经济 的基础 ，２ ｌ世纪的制造企 业 面对 的是 动态多变 的市场环 境 ，用户要 求在最 短的 时 间 内获 得 个性 化 ” 的 产 品 。 因 此 ，制 造 业 应 该 也 必须 发展 多 品 种 、 ／ ｔ量 生 产 技 术 （ 大 Ｊ￣ ，Ｆ 或
Ａｂｓ ｒ ｃ ：ＲＭＳ ｄ ｉ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔａ ｄ ｒ ｅ ｒ ｈ ｗａ ｒ ｓ ｔ ｄ， ｉ ｗ ｆｈ ｄ ｒ ｎ ｔａ ｔ ａｎ ｔ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｎ ｅｓ ａ ｃ ｓ ｐ ｅ ｅｎｅ ｉ ｖ ｅ ｏ ａｒｗａ ｅ ａ ｄ ｓ ｎ ｓ ｆ ａ ｅ，ｔ ｅ ｕ ｐ ｒｉｇ ｔ ｃ ｉ ｅｓ ｔ ａ ｓ ｒ ｃ ｎ ｉｕｒ ｌ ａｒｗ ａｅ ａ ｄ ｏｔ ｒ ｉ ｋ ｙ ｓ ｐ ｏ ｔ ｅ ｈｎｑｕ ｈ ｔ ｗ ｓ ｎ ｗａ ｅ ｏ ｆ ｇ ａｂｅ ｈ ｄ ｒ ｎ
ＳｏｔＣｏｍｐ ｎ ｎ Ｆｏ ｅ ｏ ｒｅ ｒ ｏ ｆ ｕｒ ｇ． ｕｔ １ｙ ｆ ｏ ｅ ｔ ｒｒｓ ｕ ｃ ｅｃ ｎ ｉ ｉ ｍ ｌ． ｅｒ￣ ｓ ｕ ｅ ｍｏ ｕｅ ｍｕ ｔ ｇ ｎ ｉａ ｏ ｒ ｄ ｌ ｓ ｃ
ｂ ｕｌ ｂ ｅ ｂ ｌ ｖ００Ｍ ｎ ｔ ｐ ｓａｎ ａ ｄ １ ａ ｄ ｓｅ ｔ ｄ ｒ Ｋｅ ｏ ｄ搴 ｅ ｏｎ ｇ ｒ ｂｅ ｍ ｏ ｕａ ｔ ； ｏ ｔ ｏ ｐ ｎ ｎ ； ｅ ｏ ｒ ｅ ｍｏ ｕｅ Ｖｗ ｒ ：ｒｃ ｆ ｕ ａ ｔ； ｉ ｄ ｌｄ ｙ ｓ ｆ ｃ ｍ ｏ ｅ ｔ ｒ ｓ ｕ ｃ ｄ ｌ
一
代 制造 系 统 。在 工业 界 和 政 府 的推 广 下 ，发达
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
国家从９ 年代 中开展 了可重构 制造系统 的基础 与应 Ｏ 用 研究 。 目前 为 止 ，可 重 构 制 造 系统 的 理 论研 究 已取得 一 定 的进展 ，并且 取 得 一 项 发 明 专利 ，但 整个研 究工作 还没有 形成完整 的体系 ，研究的深入 程 度不 够 ，可 重 构 系统 的原 型 尚未 制造 出来 一Ｉ 。 制造 系统本 身 由硬件 和软件 组成 ．要 使 制造系
现代制造系统 教学课件 罗振璧 朱耀祥 等编著 第一章 制造系统工程基础
3.制造系统的发展
达到这些目标后可以满足以下制造业市场的要求： (1)可按顾客的订单与生产组织要求快速组成新产品或变换产品的批量生产能 力。 (2)能够实现无缝地“缩放”的制造系统生产规模和布局(组态)。 (3)允许方便快捷地组织多品种产品的混流生产或并流生产。 (4)能够达到低的系统重构与技术升级费用、高的生产效率，从根本上改变在 现代市场环境下传统制造系统高投资、高风险与低的投资回报率的现况。 (5)短的制造系统试生产周期和稳定可靠的加工质量与产量。
(一)企业成功的要素(一)企业成功的要素
(1)企业的市场定位、目标和实现目标的战略与商务实践。 (2)能否形成相对于其他竞争对手的竞争优势。 (3)建成企业竞争的核心能力。 (4)建立成功的制造战略。 (5)建立诚信、合作、实干与创新的企业文化。 (6)对企业或核心公司建立加盟企业群集(Enterprises Cluster)／联盟，形成 有核心能力与竞争优势的制造企业群集中心或地域制造中心，以适应经济 全球化与区域化和激烈的市场竞争。
3.制造系统的发展
图1-3 制造系统的市场环境与技术特点
图1-4
我国现代制造技术的发展现状
1. 超高速加工方面 仍处于低级阶段，还没有形成完整、系统的研究体系和方法。国内
磨削砂轮的线速度一般在45～60m/s，尚未超过80 m/s。 超高速切削/磨削技术和其机床装备，与国际先进水平相比，还有
较大差距。 2. 超精密加工方面
(二)制造企业面对的形势
1.传统制造面对的困境 2.新兴工业化国家必须走可持续发展的道路 3.传统制造业的投资效益下滑 4.产品的寿命周期迅速缩短
1.传统制造面对的困境
(1)现有产品饱和，现存的制造生产能力大量闲置。 (2)产业与研究开发R＆D的转移迫使发达国家的低中技术产品、基础产业与 部分研究开发向发展中国家与地区转移。 (3)制造企业的职业吸引力迅速下滑，一流的工程技术、管理人才和技术工 人后继乏人。 (4)由于过去工业化过程中资源的滥用，已经引发了人类的生存危机。
可重构制造系统
18
企业级RMS如图3-13所示。这些组成部分源于制 造系统的层次性，也表明它的可重构性具有层次 性。
制造战略 组织结 构 业务过 程
产品开 发
加工系统
信息集成技术平台
图3-13 企业级可重构制造系统的组成
信息集成技术平台
制造系统中信息平台的可重构性，是由应用软件、 集成框架（中间件）和计算机网络三方面的可重 构性组成。 信息平台重构是指为实现制造系统的可重构性， 构建具有可重构性的由计算机网络、硬件平台和 应用软件等构成信息集成框架，实现各种模块的 “即插即用”。 按软硬件分为：①硬件系统及其构件的快速重构； ②软件系统及其构件的快速重构。
RMS的组成和类型 1、单元级RMS
可重构加 工系统
它是完成物性任务转换的具有可重构性的执行系统，其加工设备 在工件、刀具和控制三个方面均与其他子系统相关联的接口—— 加工设备间通过控制系统作用下的物流系统相关联
可重构 物流系 统 可重构 控制系 统
它与加工系统的构形、运行等直接相关，主要用于建立加工设备 间的联系，在整个系统运行过程中一直处于可进行随机调度的工 作状态，而且其工作状态可随时被调整
操作系统 配套流
刀具流
图3-12 单元级RMS结构和组成
2.企业级RMS
企业级RMS 企业级RMS
制 造 战 略
组 织 结 构
加 工 系 统
业 务 过 程
产 品 开 发
1、制造战略
制造战略
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3.4.2 RM的原理
1. 重构的概念
企业级RMS如图3-13所示。这些组成部分源于制 造系统的层次性，也表明它的可重构性具有层次 性。
制造战略 组织结 构 业务过 程
产品开 发
加工系统
信息集成技术平台
图3-13 企业级可重构制造系统的组成
信息集成技术平台
制造系统中信息平台的可重构性，是由应用软件、 集成框架（中间件）和计算机网络三方面的可重 构性组成。 信息平台重构是指为实现制造系统的可重构性， 构建具有可重构性的由计算机网络、硬件平台和 应用软件等构成信息集成框架，实现各种模块的 “即插即用”。 按软硬件分为：①硬件系统及其构件的快速重构； ②软件系统及其构件的快速重构。
RMS的组成和类型 1、单元级RMS
可重构加 工系统
它是完成物性任务转换的具有可重构性的执行系统，其加工设备 在工件、刀具和控制三个方面均与其他子系统相关联的接口—— 加工设备间通过控制系统作用下的物流系统相关联
可重构 物流系 统 可重构 控制系 统
它与加工系统的构形、运行等直接相关，主要用于建立加工设备 间的联系，在整个系统运行过程中一直处于可进行随机调度的工 作状态，而且其工作状态可随时被调整
操作系统 配套流
刀具流
图3-12 单元级RMS结构和组成
2.企业级RMS
企业级RMS 企业级RMS
制 造 战 略
组 织 结 构
加 工 系 统
业 务 过 程
产 品 开 发
1、制造战略
制造战略
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3.4.2 RM的原理
1. 重构的概念
现代制造系统(v4.1)5B 可重构制造系统
例题1，续：
两种零件生产获得的单件净利润分别为 A零件300元，B零件200元。
两种零件都需要车加工和铣加工，单件所需工时 如下 A零件车加工0.1小时，铣加工0.5小时； B零件车加工0.4小时，铣加工0.2小时。
例题1，续：
某种组合机床，能够通过更换专用模块当作车床 使用或当作铣床使用；该工段有5台这种设备，用 于上述两种零件的车、铣加工。 每台设备每季度的生产能力近似当作500小时。
也称作代码重构refactoring指在不改变软件的功能和外部可见性的情况下改善软件的结构为了提高软件的清晰性规范代码增加注释可扩展性例如将常量改成变量可重用性例如将重复代码封装成函数而对软件进行的改造
现代制造系统
第5章 柔性与可重构制造系统（2） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz@
（2）车间级可重构制造系统 以逻辑重构为主，不一定要有可重构机床， 主要在逻辑上重新分配各个机床的任务。 被调整的机床有复合加工能力，为组合机床， 例如：某种铣镗组合机床，只具备两种功能， 没有加工中心功能全面，并且不能自动换刀。 广义上，车间级重构 也包含增、减或更换设备以及车间重新布局等物 理重构手段。
可重构制造系统的应用层次：
可重构制造系统的定义尚未统一，因此所指范围较 广，主要包括 （1）单元级RMS：主要研究可重构产品，如可 重构机床、可重构机器人等； （2）车间级RMS：主要研究逻辑重构方法，类 似于成组技术，也称为快速重组制造； （3）企业级RMS：研究网络化的企业组织结构、 分形企业、业务流程重组等； （4）跨企业RMS：研究企业动态联盟、敏捷制 造系统等。
例题1，问题1，分析冬季：
A零件车加工负荷0.1×1000=100小时， A零件铣加工负荷0.5×1000=500小时， B零件车加工负荷0.4×5000=2000小时， B零件铣加工负荷0.2×5000=1000小时。 由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生 产，5台设备先分配1台为车床，1台为铣床。再考 虑B零件生产，剩下的设备分配为2台车床和1台铣 床。 所以最终方案：3台车床，2台铣床，利润80万元。 与秋季方案对比，有1台机床需重构。