面向网络制造环境的设备自律控制器的研究

论文摘要

随着计算机科学和信息技术的发展,尤其是网络技术的发展,促使当今包括制造业在内的各个行业朝着“竞争国际化”方向发展,制造企业间的合作与竞争并存,交流与限制并存。在此情形下,组织结构相对固定、制造资源相对集中的传统制造系统模式已与之不相适应,网络化、智能化则成为新一代制造系统所有功能的基础和特征。然而,目前关注较多的是对制造系统上层的制造模式及组织形式的研究,而对具有满足制造环境的合作和互操作以及满足制造行为的自律性控制,以适应网络环境下制造系统集成要求特征的制造设备的研究则相对缺乏,这在相当大的程度上制约了新型制造模式的实践和应用推广。为此,本文针对“面向网络制造环境的设备自律控制器”展开了系统深入的研究。力争研究开发一种新型的设备控制器,以满足网络制造系统对系统动态重组、系统内异构设备间互操作和合作等网络集成的需求,为具有敏捷、柔性和智能特点的网络制造系统提供最基础的支撑技术和设备。本文的主要创新性工作如下。首先,基于对制造业发展趋势及制造模式变革必然性的分析,得知分布式网络化制造模式是目前制造业最佳运行模式之一,而面向制造环境以及面向制造行为的自律性则是作为这种制造模式中底层制造设备所必须具备的功能特征。在此基础上,将Agent思想引入网络制造环境下的制造设备控制器中,提出了设备自律控制器概念和体系结构,并对该控制器进行了功能设计。其次,针对制造行为自律性的实现技术,提出了加工过程自律控制的实现结构和实施方案。以铣削加工为例,论述了加工环境监测系统的系统结构,同时以刀具状态监测和加工过程中切削负荷辩识为主要对象,给出了具体的解决方案。以立式铣床加工为背景,给出了智能自适应加工所需的实时在线参数辩识和控制策略。与此同时,针对面向制造环境的自律性的实现技术,提出了制造环境自律控制的实现结构和实施方案,建立了数控设备Agent在制造环境中实现合作与互操作的机制。针对制造环境下多任务和无中央控制器的特点,提出了网络制造环境下数控设备的协调机制与协调算法。此外,从设备自律控制器的通信功能入手,研究了数控设备与制造系统的接口设计方案,进而设计了数控设备的自律控制器与数控设备的软硬件接口,实现了基于CORBA-MMS的网络通信功能。最后,构造了一种数控设备自律控制器原型,实现了一个由配备这类控制器的自律设备所构成的网络化制造原型系统。通过对三种不同零件的验证性实验,对数控设备自律控制器在加工环境下的运行进行了实验验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题的提出
• 1.1.3 课题的主要研究内容
• 1.1.4 课题研究的目的及意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 制造技术和制造系统的发展趋势
• 1.2.2 网络制造系统的研究和发展概况
• 1.2.3 设备自律控制器在制造系统中的应用研究及发展概况
• 1.3 本文的主要工作内容及创新
• 1.3.1 本学位论文的主要工作内容
• 1.3.2 本学位论文的主要创新之处
• 2 设备自律控制器需求分析与功能设计
• 2.1 网络环境下制造设备需求分析
• 2.1.1 分布式网络化制造模式及运行方式
• 2.1.2 网络环境下制造设备的功能需求
• 2.2 设备自律控制器的体系结构设计
• 2.2.1 设备自律控制器的基本概念
• 2.2.2 设计的内容、目标和原则
• 2.2.3 体系结构框架
• 2.3 设备自律控制器的功能设计
• 2.3.1 面向制造行为自律性的功能设计
• 2.3.2 面向制造环境自律性的功能设计
• 2.3.3 设备自律控制器支撑环境的功能设计
• 2.4 本章小结
• 3 面向制造行为的设备自律性研究
• 3.1 制造行为自律控制技术及实现方案
• 3.1.1 制造行为自律控制的定义和特征
• 3.1.2 实现结构及实施方案
• 3.2 基于设备驱动部件电量的铣削力实时辨识
• 3.2.1 加工过程中铣削力实时辨识的系统结构
• 3.2.2 基于机床伺服电流的铣削力间接测量的技术思路
• 3.2.3 铣削加工过程状态信息特征提取方法
• 3.2.4 铣削加工过程电流特征值的提取与实时辨识
• 3.3 铣削加工过程自适应控制策略
• 3.3.1 基于神经网络的自适应模糊控制策略
• 3.3.2 基于自适应预测算法的控制策略
• 3.4 设备自律控制器实验研究
• 3.4.1 设备自律控制器智能自适应控制结构
• 3.4.2 实验分析
• 3.5 本章小结
• 4 面向制造环境的设备自律性研究
• 4.1 面向制造环境的自律控制体系结构与实现方案
• 4.1.1 面向制造环境的自律性及其功能特点
• 4.1.2 面向制造环境的设备自律控制器实现结构
• 4.1.3 面向制造环境的设备自律控制器实现思路
• 4.2 面向制造环境的集成与协作
• 4.2.1 面向制造环境的集成框架
• 4.2.2 制造设备Agent 间的协作机制
• 4.2.3 协作资源的搜索与定位机制
• 4.3 环境信息感知与自主决策
• 4.3.1 环境信息感知
• 4.3.2 自主规划与决策机制
• 4.4 本章小结
• 5 设备自律控制器通信功能研究
• 5.1 设备自律控制器的设备接口
• 5.1.1 设备接口的物理结构
• 5.1.2 通讯协议
• 5.2 设备自律控制器的网络接口总体方案
• 5.2.1 设备Agent 的网络运行环境特性分析
• 5.2.2 MMS 通信协议
• 5.2.3 基于MMS 的网络接口总体方案
• 5.3 基于CORBA－MMS 的网络通信功能实现方案
• 5.3.1 VDM 到实际设备的映射
• 5.3.2 基于CORBA 的MMS 协议的实现
• 5.4 本章小结
• 6 基于设备自律控制器的网络制造系统原型及验证实验
• 6.1 原型系统的组成
• 6.2 原型系统的网络结构及软硬件配置
• 6.3 原型系统的运行实验
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文