数控系统的可靠性设计理论和方法研究

论文摘要

数控系统最终的可靠性从根本上来说是由设计决定的,数控系统的可靠性设计是数控技术可靠性研究的一个主要方面,本文针对数控系统的可靠性设计进行深入的理论和方法研究,论文主要研究内容包括:设计了基于生存期的嵌入式数控软件系统可靠性工程过程,将整个数控系统可靠性设计工程分为3个阶段:早期阶段、中期阶段和后期阶段的可靠性工程,并对各个阶段可靠性工程的实施内容进行了详细分析和论述。对处于可靠性工程早期阶段数控系统的结构可靠性进行了分析和建模,给出了基于RTOS平台的数控系统层次化模块结构图,在对数控系统功能分析的基础上,对传统的Littlewood模型进行了改进,得到改进的Littlewood模型,即Improve-Littlewood模型,并将此模型应用到实际数控系统结构可靠性设计中。提出数控系统各个功能模块可靠性设计的重要度不同的观点,分析了影响模块重要度的因素:模块规模、模块复杂性、硬件对模块设计的影响和模块结构可靠性的失效因子,并且对这些影响因素的度量方法进行了分析研究。在模块可靠性重要度评判中引入模糊数学的方法,综合考虑各种影响因素,对各个模块的重要度进行模糊综合评判,并对得到的评判结果进行排序。在分析现有最小偏差插补算法的基础上,对其进行了有效的改进,将不同卦限众多的算法公式精简为少数几个统一的公式,有利于简化插补程序的结构,减少插补程序的代码量,从而提高插补模块设计的可靠性。同时,论文也对插补运行时间特性进行了分析,指出当插补周期接近插补程序的运行时间时,系统可能出现实时性上的不可靠。分析了在数控系统详细设计和编码阶段可以使用的一些可靠性设计方法,并以实例的方式说明了如何在系统的设计中应用这些方法。论述了如何在测试阶段提高数控系统的可靠性,从功能可靠性和实时可靠性两个方面来对数控系统进行测试。功能可靠性测试主要是设计适当数量的测试用例,尽可能覆盖整个数控系统的功能,而实时可靠性测试提出插补模块和位置控制模块是系统实时可靠性测试的重点,并研究了对这两个模块进行实时可靠性测试的方法。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 数控技术的研究现状和发展趋势
• 1.1.1 性能方向的发展
• 1.1.2 功能方向的发展
• 1.1.3 开放式体系结构的发展
• 1.1.4 STEP-NC 技术
• 1.2 数控技术中可靠性技术的研究
• 1.2.1 数控技术中可靠性研究的重要性
• 1.2.2 数控机床可靠性技术的研究
• 1.2.3 数控系统可靠性技术的研究
• 1.2.4 数控机床和数控系统可靠性研究的总结
• 1.3 课题的提出及意义
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 嵌入式数控系统设计的可靠性工程研究
• 2.1 软件可靠性的相关定义
• 2.2 影响软件可靠性的因素
• 2.3 影响嵌入式数控系统软件可靠性的因素
• 2.4 嵌入式数控软件可靠性设计工程
• 2.4.1 生存期内的软件开发过程
• 2.4.2 基于生存期的嵌入式数控系统可靠性工程
• 2.4.2.1 早期阶段的可靠性工程
• 2.4.2.2 中期阶段的可靠性工程
• 2.4.2.3 后期阶段的可靠性工程
• 2.5 本章小结
• 第三章 数控系统的结构可靠性研究
• 3.1 数控系统平台的选择
• 3.1.1 前后台结构
• 3.1.2 基于实时操作系统平台
• 3.1.3 基于桌面操作系统平台
• 3.1.4 嵌入式数控软件系统层次化体系结构
• 3.2 Littlewood 结构可靠性模型及其特点
• 3.2.1 Littlewood 模型简介
• 3.2.2 Littlewood 模型的特点
• 3.3 Littlewood 模型的改进
• 3.3.1 基于功能分析的Littlewood 模型的改进方法研究
• 3.3.2 系统单一功能失效密度模型的确定
• 3.3.3 改进的Littlewood 数学模型的建立
• 3.4 Improve-Littlewood 模型应用实例
• 3.4.1 TDNCL4 数控系统层次化结构简介
• 3.4.2 TDNCL4 系统功能分析及系数矩阵X 和Y 的确定
• 3.4.3 系统功能利用率向量的确定
• 3.4.4 系统失效密度和可靠度模型的建立
• 3.4.5 模型对数控系统可靠性设计的意义
• 3.5 本章小结
• 第四章 系统模块的可靠性重要度评定
• 4.1 影响数控软件模块可靠性重要度评定的因素分析
• 4.1.1 软件模块的规模
• 4.1.1.1 软件模块规模及其度量方法
• 4.1.1.2 功能点度量方法
• 4.1.2 软件模块的复杂性
• 4.1.2.1 模块的复杂性及其度量方法
• 4.1.2.2 McCabe 软件复杂性度量方法
• 4.1.3 硬件的影响
• 4.1.3.1 硬件对软件模块设计的影响分析
• 4.1.3.2 硬件对软件模块设计影响的度量
• 4.1.4 结构可靠性失效密度影响因子的影响
• 4.2 数控软件模块可靠性重要度评定方法
• 4.2.1 模糊综合评价的数学模型
• 4.2.2 隶属度以及权重集的确定
• 4.2.3 重要度评定
• 4.3 实例研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 数控系统最小偏差插补算法的实时可靠性设计研究
• 5.1 最小偏差法插补原理分析
• 5.1.1 直线插补原理
• 5.1.2 圆弧插补原理
• 5.2 直接加减速控制方法研究
• 5.2.1 直线加减速控制
• 5.2.2 圆弧加减速控制
• 5.3 数控系统的实时插补可靠性设计技术研究
• 5.3.1 最小偏差插补算法面向实时性的改进
• 5.3.2 数控系统插补运行时间特性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 数控系统详细设计和实现阶段的可靠性研究
• 6.1 可靠性设计方法研究
• 6.1.1 抗干扰技术
• 6.1.1.1 指令冗余技术
• 6.1.1.2 软件陷阱技术
• 6.1.1.3 软件“看门狗”技术
• 6.1.1.4 输入信号的重复检测技术
• 6.1.1.5 输出信号的刷新技术
• 6.1.2 检错及纠错编码
• 6.1.3 容错技术
• 6.1.4 时间准则
• 6.1.5 容错算法
• 6.2 可靠性设计方法应用实例
• 6.2.1 存储系统的研究和可靠性设计
• 6.2.1.1 系统记录区的可靠性设计
• 6.2.1.2 扇区管理的可靠性设计
• 6.2.2 参数输入系统的可靠性研究和设计
• 6.2.3 输入输出的可靠性设计
• 6.2.4 串口通讯的可靠性设计
• 6.2.5 螺纹插补过程的可靠性设计
• 6.2.6 系统启动过程的自检
• 6.3 本章小结
• 第七章 数控系统可靠性测试技术的研究
• 7.1 数控系统的功能可靠性测试研究
• 7.1.1 白盒测试与黑盒测试
• 7.1.2 功能可靠性测试流程
• 7.1.3 数控系统功能的可操作概图
• 7.1.4 功能测试用例的设计
• 7.2 数控系统的实时可靠性测试研究
• 7.2.1 数控系统实时性测试的重点
• 7.2.2 实时可靠性测试方法研究
• 7.3 TDNCL4 数控系统的可靠性测试
• 7.3.1 功能可靠性测试
• 7.3.2 实时可靠性测试
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢