（机械电子工程专业论文）面向模具行业的机器人制造单元通讯机制与控制系统研究.pdf

摘要 摘要 模具是工业生产的基础工艺装备，以机器人制造单元为代表的先进制造技术对增 强模具企业市场响应能力，稳定模具产品质量，控制模具生产成本，提高模具生产效 率，保证模具产品交货期等方面具有重要的作用。机器人制造单元控制系统是整个机 器人制造单元的核心部分，其性能优劣直接决定了整个机器人制造单元的运行效率和 运行稳定性。本文针对机器人制造单元控制系统进行了深入研究，主要包括以下几方 面的工作： 首先，本文分析了模具企业的生产特点，针对目前模具生产存在的问题提出了用 机器人制造单元来组织模具生产以解决问题。然后根据模具企业的需求构建了面向模 具行业的机器人制造单元控制系统体系结构。 其次，本文针对因单元内设备异构而导致的机器人制造单元控制系统难以对底层 设备集成通讯控制的问题，重点研究了几种典型的数控设备以及机器人的接口和通讯 控制实现方式，设计了对应的通讯控制方案。建立了面向模具行业的机器人制造单元 控制系统的功能模型和面向对象模型。基于面向对象模型对单元控制系统的类和组件 进行了详细的设计。 再次，采用c o r b a 组件技术，基于x p 和v i s u a lc + + 开发环境，开发了面向模具 的机器人制造单元原型系统，并在某机器人制造单元上得以应用，验证了通讯方案和 系统设计的有效性与可行性。 最后，本文对所做的研究工作和主要成果进行了总结，并对面向模具的机器人制 造单元控制系统的进一步研究提出了自己的设想。 关键词：模具，机器人制造单元，控制系统，通讯控制 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o u l di st h eb a s i ce q u i p m e n tf o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a st h er e p r e s e n t a t i v eo f a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，t h er o b o t i cc e l lh a sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n e n h a n c e dm o u l dc o m p a n i e sm a r k e tr e s p o n s i v e n e s s ，s a b l em o u l dp r o d u c t sq u a l i t y ， c o n t r o lm o u l dp r o d u c t i o nc o s t s ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm o u l dp r o d u c t i o n , e n s u r e m o u l d p r o d u c t sd e l i v e r yt i m e ，e t c r o b o t i cc e l lc o n t r o ls y s t e mi st h ec d r eo f t h er o b o t i c c e l l ，i t sp e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l yd e t e r m i n e st h er o b o t i cc e l lo p e r a t i n ge f f i c i e n c ya n d s t a b i l i t y i nt h i sp a p e r , r o b o t i cc e l lc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e d ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n g a r e a s ： f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r o d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o u l de n t e r p r i s e s ， i s s u e sf o rp r e s e n tp r o b l e m sf o rm o u l dp r o d u c t i o np r o p o s e dr o b o t i cc e l lt os o l v et h e p r o b l e m t h e na c c o r d i n gt o t h en e e d so fe n t e r p r i s e sb u i l tt h em o u l dr o b o t i cc e l l c o n t r o ls y s t e l r la r c h i t e c t u r e s e c o n d l y , t h i sp a p e rd u et ot h ed i f f e r e n te q u i p m e n t i nr o b o t i cc e l lr e s u l tc o n t r o l s y s t e mi sd i f f i c u l tt oi n t e g r a t ec o n t r o lo f t h eu n d e r l y i n gd e v i c e f o c u so nt h et y p i c a l c n ce q u i p m e n ta n dr o b o t i c sc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei m p l e m e n t a t i o n , a n dd e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n gc o m m u n i c a t i o nc o n t r o lp r o g r a m e s t a b l i s h e d r o b o t i c c e l lc o n t r o ls y s t e mf u n c t i o n a lm o d e la n do b j e c t o r i e n t e dm o d e lf o rt h em o u l di n d u s t r y m o d e lb a s e do no b j e c t o r i e n t e dd e t a i ld e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo fc l a s s e sa n d c o m p o n e n t s a g a i n ，u s eo fc o r b ac o m p o n e n tt e c h n o l o g y , a n db a s e do nx pa n d v i s u a lc + + d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，d e v e l o p e dam o u l dp r o t o t y p es y s t e m , a n di nar o b o t i c c e l lw a sa p p l i e dt ov e r i f yt h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o n sp r o g r a m sa n ds y s t e m s e f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t y f i n a l l y , t h i sr e s e a r c hw o r kd o n ea n dt h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e d ，a n dt h e m o u l df o rm a n u f a c t u r i n gc e l lc o n t r o ls y s t e mo ft h er o b o tf u r t h e rp u tf o r w a r dv i s i o n k e y w o r d s ：m o u l d ，t h er o b o t i cc e l l ，c o n t r o ls y s t e m , c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) 。i i l c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1s o u r c ep r o j e c t 1 1 2b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2 1b a c k g r o u n d 1 1 2 2s i g n i f i c a n c e 2 1 3t h ec o n c e p ta n dr e s e a r c hc o n t e n to f r o b o t i cc e l l 3 1 4r e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n to f t h ec o n t r o ls y s t e mo f r o b o t i cc e l l 5 1 5o v e r v i e wi n t r o d u c t i o no f t h e p a p e r 8 1 5 1r e s e a r c ho b j e c t i v e s 8 1 5 2r e s e a r c hc o n t e n t 8 1 5 3t h e s i so r g a n i z a t i o n 9 1 5b r i e fs u m m a r y 9 c h a p t e r 2 a r c h i t e c t u r eo fr o b o t i cc e l lc o n t r o ls y s t e mf o rt h em o u l di n d u s t r y 1 0 2 1t h ep r o d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o b l e mo f t h em o u l di n d u s t r y 1 0 2 1 1t h ep r o d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h em o u l di n d u s t r y 。1 0 2 1 2t h ep r o b l e ma n a l y s i so f t h em o u l di n d u s t r y 11 2 2r o b o t i cc e l li nt h em o u l di n d u s t r y 1 2 2 3a r c h i t e c t u r eo f r o b o t i cc e l lc o n t r o ls y s t e mf o rt h em o u l di n d u s t r y 1 3 2 3 1t h e d e m a n df o rt h er o b o t i cc e l lc o n t r o ls y s t e m 1 5 2 3 2t h ea r c h i t e c t u r eo f r o b o t i cc e l lc o n t r o ls y s t e m 1 6 2 3 3t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo f r o b o t i cc e l lc o n t r o ls y s t e m 18 2 4b r i e fs u m m a r y 2 1 c h a p t e r 3t h ec o m m u n i c a t i o na n di m p l e m e n t a t i o no ft h er o b o t i cc e l l 2 2 v i c o n t e n t s 3 1a n a l y s i so f t h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s su n i tc o n t r o ls y s t e m 2 2 3 2t h ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o la n di m p l e m e n t a t i o n o f t h ed n c 2 3 3 2 1a n a l y s i so f t h ed n cp r o c e s s 2 3 3 2 2t h eo p e nc n cm a c h i n ea u t o m a t i cp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 2 5 3 2 3t h en o - o p e nc n cm a c h i n ea u t o m a t i cp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 2 9 3 3t h ec o m m u n i c a t i o na n di m p l e m e n t a t i o nb e t w e e nd n ca n dr o b o t 3 3 3 3 1c o m m u n i c a t i o nd e s c r i b e t i o n 3 3 3 3 2t h ea n a l y s i so f t h ep r o c e s s i n g 3 5 3 3 3d e s c r i b eo f t h ei n t e r f a c eb e t w e e nd n ca n dr o b o t 3 5 3 3 4i m p l e m e n t a t i o np r o g r a m 3 7 3 4o v e r a l lc o m m u n i c a t i o np r o g r a mo f t h ec e l l 3 9 3 5b r i e f s u r n m a r y 4 0 c h a p t e r 4t h ed e s i g no ft h er o b o t i cc e l lc o n t r o ls y s t e m 4 1 4 1m o d e lf o rt h er o b o t i cc e l lc o n t r o ls y s t e m 4 1 4 i ia n a l y s i sa n dm o d e lm e t h o do f t h ec o n t r o ls y s t e m 4 1 4 i 2f u n t i o n a lm o d e lo f t h ec o n t r o ls y s t e m 4 2 4 1 3o b j e c t o r i e n t e dm o d e lo f t h ec o n t r o ls y s t e m 4 4 4 2d 销i 阻o f s y s t e mc o m p o n e n t 4 8 4 2 1c o m p o n e n tf u n c t i o n a l i t ya n di n t e r f a c ed e s c r i b e 4 8 4 2 2c o m p o n e n td e s i g n 4 9 4 3b r i e f s u m m a r y 5 0 c h a p t e r 5s y s t e mi m p l e m e n t a t i o na n dr u n n i n g i n s t a n c e 5 1 5 1a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d 5 1 5 2t h ec h o i c eo f s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dt o o l s 5 1 5 3c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n 5 2 5 3 1t h ec h o i c eo f c o m p o e n t 5 2 5 3 2d e v v e l o p m e n to f c o m p o n e n t 5 3 5 3 3d e v e l o p m e n tp r o c e s so f t h ec o n t r o ls y s t e m 5 5 ”5 4r u n n i n gi n s t a n c e 5 6 5 5b r i e f s u m m a r y 5 8 v t i 广东工业大学硕士学位论文 ：m l i 暑詈暑詈喜昌詈= = 詈詈詈鼍詈鲁詈暑暑置= 暑暑= = 皇穹詈皇詈詈皇詈暑皇暑皇暑= 詈詈皇皇詈窖暑皇鲁昌皇暑昌篁暑篁詈鲁詈盲詈曼皇喜詈皇罩詈昌詈暑詈詈皇皇 c o n c l u t i o n sa n df u t u r er e s e a r c h s 5 9 t h ec o n c l u s t i o nf o rt h ep a p e r 5 9 f u t u r er e s e a r c h 6 0 r e f e r e n c e s 6 1 p u b l i e a t i o n s 6 4 d e c l a r a t i o n 6 1 ； a c k n o w l e d g e m e n t s 6 6 v i i i 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题得到了广东省部产学研重大专项( 2 0 1 0 a 0 9 0 2 0 0 0 1 3 ) 的资助。 1 2 研究背景及意义 1 2 1 研究背景 模具是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、机械、电器、仪表、家电 和通讯等产品中，6 0 8 0 的结构件都要依靠模具来成型，国民经济的主要支柱 产业，如机械、电子、汽车、建材等，都要求模具工业的发展与之相适应。模具 是“效益放大器 ，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的成 千上万倍。模具生产水平的高低，已经成为衡量一个国家产品制造水平高低的重 要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。当前模具 制造业所面临的问题除了以上述说的制造业大方向的普遍存在问题以外，也有其 自己的特点，主要表现有n 吲： 自主创新能力不足，产品结构不够合理，专业化程度低；工艺装备水平低， 加工精度与国外先进水平相比还有差距；标准化程度低，产品配套性不好，利用 率低，高档产品市场缺席；企业管理比较薄弱，技术人才严重不足，特别缺乏高 层次的尖端人才。随着经济全球化的快速发展，市场对模具的精度、质量、寿命 以及交货期的要求越来越高，模具企业之间的竞争也在加剧。面对良好的市场前 景和行业存在的主要问题，我国的模具生产企业必须在提高核心竞争力和创新上 下功夫，以此来提高行业的整体水平。 面对模具交货期短，加工工艺复杂多变，多品种、小批量生产，对熟练工人 和技术人员的过度依赖，而且随着新劳动法的颁发和人工成本的不断提高，既要 广东工业大学硕士学位论文 满足客户要求又要节约成本，降低能耗。而且随着顾客消费多样化、个性化需求 的增长，大批量、同一造型的产品将被多品种、小批量甚至单件定制的产品所替 代，功能性产品将被功能艺术性产品所替代。模具企业要想在激烈的市场竞争中 立于不败之地，就必须高质量、低成本、快速地生产出满足客户需求的产品。就 必须摒弃原有的、固定的、刚性的制造模式和制造技术，寻求新的、柔性的制造 模式和制造技术以适应多品种、中小批量的动态的市场需求。 近年来，微电子技术、计算机技术、自动化技术的飞速发展使得制造技术向 数字控制的方向发展，柔性制造单元、机器人制造单元、柔性生产线、计算机集 成制造及精益生产等相继问世，制造技术由此进入了面向市场多样需求的柔性生 产新阶段，引发了生产模式和管理技术的革命。 根据国际生产工程学会近1 0 年的统计，国外发达国家所涌现的先进制造系 统和先进制造生产模式多达3 3 种，在这3 3 种制造系统和制造生产模式中，有的 已投入生产使用，产生了可观的经济效益，如c a d c a m c a e 、成组技术、制 造资源计划、准时生产制、计算机辅助工艺规划、柔性制造系统和计算机集成制 造系统等；有的还不很成熟，但却在制造业中有一定影响，如并行工程、精益生 产、敏捷制造、虚拟制造、企业资源计划、智能制造和网络合作制造等：有的正 处于探索阶段，但却有未来应用前景，如协同制造、生物制造、绿色制造、远程 制造、全球制造和下一代制造生产模式等。现代制造模式的推广和应用，必将带 动制造业的整体变革，提高制造业的产业水平和竞争力h 儿5 1 。 1 2 2 研究意义 制造模式和制造技术的发展总是为了适应市场的需要的。当今，世界范围内 的制造模式和制造技术都发生了巨大的变化，精益制造、敏捷制造、虚拟制造及 并行工程等新制造模式不断涌现出来。虽然新的制造模式众多，但其核心仍是生 产制造的柔性化，f m s 集“三高 ( 高生产率、高柔性、高质量) 于一身，是实现 柔性自动化的基础和关键嘲口1 。 在我国机械制造业中，中小批量产品所占的比例较大，即便是不到1 0 的 大批量生产企业也存在产品多样化的问题。而在中小批量的制造企业中占主导地 位的仍是传统的生产模式，即基于普通机床、特殊工装和大量的劳动输入的集中 2 第一章绪论 式生产模式。尽管中国拥有的机床和工人在数量上是全世界最多的，但与发达国 家相比，相同数目的产出需要付出2 0 倍的生产时间及2 倍的能源及原材料。高 能耗、高投入、低产出的制造模式和制造技术严重的制约了我国制造业的发展。 因而要改变我国机械制造工业的落后局面，就必须对传统的制造方式进行技术革 新。目前我国汽车、柴油机、拖拉机、工程机械、冷冻机、兵器、航空、航天等 部门都已提出对先进制造单元( 如柔性制造单元、机器人制造单元等) 的需求n m l 。 这也标志着我国有了发展先进制造单元的市场基础。但由于受资金短缺、有关制 造单元控制和配套技术不过关、研制和应用经验不足等问题，我国目前在先进制 造单元开发及应用方面与工业发达国家还有较大的差距。先进制造单元作为我国 中小企业的发展战略模式已经起步进入实际应用。因此，研究制造单元及制造单 元的控制系统将对我国先进制造单元的发展具有重要的理论和实用价值。 1 3 机器人制造单元的概念与研究内容 制造单元是为了完成某类或某几类零件族的生产而按照成组技术的原理组 成的一种制造环境，是将相应的加工设备、辅助设施及操作人员组合形成的整体， 其目标是减少在制品库存、提高产品质量、设备利用率和生产柔性睁1 。 柔性制造单元( f m c ) 一般由1 - - 2 台数控机床与物料传送装置组成，有独立 的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件， 可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。f m s 与f m c 并无 明确的区分原则，一般认为，机床数蛳台的是f m c ，超过6 台的就是f m s ， 控制的软件化程度高的是f m s ，而需要过多人员参与的是f m c n 引。 将企业制造系统的一部分或全部都划分归并成制造单元来组织生产这种生 产方式就称为单元制造，相应的制造系统称为单元制造系统嘲。单元制造系统通 过应用成组技术，将具有相似设计和制造特性的零件归并成零件族，相应的生产 设备也划分成若干个制造单元，以使每个单元能完成一个或几个零件族的加工， 而单元间的交互很少，这就使多品种小批量生产能获得与大批量生产相比拟的经 济性，同时又不失制造系统的柔性。 近年来，作为现代工业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人技术一直 在不断发展与成熟，机器人在工业生产中得到了广泛的应用，其应用领域遍及装 3 广东工业大学硕士学位论文 配、焊接、喷涂、搬运、产品检测等多个领域。因此，在传统的制造单元或者 柔性制造单元环境下，应用高度自动化、智能化工业机器人来完成工件的自动搬 运、装夹、卸载、仓储等功能，再加上相应的辅助设施( 如检测设备、防护栏、 立体仓库等) 构建成了如图所示的制造单元中的重要组成部分与研究热点：机器 人制造单元( r o b o t i cc e l l ) 。 图1 - 1 机器人制造单元示意图 f i g l - 1r o b o t i cc e l lc o n c i s em a p 机器人制造单元的主要特点是其多用性，即同一套加工系统能方便灵活地进 行调整以适应各种不同类型零件的加工。如在加工小批量多种类工件时，机器人 制造单元能方便快捷的调整工艺路线，重新设定n i 流程，并保证工件质量的稳 定。机器人制造单元工业机器人具有工作空间大、功能多样、动作灵活、定位精 度高、可编程等优点，能够很好的完成零件的搬运与装卸，从而使得机器人制造 单元具有更高的柔性，生产出不同的零件，这样既保证了大批量生产的效率，又 保持了小批量生产的灵活性n h 引。美国一直将制造单元工程作为研究开发的重 点，( ( m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g ) ) 高级编辑r o b o e r t b a r o n s i o n 发表综合评论文章 指出“单元( 系统) 目前已经开始影响和支配着美国制造业”。我国国家自然科 学基金也将制造单元技术作为机械学科重点资助的研究领域口6 1 。 因此，制造单元技术正成为先进制造理论和实践研究的焦点问题。许多的研 究结果表明，目前制造单元的研究主要集中在以下三个方面：单元构建、单元设 计及单元管理。实践表明，这三个方面既相互独立又相互影响n 7 吨训。 1 单元构建技术 单元构建主要解决相似零件及工艺设备分组问题。目前，国际上对单元制造 4 第一章绪论 系统的研究也主要集中于单元构建技术研究，并在分类编码系统、模糊聚类分析、 图论法、数学规划与启发式算法、专家系统与模糊识别、神经网络、遗传算法等 方面取得显著成果。构建形式从零件分组、设备分组、零件和设备同时分组，直 至单元布置的分组，己使多品种小批量制造系统的单元化重构日趋现实。 2 单元设计技术 单元设计涉及许多问题，但从管理角度主要研究单元空间位置关系，即单元 内设各布置和单元布置问题。这方面的研究已取得不少成果。例如：l e s k o w s k y , l o g a n , v a n n e l l i 在基于相似系数的分组结果上，提出了以物料运输成本最低为目 标的设备布置启发式算法。c h a n k r a s e k h a r a n 和r a j a g o p a l a n 提出的m d s 方法、单元 布置法等。 3 单元管理技术 单元管理主要解决单元内和单元间零件排序问题。由于构建制造单元的目的 是将单件作业转化为流水作业，因此现有研究大多致力于解决流水作业排序问 题。又由于排序问题是n p 一难问题，启发式算法的研究无疑成为主流。 1 4 单元控制系统的研究现状与发展趋势 控制系统作为机器人制造单元的“大脑”，对机器人制造单元性能有着重要 的影响。一个机器人制造单元的整体性能，除了取决于制造单元内设备如机器人、 数控机床等的性能的优劣之外，还取决于其控制系统性能的优劣。 目前，国内外已经出现了为用户提供定制的制造单元( 或系统) 、计划调度、 实时控制及仿真等功能的商品化的单元控制器，可以分为两类：类是以美国 k & t 公司的f a c t o r yp a r t n e r 控制软件为代表的以满足运动控制功能为目的专用 单元控制器，这类产品的特点是单元运控软件由标准功能模块加上可选功能模块 组成，但其开放性差，不能在不同的计算机软硬件环境下运行，网络通信功能薄 弱。另外一类是以i t p 公司的m a i n s t r e a m 系统为典型的在软件平台上开发的通 用单元控制器，软件平台也称为使能软件。该平台在应用软件与操作系统、数据 库、网络协议之间架起了桥梁。在该平台上开发的单元控制器软件能够在异构计 算环境下运行。基于软件开发平台的制造单元控制系统的研究已成为这一领域的 技术潮流1 【物。 5 广东工业大学硕士学位论文 德国斯图加特大学机床与控制技术研究所( i s w ) 开发的递阶式自适应总控系 统a l s y s 涵盖了车间总控、单元( 或工作站) 和设备控制三层。它是一种适用于 按中小批量生产、基于托盘的自动化制造装配生产环境的总控系统。但a l s y s 的通讯软件开发平台t a s k r u m p 过于简单，且对底层设备兼容性不强。另外，该 系统是用c 语言在u n i x 作站上开发的，这不仅限制了面向对象技术优势的发挥， 而且使系统无法移植到微机上。上述因素影响了系统的开放性瞳u 嘧1 。 张友良教授等以开发在功能结构上具有柔性、对各种生产环境具有适应性的 单元控制器为目标，提出了一种由核心功能服务、信息服务、通讯服务和前端服 务四部分组成的通用单元控制器开发平台，但尚未见有对于分布异构计算环境支 持的研究报道圆儿烈? 。张洁教授等提出了模块化可重用的通用单元控制软件参考模 型，采用了结合递阶控制的简单性和分布式控制消息传递有效性的适度递阶结 构，但对适度递阶结构各控制实体之间的交互机制这一关键问题未见进一步研究 的文献汹儿矧。同时，为了跟上虚拟单元、动态单元、可重配置单元和网络化制造 单元等制造单元的发展趋势，单元控制系统也正在向具有开放、分布和可重配置 体系结构的网络化单元控制系统发展，但这方面的研究还很少见啪1 。 当前，基于组件的控制系统设计方法是控制系统研究的一个热点问题。组件 ( c o m p o n e n t ) 是指能够完成某种特定任务的软实体，用于构造应用系统的可重用、 可重配置的软件模块，按一定的接口规范可以实现对象的互操作。上海交通大学 的周炳海教授提出了一种基于组件的柔性制造单元控制系统设计与实现方法。该 控制系统采用递阶分布式结构，着重描述各层次组件之间的数据、消息传输结构。 一方面，分布在不同层次上的控制组件具有独立控制对象功能，下一层次组件的 活动受到上一层次组件的监视和协调，系统具有全局优化能力，克服了采用完全 分布式控制带来的局部优化缺陷。另一方面，同一层次的组件具有局部自治能力， 它们互相合作，共同完成该层的各种活动，具有分布控制的优点嘀别咖1 。 基于a g e n t ( 智能体) 或h o l o n ( 全能体) 的控制系统设计方法是该领域研究的另 外一个热点问题啪m 侧，一些学者对基于a g e n t 的单元控制系统进行了研究。蔡 元龙提出了制造单元智能体模型的设计原则，建立了基于多智能体系统的敏捷制 造单元运行控制框架，采用合同网协议实现分布式动态调度与控制阱】。c h e u n g 的基于智能制造系统( i m s ) 的研究成果，提出了基于h o l o n 的柔性制造控制系统， 建立了一个实时控制系统分布计算开发平台。仿真实验证明该系统具有可扩展 6 第一章绪论 性、可扩充性、对生产批量变化和系统故障的敏捷适应能力泓1 。上述系统大都采 用的是递阶分布式控制体系结构，各控制实体( 即a g e n t 或h o l o n ) 之间的交互机 制几乎全部采用合同网协议，尚没有对控制系统体系结构中各控制实体交互机制 之间的关系进行深入研究的报道汹1 。 表1 i 制造单元控制系统研究现状分析 t a b l el im a n u f a c t u r i n gc e l lc o n t r o ls ) ，s t e ma n a l y s i s 控制系统类型典型代表优点缺点 专用单元控制控制系美国k & t 公司的商品化，发展成熟，开放性差，网络通讯 统 f a c t o r yp a r t n e r 控 可扩展功能薄弱 制软件 递阶式自适应控制系德国斯图加特大 自适应性强，功能 开放性不强，通讯兼 统学a l s y s 总控系分层，适用于中小 容性差，不可移植 统批量生产 通用控制系统开发平张友良教授提出功能结构上具有柔缺乏对分布异构式 台或软件平台的通用单元控制性、模块化，对各环境支持，通用性不 器开发平台种生产环境具有适强 应性 基于组件的控制系统周炳海博士后提递阶分布式控制，对底层异构设备集 出了一种基于组可重用、可重配置，成控制缺少研究，兼 件的柔性制造单互操性强容性不强 元控制系统 基于a g e n t ( 智能体) 或c h e u n g 的基于 递阶分布式控制，控制系统体系结构 h o l o n ( 全能体) 的控制 h o l o n 的柔性制扩展性、可扩充性、中各控制实体交互 系统 造控制系统敏捷适应能力强机制之间的关系复 杂，未深入研究 随着世界市场越来越客户驱动，制造系统必须具有高度的可重构性能以适应 产品和生产工艺的变化。近年来，制造控制系统已呈现如下趋势：尽管集中式控 制系统仍担当重要角色，但其日益让位于具有一定智能性的分布式控制系统 汹瑚3 。国际上一些有重要影响的研究团队也纷纷致力于研究基于多卖主设备的制 造控制系统( 有时也被称为“开放式体系结构控制系统”) 的构建方案滔1 。i e c ( 国 7 广东工业大学硕士学位论丈 际电工委员会) 6 1 4 9 9 标准可被用于表示事件与数据如何在不同设备的功能块 ( f u n c t i o nb l o c k ，f b ) 之间通过，以及功能块如何对事件做出响应和如何运行内部 算法。该标准强调软件可被组织成进行协同操作的组件单元，而不仅仅是作为大 量客户定制的软件单元的集合体。由于i e c6 1 4 9 9 功能块既具有面向对象的特征， 又具有优良的自治性，目前已经引起学术界与工界的重视，被作为研究新代制 造控制系统的重要基础。近年来，学术界开始尝试利用功能块来构建混合式控制 系统体系结构。 1 5 本文总体介绍 1 5 1 研究目标 分析模具行业的生产特点，针对模具行业对机器人制造单元的需求构建面向 模具行业的机器人制造单元控制系统的体系结构，研究机器人制造单元控制系统 通讯机制与实现方案，对机器人制造单元控制系统进行建模分析，设计并开发出 机器人制造单元的控制系统并在模具企业中应用。 1 5 2 研究内容 本文主要研究内容有： ( 1 ) 分析了当前模具企业的生产特点和存在的问题，针对目前模具生产存在 的问题提出了用机器人制造单元来组织模具生产。根据模具企业的需求构建了面 向模具行业的机器人制造单元控制系统的混合式控制体系结构和基于组件的控 制系统软件体系结构 ( 2 ) 研究了机器人制造单元内的通讯控制机制，重点研究几种典型的数控设 备的接口和通讯实现方式。对机器人制造单元中机器人的通讯控制方式和实现方 案展开了研究。接着，设计了面向模具企业的机器人制造单元总体通讯方案。 ( 3 ) 建立机器人制造单元控制系统的功能模型和面向对象模型，然后基于面 向对象模型对控制系统的类和组件进行了设计。 ( 4 ) 采用c o r b a 组件技术，基于和v i s u a lc h 开发环境，开发了面向模 第一章绪论 具的机器人制造单元原型系统，并将该系统在某机器人制造单元上应用，验证通 讯方案和系统设计的有效性和可行性。 1 5 3 章节安排 本文的具体章节安排如图1 2 所示如下： 1 5 本章小结 图1 - 2 本文主要内容框架 f i g l 一2 t e x tm a i nc o n t e n tf r a m e 本章介绍了课题的研究背景，研究意义。对相关领域的研究进行了回顾和分 析，明确了本文的主要研究内容，最后介绍了本文的主要工作以及结构安排。 9 广东工业大学硕士学位论文 第二章面向模具行业的机器人制造单元控制系统体 系结构 2 1 模具企业的特点及存在的问题 模具号称“现代工业之母 ，是一种高附加值的技术密集产品，它的技术水 平已经成为衡量一个国家制造业水平的重要评价指标。随着经济全球化的发展， 我国模具企业的发展面临着新的机遇和挑战，如何提高我国模具企业的生产水平 和竞争力，是摆在我们面前的重要课题乜1 。 2 1 1 模具企业的生产特点 模具企业是典型的面向订单的单件多品种生产型企业，其生产具有以下显著 特点： ( 1 ) 按订单组织，单件小批量生产。模具企业完全根据订单来组织生产，通 常每个订单只要求生产一套模具。这种订单来源是以不确定的市场需求为导向 的，具有很大的随机性。 ( 2 ) 加工工艺复杂多变。随着目前工业产品的更新换代速度加快、产品外观 的复杂度增加，作为基础装备的模具的加工工艺也越来越复杂多变。 ( 3 ) 模具交货短。当前激烈的市场竞争以及客户需求的多样化、个性化使得 模具制造企业对短交货期的要求日益迫切，模具的交货期限已从传统的几个月向 几十天、十几天甚至数小时发展。模具企业必须在保证其模具产品的高质量的同 时，实时的跟踪模具产品的生产进度，对模具生产进行合理的安排和调整，以满 足客户越来越短交货期要求。 ( 4 ) 对模具加工生产设备要求高。随着现代工业的发展，目前市场对模具产 品的精度要求越来越高，模具的结构也越来越复杂。模具企业必须耗巨资购进各 1 0 第二章面向模具行业的机器人制造单元控制系统体系结构 种自动化程度较高的高精度、高效率机床设备( 其中，数控加工设备花巨资所占 比重比较大) 以适应单件或小批量复杂模具的生产。 2 1 2 模具企业存在的问题分析 随着目前以市场需求为导向的市场经济的不断深化发展，目前大多数模具企 业采用的传统的、集中式的生产模式已经越来越难以响应市场的动态需求，主要 体现在： ( 1 ) 市场响应能力差。由于模具企业是以市场为导向的面向订单