（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式系统的制造装备自律控制理论与关键技术研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 制造装备作为现代制造系统的关键基础单元，其性能的好坏决定着先进制 造模式的成败。目前在制造过程规划、协调和协作方面的研究，主要是集中在 系统层面上，对于如何解决装备的异构性、装备间复杂的交互与协同、以及在 可达的异构资源中寻求协作的能力等问题尚缺乏深入的研究；对于数字制造装 备如何适应网络化数字制造环境的研究，大都停留在解决网络通信、远程操控 和数据交换等问题上，很少关注底层数字制造装备对复杂动态制造环境的主动 感知和自主适应等问题。本文利用嵌入式技术、网络与通信技术和智能理论与 技术，针对制造系统底层制造装备的自律控制理论与关键技术展开研究，以实 现制造装备具有对制造环境的自主适应能力、对加工行为的自律控制能力、与 异构制造设备的集成能力。本文开展的研究工作如下： ( 1 ) 对制造装备自律控制的内涵进行了研究，从制造装备自律控制的概念、 概念性系统模型和特征三个方面进行了详细的阐述和说明；并通过分析网络化 数字制造环境及其带来的制造装备自律控制的功能需求，研究了制造装备自律 控制的功能；然后系统地从静态模型( 层次结构和模块组成) 和动态模型( 工 作流和信息流) 两个角度详细分析了制造装备的自律控制。制造装备自律控制 的内涵、功能和模型分析是基于嵌入式系统的制造装备自律控制理论和关键技 术研究开展的基础。 ( 2 ) 在研究闭环位置控制数学模型、加工轮廓运动控制中的误差分析和轮 廓误差计算模型的基础上，针对利用一般运动轮廓误差计算模型不能实时计算 出曲线轮廓误差的不足，结合实时轮廓误差补偿控制策略和模糊逻辑理论，研 究了基于模糊逻辑理论和实时误差计算的轮廓自律控制策略。该策略可根据轮 廓误差绝对值的大小和加工轮廓曲率的变化自主地调整进给速度，并能实时计 算出轮廓误差近似值；在轴闭环位置为二阶数学模型的两轴轮廓运动和轴位置 控制为常规比例控制器的仿真实验条件下，仿真实验结果表明了该策略的有效 性。 ( 3 ) 在分析资源共享相关理论的资源共享的概念模型、控制模式和层次的 基础上，描述了网络化数字制造环境下数控装备资源的特性，研究了网络化数 武汉理工大学博士学位论文 字制造环境下数控装备资源模型，即数控装备制造单元资源模型和基于数控装 备制造单元的网络化制造资源模型；并研究了数控装备适应网络化数字制造环 境的自律控制策略，即为实现数控装备资源共享的自主协作策略。该自主协作 策略采用以加工任务为中心、任务驱动的协商机制；通过该自主协作策略，数 控制造装备资源具有适应网络化数字制造环境自律控制的自主协作能力。 ( 4 ) 在数控装备自律控制理论研究的基础上，结合现代信息技术，研究了 以网络为数控系统支撑平台、以网络信息资源和数控资源共享为目的的基于嵌 入式系统的数控装备自律控制的关键技术，即基于嵌入式系统的数控装备的网 络通信技术、与网络化数字制造环境集成技术和基于嵌入式系统的数控制造装 备自律控制的体系结构。研究了基于x m l 的制造装备信息集成，给出了描述制 造装备资源信息的x m ls c h e m a ；并根据基于嵌入式系统的制造装备自律控制体 系结构的设计要求和设计模式，研究了两种基于嵌入式系统的制造装备自律控 制体系结构，即基于嵌入式系统的制造装备自律控制基本系统体系结构和基于 嵌入式系统的制造装备网络自律控制服务系统体系结构。 ( 5 ) 在前面基于嵌入式系统的制造装备自律控制理论与关键技术研究的基 础上，针对基于嵌入式系统的制造装备自律控制基本系统体系结构和基于嵌入 式系统的制造装备网络自律控制服务系统体系结构，研究了相应的基于嵌入式 系统的数控装备自律控制策略的系统平台，即基于嵌入式系统的数控装备自律 控制基本系统和基于嵌入式系统的数控装备网络自律控制服务系统，这包括系 统平台的功能目标、软硬件架构及其关键技术等。 关键词：网络化数字制造，嵌入式系统，制造装备，自律控制，资源共享 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ti st h ek e yb a s i ce l e m e n to fam o d e r nm a n u f a c t u r i n g s y s t e m i t sf u n c t i o ns t r e n g t ha n dp e r f o r m a n c eq 砌i t yd e t e r m i n e st h es u c c e s so r f a i l u r eo fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gm o d e s a tp r e s e n t , t h er e s e a r c ho nm a n u f a c t u r i n g p r o c e s sp l a n n i n g , c o o r d i n a t i o na n dc o l l a b o r a t i o nm a i n l yf o c u s e so nt h es y s t e ml e v e l a n dl a c k si n - d e p t hs t u d yo nb o wt oa d d r e s st h eh e t e r o g e n e o u sn a t u r eo ft h e e q u i p m e n t ，t h ec o m p l e xi n t e r a c t i o na n dc o l l a b o r a t i o nb e t w e e nt h ee q u i p m e n t , a sw e l l a ss e a r c hf o rc o l l a b o r a t i o nc a p a c i t yu pt ot h eh e t e r o g e n e o u sr e s o u r c e s t h er e s e a r c h o nb o wd i g i t a lm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n tt o a d a p tt o t h en e t w o r k - b a s e dd i g i t a l m a a u f a c t u d n g e n v i r o n m e n tm o s tr e m a i n si nt h e s e t t l e m e n to fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n , r e m o t ec o n t r o la n dd a t ae x c h a n g e i tp a y sv e r yl i t t l ea t t e n t i o nt ot h e b o t t o md i g i t a l e q u i p m e n t si n i t i a t i v ea w a r ea n da d a p t i n gt oc o m p l e x d y n a m i c m a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r , t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y , n e t w o r ka n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e o r yo f i n t e l l i g e n c ea n dt e c h n o l o g ya r eu s e dt od o r e s e a r c h0 1 1m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ti nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m st o a d a p tt o t h e n e t w o r k e dd i g i t a le n v i r o n m e n t , i no r d e rt oa c h i e v em a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n t s c a p a c i t i e so fs e l f - a d a p t i n gt ot h em a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t , s e l f - c o n t r o l l i n gi t s a c t i o no nt h e p r o c e s s i n g ， a n d i n t e g r a t i n g w i t h h e t e r o g e n e o u sm a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n t t h i sp a p e rh a sc a r r i e do u tt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ： ( 1 ) t h ec o n n o t a t i o no fa u t o n o m o u sc o n t r o lo fn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n ti s s t u d i e d a n di ti si n t r o d u c e da n dd e s c r i b e df r o mt h r e ea s p e c t so ft h en ce q u i p m e n t s e l f - d i s c i p l i n ec o n t r o lc o n c e p t ，c o n c e p t u a lm o d e la n df e a t u r e s a l s o ，t h r o u g ht h e a n a l y s i so fn e t w o r k b a s e dd i g i t a lm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t , n u m e r i c a lc o n t r o l e q u i p m e n ta u t o n o m o u sc o n t r o la b i l i t i e sa r es t u d i e d t h ep a p e rd o e st h ed e t a i l e d a n a l y s i so fn ca u t o n o m o u sc o n t r o ls y s t e m a t i c a l l yf r o mp o i n t so ft h es t a t i cm o d e l ( 1 e v e la n ds t r u c t u r eo ft h em o d u l e s ) a n dt h ed y n a m i cm o d e l ( w o r k f l o wa n d i n f o r m a t i o nf l o w ) t h er e s e a r c ho nm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ta u t o n o m o u sc o n t r o l t h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e sb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi sc a r r i e do u tb a s e do nt h e c o n n o t a t i o na n da n a l y s i so ff u n c t i o na n dm o d e lo f m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t 1 1 i 武汉理工大学博士学位论文 ( 2 ) o nt h eb a s i so ft h es t u d yo nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec l o s e d - l o o p l o c a t i o nc o n t r o l ，t h ea n a l y s i so fc o n t o u re r r o ri nt h ep r o c e s sm o t i o nc o n t r o la n de r r o r c a l c u l a t i o nm o d e l ，a c c o r d i n gt ot h el a c ko fu s i n gn o r m a lc o n t o u re r r o rm o d e ln o tt o c a l c u l a t ec o n t o u re r r o ro fc u r v ei nr e a l - t i m e ，c o m b i n i n gr e a l t i m ec o n t o u re r r o r c o m p e n s a t i o nc o n t r o ls t r a t e g ya n df u z z yl o g i ct h e o r y , t h ef u z z yl o g i ca n dr e a l - t i m e c o n t o u re r r o rc a l c u l a t i o nb a s e ds e l f - d i s c i p l i n ec o n t r o ls t r a t e g yi s p r o p o s e d t h e s t r a t e g yc a nb eb a s e do nt h ea b s o l u t ev a l u eo ft h ec u r v ec o n t o u re r r o ra n dc h a n g e si n c o n t o u rc u r v a t u r et oi n d e p e n d e n t l ya d j u s tt h ef e e dr a t e , a n dt oc a l c u l a t ei nr e a l - t i m e c o n t o u re r r o ra p p r o x i m a t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so f t w o a x i sc o n t o u rc o n t r o lm o v e m e n tw i t hs e c o n d - o r d e ra x i sc l o s e d - l o o pp o s i t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ea x i sp o s i t i o nc o n t r o l l e db yt h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o l l e r , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c t i v e n e s so ft h es t r a t e g y ( 3 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so fr e s o u r c es h a r i n gt h e o r yi n c l u d i n gr e s o u r c es h a r i n g c o n c e p tm o d e l ，c o n t r o lm o d e sa n dt h el e v e lo f r e s o u r c es h a r i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f n u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n ti nt h en e t w o r k - b a s e dd i g i t a lm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t a l ed e s c r i b e d a n dt h en u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gu n i tr e s o u r c e m o d e la n dn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c em o d e l sb a s e do nt h en u m e r i c a lc o n t r o l e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gu n i ta r ep r o p o s e d t h es t u d yo na u t o n o m o u sc o n t r o l s t r a t e g yo fn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n ti nn e t w o r k - b a s e dd i g i t a le n v i r o n m e n ti sd o n e i ti st h ea u t o n o m o u sc o l l a b o r a t i v es t r a t e g yo fn ce q u i p m e n tr e s o u r c es h a r i n g t h e c o l l a b o r a t i o ns t r a t e g ya p p l i e sp r o c e s s i n gt a s k s d r i v e nc o n s e n s u sm e c h a n i s m t h r o u g h t h ea u t o n o m o u sc o l l a b o r a t i o ns t r a t e g y , c n cm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n th a st h e a u t o n o m yc a p a b i l i t y t o a d a p t t ot h en e t w o r k - b a s e d d i g i t a lm a n u f a c t u r i n g e n v i r o n m e n t ( 4 ) o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho na u t o n o m o u sc o n t r o lt h e o r yo fn u m e r i c a lc o n t r o l e q u i p m e n t , c o m b i n i n gm o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n df o rt h ea i mo fn e t w o r k i n f o r m a t i o na n dn u m e r i c a lc o n t r o lr e s o u r c es h a r i n gu n d e rn e t w o r kf o rn u m e r i c a l c o n t r o ls u r p p o r t i n gs y s t e mp l a t f o r m ，t h er e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fe m b e d d e d s y s t e m - b a s e dc n ce q u i p m e n ts e l f - d i s c i p l i n ec o n t r o la l ed o n ef r o mt h r e ea s p e c t so f t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y - b a s e dm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yw i mn e t w o r k - b a s e dd i g i t a lm a n u f a c t u r i n g i v 武汉理工大学博士学位论文 e n v i r o n m e n ta n dn u m e r i c a lc o n t r o lm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ts e l f - d i s c i p l i n ec o n t r o l a r c h i t e c t u r eb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m r e s e a r c ho nx m l - b a s e di n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o no fm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ti sd o n ea n dx m l s c h e m ao fm a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n ti n f o r m a t i o ni sg i v e n a n da c c o r d i n gt oe m b e d d e dt e c h n o l o g yb a s e d n u m e r i c a lc o n t r o ls e l f - d i s c i p l i n ec o n t r o la r c h i t e c t u r ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dd e s i g n p a t t e r n s ，t w ok i n d so fn ce q u i p m e n ts e l f - d i s c i p l i n ec o n t r o la r c h i t e c t u r eb a s e do n e m b e d d e dt e c h n o l o g ya r ep r o p o s e d t h a ti ss e l f - d i s c i p l i n ec o n t r o lb a s i ca r c h i t e c t u r e a n dn e t w o r ks e l f - d i s c i p l i n ec o n t r o l s e r v i c ea r c h i t e c t u r eo fn u m e r i c a lc o n t r o l m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n tb a s e do l le m b e d d e ds y s t e m ( 5 ) b a s e do nt h ea b o v em a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ta u t o n o m o u sc o n t r o lt h e o r ya n d k e yt e c h n o l o g i e sr e s e a r c hb a s e do ne m b e d d e ds y s t e ma n da c c o r d i n gt w ot y p e so f e m b e d d e dt e c h n o l o g y - b a s e dn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n ts e l f - d i s c i p l i n ec o n t r o l a r c h i t e c t u r e ，e m b e d d e ds y s t e mb a s e dn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n ts e l f - d i s c i p l i n e c o n t r o lb a s i cs y s t e ma n de m b e d d e ds y s t e mb a s e dn ce q u i p m e n tn e t w o r k s e l f - d i s c i p l i n ec o n t r o ls e r v i c es y s t e ma r es t u d i e d i tc o v e r st h es y s t e mf u n c t i o nt a r g e t ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e s k e y w o r d s ：n e t w o r k - b a s e dd i g i t a lm a n u f a c t u r i n g ；e m b e d d e ds y s t e m ；m a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n t ；a u t o n o m o u sc o n t r o l ；r c s o u e c cs h a r i n g v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：张坌连 日期： 关于论文使用授权的说明 删7 g - 舌 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：多险峻导师签名： 期：丝星! 堇! 鱼 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 1 1 1 研究背景 随着信息技术、管理科学等有关科学技术与制造技术的交融，出现了相应 的先进制造技术；先进制造技术有八个方面的发展趋势和特色i l j ，即数字化、精 密化、极端化、自动化、集成化、网络化、智能化和绿色化。与之相应的是机 械制造业的生产模式也发生着巨大的变革，出现了多种全新的制造模式，如集 成制造、柔性制造、智能制造、数字制造、网络制造等。作为全球数字化浪潮 中的重要环节之一，数字制造是在计算机、数字技术和网络信息技术与制造技 术不断融合、发展和广泛应用的基础上诞生的，也是制造企业、制造系统和制 造过程不断实现数字化的必然。数字制造的出现为制造系统、装备、过程和产 品的核心技术等方面带来了一系列深刻的变革，极大地推动了制造技术的数字 化、网络化、智能化和可视化 2 1 。数字制造技术已经成为提高企业和产品竞争力 的重要手段 2 , 3 1 。数字制造的发展将对制造业产生深远的影响，为制造业的发展 注入强大活力，带来制造业深刻的革命，特别是数字技术融入产品的开发和制 造过程，将使产品的功能、结构、质量、性价比、效益等发生深刻的变化。 数字制造有着其自身特殊的特点。s e i n 0 【4 】等从开发和生产两个角度描述了 数字制造的基本属性，将其用于产品设计和制造过程，形成了数字产品、数字 制造装备、数字制造技术等研究领域。与数字制造紧密相关的概念有虚拟制造、 网络制造和智能制造等。虚拟制造的核心思想是用虚拟原型代替物理原型，目 的是达到可制造性的设计；网络制造主要研究制造业内部的信息交流和共享， 以及外部的网络应用服务；智能制造则要解决制造知识和经验的形式化描述， 研究不确定性和不完全信息下的制造约束问题求解。数字制造从不同角度综合 了上述制造技术的部分属性，代表它们发展的主流方向。目前，数字制造需研 究并解决的问题主要包括数字设计、数字建模、数字加工、数字控制、数字维 护以及高速高精数字装备等。数字制造尚是一个开放的研究领域，也是一个正 在快速发展的研究领域。 武汉理工大学博士学位论文 2 0 0 7 年，我国制造业增加值达到1 0 万亿人民币，占工业产值的7 8 ，国民 生产总值的4 0 。进入2 1 世纪后，随着国际产业结构调整和转移，中国将成为 世界最重要的制造和供应基地之一。制造业的作为国民经济的重要支柱，其基 础理论研究水平、技术水平和创新能力已成为我国提高经济实力和综合国力的 根本。2 1 世纪是数字化、网络化和信息化的时代，也是经济全球化和竞争全球 化的时代。随着我国加入w t o 后国际市场的不断进入，市场竞争更加激烈，作 为国民经济支柱产业的制造业首当其冲。我国已经成为制造大国，但还不是制 造强国，多数企业仅能从事“简单”制造，缺乏系统基础制造理论的指导和自 主开发核心技术的支持，尤其在许多重大基础制造理论和原创性核心技术方面 的研究还比较落后。与国际先进水平相比，我国的制造业和制造技术还存在着 相当大的差距，目前迫切需要解决以下突出问题【2 】： ( 1 ) 产品创新能力较差，开发周期较长。 ( 2 ) 制造工艺装备落后，成套能力不强。 ( 3 ) 资源共享能力差，信息集成度低。 ( 4 ) 无论是硬件、软件和装备都不能适应当前和未来网络化、数字化和智 能化发展的要求。 不解决上述问题，我国的制造业很难在激烈的国际竞争中生存和发展，很 难从一个制造大国转变为一个制造强国。由于数字制造是先进制造技术的核心， 因此数字制造对于提高我国制造业的技术创新能力和国际竞争力，促进制造业 产业结构的优化和升级，以及实现我国制造业信息化和制造业的跨越式发展等 均具有积极的推动作用，数字制造理论研究的突破和核心技术的自主创新以及 相关技术和系统的应用推广将产生巨大的社会和经济效益。 随着现代高科技的发展，以网络为基础的制造活动环境成为当前国内外网 络和数字制造研究的热点和前沿领域，已经引起了国内外政府、学术界和工业 界的高度重视，各国政府纷纷设立重大项目对网络制造环境进行研究和开发。 我国在这一领域同样具有重大的应用需求，同时也具备了一定的研究基础。研 究以网络为基础的数字制造环境的目标是利用网络技术将地理上位置不同的制 造设计系统、制造管理系统、生产管理系统、制造设施、控制系统及检测仪器 仪表等集成在一起，建立面向数字制造服务的通用基础支撑环境，实现i n t e m e t 上产品全生命周期的制造资源、设计资源和服务资源的有效聚合和广泛共享， 2 武汉理工大学博士学位论文 从而建立一个能够实现面向区域或全球合作或协作的制造环境，支持以区域数 字制造和全球数字制造为特征的数字制造活动。 制造技术的网络化、数字化和智能化使得先进制造系统对其底层制造装备 的要求也发生了很大的变化，如表1 1 所裂5 1 。网络数字制造环境下制造装备工 作在知识域，其由原来的数据、能量驱动变为了信息或知识驱动；在数字技术、 网络技术和智能技术的作用下，制造装备具有了一定的自主性、自组织性和自 律性；它能够接收指令、观察环境，实时按环境的实况修改执行的指令；同时 具备了通用网络接口和现场总线结构及与异构单元的通信能力，且支持远程诊 断、远程操作和监控、虚拟现实技术。同时，现代制造系统大都以网络化和分 布式为主，这也要求每个节点制造设备具备通信、互操作和自主管理能力，即 制造设备的自律控制能力。现代制造系统的组成需要智能制造设备的支撑，也 是制造设备具有智能性促成了现代智能制造系统形成和发展，制造设备的自律 控制化程度影响整个制造系统的功能和性能，可见具有自律控制能力的制造设 备在现代制造系统中的地位和作用。 具有自律控制能力的制造设备可以是各类制造系统中所用的加工、成型和 其它制造辅助设备。实现自律制造设备的关键之一是与制造装备自身配套的具 有自律控制功能的数控系统。具有自律控制功能的数控系统可以是由p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 等通用控制器、工控机、专用电子电路、嵌入 式系统等组成。数控机床( 系统) 作为现代制造系统的关键基础单元，其功能 的强弱和性能的好坏决定着各种先进制造模式的成败。随着对智能制造装备在 功能、体积、外形、成本等严格要求和嵌入式系统本身功能不断完善、技术不 断成熟条件下，嵌入式系统逐渐成为实现自律制造装备的最主要和最有发展前 途的技术。 表1 1 传统制造环境与网络制造环境下制造装备的比较 传统制造环境下制造装备网络数字制造环境下制造装备 输入接收数据、处理数据，工作在 接收知识、理解知识、处理知识，工作在知识域 数据域 运行接收指令、执行指令，严格按接收指令、观察环境，实时按环境的实况修改指 指令工作令，执行指令 组织从外部加以操作和调度自主性、自组织性和自律性 驱动能量驱动信息或知识驱动 武汉理工大学博士学位论文 环境单机运行网络环境下 操作域近距离操作 远程操作、远程监控和虚拟现实 监控诊 近距离故障诊断( 凭借经验) 远程故障诊断( 利用网络化、数字化的远程监视 断和诊断系统) 控制 一般数控技术、数控系统 网络化和智能化数字控制技术和系统 通用网络接口和现场总线结构，异构单元之间的 通信串行通讯接口或专用的接口 通讯 1 1 2 课题来源 基于嵌入式系统的制造装备自律控制理论与关键技术研究来源于课题： ( 1 ) 国家自然科学基金国际合作与交流项目( 5 0 6 2 0 1 3 0 4 4 1 ) ：以网络为 基础的数字制造环境的新理论和新技术研究。 ( 2 ) 国家自然科学基金项目( 5 0 6 7 5 1 6 6 ) ：基于资源的网络数字控制新理 论及关键技术研究。 1 1 3 研究目的和意义 由于科学技术的进步与发展，信息科学、材料科学、生命科学、管理科学 和现代控制理论与制造科学不断交叉融合，使得传统制造科学发生深刻变掣6 】。 数字制造的出现为制造系统、装备、过程和产品的核心技术等方面带来了一系 列深刻的变革，极大地推动了制造技术的数字化、网络化、智能化和可视化。 制造装备是制造业的物质基础。它是指各类制造系统中所用的加工、成型 和其它制造辅助设备。制造装备分单个设备、设备单元、生产车间设备系统等 几个层次。机床、机器人、测量机是重要的机械制造装备，它们的共同特点是 运动自由度数目较多，各运动之间要求保持严格的运动关系，都属于坐标运动 类型的制造装备。作为数控机械制造装备，它们的基础技术、应用技术和开发 技术有很多共同之处。制造装备数字化的主要内容是制造装备控制的数字化， 而制造装备控制数字化的最主要内容就是扩大数控机床的应用和强化数控系统 的功能。因此，基于嵌入式系统的制造装备自律控制理论与关键技术研究的研 究对象为数控机床和数控装备。数控装备作为最底层的制造装备，其性能的好 坏和功能的强弱直接决定了数字制造或网络制造等各种先进制造模式的成败。 此外，该研究可促进以网络为基础的数字制造技术的原始创新，为建立高性能 4 武汉理工大学博士学位论文 的区域或全球协作的数字制造环境提供基础理论和方法。同时，该研究如何将 制造系统中的各种异构资源、异构设备特别是底层设备实现有效的集成和网络 资源共享，是涉及数字制造技术创新成败与优劣的重大科学问题。 数字制造装备的高速、高精、智能控制和低成本已成为当今世界制造业追 求的目标，为了适应这种变化和实现所追求的目标，对作为制造系统基础设备 的数控机床提出了愈来愈高的要求。然而，现有的数字控制技术对这些要求已 越来越显得无能为力，这主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 由现有的数字控制系统构成的数控加工设备，对加工过程来讲是一个 开环系统，它只能忠实地执行由c a d c a m 或人工预先编好的加工程序，而对 加工过程中工况的复杂变化，缺乏相应的识别能力和足够的自律控制能力。这 样它便依赖于编程人员的经验和知识。加之，加工状况是复杂多变的、加工的 效率和精度又受加工条件的影响。为了避免加工故障，编程人员常常选择较为 保守的加工参数，这样必然使加工效率和质量的提高受到限制。另外，刀具的 磨损、破损不仅影响切削加工的效率、质量和成本，而且严重时还可能造成加 工零件的报废，甚至危害机床设备 7 1 。 ( 2 ) 现有的数字控制系统多数是非开放式，这使得一些自律控制技术难以 在数控加工中实用。而且，目前在我国制造行业中，数字控制系统大多数仍是 异构系统，设备大都是多厂商产品，控制系统和通信接口自成一体。不同的机 械系统、电子系统、异种机、异种设备以及大量相互作用的软件和硬件构成了 一个异构并发环境。这些异构设备形成了大量的自动化孤岛睁1 0 】，不能满足人们 迫切对具有互操作性、可移植性、可伸缩性和互换性的开放式数控系统的需求。 研究开放式、模块化的数控系统体系结构成为一个重要问题。因为控制策略的 实现问题实际上就是开放式体系结构的研究，这也是实现高性能、智能化数控 的关键技术i l 。 ( 3 ) 随着电子、计算机和网络技术的发展，控制系统的发展呈现出分布性、 网络化和智能化的特点。且随着数控系统向开放体系结构的智能化数控系统发 展，其控制功能不断向上延伸，向具有一定自主性和管理决策功能的方向发展。 这就使数字控制系统之间、控制系统和其他单元之间的信息传递越来越复杂， 信息量加大。计算机网络为数字制造信息的传递、制造资源的共享、制造系统 的优化运作提供了重要条件。在网络环境下，基于多智能体的数字制造更强调 组成单元间的协同、合作以及对制造环境的自主适应能力【1 2 1 。目前在制造过程 5 武汉理工大学博士学位论文 规划、协调和协作方面的研究b 3 , 1 4 ，主要是集中在系统层面上，对于如何解决装 备的异构性、装备间复杂的交互与协同、以及在可达的异构资源中寻求协作的 能力等问题尚缺乏深入的研究；对于数字制造装备如何适应网络环境的研究， 大都停留在解决网络通讯、远程操控和数据交换等问题y b 2 , 1 5 , 1 6 ，很少关注底层 数字制造装备对复杂动态制造环境的主动感知和自主适应等问题。 ( 4 ) 嵌入式技术近来受到人们的高度重视，在诸如机电控制、数字制造、 检测与传感、实时状态监控与故障诊断等工业领域得到越来越广泛的应用，并 成为未来数字制造发展方向之一【1 7 】。嵌入式系统是“嵌入到受控对象或宿主系 统中的专用计算机系统 。嵌入式系统可为被嵌入系统提供一个专门的服务， 该服务可以是对外界输入的响应，直接来自外界；也可以是对被嵌入系统或相 邻的嵌入式系统数据的响应。它具有以下特点：1 ) 嵌入式系统是与应用紧密结 合的，具有很强的专用性；2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术 和电子技术以及各个行业的具体应用结合后的产物，是一个技术密集、资金密 集、高度分散、不断创新的知识集成系统；3 ) 嵌入式系统能够根据应用需求对 软硬件进行裁剪，满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积等要求。 随着计算机技术的发展，目前已出现了3 2 位( 甚至6 4 位) 嵌入式中央处 理器芯片，如美国m i p s 公司的m i p s 6 4 。嵌入式系统所采用的中央处理器根据 其设计目的用途，可大致分为微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 、微控器 ( m i c r o c o n t r o lu n i t ，m c u ) 和数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 。 用于嵌入式系统的中央处理单元具有指令简单丰富、指令执行快等特点，且有 硬件浮点运算指令，实现硬件单、双精度浮点运算，从而大大增强了嵌入式系 统的计算能力。目前，有的嵌入式处理芯片将多种处理器( 如m c u 和d s p ) 集 成到一块芯片形成针对特定应用的专用处理芯片。这种芯片不但大大地增强了 嵌入式系统的能力，而且简化了系统的开发。一块嵌入式处理器芯片几乎提供 了实时控制系统所需的所有硬件功能，可以实现整个控制系统的基本功能，即 所谓片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。而且在嵌入式硬软件开发环境方面，开 发工具也越来越丰富和完善，比如联合测试行动小组( j o i n tt c s t a c t i o ng r o u p ， j t a g ) 测试工具使得硬件的调试、测试变得非常容易。在软件方面，针对嵌入 式系统，目前人们开发了许多针对实时控制而设计的嵌入式实时操作系统 ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 以及相应的软件开发环境。总之，嵌入式 6 武汉理工大学博士学位论文 技术和系统具有很好的应用性、很强的适应性、资源利用充分、系统紧凑、