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主要理论成果
发表时间:2015-11-18 阅读次数:1333次

一、可重构制造单元控制系统研究

传统的控制系统开发模式存在需求分析、仿真验证与编码实施等环节相互脱离的弊端,造成开发周期长、效率低、易出错,无法适应智能制造时代对可重构控制系统的需要。我们从系统建模、开发平台、运行环境三个层面开展可重构控制系统的研究,取得了若干原创性的成果。

1)形式化语义集成建模语言。基于IEC61499标准架构和模型集成计算理论,设计并实现了面向可重构制造单元控制系统开发过程的形式化语义集成建模语言。基于该语言能够开发结构完整、行为确定的功能组件,从而为系统建模提供工具,为仿真验证和代码自动生成提供基础。

2)全生命周期集成开发平台。开发平台以组件作为建模工具,并且通过模型转换技术集成第三方仿真验证工具、部署工具以及基于COM组件技术开发的运动控制、逻辑处理、机器人操作、HMI开发以及图像处理等工具,基于AutomationML规范实现组件间数据交换,从而实现了从设计、仿真到验证、实施的控制系统开发全生命周期管理。

3)实时可重构组件运行环境。实现了符合IEC61499标准的组件化运行环境,基于面向服务的思想实现多层次组件间的信息传递。提出基于优先级队列的组件调度器以保证组件运行的实时性,并且构造了重构规则最小集合实现了组件运行环境的动态可重构。

  

二、工业机器视觉系统关键技术研究

机器视觉具有非接触、高精度、高柔性的特点,非常适合动态可重构的智能制造环境,广泛应用于产品缺陷检测、辅助定位等领域。我们针对工业机器视觉关键技术开展了深入的研究,并且取得若干有益的成果。

1)光源控制。提出一种高速光源触发方法,使得触发时间缩短为4 μs,为实现高速飞行视觉奠定了基础。实现了高性能LED光源控制器,采用的32位RISC MCU,可提供多达8通道的独立PWM输出以及4通道触发输入,恒流控制,具有Ethernet、USB、RS232等多种通讯接口。

2)图像处理方面。提出一种实时亚像素边缘定位算法,能够显著提高目标物体的轮廓识别精度。

3)智能相机。提出并实现了一种具有组态编程和实时工业以太网(EtherCAT)接口的智能工业相机。

  

三、工业4.0智能制造系统研究

当前,制造业仍然面临诸多全球性的挑战,一方面消费需求日益个性化,传统的大批量生产方式越来越不适应多品种、小批量产品的快速生产要求;另一方面资源短缺、环境污染、气候变暖、人口老化等问题越来越突出,传统的生产方式受到严重制约。所以,研究和应用新的智能制造技术以提升制造过程的柔性、透明性、资源利用效率等,实现个性化产品的快速定制、智能化绿色生产,已经成为全球性的共识。我们较早的开展了CPS与智能制造相关的研究,已经取得的成果包括以下几个方面。

1)云集成的智能制造系统架构。以云平台为核心、网络为纽带,实现底层智能物理设备、上层监控终端与云平台高度互联。智能物理设备以智能决策与协商为基础实现自组织动态重构;云平台承载工业大数据,基于数据分析实现对自组织过程的反馈与协调,并且服务监控终端实现制造过程透明化。

2)智能制造系统典型配置。将物理设备分为处理设备(加工、检测、装配、存储)、输送装置和产品等三类,抽象出七组系统参数,并且以三组关键参数(闭环输送系统VS开环输送系统,完全智能产品VS有限智能产品,轮流加工VS混流加工)为基础将系统分为八种典型的配置,从而为系统分析、设计、实施奠定基础。

3)智能协商机制。针对完全智能产品和有限智能产品,提出两种基于合同网协议的智能协商机制,用于设备、输送装置、智能产品间的自主协商,从而实现自组织动态重构。

4)死锁预防策略。针对轮流加工和混流加工两种生产方式,提出两种死锁预防策略,破坏死锁产生的必要条件,实现多品种产品的加工。

5)原型平台建设。综合采用各种机械手、自主开发的环形多分支传送带、RFID射频装置、MOXA无线模块、浪潮服务器、思杰虚拟化软件、Hadoop软件簇、Web服务器等构建了智能工厂原型平台,并且实现了什锦糖的在线定制与包装系统。

  

四、开放式网络化运动控制器研究

智能制造环境下,装备控制器不仅需要满足高速度、高精度、稳定性、可靠性等要求,还要具有通讯、决策、协商等能力,并且能够适应逻辑控制、运动控制、机器视觉等综合控制需要,所以具有实时工业以太网接口的开放型运动控制器是较为理想的控制器方案。

1)基于实时内核的开放式软控制器。采用Kithara RTS实时内核,在多核Windows计算机上实现运动控制器,从而可以利用PC上的丰富资源,实现多功能集成的控制平台。

2)基于EtherCAT的工业以太网接口。基于EtherCAT国际标准,实现了实时工业以太网接口,并且提出了一种频率跟随的时钟同步方法,从而实现了EtherCAT主站与参考时钟的快速同步,避免了由于主从时钟不同步造成的丢包等影响,使得控制器的最小周期能够达到250 μs。

3)运动控制算法。提出并实现了多种运动控制算法,例如高阶加减速算法、前瞻小线段插补算法、曲率适应的NURBS插补算法、复杂空间曲面曲线插补算法等,能够适应复杂工件的高速高精加工。

4)12轴开放型运动控制器。实现了12轴开放式EtherCAT总线控制器,具有运动控制、逻辑控制、机器视觉、人机交互界面等多种功能,成功应用到高速FPC自动贴PI补强机、PCB微钻刃磨检测一体机等先进的电子制造装备上。

  

五、嵌入式数控系统协同设计方法研究

在对数控系统任务模型进行深入分析的基础上,采用控制/调度协同设计方法,实现对有限资源的优化调度,提高计算资源的利用率。确保数控系统在控制器工作状况及负荷变化情况下关键实时控制任务的顺利实施,提高了系统的可靠性。主要取得如下研究成果。

1数控系统任务实施分析。针对高性能数控系统的控制实施过程所迫切需要解决的问题,定性定量分析关键时间指标如控制环的采样频率、插补周期对于数控系统性能的影响,并研究数控系统控制环节对于实施过程引起的延迟和抖动的敏感性。

2面向数控系统的调度算法。提出了关键实时任务周期选择方法的基础上,考虑数控系统混合任务特性,提出以插补、伺服等关键实时任务的抖动为参考量的反馈调度算法,以减小因实时任务不确定性引起的加工误差,保证在资源约束等条件下的数控系统性能。