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《中国科学院研究生院(沈阳计算技术研究所)》 2012年
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开放式数控系统可重构技术研究

杜少华  
【摘要】:数控技术及装备是发展国家高新技术产业和尖端工业的重要使能技术和基础装备,是先进制造技术的核心研究内容。随着电子技术、信息技术的不断发展,大规模定制、面向订单生产、快速更新加工工艺与生产能力、缩短产品生命周期与供应链、产品多样化与个性化已成为新型制造系统的主要特点,并且对制造系统的核心部件——数控系统,提出了更高的技术要求,如超高速、超精密、集成、复合、智能化等。为了满足制造技术的发展需求,开放式数控系统、可重构技术充分利用先进的控制技术、硬件产品等有利资源,通过功能模块集成/复用、控制逻辑可重构等方法,不断改进制造系统的控制功能、加工工艺、硬件设备、生产能力等特性,提高系统的自适应性与快速响应能力。从国家需求角度,国内数控系统产业与国外先进技术相比仍存在一定的差距,亟需强化开放式数控系统支撑平台,提高数控技术的研发效率、创新能力以及技术水平。为此,在国家科技重大专项、科技支撑计划等项目中,均提出了针对开放式数控系统创新平台、开放式数控系统网络等关键技术的研究工作。 本文根据开放式数控系统的结构特点以及可重构技术的相关研究,开展对开放式数控系统可重构技术的研究工作,将研究重点集中在基于功能模块的系统开发与功能设计、开放式系统结构框架设计、以及功能模块互操作方法等技术研究上,通过建立开放式系统结构框架,灵活选择目标系统环境所需的功能模块单元,结合所设计的功能模块互操作方法、通信机制以及应用程序接口,实现功能模块之间的数据通信与互操作,满足模块化、可扩展性、互操作性等开放式需求。在此基础上,本文提出了开放式数控系统的可重构设计方法,采用脚本语言方式与“软件连接”的设计思想,描述功能模块的可重构信息,由可重构信息解析系统(Reconfiguration Instructions Interpreting System,RIIS)负责功能模块间拓扑结构关系的配置及可重构操作,满足多样化、个性化的控制需求。论文工作主要集中在以下方面: 1.基于功能模块的系统开发与功能设计。模块化是开放式数控系统的基本要求,通过标准接口集成数控系统所需的功能模块单元,实现整体的加工控制功能。针对开放式数控系统的模块化结构特点,本文开展对IEC61131-3、IEC61499标准的功能模块模型及相关技术的研究工作,结合数控系统的主要功能与控制执行过程,建立了标准的功能模块模型,并提出了功能模块的基本实现流程。通过采用模块化结构和开放式系统接口,有效满足了开放式数控系统的模块化、可复用性、可扩展性等需求。 2.开放式系统结构框架设计。系统结构框架设计是开放式数控系统的研究重点,其在抽象层次上描述数控系统的整体功能,实现功能模块的选择、集成以及调度执行操作,满足目标系统环境的控制要求。本文采用分层设计方法,提出了一种开放式系统结构框架,将整体结构划分为四个部分,包括硬件层、实时操作系统层、数控系统平台层及应用程序层,并在数控系统平台层中提供了基本系统服务、通信管理功能、可重构管理功能等服务接口,满足数控系统的可移植性、可伸缩性、可扩展性等开放式需求,提高了系统功能的二次开发及第三方软件集成能力。 3.功能模块互操作方法研究与实现。由于功能模块采用“黑盒”结构,除了接口信息以外,系统开发人员很难对功能模块的内部特性及交互行为进行控制,降低了功能模块的互操作能力。因此,本文采用统一方法描述功能模块的控制参数、系统功能等接口信息,并提供了功能模块的可视化显示方法。一方面,通过可视化元件显示功能模块的参数、执行状态等接口信息;另一方面,将工作人员的控制操作转化为功能模块的触发事件及控制指令,实现功能模块的设定、诊断及调试操作,提高了功能模块的互操作能力。 4.数控系统可重构方法及其仿真测试验证。为了满足制造领域多样化和个性化的控制需求,提高数控系统的自适应性与快速响应能力,本文结合可重构技术的相关研究,提出了功能模块的可重构实现技术,采用脚本语言方式以及“软件连接”的设计思想,描述功能模块的可重构编程信息,由RIIS负责功能模块间拓扑结构的配置及可重构操作,优化数控系统的控制结构和加工过程。针对可重构技术的验证过程复杂、硬件环境依赖性强等特点,采用基于硬件在环的系统结构设计方法,降低了可重构技术的测试风险与成本,满足不同类型系统环境的测试要求。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(沈阳计算技术研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG659

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