可重构机器人制造单元控制系统设计与实现

摘要

现有的机器人制造单元控制系统大多不具备实时动态重构功能，难以根据变化的运行环境或异常情况进行快速实时配置或重配置，这大大增加了制造企业的成本。针对上述问题，本文首先提出基于设备处理器可重构机器人制造单元混合控制体系结构，然后对系统进行建模分析以及对设备处理器进行设计，最后对整个控制系统进行设计以及原型开发。主要包括以下几方面的工作:
　　 (1)为了使制造设备具有实时动态重构能力，提出了具有自治和协作能力的设备处理器模型，以此为基础，构建了可重构机器人制造单元混合控制体系结构;在该体系结构的基础上，对控制系统的整体功能进行分析，该结构将控制系统控制流区分为相互独立的执行控制流和重构控制流，从而实现了控制系统重构控制和执行控制的并行执行。为了提高设备处理器局部自治能力，并且使控制系统软件具备良好的模块性、重用性、开放性以及易集成性，构建了面向服务的机器人制造单元控制系统软件体系结构。
　　 (2)将面向对象技术与着色Petri网相结合，提出基于面向对象着色Petri网（Object-orientedColoredPetriNet，OOCPN）可重构机器人制造单元控制系统动态建模和分析方法。首先构建设备处理器对象OOCPN模型，以此为基础，构建可重构机器人制造单元控制系统的OOCPN模型。然后提出了针对设备处理器对象以及整个控制系统OOCPN模型的死锁检测方法，利用提出的方法，对上述模型进行死锁分析。最后提出了针对上述模型可能出现的冲突事件的求解策略，并对各模型进行输入/输出冲突事件分析。
　　 (3)对设备处理器通用模块和通信模块进行设计，为了解决异构设备信息传递问题，提出了基于WebServices和MMS制造信息传递模型以及定义了设备处理器通信服务接口。采用统一建模语言(UML)分别对机床处理器、机器人处理器以及缓冲区处理器进行整体设计。
　　 (4)在构建了系统体系结构并对其进行动态建模与分析的基础上，采用统一建模语言(UML)对机器人制造单元控制系统进行详细设计，利用WebServices技术对机器人制造单元控制系统进行原型开发，通过运行实例和性能评价验证了所设计的机器人单元控制系统具有动态重构性能。
　　 最后，本文对所做的研究工作和主要成果进行了总结，并对可重构机器人制造单元控制系统的进一步研究做出展望。

目录

摘要

CONTENTS

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 机器人制造单元以及重构内涵

1．3 可重构机器人制造单元控制系统国内外研究现状

1．3．1 制造单元控制系统研究现状

1．3．2 控制系统体系结构研究现状

1．3．3 制造单元信息传递研究现状

1．3．4 机器人制造单元控制系统建模研究现状

1．4 本文研究内容及章节安排

1．4．1 研究内容

1．4．2 章节安排

1．5 本章小结

第二章 可重构机器人制造单元控制系统体系结构

2．1 基于设备处理器可重构机器人制造单元控制系统体系结构

2．1．1 设备处理器模型

2．1．2 可重构机器人制造单元混合控制体系结构

2．2 可重构机器人制造单元控制系统功能模型

2．2．1 机器人制造单元控制系统功能模型

2．2．2 执行控制和重构控制并行功能模型

2．3 面向服务的控制软件体系结构

2．3．1 可重构机器人制造单元控制系统软件结构要求

2．3．2 面向服务控制软件体系结构

2．4 本章小结

第三章 可重构机器人制造单元控制系统建模与分析

3．1 可重构机器人制造单元控制系统建模存在的问题

3．2 可重构机器人制造单元控制系统OOCPN模型

3．2．1 可重构机器人制造单元控制系统OOCPN模型定义

3．2．2 可重构机器人制造单元控制系统OOCPN模型建模流程

3．3 基于OOCPN可重构机器人制造单元控制系统建模

3．3．1 设备处理器对象OOCPN模型

3．3．2 机器人制造单元控制系统的基本OOCPN模型

3．3．3 机器人制造单元控制系统执行控制动态建模

3．3．4 机器人制造单元控制系统重构控制动态建模

3．4 可重构机器人制造单元控制系统OOCPN模型分析

3．4．1 设备处理器对象OOCPN模型分析

3．4．2 可重构机器人制造单元控制系统的OOCPN模型分析

3．4．3 冲突事件分析和求解策略

3．5 本章小结

第四章 基于Web Services和MMS的设备处理器设计

4．1 设备处理器通用模块设计

4．1．1 基于Web Services和MMS制造信息传递模型

4．1．2 设备处理器报文传输模型

4．1．3 基于Web Services的MMS PDU设计

4．2 设备处理器通信模块设计

4．3 设备处理器整体设计

4．3．1 设备处理器执行顺序图

4．3．2 设备处理器的面向对象模型

4．4 本章小结

第五章 可重构机器人制造单元控制系统设计与实现

5．1 可重构机器人制造单元控制系统设计

5．1．1 机器人制造单元控制系统整体设计

5．1．2 数据库设计

5．1．3 主控计算机子系统设计

5．2 原型系统的开发与实例运行

5．2．1 原型系统硬件环境

5．2．2 原型系统开发和运行实例

5．2．3 原型系统动态重构性能评价

5．3 本章小结

总结与展望

一、论文总结

二、研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢