面向服务的开放式数控系统设计关键技术研究

发布时间：2020-08-07 06:48

【摘要】：工业4.0时代,随着以云计算、物联网等新一代信息技术与虚拟化、网络化等先进制造模式的深度融合,制造系统的智能化水平大大提升。制造系统中生产要素的快速流动与配置、市场需求的瞬息万变以及个性化、多样化产品的大批量定制,要求数控系统具备更高层次的开放性、灵活重构和快速集成能力,这将导致数控系统体系结构和设计理念的新变革。为适应制造领域新的发展需求,本文提出一种面向服务的开放式数控系统设计方法,并针对面向服务的数控领域建模语言设计、数控服务组合语义形式化建模与验证、服务组合模型多目标优化设计等关键问题进行了深入的分析和研究。论文首先针对数控功能的服务化封装,组合语义建模等面向服务系统设计实施过程中的核心问题,提出面向服务的开放式数控系统设计框架,其通过结合领域建模、形式化语义描述和多目标优化等关键技术,遵照服务建模、服务组合与验证、组合模型优化的系统设计流程,将各阶段的设计工作集成到统一的框架中。遵循所提设计框架,通过构建数控服务模型和服务组合模型,基于形式化模型检验技术实现对系统规约的自动化验证,利用多目标优化方法实现高服务质量下的数控服务组合模型的优化设计,保证面向服务架构下数控系统设计的顺利实施。如何进行面向服务的应用系统建模是实现面向服务设计的关键环节。针对这一问题,本文通过深入研究IEC 61499参考模型与面向服务架构间的映射关系,提出利用领域建模技术来解决面向服务的数控系统设计过程中的应用系统建模问题。面向服务的领域元模型设计是实现面向服务的数控领域建模的关键任务,为保证元模型的精确性,本文采用形式化描述方法来指导元模型的设计,基于多维关注分离、端口和接口嵌套等设计策略,分别对数控领域特征、IEC 61499参考模型和SOA组成要素等不同侧面的子领域信息进行元模型设计,通过定义各方面信息间的映射与关联规则,最终构建具备多元信息融合特征的、面向服务的复合化数控领域元模型。服务组合问题是服务集成的关键和难点,在服务组合的建模过程中,需要对数控服务间的组合语义进行精确描述,定义组合服务中各个组件服务的执行顺序与交互过程。本文基于计算模型对数控服务的组合语义进行研究,在语义建模阶段,选择同步反应(SR)、离散事件(DE)、时间多任务(TM)等三类典型的实时并发计算模型来实现数控服务组合语义的建模,通过计算模型间的组合、连接或嵌套可实现层次化异构的语义描述。对于服务组合模型的验证,基于混合计算树逻辑对系统规约进行描述,基于逆向带权广度优先搜索标记模型检测算法验证服务组合模型需要满足的实时性、安全性等系统约束条件。在以服务为基本元素搭建数控应用的过程中,一个特定的需求往往对应大量功能匹配的候选服务组合方案。在这种情况下,如何从大量功能匹配的候选服务组合方案中选择一个满足用户的全局服务质量约束,且质量最优的组合方案是设计空间搜索问题。本文从多目标优化角度出发,以加工误差、加工速度和资源利用率等不同方面的服务质量为参考,建立面向数控服务组合的多目标优化模型,同时为提高复杂搜索空间中最优解的求解效率,提出利用具备改进协同进化算子和次优解筛选机制的扩展型多目标进化算法实现对优化问题的智能、高效求解。最后,为了无缝集成需求分析、建模、验证和部署等不同阶段的设计活动,本文给出了包含建模工具、模型转换工具以及目标平台适配工具等在内的支撑工具集的实现方法,便于设计人员快速定制、搭建不同类型的数控系统。以一个PCB全自动微钻开槽机数控系统设计为例,基于C/S架构和多层次功能抽象给出了系统具体的软硬件实现方案。以服务集成的方式构建了核心控制单元服务组合模型,利用所提模型检验与多目标优化方法对组合模型进行了验证和参数优选。以某特定型号的微钻为例,对所构建的控制系统的实际加工效果进行了测试,验证了本文所题设计方法的可行性和有效性。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659


本文编号：2783641