基于容器技术的工业机器人与数控铣床多机集中控制系统研究
发布时间：2022-01-05 00:54
数控机床与工业机器人是工业生产中的常用设备,目前常见的数控机床与工业机器人控制系统大多采用嵌入式控制方案,硬件平台与软件系统高度耦合,且由于各垄断厂商系统的封闭性导致难以实现工业生产现场各设备的智能化与协同化。近年来,得益于通用计算硬件计算能力的提升与开放式数控系统、开源机器人控制平台的发展,以及硬件虚拟化技术、现场总线技术逐渐成熟,使得开发出采用通用硬件作为计算平台、以开放式软件作为控制系统、使用现场总线实现上下位机通信的数控机床控制系统与工业机器人控制系统成为可能。本文以开放式数控系统Linux CNC与开源机器人操作系统ROS为基础,采用Ether CAT现场总线为通信方式,以富士康公司生产的机器人本体FOXBOT-A1200为控制对象,搭建了基于ROS的FOXBOT机器人控制系统。以ROS提供的轨迹规划功能包Move It!与物理场仿真功能包Gazebo为基础搭建了FOXBOT-A1200工业机器人的Move It!+Gazebo联合仿真环境。以Ig H Ether CAT Master为主站协议栈,迈信公司Maxsine EP3E系列Ether CAT总线伺服驱动器作为从站,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
现阶段典型数控生产车间实景
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-这些大型垄断厂家所研制的数控系统都是封闭式数控系统，采用专用计算机系统，软、硬件都不对用户开放。在工业机器人领域，目前主要的工业机器人供应商有ABB、库卡、发那科、安川等公司，它们都采用各自开发的控制系统，由于商业竞争的原因，其能够对用户开放的接口也十分有限，这也导致了工业现场的各作业设备缺乏有效的消息共享渠道。图1-2特斯拉汽车生产线实景由于封闭式数控系统与工业机器人控制系统存在的以上问题，以及对打破这种不同控制系统之间信息交流屏障的迫切需求，开放式数控系统与开源机器人开发平台应运而生。开放式数控系统的研究从上世纪80年代末开始，现在仍处于发展阶段，还没有形成统一的标准。IEEE定义的开放式系统为：“能够在不同厂商的多种平台上运行，可以和其他系统的应用程序互操作，并且能够给用户提供一致性的人机交互方式。”[2]利用开放式数控系统与机器人控制系统，能够打破工业现场各设备间的信息交互壁垒，为实现各设备的协同控制提供条件。随着通信带宽、计算机运算能力与硬件虚拟化技术的发展以及开放式数控系统与机器人开发平台逐渐涌现，物联网、云计算等新一代信息技术正在向制造业渗透，越来越多采用开放式控制平台的自动化设备在工业现场投入使用，使得对多台工业设备进行集中控制成为可能。近年云计算发展迅猛，云制造的概念被提出来，将整个生产制造系统搬上云端，进行集成化管理的需求日益增长。但由于工业控制领域对实时性的要求很高，且终端设备产生的数据量巨大，将工业现场设备产生的数据直接传送到远端的云计算中心，再请求数据处理结果，增大了系统的延迟。这种模式不适用对实时性要求高的工业控制领域，于是又提出了边缘计算的概念[3]。边缘计算能?
统的开放系统结构控制”项目(简称OSACA)采用了分层的系统平台加结构功能单元的结构，其目的是实现控制系统应用程序的可移植、可扩展、可替换、可伸缩以及互操作性[2]。该项目使用面向对象的设计方法，主要由通讯系统、参考体系结构和配置系统三部分组成。以开放源码为基础建立了面向控制器的分布式实时框架，提供实时API接口来实现软件系统各部分的灵活耦合以及实时通信。实现了基于组件和面向机床的开放式数控系统的参考模型，提供标准接口并可以集成兼容该接口标准的第三方软件[6]。OSACA项目的体系架构如图1-4所示。图1-4欧盟OSACA架构开放式数控系统结构示意图[6]日本的“控制器开放系统环境”项目(简称OSEC)其研究目标是对基于PC平台的、具有高性价比的新一代开放体系结构CNC进行开发。该项目采用模块化的软件结构，每一个功能由一个对应的应用程序实现。这样设计的好处是任务程序可以被系统交换出去而不影响其它任务，并且当修改了系统某一部分程序后，不需要重新编译整个软件包。客户所需的完成某一特定功能的软件模块可以被定义为“功能块”，某一具体功能块可被封装为一个对象。OSEC开放式平台下系统在执行阶段具有广泛的选择性，例如可以自由选取安装机制、进程间通讯方式、底层硬件设备类型和设备驱动以及具有不同功能的软件执行模块等[7]。其架构示意图如图1-5所示。NGC（下一代控制器）是由美国空军主导进行的研究，美国国家标准技术协会(NIST)在NGC的基础上进行了进一步研究工作，提出了增强型机床控制器（EnhancedMachineController，EMC），并建立了LinuxCNC实验床验证其基本方案。主导了OMAC项目的美国三大汽车公司联合欧盟OSACA组织和日本的JOP
【参考文献】：
期刊论文
[1]边缘计算:现状与展望[J]. 施巍松,张星洲,王一帆,张庆阳. 计算机研究与发展. 2019(01)
[2]基于容器化OpenStack云平台及Ceph存储的私有云实施案例[J]. 邱晨,陈亚峰,周伟. 邮电设计技术. 2018(08)
[3]大国重器——新一代华中数控智能数控系统和智能机床[J]. 世界制造技术与装备市场. 2018(02)
[4]ROS下基于EtherCAT的串联机器人控制系统[J]. 张颖,平雪良,王晨学,仇恒坦. 传感器与微系统. 2018(03)
[5]基于LinuxCNC的EtherCAT主站研究[J]. 史步海,王超. 机床与液压. 2017(21)
[6]边缘计算典型应用场景[J]. 自动化博览. 2017(06)
[7]基于开源操作系统ROS的机器人软件开发[J]. 安峰. 单片机与嵌入式系统应用. 2017(05)
[8]智能加工技术在切削颤振在线抑制中的应用[J]. 富宏亚,金鸿宇,韩振宇. 航空制造技术. 2016(07)
[9]国内外数控系统技术研究现状与发展趋势[J]. 蔡锐龙,李晓栋,钱思思. 机械科学与技术. 2016(04)
[10]基于Docker的虚拟化技术研究[J]. 伍阳. 信息技术. 2016(01)
硕士论文
[1]基于Petri网的集成数控系统研究[D]. 王骞.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于EtherCAT的工业机器人控制系统设计与实现[D]. 殷士龙.华南理工大学 2017
[3]基于LinuxCNC的工业机器人控制系统软件研究与开发[D]. 孙会会.华南理工大学 2016
[4]EtherCAT主站设计与实现[D]. 李晴.电子科技大学 2016
[5]基于LinuxCNC的多轴控制系统设计与实现[D]. 张睿恒.电子科技大学 2016
[6]基于ARM+FPGA的嵌入式数控系统硬件设计[D]. 刘建康.哈尔滨工业大学 2013
[7]虚拟机Xen及其内存管理研究[D]. 郭晓琼.上海交通大学 2008
本文编号：3569398
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
现阶段典型数控生产车间实景
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-这些大型垄断厂家所研制的数控系统都是封闭式数控系统，采用专用计算机系统，软、硬件都不对用户开放。在工业机器人领域，目前主要的工业机器人供应商有ABB、库卡、发那科、安川等公司，它们都采用各自开发的控制系统，由于商业竞争的原因，其能够对用户开放的接口也十分有限，这也导致了工业现场的各作业设备缺乏有效的消息共享渠道。图1-2特斯拉汽车生产线实景由于封闭式数控系统与工业机器人控制系统存在的以上问题，以及对打破这种不同控制系统之间信息交流屏障的迫切需求，开放式数控系统与开源机器人开发平台应运而生。开放式数控系统的研究从上世纪80年代末开始，现在仍处于发展阶段，还没有形成统一的标准。IEEE定义的开放式系统为：“能够在不同厂商的多种平台上运行，可以和其他系统的应用程序互操作，并且能够给用户提供一致性的人机交互方式。”[2]利用开放式数控系统与机器人控制系统，能够打破工业现场各设备间的信息交互壁垒，为实现各设备的协同控制提供条件。随着通信带宽、计算机运算能力与硬件虚拟化技术的发展以及开放式数控系统与机器人开发平台逐渐涌现，物联网、云计算等新一代信息技术正在向制造业渗透，越来越多采用开放式控制平台的自动化设备在工业现场投入使用，使得对多台工业设备进行集中控制成为可能。近年云计算发展迅猛，云制造的概念被提出来，将整个生产制造系统搬上云端，进行集成化管理的需求日益增长。但由于工业控制领域对实时性的要求很高，且终端设备产生的数据量巨大，将工业现场设备产生的数据直接传送到远端的云计算中心，再请求数据处理结果，增大了系统的延迟。这种模式不适用对实时性要求高的工业控制领域，于是又提出了边缘计算的概念[3]。边缘计算能?
统的开放系统结构控制”项目(简称OSACA)采用了分层的系统平台加结构功能单元的结构，其目的是实现控制系统应用程序的可移植、可扩展、可替换、可伸缩以及互操作性[2]。该项目使用面向对象的设计方法，主要由通讯系统、参考体系结构和配置系统三部分组成。以开放源码为基础建立了面向控制器的分布式实时框架，提供实时API接口来实现软件系统各部分的灵活耦合以及实时通信。实现了基于组件和面向机床的开放式数控系统的参考模型，提供标准接口并可以集成兼容该接口标准的第三方软件[6]。OSACA项目的体系架构如图1-4所示。图1-4欧盟OSACA架构开放式数控系统结构示意图[6]日本的“控制器开放系统环境”项目(简称OSEC)其研究目标是对基于PC平台的、具有高性价比的新一代开放体系结构CNC进行开发。该项目采用模块化的软件结构，每一个功能由一个对应的应用程序实现。这样设计的好处是任务程序可以被系统交换出去而不影响其它任务，并且当修改了系统某一部分程序后，不需要重新编译整个软件包。客户所需的完成某一特定功能的软件模块可以被定义为“功能块”，某一具体功能块可被封装为一个对象。OSEC开放式平台下系统在执行阶段具有广泛的选择性，例如可以自由选取安装机制、进程间通讯方式、底层硬件设备类型和设备驱动以及具有不同功能的软件执行模块等[7]。其架构示意图如图1-5所示。NGC（下一代控制器）是由美国空军主导进行的研究，美国国家标准技术协会(NIST)在NGC的基础上进行了进一步研究工作，提出了增强型机床控制器（EnhancedMachineController，EMC），并建立了LinuxCNC实验床验证其基本方案。主导了OMAC项目的美国三大汽车公司联合欧盟OSACA组织和日本的JOP
【参考文献】：
期刊论文
[1]边缘计算:现状与展望[J]. 施巍松,张星洲,王一帆,张庆阳. 计算机研究与发展. 2019(01)
[2]基于容器化OpenStack云平台及Ceph存储的私有云实施案例[J]. 邱晨,陈亚峰,周伟. 邮电设计技术. 2018(08)
[3]大国重器——新一代华中数控智能数控系统和智能机床[J]. 世界制造技术与装备市场. 2018(02)
[4]ROS下基于EtherCAT的串联机器人控制系统[J]. 张颖,平雪良,王晨学,仇恒坦. 传感器与微系统. 2018(03)
[5]基于LinuxCNC的EtherCAT主站研究[J]. 史步海,王超. 机床与液压. 2017(21)
[6]边缘计算典型应用场景[J]. 自动化博览. 2017(06)
[7]基于开源操作系统ROS的机器人软件开发[J]. 安峰. 单片机与嵌入式系统应用. 2017(05)
[8]智能加工技术在切削颤振在线抑制中的应用[J]. 富宏亚,金鸿宇,韩振宇. 航空制造技术. 2016(07)
[9]国内外数控系统技术研究现状与发展趋势[J]. 蔡锐龙,李晓栋,钱思思. 机械科学与技术. 2016(04)
[10]基于Docker的虚拟化技术研究[J]. 伍阳. 信息技术. 2016(01)
硕士论文
[1]基于Petri网的集成数控系统研究[D]. 王骞.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于EtherCAT的工业机器人控制系统设计与实现[D]. 殷士龙.华南理工大学 2017
[3]基于LinuxCNC的工业机器人控制系统软件研究与开发[D]. 孙会会.华南理工大学 2016
[4]EtherCAT主站设计与实现[D]. 李晴.电子科技大学 2016
[5]基于LinuxCNC的多轴控制系统设计与实现[D]. 张睿恒.电子科技大学 2016
[6]基于ARM+FPGA的嵌入式数控系统硬件设计[D]. 刘建康.哈尔滨工业大学 2013
[7]虚拟机Xen及其内存管理研究[D]. 郭晓琼.上海交通大学 2008
本文编号：3569398
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