面向集群部署的微服务架构数控系统研究
发布时间：2022-01-19 11:13
智能数控机床可以在保证加工精度、提高机床加工效率的基础上,减少人工操作干预、降低对操作人员的专业能力需求,是实现智能车间、无人工厂的必要条件,为解决人口老龄化加剧、高级技能人才不足等社会问题提供了有效途径。当前,主流市场上的数控系统仍然采用封闭式体系结构,因多源信息接入能力差而导致不能生成有效的智能决策,在制造系统中只能充当一个被动执行的角色,越来越不能满足柔性化、敏捷化、定制化的生产需求。因此,本文以实现智能数控加工车间为目标,设计开发了基于微服务架构的开放式数控系统。采用边缘计算的思想,在车间层部署云计算平台,满足万物互联背景下车间工业大数据低时延传输和处理需求,为车间智能化提供大规模并行计算能力。在此基础上,基于控制系统即服务（Control System as a Service,CSaa S）的理念,将车间内的设备控制系统集成在边缘云计算平台中,形成一个车间集群控制系统方案。继而面向车间集群控制系统提出了基于微服务架构的开放式数控系统体系结构,构建了基于微服务架构的数控系统设计技术框架。采用领域驱动设计思想,将数控系统拆分为一系列松散耦合、独立部署的微服务,并利用着色Petr...
【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】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
沈阳机床i5数控系统（左）
娲⑵靼濉?MC板、图形板、通信板、位置控制板等都被制成尺寸相同的小PCB板，这些小板插在主电路板对应的插槽内，通过主板上的数据总线进行通信。近几年FANUC的CNC产品倾向于小型化、轻薄化，数控系统PCB板的集成度进一步提高，例如最新的FANUC0i系列数控系统将凝聚了CNC功能的小型印刷电路板与液晶显示器集为一体，整个CNC控制单元纵深仅60mm，如图1-4所示。FANUC数控装置通过高速FSSB总线(FANUCSerialServoBus)控制伺服驱动器，通过FANUCI/OLinki总线连接各类I/O模块，节省了大量的配线，使整个系统电气连接更为简洁。图1-4FANUC0i系列数控系统Figure1-4FANUC0iseriesCNCsystems由于通用PC平台具有丰富、成熟的软件生态和开发环境，所以在数控系统发展进程中，为了提高数控系统的开放性和可扩展性，大多数数控厂商和开放式数控系统研究人员都选择采用PC通用硬件开发数控系统，产生了PC嵌入NC、NC嵌入PC以及全软件形式的数控系统结构：○1PC嵌入NC是指在CNC装置的基础上以模块的形式加装PC硬件，提供远程桌面、大容量存储、Web浏览等功能，并提供一定程度的开放性，但是NCK核心部分仍然以专用CNC硬件为主，代表产品有FANUC18i和16i、NUM1060等，西门子数控产品中的PCU、TCU的使用都属于这种设计理念；○2NC嵌入PC式结构是指以PC为基础扩展基于高速DSP的运动控制卡形成数控系统，插补运算、位置控制等实时运算在运动控制卡里面运行，系统监控管理、故障诊断、界面显示等非实时任务在PC里面运行，最典型的代表是美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的CNC系统；○3全软件形式数控系统是指所有CNC模块以软件的形式运行在PC里面，包括HMI、NCK和-9-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文PLC，例如台湾赐福科技的FOXNUM728M数控系统，就采用基于英特尔处理器的工业平板电脑作为数控系统硬件平台，通过以太网接口控制支持EtherCAT总线的伺服驱动器和I/O模块，所有CNC软件都运行在WinCE实时操作系统中。国内数控厂商也推出了多种基于PC平台的开放式数控系统，但是它们之间存在市场竞争关系，各家系统相互之间软硬件不兼容、不开放，系统升级、更新、维修仍然依赖生产厂家，所以更大程度上属于初步具有某个开放化特征的封闭系统。除了上述FANUC、西门子等封闭式数控装备以及众多基于PC的数控系统结构，近年来世界各地的专家学者也探索、提出了一些较为新颖的数控系统软硬件架构。Jorge[63]提出了一个基于Arduino、TILaunchpad等开源硬件的数控系统架构，如图1-5所示。其中，PLC、插补器等模块采用基于嵌入式微处理器的开源硬件实现，HMI运行在PC中。这种数控系统架构适用于桌面机床、雕刻机、3D打印机等小型设备的控制。图1-5基于开源硬件的开放式数控系统架构[63]Figure1-5OpenarchitectureofCNCsystembasedonopensourcehardware[63]Zhao[64]开发了一个基于Arduino的线切割数控系统，如图1-6a)所示，该系统在PC中将加工路径提前进行插补，并通过USB-串口将插补点发送给Arduino实现电机运动控制，并提出了一个Server-Client架构，可以使用一台PC和多个Arduino控制多台机床加工，如图1-6b)所示。该系统只能用于线切割，不能用于铣床等切削加工机床。-10-
【参考文献】：
期刊论文
[1]智能制造环境下的数控系统发展需求[J]. 李炳燃,张辉,叶佩青. 航空制造技术. 2017(06)
[2]智能制造与i5智能机床[J]. 张曙. 机械制造与自动化. 2017(01)
[3]基于加工特征的工艺信息重用方法[J]. 刘金锋,吴健,周宏根,田桂中,刘晓军. 计算机集成制造系统. 2017(04)
[4]基于过程集成优化的复杂曲面数控铣削性能分析[J]. 阴艳超,吴磊. 计算机集成制造系统. 2016(04)
[5]数控技术发展状况及策略综述[J]. 叶佩青,张勇,张辉. 机械工程学报. 2015(21)
[6]智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J]. 周济. 中国机械工程. 2015(17)
[7]Period selection for integrated controller tasks in cyber-physical systems[J]. Du Chenglie,Tan Longhua,Dong Yali. Chinese Journal of Aeronautics. 2015(03)
[8]机械系统光纤光栅分布动态监测与诊断的现状与发展[J]. 周祖德,谭跃刚,刘明尧,杨文玉,李正颖. 机械工程学报. 2013(19)
[9]智能机床发展现状与技术体系框架[J]. 鄢萍,阎春平,刘飞,何龙,蒋林. 机械工程学报. 2013(21)
[10]数控机床几何误差与热误差综合建模及其实时补偿[J]. 王维,杨建国,姚晓栋,范开国,李自汉. 机械工程学报. 2012(07)
博士论文
[1]面向服务的开放式数控系统设计关键技术研究[D]. 翟振坤.华南理工大学 2018
[2]面向服务的动态可配置数控系统及其关键技术研究[D]. 金新娟.武汉理工大学 2012
本文编号：3596751
【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】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
沈阳机床i5数控系统（左）
娲⑵靼濉?MC板、图形板、通信板、位置控制板等都被制成尺寸相同的小PCB板，这些小板插在主电路板对应的插槽内，通过主板上的数据总线进行通信。近几年FANUC的CNC产品倾向于小型化、轻薄化，数控系统PCB板的集成度进一步提高，例如最新的FANUC0i系列数控系统将凝聚了CNC功能的小型印刷电路板与液晶显示器集为一体，整个CNC控制单元纵深仅60mm，如图1-4所示。FANUC数控装置通过高速FSSB总线(FANUCSerialServoBus)控制伺服驱动器，通过FANUCI/OLinki总线连接各类I/O模块，节省了大量的配线，使整个系统电气连接更为简洁。图1-4FANUC0i系列数控系统Figure1-4FANUC0iseriesCNCsystems由于通用PC平台具有丰富、成熟的软件生态和开发环境，所以在数控系统发展进程中，为了提高数控系统的开放性和可扩展性，大多数数控厂商和开放式数控系统研究人员都选择采用PC通用硬件开发数控系统，产生了PC嵌入NC、NC嵌入PC以及全软件形式的数控系统结构：○1PC嵌入NC是指在CNC装置的基础上以模块的形式加装PC硬件，提供远程桌面、大容量存储、Web浏览等功能，并提供一定程度的开放性，但是NCK核心部分仍然以专用CNC硬件为主，代表产品有FANUC18i和16i、NUM1060等，西门子数控产品中的PCU、TCU的使用都属于这种设计理念；○2NC嵌入PC式结构是指以PC为基础扩展基于高速DSP的运动控制卡形成数控系统，插补运算、位置控制等实时运算在运动控制卡里面运行，系统监控管理、故障诊断、界面显示等非实时任务在PC里面运行，最典型的代表是美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的CNC系统；○3全软件形式数控系统是指所有CNC模块以软件的形式运行在PC里面，包括HMI、NCK和-9-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文PLC，例如台湾赐福科技的FOXNUM728M数控系统，就采用基于英特尔处理器的工业平板电脑作为数控系统硬件平台，通过以太网接口控制支持EtherCAT总线的伺服驱动器和I/O模块，所有CNC软件都运行在WinCE实时操作系统中。国内数控厂商也推出了多种基于PC平台的开放式数控系统，但是它们之间存在市场竞争关系，各家系统相互之间软硬件不兼容、不开放，系统升级、更新、维修仍然依赖生产厂家，所以更大程度上属于初步具有某个开放化特征的封闭系统。除了上述FANUC、西门子等封闭式数控装备以及众多基于PC的数控系统结构，近年来世界各地的专家学者也探索、提出了一些较为新颖的数控系统软硬件架构。Jorge[63]提出了一个基于Arduino、TILaunchpad等开源硬件的数控系统架构，如图1-5所示。其中，PLC、插补器等模块采用基于嵌入式微处理器的开源硬件实现，HMI运行在PC中。这种数控系统架构适用于桌面机床、雕刻机、3D打印机等小型设备的控制。图1-5基于开源硬件的开放式数控系统架构[63]Figure1-5OpenarchitectureofCNCsystembasedonopensourcehardware[63]Zhao[64]开发了一个基于Arduino的线切割数控系统，如图1-6a)所示，该系统在PC中将加工路径提前进行插补，并通过USB-串口将插补点发送给Arduino实现电机运动控制，并提出了一个Server-Client架构，可以使用一台PC和多个Arduino控制多台机床加工，如图1-6b)所示。该系统只能用于线切割，不能用于铣床等切削加工机床。-10-
【参考文献】：
期刊论文
[1]智能制造环境下的数控系统发展需求[J]. 李炳燃,张辉,叶佩青. 航空制造技术. 2017(06)
[2]智能制造与i5智能机床[J]. 张曙. 机械制造与自动化. 2017(01)
[3]基于加工特征的工艺信息重用方法[J]. 刘金锋,吴健,周宏根,田桂中,刘晓军. 计算机集成制造系统. 2017(04)
[4]基于过程集成优化的复杂曲面数控铣削性能分析[J]. 阴艳超,吴磊. 计算机集成制造系统. 2016(04)
[5]数控技术发展状况及策略综述[J]. 叶佩青,张勇,张辉. 机械工程学报. 2015(21)
[6]智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J]. 周济. 中国机械工程. 2015(17)
[7]Period selection for integrated controller tasks in cyber-physical systems[J]. Du Chenglie,Tan Longhua,Dong Yali. Chinese Journal of Aeronautics. 2015(03)
[8]机械系统光纤光栅分布动态监测与诊断的现状与发展[J]. 周祖德,谭跃刚,刘明尧,杨文玉,李正颖. 机械工程学报. 2013(19)
[9]智能机床发展现状与技术体系框架[J]. 鄢萍,阎春平,刘飞,何龙,蒋林. 机械工程学报. 2013(21)
[10]数控机床几何误差与热误差综合建模及其实时补偿[J]. 王维,杨建国,姚晓栋,范开国,李自汉. 机械工程学报. 2012(07)
博士论文
[1]面向服务的开放式数控系统设计关键技术研究[D]. 翟振坤.华南理工大学 2018
[2]面向服务的动态可配置数控系统及其关键技术研究[D]. 金新娟.武汉理工大学 2012
本文编号：3596751
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