【摘要】：當(dāng)今,回歸制造業(yè)已經(jīng)成為世界各大國(guó)的未來重要戰(zhàn)略之一,例如,德國(guó)的“工業(yè)4.0”計(jì)劃和美國(guó)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”計(jì)劃。在我國(guó),政府提出了“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略綱要,該綱要指定了一個(gè)由22項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成的制造業(yè)評(píng)價(jià)體系,其中,人均制造業(yè)增加值,全員勞動(dòng)生產(chǎn)率和銷售利潤(rùn)率等三項(xiàng)指標(biāo)占有較高的權(quán)重,體現(xiàn)了提高制造業(yè)生產(chǎn)效率在綱要中的重要性。為了提高制造業(yè)的生產(chǎn)效率,縮短停機(jī)時(shí)間,研究者提出一種稱為可重配置制造系統(tǒng)(Reconfigurable Manufacturing System,RMS)的設(shè)備范式。智能卡個(gè)人化(smart card personalization)系統(tǒng)就是一種滿足RMS范式的自動(dòng)化系統(tǒng)。鑒于客戶需求和設(shè)備特性等原因,智能卡個(gè)人化制造業(yè)界對(duì)控制系統(tǒng)及其研發(fā)流程提出若干新的要求。雖然在自動(dòng)化系統(tǒng)控制領(lǐng)域,尤其在研究RMS控制的文獻(xiàn)中已有不少成果,但是它們?nèi)圆荒芡耆珴M足智能卡個(gè)人化制造所提出的需求。既有的成果主要存在以下問題:1、不支持批量個(gè)性化生產(chǎn)(mass individualization):設(shè)備中待生產(chǎn)的智能卡可能各自經(jīng)歷不同的生產(chǎn)流程和傳輸路徑,控制系統(tǒng)必須適配這種批量個(gè)性化生產(chǎn)。然而,現(xiàn)有的RMS控制器并不支持多物料多處理流程的生產(chǎn)控制場(chǎng)景。2、僅支持?jǐn)?shù)據(jù)流層面的集成:機(jī)電系統(tǒng)(mechatronic system)的開發(fā)與維護(hù)均基于對(duì)模塊物理行為的集成,控制系統(tǒng)必須適配這一特征。然而,現(xiàn)有的設(shè)備描述方法,僅通過模塊控制器之間的數(shù)據(jù)流的交互,而非模塊中的實(shí)體物理活動(dòng)來描述模塊的行為,其行為描述的可用性不足。3、少有支持遺留設(shè)備:控制系統(tǒng)必須能夠?qū)υL問方式有限且受限的模塊實(shí)現(xiàn)控制的集成,但在已有的成果中,其框架底部的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別(field-level)控制實(shí)現(xiàn)大多綁定于單一的技術(shù)平臺(tái),缺乏足夠的兼容性用于集成遺留設(shè)備。4、可靠性適用范圍無(wú)法覆蓋:鑒于設(shè)備行為由控制系統(tǒng)自動(dòng)生成,該行為必須可被證明其可靠性,并給出可靠性的適用范圍。雖然已有不少可靠性可證明的生成方法,然而,由于領(lǐng)域相關(guān),其可靠性適用范圍無(wú)法覆蓋離散型制造系統(tǒng)的范圍。5、方法易用性不足:面對(duì)復(fù)雜的控制,系統(tǒng)被要求根據(jù)機(jī)電工程師的需求描述,自動(dòng)推理控制策略,避免設(shè)計(jì)策略與編寫軟件等易錯(cuò)且費(fèi)時(shí)的手工操作,提高研發(fā)效率。然而,大部分需求描述與推理方法多屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的方法,不利于機(jī)電工程師采納使用�？紤]到上述存在的問題,本文提出一種基于實(shí)體物理行為規(guī)劃的RMS控制框架,該框架由控制器體系結(jié)構(gòu),模塊行為描述,自動(dòng)推理方法三部分組成。1,提出一種支持批量個(gè)性化生產(chǎn)且兼容遺留設(shè)備的RMS的控制器體系結(jié)構(gòu)。受“請(qǐng)求-響應(yīng)”這一軟件設(shè)計(jì)模式(pattern)的啟發(fā),以“物料驅(qū)動(dòng)設(shè)備”為原則,設(shè)計(jì)物料通過向控制器發(fā)送請(qǐng)求并等待執(zhí)行響應(yīng)的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。該模式適用于多物料多處理流程的場(chǎng)景。在控制實(shí)現(xiàn)方面,通過模塊的可執(zhí)行指令與設(shè)備實(shí)體物理行為的映射機(jī)制,增強(qiáng)了體系結(jié)構(gòu)在不同的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別控制平臺(tái)之間的可移植性。2,提出一種基于實(shí)體物理行為的設(shè)備模塊描述方法。與仿真系統(tǒng)不同,該方法是對(duì)物理世界的一種簡(jiǎn)化的描述。基于該方法,給出了系統(tǒng)行為的安全性約束(物料安全處理?xiàng)l件)和物料處理請(qǐng)求的定義。該方法解決了機(jī)電工程師與軟件工程師因缺乏合適的描述語(yǔ)言,雙方無(wú)法使用共同語(yǔ)言準(zhǔn)確描述模塊行為說明(specification),而難以協(xié)同進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的問題。基于設(shè)備實(shí)體物理行為的描述,有效地抓住系統(tǒng)行為的本質(zhì),實(shí)現(xiàn)了相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)描述的統(tǒng)一,為控制推理自動(dòng)化提供了基礎(chǔ)。3,給出一種基于自動(dòng)規(guī)劃(automated planning)和指令映射的控制策略推理方法。該方法將策略推理問題轉(zhuǎn)換為自動(dòng)規(guī)劃問題,并給出了相應(yīng)的自動(dòng)規(guī)劃問題定義�；谠撘�(guī)劃問題與現(xiàn)成的規(guī)劃器,實(shí)現(xiàn)了可支持表達(dá)實(shí)體并發(fā)活動(dòng)的串行解規(guī)劃方法。同時(shí),給出了可滿足性證明,證明規(guī)劃問題的任意解均滿足物料處理安全條件。在指令映射方面,提出了一種模塊可執(zhí)行指令語(yǔ)義描述,和將實(shí)體行為映射為指令序列的算法。結(jié)合自動(dòng)規(guī)劃與映射算法,該推理方法既能減少手工操作,又可保證系統(tǒng)行為的正確性與安全性。4,給出一個(gè)大型智能卡個(gè)人化制造設(shè)備的控制應(yīng)用示例。依據(jù)流水線的物料時(shí)空關(guān)系,給出了該示例的推理輸入集,并對(duì)全部輸入進(jìn)行了控制策略推理的實(shí)驗(yàn),得出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,展示了本文方法在實(shí)際工業(yè)設(shè)備控制上的實(shí)用性。綜上所述,本文提出的RMS控制框架,能有效滿足智能卡個(gè)人化制造系統(tǒng)提出的控制需求。本文的主要貢獻(xiàn)在于,通過突破各自專業(yè)的界限,解決了長(zhǎng)期困擾機(jī)電工程師與軟件工程師協(xié)同開發(fā)的關(guān)鍵問題,實(shí)現(xiàn)了需求描述形式化。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引入控制推理自動(dòng)化,提高系統(tǒng)研發(fā)質(zhì)量,降低由于手工操作帶來的研發(fā)進(jìn)度的不確定性,最終達(dá)到提高裝備業(yè)和制造業(yè)生產(chǎn)效率的目的。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP273;F273
【圖文】：

裝配流水線（MovingAssemblyLines），標(biāo)志著大批量專門制造系統(tǒng)（DM上世紀(jì)中葉，出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（Computer Numerical Control，C料夾持系統(tǒng)（MaterialHandlingSystem，MHS）和自動(dòng)導(dǎo)航車輛（Automat，AGV）為支持技術(shù)的柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)套制造系統(tǒng)生產(chǎn)多種產(chǎn)品成為可能；1996年，Koren博士提出一種適用于機(jī)械結(jié)構(gòu)更為緊湊，兼具專門制造cated Manufacturing Line，DML）的效率與柔性制造的靈活性等優(yōu)點(diǎn)的自——可重配置制造系統(tǒng)，以便快速且高效地響應(yīng)市場(chǎng)突如其來的需求。圖 1-1可見，隨著時(shí)間的推移，一個(gè)制造系統(tǒng)的功能固定不變部分越來越功能的空間則越來越大，可以更快速地提供市場(chǎng)所需的生產(chǎn)能力。RMS范予企業(yè)構(gòu)建“活動(dòng)的”工廠的能力（liveness），工廠的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)能根據(jù)市求響應(yīng)變化和低成本地調(diào)整，更有效地保持了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[8,9]。

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文1、RMS一般為無(wú)人化制造系統(tǒng)，但近年來人們開始研究將機(jī)器人與人類協(xié)同工作的可能[11 13]；雖然，本文研究的RMS不考慮加入人類協(xié)同處理物料，但考能需要與人類操作員進(jìn)行交互；2、多品種小批量，乃至產(chǎn)品個(gè)性化生產(chǎn)是RMS的工作目標(biāo)；3、RMS同時(shí)屬于柔性和可重構(gòu)制造系統(tǒng)、自動(dòng)制造系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)類別4、本文研究的RMS限定為離散型制造系統(tǒng)，即制造設(shè)備僅能處理可描述為具積空間，且空間不可被擠壓的物料。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 周濟(jì);;智能制造——“中國(guó)制造2025”的主攻方向[J];中國(guó)機(jī)械工程;2015年17期

2 傅建中;;智能制造裝備的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J];機(jī)電工程;2014年08期

本文編號(hào)：2736689