【摘要】：當今,回歸制造業(yè)已經(jīng)成為世界各大國的未來重要戰(zhàn)略之一,例如,德國的“工業(yè)4.0”計劃和美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”計劃。在我國,政府提出了“中國制造2025”的戰(zhàn)略綱要,該綱要指定了一個由22項指標構成的制造業(yè)評價體系,其中,人均制造業(yè)增加值,全員勞動生產(chǎn)率和銷售利潤率等三項指標占有較高的權重,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,縮短停機時間,研究者提出一種稱為可重配置制造系統(tǒng)(Reconfigurable Manufacturing System,RMS)的設備范式。智能卡個人化(smart card personalization)系統(tǒng)就是一種滿足RMS范式的自動化系統(tǒng)。鑒于客戶需求和設備特性等原因,智能卡個人化制造業(yè)界對控制系統(tǒng)及其研發(fā)流程提出若干新的要求。雖然在自動化系統(tǒng)控制領域,尤其在研究RMS控制的文獻中已有不少成果,但是它們?nèi)圆荒芡耆珴M足智能卡個人化制造所提出的需求。既有的成果主要存在以下問題:1、不支持批量個性化生產(chǎn)(mass individualization):設備中待生產(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)控制場景。2、僅支持數(shù)據(jù)流層面的集成:機電系統(tǒng)(mechatronic system)的開發(fā)與維護均基于對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,而非模塊中的實體物理活動來描述模塊的行為,其行為描述的可用性不足。3、少有支持遺留設備:控制系統(tǒng)必須能夠?qū)υL問方式有限且受限的模塊實現(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)場級別(field-level)控制實現(xiàn)大多綁定于單一的技術平臺,缺乏足夠的兼容性用于集成遺留設備。4、可靠性適用范圍無法覆蓋:鑒于設備行為由控制系統(tǒng)自動生成,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,由于領域相關,其可靠性適用范圍無法覆蓋離散型制造系統(tǒng)的范圍。5、方法易用性不足:面對復雜的控制,系統(tǒng)被要求根據(jù)機電工程師的需求描述,自動推理控制策略,避免設計策略與編寫軟件等易錯且費時的手工操作,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算機科學領域的方法,不利于機電工程師采納使用。考慮到上述存在的問題,本文提出一種基于實體物理行為規(guī)劃的RMS控制框架,該框架由控制器體系結(jié)構,模塊行為描述,自動推理方法三部分組成。1,提出一種支持批量個性化生產(chǎn)且兼容遺留設備的RMS的控制器體系結(jié)構。受“請求-響應”這一軟件設計模式(pattern)的啟發(fā),以“物料驅(qū)動設備”為原則,設計物料通過向控制器發(fā)送請求并等待執(zhí)行響應的方式,實現(xiàn)對設備的控制。該模式適用于多物料多處理流程的場景。在控制實現(xiàn)方面,通過模塊的可執(zhí)行指令與設備實體物理行為的映射機制,增強了體系結(jié)構在不同的現(xiàn)場級別控制平臺之間的可移植性。2,提出一種基于實體物理行為的設備模塊描述方法。與仿真系統(tǒng)不同,該方法是對物理世界的一種簡化的描述。基于該方法,給出了系統(tǒng)行為的安全性約束(物料安全處理條件)和物料處理請求的定義。該方法解決了機電工程師與軟件工程師因缺乏合適的描述語言,雙方無法使用共同語言準確描述模塊行為說明(specification),而難以協(xié)同進行系統(tǒng)開發(fā)的問題�；谠O備實體物理行為的描述,有效地抓住系統(tǒng)行為的本質(zhì),實現(xiàn)了相關領域知識描述的統(tǒng)一,為控制推理自動化提供了基礎。3,給出一種基于自動規(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)換為自動規(guī)劃問題,并給出了相應的自動規(guī)劃問題定義�；谠撘�(guī)劃問題與現(xiàn)成的規(guī)劃器,實現(xiàn)了可支持表達實體并發(fā)活動的串行解規(guī)劃方法。同時,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)行指令語義描述,和將實體行為映射為指令序列的算法。結(jié)合自動規(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,給出一個大型智能卡個人化制造設備的控制應用示例。依據(jù)流水線的物料時空關系,給出了該示例的推理輸入集,并對全部輸入進行了控制策略推理的實驗,得出相關的實驗結(jié)果,展示了本文方法在實際工業(yè)設備控制上的實用性。綜上所述,本文提出的RMS控制框架,能有效滿足智能卡個人化制造系統(tǒng)提出的控制需求。本文的主要貢獻在于,通過突破各自專業(yè)的界限,解決了長期困擾機電工程師與軟件工程師協(xié)同開發(fā)的關鍵問題,實現(xiàn)了需求描述形式化。在此基礎上,進一步引入控制推理自動化,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)進度的不確定性,最終達到提高裝備業(yè)和制造業(yè)生產(chǎn)效率的目的。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP273;F273
【圖文】：

裝配流水線（MovingAssemblyLines），標志著大批量專門制造系統(tǒng)（DM上世紀中葉，出現(xiàn)了以計算機數(shù)字控制（Computer Numerical Control，C料夾持系統(tǒng)（MaterialHandlingSystem，MHS）和自動導航車輛（Automat，AGV）為支持技術的柔性制造系統(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械結(jié)構更為緊湊，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)點的自——可重配置制造系統(tǒng)，以便快速且高效地響應市場突如其來的需求。圖 1-1可見，隨著時間的推移，一個制造系統(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所需的生產(chǎn)能力。RMS范予企業(yè)構建“活動的”工廠的能力（liveness），工廠的生產(chǎn)結(jié)構能根據(jù)市求響應變化和低成本地調(diào)整，更有效地保持了企業(yè)的競爭力[8,9]。

華南理工大學博士學位論文1、RMS一般為無人化制造系統(tǒng)，但近年來人們開始研究將機器人與人類協(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行交互；2、多品種小批量，乃至產(chǎn)品個性化生產(chǎn)是RMS的工作目標；3、RMS同時屬于柔性和可重構制造系統(tǒng)、自動制造系統(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】

相關期刊論文 前2條

1 周濟;;智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J];中國機械工程;2015年17期

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

本文編號：2736689