《网络化运动控制平台关键技术及其应用》

运动控制系统是机械装备的大脑,决定了装备的效率、精度、柔性和智能化水平,是实现智能制造的基础。运动控制具有速度精度要求高、控制对象复杂、需求多变的特点,决定了在其开发中存在性能保证难、系统集成难、工艺融合难的问题。为此,充分利用计算机和信息技术的发展成果,建立网络化运动控制开发平台,实现硬件灵活配置和软件的定制开发,是解决上述问题的最佳方案。

中国在网络化运动控制平台方面的关键技术和核心专利缺失,市场被西方工业巨头占领,这些企业利用其市场、专利和标准的优势,限制国内自动化企业的发展。因此,中国迫切需要自主知识产权的运动控制系统开发平台,打破核心基础制造装备“缺心少脑”的局面。

在国家自然科学基金、国家科技支撑计划和国家科技重大专项的支持下,项目组历经12年科技攻关,发明了一种实时以太网通信协议EtherMAC(Ethernet for Manufacture Automation Control),建立了网络化运动控制平台,并完成了集成行业工艺的控制系统定制开发和产业化推广,具体内容如下:

1.提出了一种工业实时以太网EtherMAC。发明了以太网实时通信调度机制和网络节点间的同步方法,实现了高精度的通信周期管理和节点分布时钟同步;提出了基于双向数据列车的集总帧在线转发机制和环形冗余机制,实现了数据和链路的双重冗余。满足了运动控制系统严格实时、精确同步、高效传输和可靠运行的需求。

2.建立了网络化运动控制系统的开发平台。设计开发了EtherMAC从节点协议栈的集成电路知识产权核和主节点运动控制中间件软件,实现了面向不同应用需求的运动控制系统的柔性组态配置;发明了软/硬件协同的高速高精运动控制算法,提高了高速运动的平滑性和轮廓精度;发明了非介入式系统性能测试方法,实现了对网络化系统的参数解耦和性能评测。解决了传统运动控制系统开发难,性能差,评测难的问题。

3.实现了网络化运动控制系统的工艺集成方案。提出了制造工艺功能分离的控制系统软件模块化设计方法,制定了工艺包与运动控制算法的集成规范,实现了图形导航的工艺编制;突破了制造工艺与运动控制系统、视觉检测系统、上层管控系统等的集成技术,研制了面向纺织机械、军工保密、汽车零部件、新能源装备等行业的运动控制系统解决方案,满足了不同行业的工艺集成需求。解决了多个行业制造装备的工艺适应性差,生产准备周期长,智能化程度低的问题。

项目获授权发明专利26项、实用新型专利10项;发表SCI/EI论文53篇;主导和参与制定行业标准1项、国家标准4项。2项科技成果通过鉴定,鉴定结论:整体技术达到国际先进水平,其中网络响应时间和同步精度与国际主流技术相比处于领先水平。

项目研究成果在纺织机械、军工保密、汽车零部件、新能源等行业成功应用,实现了关键行业控制系统核心技术的自主可控,提高了行业机械装备的自动化和智能化水平,部分产品出口至美国、印度、越南等国家,累计创造经济效益3亿余元,经济和社会效益显著。

成果说明

(1)山东日发纺织机械有限公司联合山东大学,基于EtherMAC运动控制控制平台,联合研发了RFJA30型喷气织机,实现了硬件高精度引纬,数字探纬,互联互通等功能,产品在森和、新野等多家纺织厂获得应用,并出口至印度,2016至2018年累计销售550台,实现销售收入8300余万元。 (2)滨州博海精工机械有限公司联合山东大学,基于EtherMAC运动控制控制平台研制了BHJCJ-130型活塞检测设备,实现了活塞产线的自动控制与尺寸、重量、加工缺陷等参数的检测,2016年至2018年累计销售20台,实现销

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