一種網(wǎng)絡(luò)化三軸數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)與建模研究*

彭 可 黃 丹 張 偉 龍小華

（①湖南師范大學(xué)工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410081；②湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082）

一種網(wǎng)絡(luò)化三軸數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)與建模研究*

彭 可①②黃 丹①?gòu)?偉①龍小華①

（①湖南師范大學(xué)工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410081；②湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082）

給出了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，提出了基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS和控制性能質(zhì)量QoP的協(xié)同設(shè)計(jì)思想，并利用UML語言來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。以一種網(wǎng)絡(luò)化三軸數(shù)控鉆床為例，驗(yàn)證了所提出設(shè)計(jì)與建模方法的有效性。

網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng) UML 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量 控制性能質(zhì)量

隨著控制、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控加工系統(tǒng)呈現(xiàn)出分布式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)（Networked CNC System）近年來已成為制造加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。它具有成本更低、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、便于安裝維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)［1－2］。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)在前向通道或反饋回路中引入了通訊網(wǎng)絡(luò)，這必然帶來系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)上的新問題。本文將以一種網(wǎng)絡(luò)化三軸數(shù)控鉆床為例，研究基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS和控制性能質(zhì)量QoP的協(xié)同設(shè)計(jì)思想，并利用UML語言來對(duì)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與建模。

1 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的QoS和QoP協(xié)同設(shè)計(jì)思想

網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)包括了控制、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，是三者的交集。因此，其設(shè)計(jì)與建模也應(yīng)該圍繞這三個(gè)方面來進(jìn)行。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由三個(gè)子模型構(gòu)成：即控制子模型MControl、網(wǎng)絡(luò)子模型MNetwork和結(jié)構(gòu)實(shí)體子模型MStructuralEntity。

MControl是對(duì)于系統(tǒng)加工中控制功能、控制策略或算法的抽象化建模與描述。MNetwork是對(duì)于系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)中靜動(dòng)態(tài)服務(wù)質(zhì)量和通訊調(diào)度策略的建模與描述。而MStructuralEntity是通過對(duì)于網(wǎng)絡(luò)和控制功能的需求分析，形成的系統(tǒng)內(nèi)實(shí)體之間連接關(guān)系、節(jié)點(diǎn)構(gòu)成等要素的形式化描述。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，實(shí)際上就是從系統(tǒng)需求分析出發(fā)，通過分解、映射，最終實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)子模型的過程。其中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS、控制性能質(zhì)量QoP分別是網(wǎng)絡(luò)子模型MNetwork、控制子模型MControl的核心指標(biāo)。因此，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)必須在QoS和QoP兩者之間進(jìn)行綜合考慮，開展協(xié)同設(shè)計(jì)［2］。

QoS需求包括：靜態(tài)QoS約束、動(dòng)態(tài)QoS約束、網(wǎng)絡(luò)通訊調(diào)度策略等。靜態(tài)QoS分析常采用圖表法，動(dòng)態(tài)QoS分析可以采用解析、仿真或?qū)崪y(cè)等分析方法，而常用通訊調(diào)度策略有RM、EDF等方法。QoP需求包括：系統(tǒng)穩(wěn)定性約束、控制性能指標(biāo)、控制任務(wù)流程等。系統(tǒng)穩(wěn)定性約束需考慮網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境中時(shí)延、丟包等情況，控制性能指標(biāo)是通過合理設(shè)計(jì)的控制算法來保證，控制任務(wù)流程可以通過狀態(tài)機(jī)或Petri網(wǎng)等方法分析［1］。

2 利用UML進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實(shí)體設(shè)計(jì)

UML是一種定義良好、易于表達(dá)、具有普適性的面向?qū)ο蠼ＵZ言［3］。通過上述QoS和QoP協(xié)同設(shè)計(jì)，形成了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化需求；進(jìn)而利用UML建模語言來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)實(shí)體子模型MStructuralEntity。

首先，進(jìn)行UML類的擴(kuò)展。UML類包含了屬性和方法。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)，必須在實(shí)體類中引入計(jì)算機(jī)、控制和網(wǎng)絡(luò)三方面信息。UML類的擴(kuò)展屬性和方法見表1。

表1 對(duì)于UML類的擴(kuò)展

其次，按照如下步驟而進(jìn)行UML建模與設(shè)計(jì)：

（1）根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化需求，繪制外部活動(dòng)者（Actor）與系統(tǒng)交互的用例圖（Use Case）以及對(duì)應(yīng)場(chǎng)景圖（Senario）；并由用例圖的說明，初步劃分出各功能子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)中，外部活動(dòng)者可能是用戶，也可能是設(shè)定輸入、傳感設(shè)備等具有主動(dòng)性的事件源。

（2）按照職責(zé)驅(qū)動(dòng)（Responsibility driven）方法找出各實(shí)體的類型與功能；并依據(jù)表1從基類派生相應(yīng)的子類；同時(shí)粗粒度識(shí)別出系統(tǒng)中其他實(shí)體對(duì)象。

（3）對(duì)于步驟2中新識(shí)別出來的實(shí)體對(duì)象，應(yīng)當(dāng)對(duì)步驟1中得到的用例圖進(jìn)行細(xì)化，填入這些實(shí)體之間的交互情況。設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)放在明確各實(shí)體對(duì)象之間的交互和它們所提供的服務(wù)接口。

（4）根據(jù)細(xì)化的用例圖繪制實(shí)體對(duì)象合作圖（Collation）；確定各功能子系統(tǒng)在完成某一特定功能時(shí)，各實(shí)體的動(dòng)作情況與邏輯流程。

（5）設(shè)計(jì)對(duì)象內(nèi)部流程，繪制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（Statechart）。對(duì)于大型的或承載職責(zé)過多的實(shí)體對(duì)象進(jìn)行細(xì)粒度劃分，在其內(nèi)部填充更小尺度對(duì)象；并以這些對(duì)象的協(xié)作來完成該外部對(duì)象的職責(zé)。

上述過程并非按嚴(yán)格順序進(jìn)行，前后步驟可能經(jīng)常性的并行與反復(fù)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

以一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化三軸數(shù)控鉆床為例，具體說明如何運(yùn)用前述方法來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模。

3.1 系統(tǒng)需求

該網(wǎng)絡(luò)化三軸數(shù)控鉆床的總需求可描述如下：①系統(tǒng)可以在XYZ三個(gè)軸上精確定位；②操作員可在線編程改變工序流程，使系統(tǒng)連續(xù)定位工作；③系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互性，同時(shí)具備應(yīng)急手動(dòng)操作點(diǎn)；④操作點(diǎn)和工位本身具有一定空間距離和地域分布性；⑤加工過程具有時(shí)限要求；⑥整體系統(tǒng)可靠，維護(hù)方便，成本低；⑦結(jié)構(gòu)優(yōu)化，連線簡(jiǎn)單。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的選擇與比較

可以采用兩種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，即集中式和分布式結(jié)構(gòu)。對(duì)比如下：

（1）集中式控制結(jié)構(gòu)

硬件采用工控機(jī)加插驅(qū)動(dòng)控制卡的形式；軟件上單獨(dú)由工控PC機(jī)完成人機(jī)交互、編制工序、位置控制、驅(qū)動(dòng)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控等全部任務(wù)。該結(jié)構(gòu)中無分散控制節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)連線復(fù)雜、維護(hù)較困難。

（2）分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

采用控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)，各位置控制器同電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊集成；工控PC機(jī)、手工操作節(jié)點(diǎn)、位移傳感節(jié)點(diǎn)與各位置控制節(jié)點(diǎn)都通過總線網(wǎng)絡(luò)連接，軟硬件均采用模塊化結(jié)構(gòu)。該方案的系統(tǒng)連線少、模塊化程度高，調(diào)試開發(fā)和維護(hù)方便，可靠性得到提高。

3.3 系統(tǒng)需求的細(xì)化和分解

將描述性的總需求進(jìn)一步細(xì)化、分解為系統(tǒng)的QoP需求和QoS需求。

QoP需求可以表示為：①XYZ三軸按照各自對(duì)象（電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備）特性能夠精確定位；②各軸之間獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，沒有關(guān)聯(lián)；③各位置控制器之間需由PC機(jī)協(xié)調(diào)，可通過PC完成在線工序更改；④設(shè)置手工控制節(jié)點(diǎn)，可以完成點(diǎn)動(dòng)、緊急停車等操作；⑤由PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)控機(jī)床工作。

QoS需求可以表示為：①網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目不超過10個(gè)，網(wǎng)絡(luò)范圍不超過50 m；②通訊實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延不超過5 ms；③應(yīng)當(dāng)提供不同的通訊優(yōu)先級(jí)別；④存在實(shí)時(shí)控制應(yīng)用，要求通訊可靠性高，盡可能消除丟包。

3.4 MNetwork的建立與分析

（1）靜態(tài) QoS分析：通過對(duì)于 Ethernet、CAN和LON三種總線網(wǎng)絡(luò)的分布范圍、子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度、網(wǎng)絡(luò)帶寬等靜態(tài)QoS指標(biāo)進(jìn)行圖表法對(duì)比分析［4］，可知采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)較為合適。

（2）動(dòng)態(tài)QoS分析采用了解析法：

③CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀最大為8個(gè)有效字節(jié)，基本可滿足該系統(tǒng)中控制信息的需求，無需分幀傳輸。

④通訊優(yōu)先級(jí)分配：手工緊急操作具有最高優(yōu)先級(jí)；PC機(jī)對(duì)于各位置控制器發(fā)送的操作指令次之；傳感與控制器周期信息又次之；顯示監(jiān)控等信息的優(yōu)先級(jí)最低。

3.5 MControl的建立與分析

①各軸向位置控制器均輸出電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行位置控制；三軸位移和控制電流間傳函均可表示為：Gp（s）=P（s）/U（s）=K/［s（Ts+1）］。對(duì)于 X、Y 兩軸 K=35，T=0.038；對(duì)于 Z 軸 K=29，T=0.047。

②確定傳感節(jié)點(diǎn)的采樣頻率：XY兩軸和Z軸開環(huán)截止頻率分別為4.01 Hz和3.3 Hz；取CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為200 kbps。從而對(duì)各軸而言，采樣頻率fi的范圍是80.04～233.64 Hz。選取 XYZ三軸采樣頻率均為200 Hz。

3.6 基于UML的結(jié)構(gòu)實(shí)體子模型建立

通過Mnetwork和Mcontrol，可以進(jìn)一步描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化需求為：①該數(shù)控系統(tǒng)共有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們分別是XYZ三軸各自的位移傳感節(jié)點(diǎn)、位置控制節(jié)點(diǎn)以及手工操作節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控/網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)。②除了監(jiān)控/網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)采用PC處理器外，其余節(jié)點(diǎn)均為MCU（傳感節(jié)點(diǎn)采用AT89S52，控制節(jié)點(diǎn)采用TMS320LF2407）。③共有4種類型節(jié)點(diǎn)：位移傳感節(jié)點(diǎn)、控制/驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)、手工操作節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控/網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)。④各種實(shí)體類型的節(jié)點(diǎn)分別實(shí)現(xiàn)不同控制和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。位移傳感節(jié)點(diǎn)完成刀具位移的檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能；控制/驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)二自由度Smith控制器算法、電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)、過流過壓保護(hù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能；監(jiān)控PC機(jī)則實(shí)現(xiàn)了工況實(shí)時(shí)顯示、發(fā)出工序指令、人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理等；手工操作節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)、緊急停車、鍵盤和數(shù)碼顯示等功能。UML各種描述圖中，系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖和對(duì)象協(xié)助圖是建模的關(guān)鍵，分別說明如下。

基于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化需求，利用UML描述該數(shù)控系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3。圖3中對(duì)象的識(shí)別使用了職責(zé)驅(qū)動(dòng)方法，并且由Mnetwork和Mcontrol提取相關(guān)對(duì)象的各種屬性與方法。例如手工操作節(jié)點(diǎn)必須完成手工緊急停車、點(diǎn)動(dòng)輸入職責(zé)；而監(jiān)控PC節(jié)點(diǎn)應(yīng)實(shí)時(shí)發(fā)送位移控制指令、刷新狀態(tài)顯示。所有對(duì)象完成職責(zé)集合Res與屬性集合Atr的并集應(yīng)包含需求分析階段對(duì)于系統(tǒng)總需求的定義，即（Res∪Atr）?RDescription；否則說明系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)還不足以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

識(shí)別出這些對(duì)象之后，就可以繪制對(duì)象的協(xié)作圖。以X軸為例說明，如圖4所示。其中XSensor是傳感節(jié)點(diǎn)類一個(gè)實(shí)例，XController為控制/驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)類的實(shí)例，Keyboard和Monitor分別是手工操作節(jié)點(diǎn)類和監(jiān)控/網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)類的實(shí)例。圖4中，XController收到Monitor或者Keyboard的新坐標(biāo)值后，會(huì)將傳感節(jié)點(diǎn)反饋回來的位移值與它們進(jìn)行比較運(yùn)算。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與傳感節(jié)點(diǎn)之間還存在顯示數(shù)據(jù)刷新的連接；這種更新可由傳感節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送，也可由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主動(dòng)查詢。其他對(duì)象的協(xié)助圖也可類似得到。

通過以上設(shè)計(jì)與建模，已較好設(shè)計(jì)出該網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的原型，為其工程實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)是一類復(fù)雜的分布式控制系統(tǒng)，目前仍然沒有一套成熟的設(shè)計(jì)與建模方法。本文提出了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)QoS與QoP協(xié)同設(shè)計(jì)思想，并利用UML進(jìn)行了系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)；通過對(duì)一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化三軸數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)過程驗(yàn)證了所提方法的可行性，具有一定的研究及實(shí)用價(jià)值。

［1］彭可.控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)互連的研究與應(yīng)用［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2004.

［2］Lian Feng － Li.，James R.Moyne.Network design consideration for distributed control systems［ J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2002，10（2）：297 －308.

［3］朱華炳，吳文濤.基于UML的橋殼生產(chǎn)系統(tǒng)仿真建模研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009，（12）：151 －154.

［4］彭可，陳嵐，陳際達(dá)，等.以太網(wǎng)、CAN與LON三種總線控制網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)性能分析［J］.測(cè)控技術(shù)，2003，22（12）：41 －44.

［5］彭可，陳志盛，李仲陽，等.NCS系統(tǒng)中二自由度內(nèi)?？刂破鲀?yōu)化設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，41 －21（7）：227 －229.

［6］李祥飛，鄒恩，張?zhí)┥剑?基于混沌優(yōu)化的規(guī)范化PID控制器及其應(yīng)用［J］.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，33（3）：301 －304.

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Research on Design and Modeling of a Networked Three－axis CNC Drilling Machine

PENG Ke①②，HUANG Dan①，ZHANG Wei①，LONG Xiaohua①
（ College of Engineering，Hunan Normal University，Changsha 410081，CHN；②College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，CHN）

The closed－loop structure of networked CNC system is provided.A co－design method based on both Qos and QoP is proposed and UML is used to make the design of networked CNC system.The design process of a neworked three－axis CNC lathe is given to prove the feasibility of the proposed design and modeling motheds.

Networked CNC system；UML；QoS；QoP

* 湖南省高等學(xué)?？蒲匈Y助項(xiàng)目（08B050）；湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008CK3069）；長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（K0902187－11）

彭可，男，1973年生，副教授，博士后，副所長(zhǎng)，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)、機(jī)電一體化等，已發(fā)表論文20多篇。

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2010－01－25）

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