數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

摘要:20世紀(jì)90年代，國外的數(shù)控系統(tǒng)完成了從16位機向32位機和伺服驅(qū)動從直流式向交流全數(shù)字式的轉(zhuǎn)變，數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)從封閉轉(zhuǎn)向開放 ，從而使數(shù)控系統(tǒng)可充分利用計算機技術(shù)的豐富資源，能根據(jù)控制對象的要求迅速、靈活地更換軟硬件，并能及時吸收新技術(shù)，使得數(shù)控技術(shù)發(fā)展步伐加快，開發(fā)周期縮短。本文建立了一個針對于整個數(shù)控技術(shù)應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域一體化實驗平臺，采用組件和模塊的思想建立了一個集成的設(shè)計開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)從數(shù)控裝備產(chǎn)品規(guī)劃，方案選擇，運動算法和人機交互等各個環(huán)節(jié)的活動.

關(guān)鍵詞:數(shù)控技術(shù)設(shè)備 網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)組建

數(shù)控技術(shù)作為未來先進(jìn)制造技術(shù)的核心內(nèi)容之一，正在朝著開放化，網(wǎng)絡(luò)化，柔性化和智能化方向發(fā)展，數(shù)控裝備產(chǎn)品的設(shè)計制造和應(yīng)用開發(fā)都日益顯示出基于開放接口標(biāo)準(zhǔn)的模塊形態(tài)?；谀K和組件的系統(tǒng)構(gòu)建策略更能體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計制造過程中的人性化思想，每一個模塊都是一個有針對性應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)產(chǎn)品形式，是該領(lǐng)域技術(shù)原理，應(yīng)用方案和實現(xiàn)形式的綜合體現(xiàn)，是其在數(shù)控加工環(huán)境下的具體應(yīng)用，其設(shè)計理念和性能指標(biāo)都體現(xiàn)數(shù)控加工技術(shù)的要求和市場應(yīng)用的需求，這些充分體現(xiàn)設(shè)計者個性化的產(chǎn)品組件通過開放的標(biāo)準(zhǔn)接口形式有機的結(jié)合，組成了功能豐富性能完善的數(shù)控裝備產(chǎn)品。

一、系統(tǒng)的組建

1、數(shù)控系統(tǒng)的組成

在這里我們將一般數(shù)控系統(tǒng)的概念廣義化，定義成由控制器，機械結(jié)構(gòu)，伺服單元等三個主要部分組成的產(chǎn)品模式?？刂破骶褪俏覀兺ǔＫf的計算機數(shù)控系統(tǒng)，它由專用或通用計算機硬件加上系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成，完成數(shù)控裝備的運動控制功能，人機交互功能，數(shù)據(jù)管理功能和相關(guān)的輔助控制功能，是數(shù)控裝備功能實現(xiàn)和性能保證的核心組成部分，是整個數(shù)控體系的中心模塊。機械結(jié)構(gòu)是展現(xiàn)控制器運動控制功能的執(zhí)行機構(gòu)和機械平臺，如數(shù)控機床系統(tǒng)中的銑床、車床和加工中心等機械部分;數(shù)控機器人系統(tǒng)中機械手和機械臂等。機械結(jié)構(gòu)根據(jù)具體應(yīng)用場合的不同，具體形態(tài)千差萬別，但都可以按照運動學(xué)和動力學(xué)方法簡化成運動機構(gòu)的各種組合形式，這種組合越復(fù)雜其對控制器的能力要求就越高，同一種控制器可以完成對不同機械結(jié)構(gòu)的控制，同樣一種機械結(jié)構(gòu)可接受不同控制器的控制，這說明機械部分和控制器組合起來可形成形式多樣的產(chǎn)品類型。伺服單元是連接控制器和機械結(jié)構(gòu)的控制傳輸通道，它將控制器數(shù)字量的指令輸出轉(zhuǎn)換成各種形式的電機運動，帶動機械結(jié)構(gòu)上執(zhí)行元件實現(xiàn)其所規(guī)劃出來的運動軌跡。伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動放大器和電機兩個主要部分，其任務(wù)實質(zhì)是實現(xiàn)一系列數(shù)?；蚰?shù)之間的信號轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)形式就是位置控制和速度控制。在此基礎(chǔ)上，隨著開放式數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)體系具備了自我擴展和自我維護(hù)的功能，這得益于各種二次開發(fā)手段提供了自由完善和自定義系統(tǒng)軟硬件功能和性能的能力。因此，開放數(shù)控所特有的二次開發(fā)平臺也作為一個新的組成部分融入了數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中，并在深刻改變著傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)用方式。

2、應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)組成和功能規(guī)劃

本文所建立的一體化數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)平臺，完成對上面四個組成環(huán)節(jié)的統(tǒng)一管理控制，系統(tǒng)規(guī)劃，設(shè)計開發(fā)和仿真校驗流程。系統(tǒng)組成規(guī)劃模塊完成所需數(shù)控裝備產(chǎn)品的單元組合，功能規(guī)劃和性能規(guī)劃;機械結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊完成對機械執(zhí)行機構(gòu)的物理建模，動態(tài)性能仿真，實體造型，結(jié)構(gòu)繪圖和工藝設(shè)計;伺服單元控制模塊完成伺服系統(tǒng)的選型，位置控制規(guī)劃，速度調(diào)節(jié)規(guī)劃;運動規(guī)劃控制模塊完成運動軌跡規(guī)劃，插補算法設(shè)計和仿真，控制策略設(shè)計和仿真;人機交互管理模塊完成人機交互界面的設(shè)計和實現(xiàn)，數(shù)據(jù)管理和通訊功能。

整個應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)的每個模塊都分為應(yīng)用和開發(fā)兩個部分:應(yīng)用部分針對于現(xiàn)有的系統(tǒng)模式和控制方法，從熟悉、使用、理解角度出發(fā)通過相應(yīng)的軟硬件技術(shù)手段實現(xiàn)對現(xiàn)有技術(shù)資源和產(chǎn)品資源的消化吸收;開發(fā)部分在應(yīng)用部分的基礎(chǔ)上，針對應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題和產(chǎn)生的創(chuàng)意，對數(shù)控系統(tǒng)體系的某些組成環(huán)節(jié)進(jìn)行旨在提高其性能和豐富其功能個性化的二次開發(fā)并提供進(jìn)行這種二次擴展的軟硬件技術(shù)支持環(huán)境。

應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)采用兩種模式來實現(xiàn)這一目標(biāo):第一種是硬件仿真模式，即為特定的典型硬件結(jié)構(gòu)建立一個由軟件虛擬的硬件層。硬件層以硬件電路圖框的形式展現(xiàn)，其輸入輸出口可進(jìn)行交互，以此來模擬整個硬件部分工作時的信號流程，并可像真實硬件一樣接受軟件算法的代碼控制。第二種是建立模塊化的硬件單元框架，以真實的硬件模塊封裝后加入到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，模塊之間采用便于安裝和檢測的接口，以此來實踐系統(tǒng)硬件部分的實際搭建能力。

3、關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)

(1)引導(dǎo)型應(yīng)用和開發(fā)模式

層次化的教學(xué)模式要求應(yīng)用開發(fā)活動有一個可依附的實踐模板，它體現(xiàn)一種交互式的資源響應(yīng)機制，對學(xué)生的實踐活動作出引導(dǎo)和評價，并提供獲取相關(guān)資源的渠道。本系統(tǒng)所建立的引導(dǎo)環(huán)境是一種浮動式內(nèi)嵌幫助平臺，它底層以數(shù)據(jù)庫的形式作為資源實體，按照具體應(yīng)用開發(fā)的層次和場合，主要采用交互對話模式，符號描述模式，精靈向?qū)Ｊ饺N手段來集中或分散地展示資源。交互對話模式是采用工作步驟預(yù)定義的方式，將一些比較成熟的應(yīng)用開發(fā)流程的順序和內(nèi)容固定下來，以對話框的形式體現(xiàn)配置環(huán)境，最后展現(xiàn)出整個過程的信息結(jié)果。符號描述模式采用自定義編程語言的模式對一些需要驗證的軟件算法和控制流程進(jìn)行規(guī)劃，它有別于一般通用的編程語言，只是針對于具體應(yīng)用場合采用特征描述的方式搜集特定的信息表示，與其所連接的資源數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互后，給出算法或流程運行的結(jié)果和評價。精靈向?qū)Ｊ绞翘峁┮粋€實時在線的幫助信息窗口，該窗口具備智能化的交互形式，可自動根據(jù)當(dāng)前所處的狀態(tài)提供出相關(guān)的引導(dǎo)型幫助信息，并具備自學(xué)習(xí)的記憶模式，按照用戶的應(yīng)用開發(fā)進(jìn)展調(diào)整引導(dǎo)的策略。

二、網(wǎng)絡(luò)化分布式應(yīng)用體系

網(wǎng)絡(luò)為分布式資源的集中利用提供了有效的共享途徑，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)的交互式通訊機制和監(jiān)控診斷機制為應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程教學(xué)活動提供了安全可靠的媒介。模塊化組件、開放式接口和分布式互連三個關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了這種網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。其中模塊化組件是基礎(chǔ)，分布式互連是形式，開放式接口是連接手段。功能組件的模塊化是基礎(chǔ)，是對特定功能單元的軟硬件進(jìn)行封裝的實體，具備明確定義的交互形式;分布式互連是個單元模塊的運行模式，通過網(wǎng)絡(luò)的連接使分散在不同平臺上的軟硬件建立起通訊和一種層次化的控制策略，并采用網(wǎng)絡(luò)激活的技術(shù)方案動態(tài)配置整個網(wǎng)絡(luò)中各模塊資源的運行和響應(yīng)特性;開放式接口是各個模塊之間的連接通道，接口的開放特征體現(xiàn)在單一模塊的多接口和分層次接口兩方面:如運動控制單元模塊具備伺服電機驅(qū)動、步進(jìn)電機驅(qū)動和直線電機驅(qū)動三種接口，可按需要配置激活或屏蔽;又如運動軌跡算法模塊具備表層的速度加速度曲線配置接口，中層的特定曲線軌跡插補算法定義接口和底層的運動規(guī)劃策略定義接口三個層次。

從事機械設(shè)計，伺服規(guī)劃和運動控制交互的三個實驗室內(nèi)部的每臺計算機上運行著不同的模塊單元，并通過局域網(wǎng)共享數(shù)據(jù)資源;另一方面三個實驗室又通過校園網(wǎng)進(jìn)行連接，實現(xiàn)各教學(xué)環(huán)節(jié)的有機聯(lián)系，再加上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的功能便可拓展的遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域。