您現在的位置:

開放結構數控系統網絡化應用開發平臺的構建

 

1.引言

    數控技術作為未來先進制造技術的核心內容之一,正在朝著開放化,網絡化,柔性化和智能化方向發展,數控裝備產品的設計制造和應用開發都日益顯示出基于開放接口標準的模塊形態。基于模塊和組件的系統構建策略更能體現產品設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用領域的技術產品形式,是該領域技術原理,應用方案和實現形式的綜合體現,是其在數控加工環境下的具體應用,其設計理念和性能指標都體現數控加工技術的要求和市場應用的需求,這些充分體現設計者個性化的產品組件通過開放的標準接口形式有機的結合,組成了功能豐富性能完善的數控裝備產品。
    數控技術是一個綜合性很強的技術學科,涉及系統控制,工業設計,機械結構,變頻調速,網絡通訊,信號分析等范圍很廣和適用性很強的技術領域,這些技術原理在工科學校的機電一體化教學中都有涉及,但在應用實踐上相對分散,目前只注重在數控操作技能上的能力培養,一系列的計算機輔助設計制造軟件也都是針對于這一目標,缺少一個貫穿于整個數控技術領域中的開發應用環境,來從系統規劃的高度和應用開發的層面來實施數控技術能力素質培養的目標。
    正是針對于這一數控技術培養模式的局限性,本文建立了一個針對于整個數控技術應用開發領域一體化實驗平臺,采用組件和模塊的思想建立了一個集成的設計開發環境,實現從數控裝備產品規劃,方案選擇,運動算法和人機交互等各個環節的教學實踐活動,下面將從總體策略,結構特征,關鍵技術等幾個方面給予闡述。

    2系統組建策略
    2.1數控系統的組成

    在這里我們將一般數控系統的概念廣義化,定義成由控制器,機械結構,伺服單元等三個主要部分組成的產品模式。控制器就是我們通常所說的計算機數控系統,它由專用或通用計算機硬件加上系統軟件和應用軟件組成,完成數控裝備的運動控制功能,人機交互功能,數據管理功能和相關的輔助控制功能,是數控裝備功能實現和性能保證的核心組成部分,是整個數控體系的中心模塊。機械結構是展現控制器運動控制功能的執行機構和機械平臺,如數控機床系統中的銑床、車床和加工中心等機械部分;數控機器人系統中機械手和機械臂等。機械結構根據具體應用場合的不同,具體形態千差萬別,但都可以按照運動學和動力學方法簡化成運動機構的各種組合形式,這種組合越復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構的控制,同樣一種機械結構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品類型。伺服單元是連接控制器和機械結構的控制傳輸通道,它將控制器數字量的指令輸出轉換成各種形式的電機運動,帶動機械結構上執行元件實現其所規劃出來的運動軌跡。伺服系統包括驅動放大器和電機兩個主要部分,其任務實質是實現一系列數模或模數之間的信號轉化,表現形式就是位置控制和速度控制。在此基礎上,隨著開放式數控技術的出現,數控系統體系具備了自我擴展和自我維護的功能,這得益于各種二次開發手段提供了自由完善和自定義系統軟硬件功能和性能的能力。因此,開放數控所特有的二次開發平臺也作為一個新的組成部分融入了數控系統體系結構中,并在深刻改變著傳統數控系統的結構特征和應用方式。

    2.2應用開發系統組成和功能規劃

    本文所建立的一體化數控系統應用開發平臺,完成對上面四個組成環節的統一管理控制,系統規劃,設計開發和仿真校驗流程,其組成結構如圖1所示。系統組成規劃模塊完成所需數控裝備產品的單元組合,功能規劃和性能規劃;機械結構設計模塊完成對機械執行機構的物理建模,動態性能仿真,實體造型,結構繪圖和工藝設計;伺服單元控制模塊完成伺服系統的選型,位置控制規劃,速度調節規劃;運動規劃控制模塊完成運動軌跡規劃,插補算法設計和仿真,控制策略設計和仿真;人機交互管理模塊完成人機交互界面的設計和實現,數據管理和通訊功能。

   整個應用開發系統的每個模塊都分為應用和開發兩個部分:應用部分針對于現有的系統模式和控制方法,從熟悉、使用、理解角度出發通過相應的軟硬件技術手段實現對現有技術資源和產品資源的消化吸收;開發部分在應用部分的基礎上,針對應用中發現的問題和產生的創意,對數控系統體系的某些組成環節進行旨在提高其性能和豐富其功能個性化的二次開發并提供進行這種二次擴展的軟硬件技術支持環境。
    應用開發系統以硬件調試平臺和集成開發軟件兩種形式組合展現,硬件部分主要包括典型特征的機械結構實體和伺服單元實體,以及控制器的硬件實體部分,主要是滿足對硬件組成部分的擴展和對軟件應用開發的效果體現;集成開發軟件是個基于PC機系統的統一的資源管理配置和開發調試環境,滿足從系統規劃、控制策略、人機交互和擴展應用等各主要環節的開發過程。集成開發軟件由多個功能單元組成,既包括內嵌的功能單元也包括可與第三方軟件進行通訊和數據交換的接口,這使得系統軟件的可以靈活的集成到別的軟件中或將其他優秀的組件集成到統一的開發環境中。系統采用網絡化分布式的模塊組合形式,使得多個模塊可以分散地工作在不同的平臺上,而且通過計算機網絡遠程共享彼此的數據資源和相對集中的同一個硬件資源。

    2.3應用開發系統構建策略
    應用開卡系統的構建始終遵循應用與開發緊密結合的原則,按照層次化教學的思路,從軟件和硬件兩個方面來規劃實現不同規模的應用開發系統。

    2.3.1應用與開發相結合的策略
    熟練應用現有的技術方案是進行創新開發擴展的基礎,而個性化開發擴展也是進一步加深對相關技術理解使用的有效途徑,二者相輔相成,必須貫穿于整個數控技術的教學過程中。從應用角度將現有的技術和資源以可交互的方式體現在統一的軟硬件平臺中,是構建系統時的一個核心任務,為此我們充分采用了多媒體技術。首先集成了應用準備階段所需的文檔和圖片資源,涵蓋技術背景、技術原理、應用例程和產品資源等多方面內容;其次針對于其中涉及的操作實踐環節,依托于某些具體的典型產品,建立了一整套操作仿真系統,實現對真實系統功能和操作的全真模擬,從技能層次加強對某種技術資源的深入理解。從開發角度將現有的各種計算機輔助設計制造手段有機集成是實現各個環節開發的有效途徑,開發從仿真階段開始,如機械結構的造型和動態評測,伺服單元的調速和位控測試,控制算法的軌跡規劃曲線等;然后再進入到實際的硬件配合調試中,具體驗證執行機構的運行特性;涉及到硬件結構擴展的部分,則需要從電路設計,邏輯測試方面去實踐。

    2.3.2結構和流程的層次化策略
    根據不同的教學實驗階段和不同的教學目標,搭建相適應的應用開發環境和實現層次化系統結構是貫穿于應用開發系統功能規劃和模塊組建過程的重要原則。依賴于模塊化的構成特征,用戶可對系統進行策略配置改變應用和開發的難易水平、應用范圍和流程順序。如對處于原理性熟悉階段的教學活動只保留系統組成中數控系統體系規劃部分;對處于技能性培訓階段的實驗活動可增加某些典型產品的仿真操作系統;對于控制能力實踐階段的開發活動又可以再增加運動規劃控制模塊等一系列逐層擴充功能的應用開發步驟。

    2.3.3軟件和硬件緊密結合策略
    以往的教學活動只從上層控制軟件的角度開展數控技術的教授,使得學生對于具體完成功能的硬件部分結構缺乏足夠的認識。這種不明確造成了很多情況下對一些控制思想和控制算法的理解模糊,因為很多軟件算法的形成都是跟底層硬件特征密切相關,特別是涉及到多種硬件平臺的時候,這種相關性就更加明顯,因此加強對硬件一定程度上的深入理解是機電一體化教學的必然要求。
    應用開發系統采用兩種模式來實現這一目標:第一種是硬件仿真模式,即為特定的典型硬件結構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,其輸入輸出口可進行交互,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結構中,模塊之間采用便于安裝和檢測的接口,以此來實踐系統硬件部分的實際搭建能力。

    2.3.4與實際產品相結合的策略
    對現有的產品資源是消化吸收是進行獨立個性化開發的重要手段,特別是一些技術成熟度高、技術資源豐富的產品更是應該廣泛進入教學活動的過程中,讓市場產品的發展態勢來影響教學和實踐活動的指向和重點。為此我們充分運用了互聯網上的豐富資源,將眾多數控技術廠商的網站集成到應用開發系統的資源模塊中,并制作了可進行交互處理的資源向導。另外我們還專門制作了行業性專業網站——中國機床工具網(www.chinamachinetools.com),該網站已全面運作并積累了豐富的產品資源 。
   3.關鍵技術及其實現

    引導型應用和開發模式

    層次化的教學模式要求應用開發活動有一個可依附的實踐模板,它體現一種交互式的資源響應機制,對學生的實踐活動作出引導和評價,并提供獲取相關資源的渠道。本系統所建立的引導環境是一種浮動式內嵌幫助平臺,它底層以數據庫的形式作為資源實體,按照具體應用開發的層次和場合,主要采用交互對話模式,符號描述模式,精靈向導模式三種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定義的方式,將一些比較成熟的應用開發流程的順序和內容固定下來,以對話框的形式體現配置環境,最后展現出整個過程的信息結果。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行規劃,它有別于一般通用的編程語言,只是針對于具體應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據庫進行交互后,給出算法或流程運行的結果和評價。精靈向導模式是提供一個實時在線的幫助信息窗口,該窗口具備智能化的交互形式,可自動根據當前所處的狀態提供出相關的引導型幫助信息,并具備自學習的記憶模式,按照用戶的應用開發進展調整引導的策略。
    圖2所示的是針對與控制器部分建立的引導型開發平臺的結構,借助于預先定義的各種信息庫,將使用特殊語言描述的用戶功能要求轉換成信息庫中特定策略的組合,然后通過與控制器的微控制核心相匹配的代碼編譯器,將策略描述翻譯并通過計算機的并口經由下載電纜傳送至控制器的仿真開發接口。控制器內部存在一個與之相對應的仿真開發專門存儲區,用于用戶訂制功能代碼的在線校驗,該存儲區與正常數控程序存儲區相互屏蔽,保證二次開發的安全性,并通過校驗策略和評價機制返回二次開發的性能指標。

網絡化分布式應用體系

    網絡為分布式資源的集中利用提供了有效的共享途徑,經由互聯網的交互式通訊機制和監控診斷機制為應用開發系統的遠程教學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鍵技術實現了這種網絡化的應用開發環境。其中模塊化組件是基礎,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,是對特定功能單元的軟硬件進行封裝的實體,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,通過網絡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,并采用網絡激活的技術方案動態配置整個網絡中各模塊資源的運行和響應特性;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動、步進電機驅動和直線電機驅動三種接口,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劃策略定義接口三個層次。
    圖三展示了一種基于校園局域網和互聯網的應用開發系統工作模式,從事機械設計,伺服規劃和運動控制交互的三個實驗室內部的每臺計算機上運行著不同的模塊單元,并通過局域網共享數據資源;另一方面三個實驗室又通過校園網進行連接,實現各教學環節的有機聯系,再加上互聯網絡,系統的功能便可拓展的遠程監控領域。

   結束語

    采用模塊化組件技術建立的開放結構模塊化數控系統應用開發系統通過組建校園局域網的形式在天津大學機械學院的數控技術教學活動中得到了應用,在交互式學習中取得了很好的效果。




    參考文獻:
    1李德慶等.計算機輔助制造.北京:機械工業出版社,1994
    2李伯虎.計算機集成制造系統約定、標準與實施指南.北京:兵器工業出版社,1992
    3任仲貴主編.CAD/CAM原理.北京:清華大學出版社,1991
    4向文.參數化特造型系統的研究.武漢:華中理工大學博士論文,1997
    5TienChienChang,R,A,Wysk.AnIntroductionTo
AutomatedProcessPianningSysten.PrenticeHallInc,1985.
黃乃康等譯.工藝過程自動設計導論。西北工業大學出版社,1988
    6林汝新,徐弘山.機械制造中的CAD/CAM技術.北京:北京理工大學出版社,1990
    7蔡力鋼等.基于實例與知識的實用化CAPP工藝決策方法.中國機械工程.1994,Yol.5學刊:234236