摘要:20世紀(jì)90年代，國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)完成了從16位機(jī)向32位機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)的豐富資源，能根據(jù)控制對(duì)象的要求迅速、靈活地更換軟硬件，并能及時(shí)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(gè)針對(duì)于整個(gè)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用組件和模塊的思想建立了一個(gè)集成的設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)從數(shù)控裝備產(chǎn)品規(guī)劃，方案選擇，運(yùn)動(dòng)算法和人機(jī)交互等各個(gè)環(huán)節(jié)的活動(dòng).

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(lái)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(jì)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)。基于模塊和組件的系統(tǒng)構(gòu)建策略更能體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的人性化思想，每一個(gè)模塊都是一個(gè)有針對(duì)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(shí)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(jì)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(chǎng)應(yīng)用的需求，這些充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)者個(gè)性化的產(chǎn)品組件通過(guò)開放的標(biāo)準(zhǔn)接口形式有機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)，伺服單元等三個(gè)主要部分組成的產(chǎn)品模式?？刂破骶褪俏覀兺ǔＫf(shuō)的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，它由專用或通用計(jì)算機(jī)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(yùn)動(dòng)控制功能，人機(jī)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(shí)現(xiàn)和性能保證的核心組成部分，是整個(gè)數(shù)控體系的中心模塊。機(jī)械結(jié)構(gòu)是展現(xiàn)控制器運(yùn)動(dòng)控制功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)械平臺(tái)，如數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中的銑床、車床和加工中心等機(jī)械部分;數(shù)控機(jī)器人系統(tǒng)中機(jī)械手和機(jī)械臂等。機(jī)械結(jié)構(gòu)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合的不同，具體形態(tài)千差萬(wàn)別，但都可以按照運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法簡(jiǎn)化成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各種組合形式，這種組合越復(fù)雜其對(duì)控制器的能力要求就越高，同一種控制器可以完成對(duì)不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制，同樣一種機(jī)械結(jié)構(gòu)可接受不同控制器的控制，這說(shuō)明機(jī)械部分和控制器組合起來(lái)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(jī)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(jī)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)上執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)其所規(guī)劃出來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡。伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)放大器和電機(jī)兩個(gè)主要部分，其任務(wù)實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)一系列數(shù)?；蚰?shù)之間的信號(hào)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(kuò)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(tái)也作為一個(gè)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(tái)，完成對(duì)上面四個(gè)組成環(huán)節(jié)的統(tǒng)一管理控制，系統(tǒng)規(guī)劃，設(shè)計(jì)開發(fā)和仿真校驗(yàn)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊完成對(duì)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的物理建模，動(dòng)態(tài)性能仿真，實(shí)體造型，結(jié)構(gòu)繪圖和工藝設(shè)計(jì);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(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制模塊完成運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，插補(bǔ)算法設(shè)計(jì)和仿真，控制策略設(shè)計(jì)和仿真;人機(jī)交互管理模塊完成人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)管理和通訊功能。

整個(gè)應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)的每個(gè)模塊都分為應(yīng)用和開發(fā)兩個(gè)部分:應(yīng)用部分針對(duì)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(guò)相應(yīng)的軟硬件技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題和產(chǎn)生的創(chuàng)意，對(duì)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(gè)性化的二次開發(fā)并提供進(jìn)行這種二次擴(kuò)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(lái)實(shí)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(gè)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(lái)模擬整個(gè)硬件部分工作時(shí)的信號(hào)流程，并可像真實(shí)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(shí)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(cè)的接口，以此來(lái)實(shí)踐系統(tǒng)硬件部分的實(shí)際搭建能力。

3、關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)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(dòng)有一個(gè)可依附的實(shí)踐模板，它體現(xiàn)一種交互式的資源響應(yīng)機(jī)制，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)作出引導(dǎo)和評(píng)價(jià)，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(dòng)式內(nèi)嵌幫助平臺(tái)，它底層以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式作為資源實(shí)體，按照具體應(yīng)用開發(fā)的層次和場(chǎng)合，主要采用交互對(duì)話模式，符號(hào)描述模式，精靈向?qū)Ｊ饺N手段來(lái)集中或分散地展示資源。交互對(duì)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(lái)，以對(duì)話框的形式體現(xiàn)配置環(huán)境，最后展現(xiàn)出整個(gè)過(guò)程的信息結(jié)果。符號(hào)描述模式采用自定義編程語(yǔ)言的模式對(duì)一些需要驗(yàn)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(yǔ)言，只是針對(duì)于具體應(yīng)用場(chǎng)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(kù)進(jìn)行交互后，給出算法或流程運(yùn)行的結(jié)果和評(píng)價(jià)。精靈向?qū)Ｊ绞翘峁┮粋€(gè)實(shí)時(shí)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(dòng)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(jī)制和監(jiān)控診斷機(jī)制為應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程教學(xué)活動(dòng)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)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(duì)特定功能單元的軟硬件進(jìn)行封裝的實(shí)體，具備明確定義的交互形式;分布式互連是個(gè)單元模塊的運(yùn)行模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的連接使分散在不同平臺(tái)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(dòng)態(tài)配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各模塊資源的運(yùn)行和響應(yīng)特性;開放式接口是各個(gè)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(yùn)動(dòng)控制單元模塊具備伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種接口，可按需要配置激活或屏蔽;又如運(yùn)動(dòng)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(bǔ)算法定義接口和底層的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略定義接口三個(gè)層次。

從事機(jī)械設(shè)計(jì)，伺服規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制交互的三個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的每臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行著不同的模塊單元，并通過(guò)局域網(wǎng)共享數(shù)據(jù)資源;另一方面三個(gè)實(shí)驗(yàn)室又通過(guò)校園網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)各教學(xué)環(huán)節(jié)的有機(jī)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。