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開放結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用開發(fā)平臺的構(gòu)建
1．引言數(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(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。
數(shù)控技術(shù)是一個綜合性很強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科，涉及系統(tǒng)控制，工業(yè)設(shè)計，機(jī)械結(jié)構(gòu)，變頻調(diào)速，網(wǎng)絡(luò)通訊，信號分析等范圍很廣和適用性很強(qiáng)的技術(shù)領(lǐng)域，這些技術(shù)原理在工科學(xué)校的機(jī)電一體化教學(xué)中都有涉及，但在應(yīng)用實踐上相對分散，目前只注重在數(shù)控操作技能上的能力培養(yǎng)，一系列的計算機(jī)輔助設(shè)計制造軟件也都是針對于這一目標(biāo)，缺少一個貫穿于整個數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中的開發(fā)應(yīng)用環(huán)境，來從系統(tǒng)規(guī)劃的高度和應(yīng)用開發(fā)的層面來實施數(shù)控技術(shù)能力素質(zhì)培養(yǎng)的目標(biāo)。
正是針對于這一數(shù)控技術(shù)培養(yǎng)模式的局限性，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(jī)交互等各個環(huán)節(jié)的教學(xué)實踐活動，下面將從總體策略，結(jié)構(gòu)特征，關(guān)鍵技術(shù)等幾個方面給予闡述。
2系統(tǒng)組建策略
2.1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)，伺服單元等三個主要部分組成的產(chǎn)品模式�？刂破骶褪俏覀兺ǔＫf的計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，它由專用或通用計算機(jī)硬件加上系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成，完成數(shù)控裝備的運動控制功能，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(jī)械結(jié)構(gòu)是展現(xiàn)控制器運動控制功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)械平臺，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(jī)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(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，這說明機(jī)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(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)運動，帶動機(jī)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(jī)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(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。
2.2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，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。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)計模塊完成對機(jī)械執(zhí)行機(jī)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(jī)交互管理模塊完成人機(jī)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(kuò)展的軟硬件技術(shù)支持環(huán)境。
應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)以硬件調(diào)試平臺和集成開發(fā)軟件兩種形式組合展現(xiàn)，硬件部分主要包括典型特征的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(kuò)展和對軟件應(yīng)用開發(fā)的效果體現(xiàn)；集成開發(fā)軟件是個基于PC機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)一的資源管理配置和開發(fā)調(diào)試環(huán)境，滿足從系統(tǒng)規(guī)劃、控制策略、人機(jī)交互和擴(kuò)展應(yīng)用等各主要環(huán)節(jié)的開發(fā)過程。集成開發(fā)軟件由多個功能單元組成，既包括內(nèi)嵌的功能單元也包括可與第三方軟件進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換的接口，這使得系統(tǒng)軟件的可以靈活的集成到別的軟件中或?qū)⑵渌麅?yōu)秀的組件集成到統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境中。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)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(jī)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程共享彼此的數(shù)據(jù)資源和相對集中的同一個硬件資源。
2.3應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)構(gòu)建策略
應(yīng)用開卡系統(tǒng)的構(gòu)建始終遵循應(yīng)用與開發(fā)緊密結(jié)合的原則，按照層次化教學(xué)的思路，從軟件和硬件兩個方面來規(guī)劃實現(xiàn)不同規(guī)模的應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)。
2.3.1應(yīng)用與開發(fā)相結(jié)合的策略
熟練應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)方案是進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，而個性化開發(fā)擴(kuò)展也是進(jìn)一步加深對相關(guān)技術(shù)理解使用的有效途徑，二者相輔相成，必須貫穿于整個數(shù)控技術(shù)的教學(xué)過程中。從應(yīng)用角度將現(xiàn)有的技術(shù)和資源以可交互的方式體現(xiàn)在統(tǒng)一的軟硬件平臺中，是構(gòu)建系統(tǒng)時的一個核心任務(wù)，為此我們充分采用了多媒體技術(shù)。首先集成了應(yīng)用準(zhǔn)備階段所需的文檔和圖片資源，涵蓋技術(shù)背景、技術(shù)原理、應(yīng)用例程和產(chǎn)品資源等多方面內(nèi)容；其次針對于其中涉及的操作實踐環(huán)節(jié)，依托于某些具體的典型產(chǎn)品，建立了一整套操作仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)對真實系統(tǒng)功能和操作的全真模擬，從技能層次加強(qiáng)對某種技術(shù)資源的深入理解。從開發(fā)角度將現(xiàn)有的各種計算機(jī)輔助設(shè)計制造手段有機(jī)集成是實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)開發(fā)的有效途徑，開發(fā)從仿真階段開始，如機(jī)械結(jié)構(gòu)的造型和動態(tài)評測，伺服單元的調(diào)速和位控測試，控制算法的軌跡規(guī)劃曲線等；然后再進(jìn)入到實際的硬件配合調(diào)試中，具體驗證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運行特性；涉及到硬件結(jié)構(gòu)擴(kuò)展的部分，則需要從
電路設(shè)計，邏輯測試方面去實踐。
2.3.2結(jié)構(gòu)和流程的層次化策略
根據(jù)不同的教學(xué)實驗階段和不同的教學(xué)目標(biāo)，搭建相適應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境和實現(xiàn)層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是貫穿于應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)功能規(guī)劃和模塊組建過程的重要原則。依賴于模塊化的構(gòu)成特征，用戶可對系統(tǒng)進(jìn)行策略配置改變應(yīng)用和開發(fā)的難易水平、應(yīng)用范圍和流程順序。如對處于原理性熟悉階段的教學(xué)活動只保留系統(tǒng)組成中數(shù)控系統(tǒng)體系規(guī)劃部分；對處于技能性培訓(xùn)階段的實驗活動可增加某些典型產(chǎn)品的仿真操作系統(tǒng)；對于控制能力實踐階段的開發(fā)活動又可以再增加運動規(guī)劃控制模塊等一系列逐層擴(kuò)充功能的應(yīng)用開發(fā)步驟。
2.3.3軟件和硬件緊密結(jié)合策略
以往的教學(xué)活動只從上層控制軟件的角度開展數(shù)控技術(shù)的教授，使得學(xué)生對于具體完成功能的硬件部分結(jié)構(gòu)缺乏足夠的認(rèn)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(guān)，特別是涉及到多種硬件平臺的時候，這種相關(guān)性就更加明顯，因此加強(qiáng)對硬件一定程度上的深入理解是機(jī)電一體化教學(xué)的必然要求。
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。
2.3.4與實際產(chǎn)品相結(jié)合的策略
對現(xiàn)有的產(chǎn)品資源是消化吸收是進(jìn)行獨立個性化開發(fā)的重要手段，特別是一些技術(shù)成熟度高、技術(shù)資源豐富的產(chǎn)品更是應(yīng)該廣泛進(jìn)入教學(xué)活動的過程中，讓市場產(chǎn)品的發(fā)展態(tài)勢來影響教學(xué)和實踐活動的指向和重點。為此我們充分運用了互聯(lián)網(wǎng)上的豐富資源，將眾多數(shù)控技術(shù)廠商的網(wǎng)站集成到應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)的資源模塊中，并制作了可進(jìn)行交互處理的資源向?qū)�。另外我們還專門制作了行業(yè)性專業(yè)網(wǎng)站——中國機(jī)床工具網(wǎng)（www.chinamachinetools.com）,該網(wǎng)站已全面運作并積累了豐富的產(chǎn)品資源 。
3．關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)
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(jī)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。
圖2所示的是針對與控制器部分建立的引導(dǎo)型開發(fā)平臺的結(jié)構(gòu)，借助于預(yù)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(zhuǎn)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(jī)的并口經(jīng)由下載電纜傳送至控制器的仿真開發(fā)接口�？刂破鲀�(nèi)部存在一個與之相對應(yīng)的仿真開發(fā)專門存儲區(qū)，用于用戶訂制功能代碼的在線校驗，該存儲區(qū)與正常數(shù)控程序存儲區(qū)相互屏蔽，保證二次開發(fā)的安全性，并通過校驗策略和評價機(jī)制返回二次開發(fā)的性能指標(biāo)。
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(jī)驅(qū)動、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和直線電機(jī)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。
圖三展示了一種基于校園局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)工作模式，從事機(jī)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(jī)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(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。
結(jié)束語
采用模塊化組件技術(shù)建立的開放結(jié)構(gòu)模塊化數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)通過組建校園局域網(wǎng)的形式在天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院的數(shù)控技術(shù)教學(xué)活動中得到了應(yīng)用，在交互式學(xué)習(xí)中取得了很好的效果。
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