全新結(jié)構(gòu)開放數(shù)控系統(tǒng)的研究

1、研究背景

現(xiàn)在國內(nèi)外關(guān)于開放式控制系統(tǒng)的研究和示范應(yīng)用都著眼于PC機(jī)的軟硬件開發(fā)，其實質(zhì)就是PC機(jī)在I/0接口和人機(jī)交互界面上的一個專門應(yīng)用（參見圖1），在結(jié)構(gòu)和性能上都存在很大局限性：首先，沒有定義獨立的適合于數(shù)控加工控制的開放結(jié)構(gòu)，所具備的開放性都是計算機(jī)本身固有的開放特征，不是針對于數(shù)控加工特點來定義的，這種借鑒方式的代價就是要完全依賴于計算機(jī)的結(jié)構(gòu)體系框架，PC計算機(jī)作為一個通用平臺無論從底層硬件設(shè)計和操作系統(tǒng)環(huán)境上都沒有對數(shù)控加工特殊性的考慮，因此不能很好的從根本上搭建數(shù)控平臺。其次，工控機(jī)模式的開放式數(shù)控系統(tǒng)不能很好的保證實時性和可靠性。PC計算機(jī)在運行時由于采用通用的操作系統(tǒng)，占用了很大的系統(tǒng)資源，與數(shù)控加工無關(guān)的任務(wù)可能占去了

更多系統(tǒng)的工作份額，他們干擾著系統(tǒng)對現(xiàn)場加工的及時響應(yīng)，降低了系統(tǒng)對重要控制事件的處理速度，增加了系統(tǒng)運行的開銷，這些都會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。第三點，工控機(jī)模式數(shù)控系統(tǒng)的成本太高。一臺能滿足數(shù)控加工速度要求的計算機(jī)至少需要投資數(shù)千元再配上運動控制卡，使得成本很難降低。而一塊嵌入式微處理器才不過一百多元，所采用可編程器件的芯片也不過在百元左右，再加上所采用的實時操作系統(tǒng)是免費開放源代碼的，不會有軟件版權(quán)使用上的額外開銷，這些都使得成本有了很大程度的降低。確保了申請專利具有很好的性能價格比。第四點，當(dāng)前工控機(jī)模式的開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能是基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的，這種網(wǎng)絡(luò)由于沒有考慮到數(shù)控加工和狀態(tài)監(jiān)測對大流量信號數(shù)據(jù)流的傳輸要求，因此從速度上就限制了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能力，基本上只適用于系統(tǒng)間的程序傳輸。

另外，NC+PC模式的數(shù)控系統(tǒng)基本上不提供什么二次開發(fā)環(huán)境，只提供一些接口和參數(shù)的重新配置和定義功能，還有一些提供了PLC的編程功能和相應(yīng)的編程工具，但這也只是對開關(guān)量的簡單配置。PC機(jī)模式的開放數(shù)控產(chǎn)品，一方面通過板卡上增減接口數(shù)來實現(xiàn)控制軸數(shù)和通道數(shù)的改變，另一方面通過將自己構(gòu)建系統(tǒng)軟件的函數(shù)庫以封裝的形式提供給用戶來實現(xiàn)用戶自己動手配置系統(tǒng)控制的目的。但是，這種形式的開放無疑提高了對用戶二次開發(fā)的能力要求，開放沒有針對性，開放形式不友好，可操作性差。

本文正是基于上述問題，著眼于開放結(jié)構(gòu)體系的層次化構(gòu)建，狀態(tài)監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)激活機(jī)制和二次開發(fā)平臺的智能化三個方面開展對全新結(jié)構(gòu)開放數(shù)控系統(tǒng)的研究。

2、開放結(jié)構(gòu)的層次化

層次化思想的設(shè)計目標(biāo)是方便的實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可配置性，這是判斷一個系統(tǒng)開放性特征的兩個重要指標(biāo)?？蓴U(kuò)展性是指系統(tǒng)可以靈活地增加硬件控制接口來實現(xiàn)功能的拓展和性能的提高；可配置性是指在不增加硬件結(jié)構(gòu)的前提下，利用現(xiàn)有的底層結(jié)構(gòu)模塊，通過配置和編譯控制軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)的自定義。層次化體系結(jié)構(gòu)以模塊化思想為核心，但又區(qū)別于一般的模塊化結(jié)構(gòu)方法。層次化不僅考慮系統(tǒng)各組件之間的功能性特征，更要考慮組件之間的在整個結(jié)構(gòu)體系中的所處控制環(huán)節(jié)的作用和地位，明確組件之間的繼承衍生關(guān)系，并且實際上通過定義這種繼承性和衍生性來作為劃分系統(tǒng)組件要素的一個標(biāo)準(zhǔn)，而不是單純靠功能標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)劃系統(tǒng)的各個要素及其之間的關(guān)系。層次化不僅作為一種系統(tǒng)框架設(shè)計的思想，它可用于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)的所有層面，當(dāng)組件按照所需功能和性能要求被逐層細(xì)分時，同樣的衍生繼承關(guān)系和層次標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于組件中的每一個亞結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，層次化的數(shù)控系統(tǒng)具備一個基本的0層，它包括系統(tǒng)基本控制功能所需的所有組件以及滿足一般功能擴(kuò)展必需的軟硬件接口，0層作為系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)必須具備良好的對內(nèi)和對外接口，對內(nèi)部既要保證組件之間相互通訊和訪問的暢通，又要保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)屏蔽，實現(xiàn)整個系統(tǒng)保持穩(wěn)定性和安全性。0層以上的附加層建立在0層的擴(kuò)展接口上，通過補(bǔ)充硬件和開放軟件接口來擴(kuò)展系統(tǒng)的功能和提升控制的性能。

附加層分為兩種：補(bǔ)充擴(kuò)展和平行擴(kuò)展。補(bǔ)充擴(kuò)展是在原有組件的基礎(chǔ)上通過開放新的接口配置不同的控制軟件形式來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展；平行擴(kuò)展是完全增加一個同等結(jié)構(gòu)的功能組件，來實現(xiàn)系統(tǒng)一種特殊的控制要求或開辟一個新的控制通道。區(qū)分這兩種擴(kuò)展方式意義在于：充分利用兩種不同繼承形式，即結(jié)構(gòu)性繼承和接口性繼承。附加擴(kuò)展遵循接口性繼承，以功能點的形式嵌入到系統(tǒng)組件的接口層面，這一特征可以方便地將對個別功能的擴(kuò)展要求的實現(xiàn)形式標(biāo)準(zhǔn)化，滿足用戶隨時出現(xiàn)的自定義需求。平行擴(kuò)展遵循結(jié)構(gòu)性繼承，以功能組整體的形式復(fù)制一個全新的功能通道，與原有層次形成平行的控制方案，這一特征可以將開放結(jié)構(gòu)的整體性擴(kuò)展運動控制模塊是數(shù)控系統(tǒng)的核心組件，基于開放結(jié)構(gòu)的運動控制組件必須具備平行擴(kuò)展和附加擴(kuò)展兩種接口形式（見圖3）。平行擴(kuò)展用于控制軸數(shù)的擴(kuò)充，在基本三軸控制的基礎(chǔ)上，衍生出具備同種功能特性的四軸和五軸組件；附加擴(kuò)展用于特殊功能的附加，是對用戶開放的自定義功能實現(xiàn)接口，基本組件和由平行擴(kuò)展衍生出的組件都具備同等的附加擴(kuò)展接口。圖三展示了一個基本三軸運動控制組件平行擴(kuò)展為四軸和五軸運動控制組件，每個運動組件附加擴(kuò)展了復(fù)雜曲線插補(bǔ)，位置誤差補(bǔ)償和振動狀態(tài)監(jiān)測三個特殊功能。

3、二次開發(fā)平臺的智能化引導(dǎo)機(jī)制

如圖5所示的二次開發(fā)平臺模型，我們采用一種引導(dǎo)開發(fā)的模式，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，然后通過與數(shù)控系統(tǒng)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)由下載電纜傳送至數(shù)控系統(tǒng)的仿真開發(fā)接口。數(shù)控系統(tǒng)內(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)。

二次開發(fā)環(huán)境包括語言描述和引導(dǎo)設(shè)置兩種開發(fā)方式：語言描述方式采用結(jié)構(gòu)化的功能機(jī)制，預(yù)先定義出系統(tǒng)擴(kuò)展的算法結(jié)構(gòu)，用戶只需根據(jù)算法的提示加入自己的功能要求的描述。二次開發(fā)平臺提供獨立的結(jié)構(gòu)化描述語言（如圖6所示語法結(jié)構(gòu)），采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，以功能對象群組的構(gòu)成方式來完整描述數(shù)控組件對象的特定工作狀態(tài)。語言描述方案，可以通過靈活定義的算法規(guī)范深入系統(tǒng)內(nèi)部的軟件構(gòu)成細(xì)節(jié)，適用于系統(tǒng)底層策略方案的自定義配置。引導(dǎo)設(shè)置采用開發(fā)向?qū)У男问剑ㄈ鐖D7所示開發(fā)界面）以圖形話詢問界面來定制用戶的擴(kuò)展需求，一般用于較為簡單的擴(kuò)展開發(fā)。這兩種機(jī)制結(jié)合起來，也構(gòu)成了二次開發(fā)的層次化結(jié)構(gòu)。

4、結(jié)論

采用層次化結(jié)構(gòu)方案和微控制核心構(gòu)建的開放式數(shù)控系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上是一種全新的突破，層次化的思想滲透于整個系統(tǒng)的每個組件要素，以及引導(dǎo)型的智能化二次開發(fā)策略。層次化的構(gòu)成框架將對數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，使用和維護(hù)簡單的聯(lián)系起來，真正在數(shù)控設(shè)備的整個生命周期實現(xiàn)開放。