0 引言

　　在產(chǎn)品的整個生命周期中,車間作為產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)計劃的最終保證場所和生產(chǎn)成本的主要發(fā)生地,其制造水平在很大程度上制約著整個企業(yè)的制造水平。信息技術(shù)支持下的網(wǎng)絡(luò)化制造的成功與否,不僅取決于企業(yè)上層管理的數(shù)字化和信息化,也取決于車間底層的數(shù)字化和信息化,后者的實現(xiàn)則更加困難。車間是一個復(fù)雜的不確定型系統(tǒng),單純依靠計算機和自動化技術(shù)來實現(xiàn)車間數(shù)字化制造和系統(tǒng)的集成是不現(xiàn)實的。車間數(shù)字化制造的可行的和最佳的模式是把無線通信技術(shù)和智能移動設(shè)備引進來,創(chuàng)建能充分發(fā)揮“人的智能”和“機器智能”的人機協(xié)同工作模式。該模式由車間計劃管理層、現(xiàn)場調(diào)度層和設(shè)備層3個層面組成。

　　車間管理層配置車間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,Web 服務(wù)器, CAD/ CAPP/ CAM 工作站和計劃調(diào)度工作站,對現(xiàn)場調(diào)度層和加工設(shè)備層進行管理和提供技術(shù)支持。

　　現(xiàn)場調(diào)度層的主要任務(wù)是對車間層制訂的調(diào)度計劃進行實時監(jiān)控、實時反饋和調(diào)整,它是一個在車間數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器支持下,以移動和分散為主要特點的層次。以車間個人數(shù)字助理( ShopFloor PDA) 協(xié)助調(diào)度員實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),及時獲取車間數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器的支持和提供反饋信息,快速靈活地做出決策。

　　設(shè)備層則根據(jù)現(xiàn)場調(diào)度層服務(wù)器的調(diào)度計劃或加工程序來完成加工任務(wù)。實踐應(yīng)用證明,能夠支持移動控制和人機協(xié)同的新型數(shù)控系統(tǒng),則是人機協(xié)同車間數(shù)字化制造整體解決方案的關(guān)鍵部分。因此,研制新型數(shù)控系統(tǒng)已成為一項開拓性的任務(wù)。

1 新型數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　新型開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),如圖1 所示。

圖1新型數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　它主要由兩部分構(gòu)成:一部分安裝在機床上,稱為機床控制器,完成傳統(tǒng)的運動控制和PLC 功能;另一部分安裝在掌上電腦上,稱為數(shù)控PDA ,它完成編程、仿真、機床調(diào)整、加工數(shù)據(jù)采集,以及從車間調(diào)度層和車間管理層下載工藝數(shù)據(jù)、巨型加工程序等。數(shù)控PDA 和機床控制器之間通過藍(lán)牙無線通信技術(shù)實現(xiàn)近距離通信,一臺數(shù)控PDA 可同時控制多臺數(shù)控機床,構(gòu)成一個人機協(xié)同的柔性制造單元MMC(Man2Machine2CooperativeCell) 。其成本不僅比傳統(tǒng)的柔性制造單元FMC(Flaxible Manufacturing Cell) 大大降低,而且更加靈活可靠,如圖2所示。

圖2人機協(xié)同的柔性制造單元

　　在正常生產(chǎn)條件下,當(dāng)MMC 接到一個定單,數(shù)控PDA 就完成單元內(nèi)各臺機床的調(diào)整和加工參數(shù)設(shè)置,并在加工過程中采集和分析機床和MMC的狀態(tài)數(shù)據(jù);當(dāng)機床發(fā)生故障時,數(shù)控PDA則協(xié)助操作者進行故障診斷和排除故障。同時,操作者在數(shù)控PDA 的協(xié)助下,與車間或單元調(diào)度服務(wù)器聯(lián)系,共同調(diào)整生產(chǎn)調(diào)度計劃。

　　因此,這種具有移動控制功能的數(shù)控PDA 就成了一種理想的智能化的人機協(xié)同工具,它可以隨時隨地獲取信息,使人的形象思維、直覺判斷和經(jīng)驗與基于長期存儲、精確推理與快速數(shù)據(jù)處理的機器智能無縫地結(jié)合起來,實現(xiàn)靈活快捷的最佳決策。這種人機協(xié)同的制造模式,能夠更好地實現(xiàn)車間底層信息集成。

2 機床控制器

　　如圖3 所示,數(shù)控系統(tǒng)的機床控制器采用的是基于工控機的開放式結(jié)構(gòu)和模塊化的設(shè)計思想,根據(jù)數(shù)控設(shè)備的特點和功能要求,可以選擇所需的功能模塊,選用的是IP26S 底板、SBC2657 主板、NEC 液晶屏、研華6740 接口板、IPC 5000 型16位脈沖量輸入計數(shù)/ 定時器板、TENDA PCI 無線網(wǎng)卡及DELL Pocket PC 等相關(guān)硬件。

圖3 新型數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用實例

　　SBC2657 工控主板作為數(shù)控系統(tǒng)的核心,對輸入到CNC 裝置中的各種數(shù)據(jù)、信息(零件加工程序,各種I/ O 信息等) 進行有關(guān)的處理和運算,根據(jù)處理的結(jié)果向其他功能模塊發(fā)出控制命令,傳送數(shù)據(jù),順利地執(zhí)行用戶的指令。

　　研華6740 控制接口板用于檢測和控制在數(shù)控機床運行過程中CNC 內(nèi)部和機床上的各種行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器及變頻器等,從而實現(xiàn)主軸的啟停和變速、換向、換刀、工件夾緊、松開、液壓、冷卻及潤滑系統(tǒng)運行等。

　　TENDA PCI 通信接口板主要實現(xiàn)數(shù)控機床控制器部分和數(shù)控PDA 進行通信。數(shù)控PDA 通過無線網(wǎng)絡(luò)向機床控制器發(fā)送報文、工作指令和刀具數(shù)據(jù)等各種參數(shù),控制數(shù)控機床的各種調(diào)試命令。機床控制器則可以將其采集到的機床狀態(tài)、加工信息及報警信息等數(shù)據(jù),進行必要的處理后經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)上傳給數(shù)控PDA ,供其調(diào)度和處理。IPC 5000 型16 位計數(shù)/ 定時器板是系統(tǒng)中的重要組成部分,它主要用于周期性的中斷信號產(chǎn)生、插補運算的適時觸發(fā)、位置檢測、伺服控制和PLC掃瞄等強實時性任務(wù)。

3 數(shù)控PDA

　　在這種基于無線通信的開放式數(shù)控系統(tǒng)中,現(xiàn)今的數(shù)控系統(tǒng)中的很大一部分功能將被轉(zhuǎn)移到數(shù)控PDA 上。這些功能主要包括加工程序的編制、仿真與下載( 包括手工編程和從CAD/ CAM工作站或臺式電腦上下載巨型加工程序) 、機床調(diào)整、加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)的采集等,而機床控制器則主要執(zhí)行實時運動控制和PLC 功能,這將使其成為真正的嵌入式系統(tǒng),而數(shù)控PDA 則代替了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的人機界面,成為多臺數(shù)控機床共享的設(shè)備,不僅大大降低數(shù)控系統(tǒng)的體積和成本,而且使數(shù)控機床操作更加人性化。這種專業(yè)化的掌上電腦2數(shù)控PDA 還可以通過無線通信的方式上網(wǎng),一方面獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù),另一方面從車間(或單元) 服務(wù)器乃至CAD/ CAM 技術(shù)中心獲取支持,因而極大地加強了數(shù)控系統(tǒng)的功能?？梢钥闯?數(shù)控PDA 將成為新一代人機協(xié)同柔性制造單元的一個核心裝置。

4 軟件平臺的選擇

　　機床控制器及數(shù)控PDA 的操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)平臺的選擇十分重要,應(yīng)從功能、可靠性、普及性和技術(shù)支持的易獲得性等多方面綜合考慮。在當(dāng)今高速高精度和網(wǎng)絡(luò)化制造的時代,尤其要重視實時性和聯(lián)網(wǎng)能力這兩個方面。

　　自從20 世紀(jì)90 年代提出開放式數(shù)控系統(tǒng)以來,至今仍未找到一種較理想的操作系統(tǒng)平臺。國內(nèi)外目前的開放式數(shù)控系統(tǒng)所采用的不外乎兩種方式,一種是基于DOS ,另一種則基于Windows。DOS 是運行于16 位實模式下的單任務(wù)操作系統(tǒng),實時性好,但受16 位實模式的限制,系統(tǒng)功能不強,可靠性不易保證,尤其是網(wǎng)絡(luò)功能薄弱。Windows 功能強大,但體系和結(jié)構(gòu)龐大,實時性差,不能滿足數(shù)控要求,因此不得不另配置運動控制卡等。

　　Windows CE.NET 是一種實時性較強的嵌入式操作系統(tǒng),兼?zhèn)銬OS 和Windows 的優(yōu)點,“小而精”,是完全開放的模塊化體系結(jié)構(gòu),支持藍(lán)牙和802. 11x 無線移動通信協(xié)議以及友好的圖形界面。雖然還有其他實時嵌入式操作系統(tǒng)可供選擇,但因其有Microsoft 公司和第三方開發(fā)商的軟、硬件技術(shù)支持,從易得、易用和能較快實現(xiàn)產(chǎn)品化的實際出發(fā), Windows CE. NET 不失為一種較理想的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)平臺。

　　本研究采用Visual Studio .NET作為數(shù)控PDA應(yīng)用程序的主要開發(fā)平臺,因為它是一套完整的開發(fā)工具, 可以用于生成ASP Web 應(yīng)用程序、XML Web services、桌面應(yīng)用程序和移動應(yīng)用程序。Visual Basic . NET、Visual C + + . NET、VisualC # .NET 和Visual J # . NET 全都使用相同的集成開發(fā)環(huán)境( IDE) ,該環(huán)境允許它們共享工具并有助于創(chuàng)建混合語言解決方案。另外,這些語言利用了.NET Framework 的功能,此框架提供對簡化ASP Web 應(yīng)用程序和XML Web services 開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)的訪問。Visual Studio .NET 集成開發(fā)環(huán)境還包括開發(fā)智能設(shè)備(如Pocket PC) 應(yīng)用程序的工具。

　　通過使用這些工具和. NET Framework 精簡版Compact Framework ,可以高效和高質(zhì)量的開發(fā)數(shù)控PDA。

　　機床控制器不像數(shù)控PDA ,它不僅要有無線通信能力,還必須配備各種輸入輸出接口和板卡,以實現(xiàn)伺服控制、主軸調(diào)速及PLC 控制等功能。采用Windows CE.NET作為開發(fā)平臺,可以開發(fā)數(shù)

　　控系統(tǒng)的底層和實時性軟件,包括各種數(shù)控專用接口板卡的驅(qū)動程序。尤其是在機床控制器中開發(fā)藍(lán)牙接口,更是一個挑戰(zhàn)性的任務(wù)。這些都是開發(fā)基于Windows CE. NET 的機床控制器的難點和關(guān)鍵,因為目前市場上可以買到的板卡還不能提供Windows CE. NET 的驅(qū)動程序。Windows CE. NET 是Microsoft . NET 架構(gòu)的重要組成部分,它也是一種模塊化的操作系統(tǒng),它的Plat2form Builder 集成開發(fā)環(huán)境( IDE) 能夠根據(jù)不同數(shù)控系統(tǒng)的要求及進行剪裁和組裝。

5 中斷機制的插補控制

　　數(shù)控系統(tǒng)中的位置控制任務(wù)、插補任務(wù)都是強實時性的任務(wù),但在基于Windows CE 的數(shù)控系統(tǒng)中,不能像基于DOS 那樣利用系統(tǒng)定時器的INT08 號中斷來實現(xiàn)實時插補,因為它已被用作操作系統(tǒng)本身的分時調(diào)度,所以必須外插一塊定時器卡來周期性的觸發(fā)插補任務(wù)。

　　該定時器通過觸發(fā)中斷的方式來獲得操作系統(tǒng)的服務(wù)。另外,數(shù)控系統(tǒng)還需要各種數(shù)模/ 模數(shù)轉(zhuǎn)換卡和傳感器來完成伺服控制和機床的在線檢測,這些設(shè)備大多都采用中斷方式工作。因此,如何編寫適合于數(shù)控系統(tǒng)的中斷驅(qū)動程序,并正確設(shè)計ISR 和IST ,就成了開發(fā)基于Windows CE 的開放式數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。

　　對于Windows CE ,通常有2 類設(shè)備,即內(nèi)置設(shè)備(Built2in devices) 和可安裝設(shè)備( Installable de2vices) ,定時器卡、數(shù)模/ 模數(shù)轉(zhuǎn)換卡等都屬于后一類。Windows CE 提供了2 種驅(qū)動程序模型:分層結(jié)構(gòu)驅(qū)動和單層結(jié)構(gòu)驅(qū)動。出于實時性的考慮我們選用單層結(jié)構(gòu)驅(qū)動程序,因為單層結(jié)構(gòu)包含了數(shù)控驅(qū)動程序必須的功能,而避免了多層次之間互相調(diào)用所造成的系統(tǒng)延遲。但單層驅(qū)動的移植性較差。

　　以定時插補卡為例進行說明。若要給該定時器卡寫驅(qū)動,首先要給其分配硬件資源,即中斷號和端口地址范圍,這些都必須通過Boot Loader 和注冊表在系統(tǒng)啟動時分配。該卡采用Intel 8254可編程定時器芯片,端口地址設(shè)為0x140 - 0x143 ;通過跨接器W4 和PC 總線的IRQ15 相連。在驅(qū)動程序中,必須首先初始化中斷例程ISR 和中斷線程IST ,然后IST 才能等待來自內(nèi)核的中斷請求。

　　5.1 初始化關(guān)鍵步驟

　　(1) 創(chuàng)建一個動態(tài)連接庫CNC. DLL ,其中包含該插補定時器的中斷例程ISR。

　　(2) 由該ISR 分派一個新的中斷標(biāo)識符SYS2INTR- INTERPOLATE ,并返回給內(nèi)核。

　　(3) 創(chuàng)建插補中斷線程InterpolateIST ,并將它掛起。

　　(4) 調(diào)用InterruptInitialize 函數(shù),使中斷請求IRQ 和該事件的掛鉤。

　　(5) 設(shè)置IST的優(yōu)先級,使其與所要完成任務(wù)的實時性相匹配。

　　(6) 重新開始IST。

　　5.2 程序框架

　　驅(qū)動程序編寫和安裝完成后,數(shù)控系統(tǒng)就可以根據(jù)數(shù)控加工程序給出的加工速度指令,調(diào)用IO 流接口函數(shù),通過對8254 定時器動態(tài)地設(shè)置時間常數(shù),來完成實時插補任務(wù)。

6 結(jié)束語

　　車間數(shù)字化是制造業(yè)信息化和數(shù)字化的重要環(huán)節(jié),也是當(dāng)前面臨的難點。只有創(chuàng)造條件,把人的智能和機器智能無縫地結(jié)合起來,形成一個以人為中心的人機協(xié)同的車間制造系統(tǒng),才是實現(xiàn)車間數(shù)字化制造切實可行的途徑。將正在蓬勃發(fā)展的智能無線手持設(shè)備和嵌入式操作系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)引入數(shù)控領(lǐng)域,研制數(shù)控PDA 和嵌入式機床控制器集成的新型數(shù)控系統(tǒng),將為實現(xiàn)這人機協(xié)同的車間制造模式打下基礎(chǔ)。