基于無線通信技術(shù)的新型數(shù)控系統(tǒng)研析

引言

近年來移動(dòng)通信技術(shù)和掌上電腦的飛速發(fā)展及其在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，必將對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生深刻的影響，并為數(shù)字化制造帶來重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字化制造不僅僅取決于企業(yè)上層管理和設(shè)計(jì)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。我們提出一種基于移動(dòng)通信技術(shù)的人機(jī)協(xié)同的新型數(shù)字化制造模式，它把無線移動(dòng)通信技術(shù)引進(jìn)來，創(chuàng)建一種以人為中心的能充分發(fā)揮“人的智能”和“機(jī)器智能”的分布式人機(jī)協(xié)同工作模式。車間數(shù)字助理(Shop Floor PDA)和新型數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成了這種新型制造模式的兩個(gè)核心環(huán)節(jié)。本文只討論后者。

1 采用無線通信技術(shù)的新型開放式數(shù)控系統(tǒng)

采用無線通信技術(shù)的新型開放式數(shù)控系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：一部分是可移動(dòng)的掌上控制器，即數(shù)控PDA;另一部分則安裝于機(jī)床上，完成傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制和PLC 功能，稱為嵌入式機(jī)床控制器。兩部分之間通過Wi- Fi(802.11)或藍(lán)牙(Bluetooth)接口實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。在這種模式下，現(xiàn)今數(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(tái)式電腦上下載巨型加工程序)、機(jī)床調(diào)整、加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)的采集以及和車間管理/調(diào)度服務(wù)器通信等。而機(jī)床控制器則主要執(zhí)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制和 PLC 功能。這種新型數(shù)控是真正的嵌入式系統(tǒng)，能大大降低數(shù)控系統(tǒng)的體積和成本。同時(shí)，通過數(shù)控PDA 也徹底改變了數(shù)控機(jī)床的操作模式，把以機(jī)器為中心改變?yōu)橐匀藶橹行?。操作者無論在位置上還是在姿勢(shì)上都不再被機(jī)床所束縛。操作更方便，更舒適，也容易實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作。

由于這種專業(yè)化的數(shù)控PDA可以通過無線局域網(wǎng)和Internet上網(wǎng)，獲得車間或單元服務(wù)器乃至CAD/CAM 技術(shù)中心的支持，因而極大的增強(qiáng)了數(shù)控系統(tǒng)的功能。同時(shí)，因?yàn)閿?shù)控PDA 是一個(gè)通用的數(shù)控裝置，可以顯示多種機(jī)床的操作界面，控制不同的數(shù)控機(jī)床。由此，一個(gè)手握數(shù)控PDA的操作者和若干臺(tái)數(shù)控機(jī)床就能構(gòu)成一個(gè)人機(jī)協(xié)同的加工單元。這種在數(shù)字技術(shù)支持下的以人為中心的加工單元，較之傳統(tǒng)的柔性加工單元更加靈活、更加可靠。此外，數(shù)控PDA 還具有本地?cái)?shù)據(jù)庫管理功能，因而能用于組建車間網(wǎng)絡(luò)化制造的分布式數(shù)據(jù)庫，使之成為分布式體系結(jié)構(gòu)中實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)結(jié)點(diǎn)。

1.1 數(shù)控PDA 的硬件結(jié)構(gòu)

基于IEEE802.11 下的數(shù)控PDA 的硬件體系結(jié)構(gòu)主要由32 位嵌入式微處理器、高速內(nèi)存、FLSH電子盤、無線通信模塊以及高效電池和LCD 觸摸屏等部分組成(如圖2所示)。在硬件設(shè)計(jì)上采用Intel公司Strong ARM SA — 1100 32 位RISC 微處理器，它以ARM 公司的SA — 1 內(nèi)核作為其系統(tǒng)內(nèi)核，時(shí)鐘頻率高達(dá)206MHz，可以為數(shù)控PDA 提供強(qiáng)大的處理能力。

在通信方面，數(shù)控PDA 提供了USB 接口、串行接口和無線通信模塊。通過這些接口可以方便地與上級(jí)服務(wù)器或嵌入式機(jī)床控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。無線模塊采用Airgo公司的支持 IEEE802.11a/b/g 3 種無線LAN 標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器芯片組。該芯片組可同時(shí)支持2.4GHz 和5GHz 頻帶下的OFDM(正交頻分多路復(fù)用)變頻方式。除了IEEE802.11a/b，還可支持最近作為標(biāo)準(zhǔn)剛剛獲得通過的IEEE802.11g。

IEEE802.11g是利用2.4GHz頻帶來實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)傳輸速度54Mbit/ 秒的無線LAN 規(guī)格。該芯片組由基帶芯片和R F 芯片組成，支持使用5 G H z 帶寬的IEEE802.11a、使用2.4GHz 帶寬的IEEE802.11b 及IEEE802.11g 的無線LAN 方式。基帶芯片帶有IEEE802.11 的MAC 功能和PHY 功能，并進(jìn)行MIMO信號(hào)處理。同時(shí)，該芯片組嵌入了IEEE802.11的安全功能加速器及服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證電路。

如圖2 所示,數(shù)控PDA的主設(shè)備是由微處理器和IEEE802.11芯片組構(gòu)成。IEEE802.11芯片組接受來自主機(jī)的控制指令，經(jīng)過基帶控制器的處理后命令無線收發(fā)器發(fā)出2.4-5.0GHz 帶寬的無線電波。IEEE802.11 芯片組和主機(jī)的連接可以通過USB、MINI PCI，CARDBUS，從而省去所需外部橋接器件。HCI(Host Controller Interface)的上層通信協(xié)議由主機(jī)負(fù)責(zé)處理，下層的通信協(xié)議則由芯片組內(nèi)的基帶層芯片與無線收發(fā)器芯片負(fù)責(zé)。數(shù)控PDA 可與嵌入式機(jī)床控制器802.11無線網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。

由于把主要的系統(tǒng)管理功能、人機(jī)交互和數(shù)控編程等轉(zhuǎn)移給了數(shù)控PDA，因而新型數(shù)控的機(jī)床控制部分比傳統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備簡(jiǎn)化了許多，近似于一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器和PLC。其硬軟件配置主要滿足伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和機(jī)床I/O 功能的要求，但它必須增加無線通信的功能模塊。在硬件上，采用基于104 總線的嵌入式工控PC機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。這種體系結(jié)構(gòu)不僅能完全滿足上述要求，而且具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固可靠和成本低等特點(diǎn)，不失為一種較理想的選擇。

1.2 數(shù)控PDA 的軟件結(jié)構(gòu)

當(dāng)前用于掌上電腦上的嵌入式操作系統(tǒng)有很多, 較典型的有Windows CE、Pocket OS、Palm OS、Hopen、嵌入式Linux 等。Windows CE.NET 作為目前掌上電腦的是一個(gè)基于Win32應(yīng)用程序編程接口(API)的操作系統(tǒng)。我們采用Windows CE.NET 和Visual Studio.Net分別作為數(shù)控PDA的操作系統(tǒng)平臺(tái)和應(yīng)用程序開發(fā)平臺(tái)。整個(gè)軟件系統(tǒng)按功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分為3 個(gè)層次，分別是人機(jī)界面和系統(tǒng)管理層、數(shù)據(jù)組織與管理層、與上級(jí)服務(wù)器及下級(jí)嵌入式機(jī)床控制器進(jìn)行通信的通信層。通信層包括了通信鏈路的建立、數(shù)據(jù)鏈路通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、表示層的具體實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫管理完成數(shù)據(jù)的建立、排序、檢索與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)真正的移動(dòng)傳輸。系統(tǒng)的控制管理層是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，對(duì)于數(shù)控 PDA 來說，其功能和智能化程度的區(qū)別都反映在這一層上，系統(tǒng)功能的增減也均在這一層進(jìn)行，包括程序的編譯解釋、調(diào)整、自動(dòng)、診斷、參數(shù)設(shè)置、仿真等與用戶操作有關(guān)的功能子模塊。