基于無(wú)線通信技術(shù)的新型數(shù)控系統(tǒng)

引言

　　近年來(lái)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(lái)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(chē)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(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)引進(jìn)來(lái)，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(chē)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。

　　采用無(wú)線通信技術(shù)的新型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)

　　采用無(wú)線通信技術(shù)的新型開(kāi)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(chēng)為嵌入式機(jī)床控制器。兩部分之間通過(guò)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(chē)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(guò)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)橐匀藶橹行摹２僮髡邿o(wú)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(zhuān)業(yè)化的數(shù)控PDA可以通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)和Internet上網(wǎng)，獲得車(chē)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(kù)管理功能，因而能用于組建車(chē)間網(wǎng)絡(luò)化制造的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，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(pán)、無(wú)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(wú)線通信模塊。通過(guò)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(wú)線模塊采用Airgo公司的支持 IEEE802.11a/b/g 3 種無(wú)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(guò)的IEEE802.11g。

　　IEEE802.11g是利用2.4GHz頻帶來(lái)實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)傳輸速度54Mbit/ 秒的無(wú)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(wú)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(lái)自主機(jī)的控制指令，經(jīng)過(guò)基帶控制器的處理后命令無(wú)線收發(fā)器發(fā)出2.4-5.0GHz 帶寬的無(wú)線電波。IEEE802.11 芯片組和主機(jī)的連接可以通過(guò)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(wú)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(wú)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(mǎn)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(wú)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(mǎn)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。