摘? 要: 為提高制造企業(yè)對市場動態(tài)變化的響應(yīng)能力,對新一代網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)進行了研究,給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)通訊和控制的硬件方案,并介紹了網(wǎng)絡(luò)通訊和控制的軟件設(shè)計。所開發(fā)的系統(tǒng)已成功用于多種實際零件的加工,取得了良好效果。?

　　關(guān)鍵詞: 現(xiàn)場總線? CAN總線? 智能尋位? 制造系統(tǒng)?

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　　隨著市場競爭的日益激烈,產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐不斷加快。如何對動態(tài)變化、難以預(yù)測的市場需求作出快速響應(yīng),高效實現(xiàn)多品種小批量產(chǎn)品的快速敏捷化生產(chǎn),成為了制造領(lǐng)域一個具有普遍意義和相當難度的重要研究課題。?

　　智能尋位加工技術(shù)和系統(tǒng)為解決上述問題開辟了新的途徑,因此成為制造自動化領(lǐng)域研究的熱點技術(shù)之一。近年來,我們在國家自然科學(xué)基金委員會和國家863計劃的支持下,在此領(lǐng)域開展了深入系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究^[1～4],取得了較大進展。本文將介紹在網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)研究開發(fā)方面所取得的部分研究結(jié)果。?

1 智能尋位制造系統(tǒng)的組成?

　　網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)的概念是將智能尋位、工藝規(guī)劃、加工信息生成、加工設(shè)備控制等分布于制造系統(tǒng)中不同物理位置的獨立單元,借助實時控制網(wǎng)絡(luò)集成為一有機整體,從而實現(xiàn)單元間的高速信息交換,并通過管理計算機中的動態(tài)調(diào)度軟件,協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的高效運行。據(jù)此思路構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。?

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　　該系統(tǒng)接到新加工任務(wù)后,無需象常規(guī)制造系統(tǒng)那樣花很多時間為被加工零件準備精密夾具,只需根據(jù)零件設(shè)計信息、加工工藝要求及毛坯信息,便可在調(diào)度子系統(tǒng)的控制下,起動系統(tǒng)開始加工。具體運行過程為:?

　　裝卸站的操作人員根據(jù)調(diào)度指令用通用緊固夾持元件將工件固定于托盤上,并將工件/托盤復(fù)合體送往工件尋位工作站。工件尋位工作站以智能化方法主動獲取工件表面宏觀及微觀信息,實時求解出工件的實際狀態(tài),并通過現(xiàn)場總線將工件實際狀態(tài)信息送往刀具路徑實時生成工作站。刀具路徑實時生成工作站將根據(jù)設(shè)計信息、工藝信息和被加工零件的實際狀態(tài)信息,通過實時規(guī)劃生成被加工零件本次入線在各個機床上加工的刀具運動路徑文件,并通過現(xiàn)場總線將刀具路徑文件送往相應(yīng)的機床控制系統(tǒng)(一種新型位姿自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)),使其作好準備。一旦工件由物流系統(tǒng)送達該機床,即可進行加工。工件本次入線的所有工序完成后,由物流將其送往出口裝卸站,由操作人員將工件從托盤上卸下,然后托盤則回到系統(tǒng)入口處,準備裝載新的工件。?

　　在這一由現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的集成環(huán)境下,工件尋位與加工操作可并行進行。例如,有若干個工件P₁、P₂、P₃…進入系統(tǒng)進行加工,則加工中心在對先進入系統(tǒng)的工件(如P₁)進行加工時,信息獲取工作站可同時對后續(xù)進入系統(tǒng)的工件(如P₂)進行尋位處理。而此時裝卸站還可將新工件(如P₃)裝上托盤準備送入系統(tǒng),所有這些操作完全是并行進行的。在調(diào)度系統(tǒng)控制下,系統(tǒng)將有條不紊地高效工作。?

　　從智能尋位制造的特征可以看到,這一新的系統(tǒng)可以有效地克服基于“定位—加工”模式的傳統(tǒng)制造系統(tǒng)由于依賴精密夾具而產(chǎn)生的準備周期長、切換速度慢、靈活性與快速響應(yīng)性差等弊端,從而為提高企業(yè)底層制造過程對市場動態(tài)變化的響應(yīng)能力開辟一條新的途徑。?

2 智能尋位制造系統(tǒng)的支撐子系統(tǒng)——現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?

　　智能尋位制造系統(tǒng)需在信息集成環(huán)境下運行,因此,網(wǎng)絡(luò)通訊與控制是其最關(guān)鍵的支撐子系統(tǒng)。針對智能尋位制造對信息傳遞要求的特殊性,我們選取CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。?

2.1 CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點?

　　作為工業(yè)現(xiàn)場控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),可靠性和實時性是最主要的要求,現(xiàn)場總線CAN在這方面是獨具特色的^[5]。?

　　首先,為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制對可靠性的特殊要求,CAN總線采用了循環(huán)冗余碼校驗(Cyclic Redundancy Check)、框架檢測 (Frame Check)、確認信號出錯檢測 (ACK Errors)、總線監(jiān)控(Bus Monitoring)、位填充(Bit Stuffing)等多種錯誤監(jiān)測和糾錯措施,從而達到了很高的可靠性,平均誤碼率小于10^-13[6]。?

　　其次,CAN采用了獨特的位仲裁技術(shù),具有比 CSMA/CD 網(wǎng)(IEEE802.3)和令牌網(wǎng)(IEEE802.4)更高的實時性。?

　　除此之外,CAN總線還具有通訊速率高、傳輸距離遠、接口簡單、安裝方便、通訊控制簡單、開放性好、擴展能力強、系統(tǒng)成本低等特點^[7]。?

　　因此,CAN總線是一種能有效支持分布式制造控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。?

2.2 CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建造與運行?

　　由于智能尋位制造系統(tǒng)中所有單元的計算機均采用PC機、工業(yè)PC機或與PC機兼容的計算機系統(tǒng),因此,CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建造比較簡單。整個系統(tǒng)主要由插于各計算機中的CAN網(wǎng)卡、連接各網(wǎng)卡的傳輸介質(zhì)和運行于各計算機中的網(wǎng)絡(luò)通訊與控制軟件組成。?

　　在該CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,其物理層采用普通雙絞線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)。數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)送取控制(MAC)采用基于優(yōu)先級的位仲裁調(diào)度方式。該方式將網(wǎng)上每個站點按通訊實時性要求的高低賦予一定的優(yōu)先級,并將優(yōu)先級號碼嵌入所發(fā)送信息的幀結(jié)構(gòu)中。這樣,若某一時刻有兩個或兩個以上站點同時發(fā)送信息(指令、狀態(tài)、數(shù)據(jù)等),需通過優(yōu)先級仲裁;優(yōu)先級低的站點將主動避讓,優(yōu)先級高的站點將獲得發(fā)送權(quán),先完成信息的傳遞,然后優(yōu)先級低的站點再進行信息傳遞。?

　　上述方案既可解決 CSMA/CD方案中由于碰撞而導(dǎo)致的總線效率低、傳輸延遲大以及重載可能導(dǎo)至的系統(tǒng)崩潰等問題,又可克服令牌總線方案按固定時間(令牌循環(huán)周期)調(diào)度所引起的響應(yīng)延遲。?

　　由于CAN總線是一個多主站總線,各節(jié)點都有權(quán)利向其它節(jié)點發(fā)送信息,因此可方便地組成多主站結(jié)構(gòu)。當信息從CAN網(wǎng)上某個站點發(fā)出時,將以廣播方式傳播到所有其它站點。被指定接收信息的站點將接收該信息,而其它站點則可不理會,從而可靈活地實現(xiàn)點對點或一點對多點等多種形式的信息傳遞。這為在智能尋位制造系統(tǒng)中實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備間的多模式通訊帶來了極大的方便。?

　　此外,為便于更大范圍的信息交換,現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)可通過網(wǎng)關(guān)等裝置與工廠局域網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng)等相聯(lián)接,從而構(gòu)成多層次的滿足敏捷制造要求的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。?

2.3 網(wǎng)絡(luò)通訊與控制的硬件模塊?

　　在所建造的CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)通訊與控制的硬件模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。該模塊的CAN總線網(wǎng)絡(luò)通訊功能由80C188處理器和SJA1000CAN控制器共同完成。其中,80C188主要承擔節(jié)點與PC機之間的數(shù)據(jù)通訊和協(xié)調(diào)管理工作;SJA1000完成具體的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收控制任務(wù)。當80C188把數(shù)據(jù)和控制字標志送給SJA1000時,SJA1000便控制CAN收發(fā)器自動完成一幀的發(fā)送和接收。?

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　　該模塊上有2KB高速雙口RAM,采用內(nèi)存映象的方式直接映射到主機內(nèi)存空間,實現(xiàn)通訊模塊與主機PC機的高速數(shù)據(jù)交換。內(nèi)存映象法是將通訊模塊上的數(shù)據(jù)存儲器地址配置于PC機主存儲器的高端(PC機一般未使用這部分),PC機可以采用寫主存儲器的方式將數(shù)據(jù)直接寫在通訊模塊的數(shù)據(jù)存儲器中,在PC機不訪問通訊模塊時可以讀寫數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)。這樣,通訊模塊中的數(shù)據(jù)存儲器就能被PC機和微控制器直接訪問。采用雙口RAM后,可大量減少數(shù)據(jù)交換的次數(shù);另外它能滿足大量數(shù)據(jù)的存儲,增強了通訊模塊的通用性。?

　　該模塊帶有光電隔離,能避免PC機因地流環(huán)造成的損壞,增強了系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中使用的可靠性。通訊介質(zhì)選用三類非屏蔽雙絞線或五類屏蔽雙絞線。?

　　通訊系統(tǒng)工作過程如下:CAN通訊模塊上電復(fù)位和初始化后,等待PC機的命令和數(shù)據(jù)。當PC機發(fā)出命令和數(shù)據(jù)時,CAN通訊模塊自動對其進行處理。CAN通訊模塊將命令分成兩種方式進行處理:(1)將命令作為數(shù)據(jù)寫入SJA1000的DPRAM中,并置位標志位;與CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點建立聯(lián)系后,由軟件參與完成數(shù)據(jù)通訊。(2)根據(jù)命令將數(shù)據(jù)寫入SJA1000的DPRAM中,并置位標志位,隨后網(wǎng)絡(luò)上的幀傳送由SJA1000自動完成。當CAN通訊模塊完成一次通訊后,通知PC機,PC機從雙口RAM中取出數(shù)據(jù)作進一步處理。?

2.4 網(wǎng)絡(luò)通訊與控制的軟件設(shè)計?

　　根據(jù)上述硬件模塊制成的CAN網(wǎng)卡一次能傳送512個字節(jié),物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)功能由網(wǎng)卡實現(xiàn)。為了實現(xiàn)系統(tǒng)級的網(wǎng)絡(luò)控制功能,還需編制ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)模型中的應(yīng)用層程序。該軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。下面對其作簡要說明。?

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2.4.1 數(shù)據(jù)接收?

　　系統(tǒng)采用定時查詢方式接收通信數(shù)據(jù),方法是設(shè)置一個定時時間為10ms的定時器,每當定時時間到,系統(tǒng)便查詢通訊狀態(tài)標志,判斷是否有數(shù)據(jù)包傳來,如有則進行處理。這樣可確保通訊的實時性。?

2.4.2 數(shù)據(jù)發(fā)送?

　　發(fā)送數(shù)據(jù)時,把發(fā)送的數(shù)據(jù)和目標節(jié)點的地址送到網(wǎng)卡上的雙口RAM在系統(tǒng)內(nèi)存的映射區(qū)中,然后命令網(wǎng)卡發(fā)送,延時若干ms后,判斷目標節(jié)點是否發(fā)來應(yīng)答信號。如果沒有,則視為通訊超時錯誤,向系統(tǒng)報警。?

2.4.3 文件傳送?

　　在網(wǎng)絡(luò)數(shù)控中,需要從上位機向數(shù)控機床發(fā)送數(shù)控程序文件。發(fā)送數(shù)據(jù)文件與發(fā)送短幀數(shù)據(jù)包類似。因為CAN網(wǎng)卡一次能傳送512個字節(jié),所以只要以512個字節(jié)為單位,將該數(shù)據(jù)文件分為幾個部分,然后依次發(fā)送即可。具體過程如下:?

　　首先上位機向要接收數(shù)控程序的目標節(jié)點(數(shù)控機床控制器)發(fā)送“開始發(fā)送數(shù)控文件”的命令。目標節(jié)點收到后發(fā)回一個響應(yīng)信號,上位機收到該響應(yīng)信號后,表明網(wǎng)絡(luò)通訊正常,可以發(fā)送該文件,否則表明網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障,通訊失敗;接著上位機發(fā)送要發(fā)送的數(shù)控程序文件名,目標數(shù)控機床收到后,生成空的文件以備接收;然后上位機根據(jù)數(shù)控文件長度,按每次發(fā)送512個字節(jié)計算出發(fā)送次數(shù);隨后便開始發(fā)送,在每次發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后都要有數(shù)據(jù)握手信號以確保數(shù)據(jù)的準確,直至全部數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。?

2.4.4 文件接收?

　　這一功能使得上位機能接收數(shù)控機床等下級設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)文件。具體過程如下:? ?

　　首先,上位機中的通訊程序在得到“接收數(shù)據(jù)文件”的命令后便處于接收文件狀態(tài)。然后,根據(jù)發(fā)來的文件名在本機上創(chuàng)建一個相對應(yīng)的空文件。此后每接收一個數(shù)據(jù)包,就寫入文件并向發(fā)送方發(fā)送應(yīng)答信號,直到收到“發(fā)送文件完畢”信號便關(guān)閉文件。這樣就完成了一次數(shù)據(jù)文件接收。?

3 應(yīng)用實例?

　　根據(jù)本文研究結(jié)果開發(fā)了可用于實際零件加工的網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng),其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了驗證該系統(tǒng)的加工效果,在其上進行了多種零件的實際加工實驗。加工完成后,我們用三坐標測量機對零件的尺寸精度和形位精度進行了檢測,檢測結(jié)果表明其各項數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計要求。由于尋位加工系統(tǒng)不需采用精密夾具而節(jié)省了夾具設(shè)計、制造、裝調(diào)等所需的大量準備時間,使單件小批零件的總加工周期比采用夾具的常規(guī)定位加工方法縮短50%以上。?

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　　在基于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的智能尋位制造系統(tǒng)中,通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)的高可靠性和高實時性支持,實現(xiàn)了既不需要使用精密夾具對工件進行定位,也不需要由操作者在現(xiàn)場對工件進行位置找正,即可加工出符合要求的零件。這一新的制造系統(tǒng)具有縮短制造周期、快速響應(yīng)市場需求的良好效果。對于多品種小批量難以精確定位零件的加工,其效果更加明顯。?

參考文獻?

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