摘? 要: 為提高制造企業對市場動態變化的響應能力,對新一代網絡化智能尋位制造系統進行了研究,給出了系統的總體結構以及網絡通訊和控制的硬件方案,并介紹了網絡通訊和控制的軟件設計。所開發的系統已成功用于多種實際零件的加工,取得了良好效果。?

　　關鍵詞: 現場總線? CAN總線? 智能尋位? 制造系統?

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

　　智能尋位加工技術和系統為解決上述問題開辟了新的途徑,因此成為制造自動化領域研究的熱點技術之一。近年來,我們在國家自然科學基金委員會和國家863計劃的支持下,在此領域開展了深入系統的應用基礎研究^[1～4],取得了較大進展。本文將介紹在網絡化智能尋位制造系統研究開發方面所取得的部分研究結果。?

1 智能尋位制造系統的組成?

　　網絡化智能尋位制造系統的概念是將智能尋位、工藝規劃、加工信息生成、加工設備控制等分布于制造系統中不同物理位置的獨立單元,借助實時控制網絡集成為一有機整體,從而實現單元間的高速信息交換,并通過管理計算機中的動態調度軟件,協調整個系統的高效運行。據此思路構成的網絡化智能尋位制造系統的總體結構如圖1所示。?

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　　該系統接到新加工任務后,無需象常規制造系統那樣花很多時間為被加工零件準備精密夾具,只需根據零件設計信息、加工工藝要求及毛坯信息,便可在調度子系統的控制下,起動系統開始加工。具體運行過程為:?

　　裝卸站的操作人員根據調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,并通過現場總線將工件實際狀態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設計信息、工藝信息和被加工零件的實際狀態信息,通過實時規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,并通過現場總線將刀具路徑文件送往相應的機床控制系統(一種新型位姿自適應數控系統),使其作好準備。一旦工件由物流系統送達該機床,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入口處,準備裝載新的工件。?

　　在這一由現場總線網絡構成的集成環境下,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…進入系統進行加工,則加工中心在對先進入系統的工件(如P₁)進行加工時,信息獲取工作站可同時對后續進入系統的工件(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,所有這些操作完全是并行進行的。在調度系統控制下,系統將有條不紊地高效工作。?

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

2 智能尋位制造系統的支撐子系統——現場總線網絡系統?

　　智能尋位制造系統需在信息集成環境下運行,因此,網絡通訊與控制是其最關鍵的支撐子系統。針對智能尋位制造對信息傳遞要求的特殊性,我們選取CAN現場總線系統作為網絡系統。?

2.1 CAN網絡系統的特點?

　　作為工業現場控制的網絡系統,可靠性和實時性是最主要的要求,現場總線CAN在這方面是獨具特色的^[5]。?

　　首先,為滿足工業現場控制對可靠性的特殊要求,CAN總線采用了循環冗余碼校驗(Cyclic Redundancy Check)、框架檢測 (Frame Check)、確認信號出錯檢測 (ACK Errors)、總線監控(Bus Monitoring)、位填充(Bit Stuffing)等多種錯誤監測和糾錯措施,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,具有比 CSMA/CD 網(IEEE802.3)和令牌網(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的現場總線網絡。?

2.2 CAN網絡系統的建造與運行?

　　由于智能尋位制造系統中所有單元的計算機均采用PC機、工業PC機或與PC機兼容的計算機系統,因此,CAN網絡系統的建造比較簡單。整個系統主要由插于各計算機中的CAN網卡、連接各網卡的傳輸介質和運行于各計算機中的網絡通訊與控制軟件組成。?

　　在該CAN網絡系統中,其物理層采用普通雙絞線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質。數據鏈路層的介質送取控制(MAC)采用基于優先級的位仲裁調度方式。該方式將網上每個站點按通訊實時性要求的高低賦予一定的優先級,并將優先級號碼嵌入所發送信息的幀結構中。這樣,若某一時刻有兩個或兩個以上站點同時發送信息(指令、狀態、數據等),需通過優先級仲裁;優先級低的站點將主動避讓,優先級高的站點將獲得發送權,先完成信息的傳遞,然后優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致的總線效率低、傳輸延遲大以及重載可能導至的系統崩潰等問題,又可克服令牌總線方案按固定時間(令牌循環周期)調度所引起的響應延遲。?

　　由于CAN總線是一個多主站總線,各節點都有權利向其它節點發送信息,因此可方便地組成多主站結構。當信息從CAN網上某個站點發出時,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中實現現場設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,現場總線網絡可通過網關等裝置與工廠局域網、國際互聯網等相聯接,從而構成多層次的滿足敏捷制造要求的信息網絡系統。?

2.3 網絡通訊與控制的硬件模塊?

　　在所建造的CAN總線網絡系統中,網絡通訊與控制的硬件模塊的基本結構如圖2所示。該模塊的CAN總線網絡通訊功能由80C188處理器和SJA1000CAN控制器共同完成。其中,80C188主要承擔節點與PC機之間的數據通訊和協調管理工作;SJA1000完成具體的數據發送和接收控制任務。當80C188把數據和控制字標志送給SJA1000時,SJA1000便控制CAN收發器自動完成一幀的發送和接收。?

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　　該模塊上有2KB高速雙口RAM,采用內存映象的方式直接映射到主機內存空間,實現通訊模塊與主機PC機的高速數據交換。內存映象法是將通訊模塊上的數據存儲器地址配置于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據直接寫在通訊模塊的數據存儲器中,在PC機不訪問通訊模塊時可以讀寫數據存儲器的數據。這樣,通訊模塊中的數據存儲器就能被PC機和微控制器直接訪問。采用雙口RAM后,可大量減少數據交換的次數;另外它能滿足大量數據的存儲,增強了通訊模塊的通用性。?

　　該模塊帶有光電隔離,能避免PC機因地流環造成的損壞,增強了系統在工業現場環境中使用的可靠性。通訊介質選用三類非屏蔽雙絞線或五類屏蔽雙絞線。?

　　通訊系統工作過程如下:CAN通訊模塊上電復位和初始化后,等待PC機的命令和數據。當PC機發出命令和數據時,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)將命令作為數據寫入SJA1000的DPRAM中,并置位標志位;與CAN網絡節點建立聯系后,由軟件參與完成數據通訊。(2)根據命令將數據寫入SJA1000的DPRAM中,并置位標志位,隨后網絡上的幀傳送由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中取出數據作進一步處理。?

2.4 網絡通訊與控制的軟件設計?

　　根據上述硬件模塊制成的CAN網卡一次能傳送512個字節,物理層和數據鏈路層的相關功能由網卡實現。為了實現系統級的網絡控制功能,還需編制ISO/OSI網絡模型中的應用層程序。該軟件的總體結構如圖3所示。下面對其作簡要說明。?

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2.4.1 數據接收?

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

2.4.2 數據發送?

　　發送數據時,把發送的數據和目標節點的地址送到網卡上的雙口RAM在系統內存的映射區中,然后命令網卡發送,延時若干ms后,判斷目標節點是否發來應答信號。如果沒有,則視為通訊超時錯誤,向系統報警。?

2.4.3 文件傳送?

　　在網絡數控中,需要從上位機向數控機床發送數控程序文件。發送數據文件與發送短幀數據包類似。因為CAN網卡一次能傳送512個字節,所以只要以512個字節為單位,將該數據文件分為幾個部分,然后依次發送即可。具體過程如下:?

　　首先上位機向要接收數控程序的目標節點(數控機床控制器)發送“開始發送數控文件”的命令。目標節點收到后發回一個響應信號,上位機收到該響應信號后,表明網絡通訊正常,可以發送該文件,否則表明網絡出現故障,通訊失敗;接著上位機發送要發送的數控程序文件名,目標數控機床收到后,生成空的文件以備接收;然后上位機根據數控文件長度,按每次發送512個字節計算出發送次數;隨后便開始發送,在每次發送一幀數據后都要有數據握手信號以確保數據的準確,直至全部數據發送結束。?

2.4.4 文件接收?

　　這一功能使得上位機能接收數控機床等下級設備發送的數據文件。具體過程如下:? ?

　　首先,上位機中的通訊程序在得到“接收數據文件”的命令后便處于接收文件狀態。然后,根據發來的文件名在本機上創建一個相對應的空文件。此后每接收一個數據包,就寫入文件并向發送方發送應答信號,直到收到“發送文件完畢”信號便關閉文件。這樣就完成了一次數據文件接收。?

3 應用實例?

　　根據本文研究結果開發了可用于實際零件加工的網絡化智能尋位制造系統,其總體結構如圖4所示。為了驗證該系統的加工效果,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,檢測結果表明其各項數據均滿足設計要求。由于尋位加工系統不需采用精密夾具而節省了夾具設計、制造、裝調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定位加工方法縮短50%以上。?

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　　在基于現場總線網絡的智能尋位制造系統中,通過CAN總線網絡的高可靠性和高實時性支持,實現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。這一新的制造系統具有縮短制造周期、快速響應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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2 周 凱，毛德柱，廖 強等. 敏捷制造中智能尋位加工技術的研究.中國機械工程,1999;10(8):844～847?

3 周 凱.無夾具制造中工件尋位的一種新方法.儀器儀表學報，1999; 20(1):26～30?

4 周 凱，林喜榮.自由曲面輪廓零件的尋位加工方法.清華大學學報， 2000;40(5):40～43?

5 Holger Zeltwanger. An Inside Look at the Fundamentals of CAN. Control Engineering,1995(1):81～87?

6 石橋林.分布式直接數控的發展和現狀. 計算機輔助設計與制造,1996(6): 25～27?