開(kāi)放結構數控系統網(wǎng)絡(luò )化應用開(kāi)發(fā)平臺的構建
在畢業(yè)前夕，很多大四的學(xué)生會(huì )為了寫(xiě)畢業(yè)論文而苦惱，小編也是這樣走過(guò)來(lái)的。對于寫(xiě)畢業(yè)論文，實(shí)踐操作很重要，為論文做好準備是一項需要時(shí)間的工作。下面小編就直接給大家展示一篇數控畢業(yè)論文——開(kāi)放結構數控系統網(wǎng)絡(luò )化應用開(kāi)發(fā)平臺的構建，希望畢業(yè)生們都能順利完成畢業(yè)論文!
1、引言
數控技術(shù)作為未來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)的核心內容之一，正在朝著(zhù)開(kāi)放化，網(wǎng)絡(luò )化，柔性化和智能化方向發(fā)展，數控裝備產(chǎn)品的設計制造和應用開(kāi)發(fā)都日益顯示出基于開(kāi)放接口標準的模塊形態(tài)�；谀K和組件的系統構建策略更能體現產(chǎn)品設計制造過(guò)程中的人性化思想，每一個(gè)模塊都是一個(gè)有針對性應用領(lǐng)域的技術(shù)產(chǎn)品形式，是該領(lǐng)域技術(shù)原理，應用方案和實(shí)現形式的綜合體現，是其在數控加工環(huán)境下的具體應用，其設計理念和性能指標都體現數控加工技術(shù)的要求和市場(chǎng)應用的需求，這些充分體現設計者個(gè)性化的產(chǎn)品組件通過(guò)開(kāi)放的標準接口形式有機的結合，組成了功能豐富性能完善的數控裝備產(chǎn)品。
數控技術(shù)是一個(gè)綜合性很強的技術(shù)學(xué)科，涉及系統控制，工業(yè)設計，機械結構，變頻調速，網(wǎng)絡(luò )通訊，信號分析等范圍很廣和適用性很強的技術(shù)領(lǐng)域，這些技術(shù)原理在工科學(xué)校的機電一體化教學(xué)中都有涉及，但在應用實(shí)踐上相對分散，目前只注重在數控操作技能上的能力培養，一系列的計算機輔助設計制造軟件也都是針對于這一目標，缺少一個(gè)貫穿于整個(gè)數控技術(shù)領(lǐng)域中的開(kāi)發(fā)應用環(huán)境，來(lái)從系統規劃的高度和應用開(kāi)發(fā)的層面來(lái)實(shí)施數控技術(shù)能力素質(zhì)培養的目標。
正是針對于這一數控技術(shù)培養模式的局限性，本文建立了一個(gè)針對于整個(gè)數控技術(shù)應用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域一體化實(shí)驗平臺，采用組件和模塊的思想建立了一個(gè)集成的設計開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現從數控裝備產(chǎn)品規劃，方案選擇，運動(dòng)算法和人機交互等各個(gè)環(huán)節的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，下面將從總體策略，結構特征，關(guān)鍵技術(shù)等幾個(gè)方面給予闡述。
2、系統組建策略
2.1 數控系統的組成
在這里我們將一般數控系統的概念廣義化，定義成由控制器，機械結構，伺服單元等三個(gè)主要部分組成的產(chǎn)品模式�？刂破骶褪俏覀兺ǔＫf(shuō)的計算機數控系統，它由專(zhuān)用或通用計算機硬件加上系統軟件和應用軟件組成，完成數控裝備的運動(dòng)控制功能，人機交互功能，數據管理功能和相關(guān)的輔助控制功能，是數控裝備功能實(shí)現和性能保證的核心組成部分，是整個(gè)數控體系的中心模塊。機械結構是展現控制器運動(dòng)控制功能的執行機構和機械平臺，如數控機床系統中的銑床、車(chē)床和加工中心等機械部分;數控機器人系統中機械手和機械臂等。機械結構根據具體應用場(chǎng)合的不同，具體形態(tài)千差萬(wàn)別，但都可以按照運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法簡(jiǎn)化成運動(dòng)機構的各種組合形式，這種組合越復雜其對控制器的能力要求就越高，同一種控制器可以完成對不同機械結構的控制，同樣一種機械結構可接受不同控制器的控制，這說(shuō)明機械部分和控制器組合起來(lái)可形成形式多樣的產(chǎn)品類(lèi)型。伺服單元是連接控制器和機械結構的控制傳輸通道，它將控制器數字量的指令輸出轉換成各種形式的電機運動(dòng)，帶動(dòng)機械結構上執行元件實(shí)現其所規劃出來(lái)的運動(dòng)軌跡。伺服系統包括驅動(dòng)放大器和電機兩個(gè)主要部分，其任務(wù)實(shí)質(zhì)是實(shí)現一系列數�；蚰抵g的信 號轉化，表現形式就是位置控制和速度控制。在此基礎上，隨著(zhù)開(kāi)放式數控技術(shù)的出現，數控系統體系具備了自我擴展和自我維護的功能，這得益于各種二次開(kāi)發(fā)手段提供了自由完善和自定義系統軟硬件功能和性能的能力。因此，開(kāi)放數控所特有的二次開(kāi)發(fā)平臺也作為一個(gè)新的組成部分融入了數控系統體系結構中，并在深刻改變著(zhù)傳統數控系統的結構特征和應用方式。
2.2 應用開(kāi)發(fā)系統組成和功能規劃
本文所建立的一體化數控系統應用開(kāi)發(fā)平臺，完成對上面四個(gè)組成環(huán)節的統一管理控制，系統規劃，設計開(kāi)發(fā)和仿真校驗流程，其組成結構如圖1所示。系統組成規劃模塊完成所需數控裝備產(chǎn)品的單元組合，功能規劃和性能規劃;機械結構設計模塊完成對機械執行機構的物理建模，動(dòng)態(tài)性能仿真，實(shí)體造型，結構繪圖和工藝設計;伺服單元控制模塊完成伺服系統的選型，位置控制規劃，速度調節規劃;運動(dòng)規劃控制模塊完成運動(dòng)軌跡規劃，插補算法設計和仿真，控制策略設計和仿真;人機交互管理模塊完成人機交互界面的設計和實(shí)現，數據管理和通訊功能。
整個(gè)應用開(kāi)發(fā)系統的每個(gè)模塊都分為應用和開(kāi)發(fā)兩個(gè)部分：應用部分針對于現有的系統模式和控制方法，從熟悉、使用、理解角度出發(fā)通過(guò)相應的軟硬件技術(shù)手段實(shí)現對現有技術(shù)資源和產(chǎn)品資源的消化吸收;開(kāi)發(fā)部分在應用部分的基礎上，針對應用中發(fā)現的問(wèn)題和產(chǎn)生的創(chuàng )意，對數控系統體系的某些組成環(huán)節進(jìn)行旨在提高其性能和豐富其功能個(gè)性化的二次開(kāi)發(fā)并提供進(jìn)行這種二次擴展的軟硬件技術(shù)支持環(huán)境。
應用開(kāi)發(fā)系統以硬件調試平臺和集成開(kāi)發(fā)軟件兩種形式組合展現，硬件部分主要包括典型特征的機械結構實(shí)體和伺服單元實(shí)體，以及控制器的硬件實(shí)體部分，主要是滿(mǎn)足對硬件組成部分的擴展和對軟件應用開(kāi)發(fā)的效果體現;集成開(kāi)發(fā)軟件是個(gè)基于PC機系統的統一的資源管理配置和開(kāi)發(fā)調試環(huán)境，滿(mǎn)足從系統規劃、控制策略、人機交互和擴展應用等各主要環(huán)節的開(kāi)發(fā)過(guò)程。集成開(kāi)發(fā)軟件由多個(gè)功能單元組成，既包括內嵌的功能單元也包括可與第三方軟件進(jìn)行通訊和數據交換的接口，這使得系統軟件的可以靈活的集成到別的軟件中或將其他優(yōu)秀的組件集成到統一的開(kāi)發(fā)環(huán)境中。系統采用網(wǎng)絡(luò )化分布式的模塊組合形式，使得多個(gè)模塊可以分散地工作在不同的平臺上，而且通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )遠程共享彼此的數據資源和相對集中的同一個(gè)硬件資源。
2.3 應用開(kāi)發(fā)系統構建策略
應用開(kāi)卡系統的構建始終遵循應用與開(kāi)發(fā)緊密結合的原則，按照層次化教學(xué)的思路，從軟件和硬件兩個(gè)方面來(lái)規劃實(shí)現不同規模的應用開(kāi)發(fā)系統。
2.3.1 應用與開(kāi)發(fā)相結合的策略
熟練應用現有的技術(shù)方案是進(jìn)行創(chuàng )新開(kāi)發(fā)擴展的基礎，而個(gè)性化開(kāi)發(fā)擴展也是進(jìn)一步加深對相關(guān)技術(shù)理解使用的有效途徑，二者相輔相成，必須貫穿于整個(gè)數控技術(shù)的教學(xué)過(guò)程中。從應用角度將現有的技術(shù)和資源以可交互的方式體現在統一的軟硬件平臺中，是構建系統時(shí)的一個(gè)核心任務(wù)，為此我們充分采用了多媒體技術(shù)。首先集成了應用準備階段所需的文檔和圖片資源，涵蓋技術(shù)背景、技術(shù)原理、應用例程和產(chǎn)品資源等多方面內容;其次針對于其中涉及的操作實(shí)踐環(huán)節，依托于某些具體的典型產(chǎn)品，建立了一整套操作仿真系統，實(shí)現對真實(shí)系統功能和操作的全真模擬，從技能層次加強對某種技術(shù)資源的深入理解。從開(kāi)發(fā)角度將現有的各種計算機輔助設計制造手段有機集成是實(shí)現各個(gè)環(huán)節開(kāi)發(fā)的有效途徑，開(kāi)發(fā)從仿真階段開(kāi)始，如機械結構的造型和動(dòng)態(tài)評測，伺服單元的調速和位控測試，控制算法的軌跡規劃曲線(xiàn)等;然后再進(jìn)入到實(shí)際的硬件配合調試中，具體驗證執行機構的運行特性;涉及到硬件結構擴展的部分，則需要從電路設計，邏輯測試方面去實(shí)踐。
2.3.2 結構和流程的層次化策略
根據不同的教學(xué)實(shí)驗階段和不同的教學(xué)目標，搭建相適應的應用開(kāi)發(fā)環(huán)境和實(shí)現層次化系統結構是貫穿于應用開(kāi)發(fā)系統功能規劃和模塊組建過(guò)程的重要原則。依賴(lài)于模塊化的構成特征，用戶(hù)可對系統進(jìn)行策略配置改變應用和開(kāi)發(fā)的難易水平、應用范圍和流程順序。如對處于原理性熟悉階段的教學(xué)活動(dòng)只保留系統組成中數控系統體系規劃部分;對處于技能性培訓階段的實(shí)驗活動(dòng)可增加某些典型產(chǎn)品的仿真操作系統;對于控制能力實(shí)踐階段的開(kāi)發(fā)活動(dòng)又可以再增加運動(dòng)規劃控制模塊等一系列逐層擴充功能的應用開(kāi)發(fā)步驟。
2.3.3 軟件和硬件緊密結合策略
以往的教學(xué)活動(dòng)只從上層控制軟件的角度開(kāi)展數控技術(shù)的教授，使得學(xué)生對于具體完成功能的硬件部分結構缺乏足夠的認識。這種不明確造成了很多情況下對一些控制思想和控制算法的理解模糊，因為很多軟件算法的形成都是跟底層硬件特征密切相關(guān)，特別是涉及到多種硬件平臺的時(shí)候，這種相關(guān)性就更加明顯，因此加強對硬件一定程度上的深入理解是機電一體化教學(xué)的必然要求。
應用開(kāi)發(fā)系統采用兩種模式來(lái)實(shí)現這一目標：第一種是硬件仿真模式，即為特定的典型硬件結構建立一個(gè)由軟件虛擬的硬件層。硬件層以硬件電路圖框的形式展現，其輸入輸出口可進(jìn)行交互，以此來(lái)模擬整個(gè)硬件部分工作時(shí)的信號流程，并可像真實(shí)硬件一樣接受軟件算法的代碼控制。第二種是建立模塊化的硬件單元框架，以真實(shí)的硬件模塊封裝后加入到系統結構中，模塊之間采用便于安裝和檢測的接口，以此來(lái)實(shí)踐系統硬件部分的實(shí)際搭建能力。
2.3.4 與實(shí)際產(chǎn)品相結合的策略
對現有的產(chǎn)品資源是消化吸收是進(jìn)行獨立個(gè)性化開(kāi)發(fā)的重要手段，特別是一些技術(shù)成熟度高、技術(shù)資源豐富的產(chǎn)品更是應該廣泛進(jìn)入教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程中，讓市場(chǎng)產(chǎn)品的發(fā)展態(tài)勢來(lái)影響教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)的指向和重點(diǎn)。為此我們充分運用了互聯(lián)網(wǎng)上的豐富資源，將眾多數控技術(shù)廠(chǎng)商的網(wǎng)站集成到應用開(kāi)發(fā)系統的資源模塊中，并制作了可進(jìn)行交互處理的資源向導。另外我們還專(zhuān)門(mén)制作了行業(yè)性專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站——中國機床工具網(wǎng)(www.chinamachinetools.com),該網(wǎng)站已全面運作并積累了豐富的產(chǎn)品資源 。
3、關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現
引導型應用和開(kāi)發(fā)模式 層次化的教學(xué)模式要求應用開(kāi)發(fā)活動(dòng)有一個(gè)可依附的實(shí)踐模板，它體現一種交互式的資源響應機制，對學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)作出引導和評價(jià)，并提供獲取相關(guān)資源的渠道。本系統所建立的引導環(huán)境是一種浮動(dòng)式內嵌幫助平臺，它底層以數據庫的形式作為資源實(shí)體，按照具體應用開(kāi)發(fā)的層次和場(chǎng)合，主要采用交互對話(huà)模式，符號描述模式，精靈向導模式三種手段來(lái)集中或分散地展示資源。交互對話(huà)模式是采用工作步驟預定義的方式，將一些比較成熟的應用開(kāi)發(fā)流程的順序和內容固定下來(lái)，以對話(huà)框的形式體現配置環(huán)境，最后展現出整個(gè)過(guò)程的信息結果。符號描述模式采用自定義編程語(yǔ)言的模式對一些需要驗證的軟件算法和控制流程進(jìn)行規劃，它有別于一般通用的編程語(yǔ)言，只是針對于具體應用場(chǎng)合采用特征描述的方式搜集特定的信息表示，與其所連接的資源數據庫進(jìn)行交互后，給出算法或流程運行的結果和評價(jià)。精靈向導模式是提供一個(gè)實(shí)時(shí)在線(xiàn)的幫助信息窗口，該窗口具備智能化的交互形式，可自動(dòng)根據當前所處的狀態(tài)提供出相關(guān)的引導型幫助信息，并具備自學(xué)習的記憶模式，按照用戶(hù)的應用開(kāi)發(fā)進(jìn)展調整引導的策略。
圖2所示的是針對與控制器部分建立的引導型開(kāi)發(fā)平臺的結構，借助于預先定義的各種信息庫，將使用特殊語(yǔ)言描述的用戶(hù)功能要求轉換成信息庫中特定策略的組合，然后通過(guò)與控制器的微控制核心相匹配的代碼編譯器，將策略描述翻譯并通過(guò)計算機的并口經(jīng)由下載電纜傳送至控制器的仿真開(kāi)發(fā)接口�？刂破鲀炔看嬖谝粋�(gè)與之相對應的仿真開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)存儲區，用于用戶(hù)訂制功能代碼的在線(xiàn)校驗，該存儲區與正常數控程序存儲區相互屏蔽，保證二次開(kāi)發(fā)的安全性，并通過(guò)校驗策略和評價(jià)機制返回二次開(kāi)發(fā)的性能指標。
網(wǎng)絡(luò )化分布式應用體系 網(wǎng)絡(luò )為分布式資源的集中利用提供了有效的共享途徑，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)的交互式通訊機制和監控診斷機制為應用開(kāi)發(fā)系統的遠程教學(xué)活動(dòng)提供了安全可靠的媒介。模塊化組件、開(kāi)放式接口和分布式互連三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現了這種網(wǎng)絡(luò )化的應用開(kāi)發(fā)環(huán)境。其中模塊化組件是基礎，分布式互連是形式，開(kāi)放式接口是連接手段。功能組件的模塊化是基礎，是對特定功能單元的軟硬件進(jìn)行封裝的實(shí)體，具備明確定義的交互形式;分布式互連是個(gè)單元模塊的運行模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )的連接使分散在不同平臺上的軟硬件建立起通訊和一種層次化的控制策略，并采用網(wǎng)絡(luò )激活的技術(shù)方案動(dòng)態(tài)配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中各模塊資源的運行和響應特性;開(kāi)放式接口是各個(gè)模塊之間的連接通道，接口的開(kāi)放特征體現在單一模塊的多接口和分層次接口兩方面：如運動(dòng)控制單元模塊具備伺服電機驅動(dòng)、步進(jìn)電機驅動(dòng)和直線(xiàn)電機驅動(dòng)三種接口，可按需要配置激活或屏蔽;又如運動(dòng)軌跡算法模塊具備表層的速度加速度曲線(xiàn)配置接口，中層的特定曲線(xiàn)軌跡插補算法定義接口和底層的運動(dòng)規劃策略定義接口三個(gè)層次。
圖三展示了一種基于校園局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的應用開(kāi)發(fā)系統工作模式，從事機械設計，伺服規劃和運動(dòng)控制交互的三個(gè)實(shí)驗室內部的每臺計算機上運行著(zhù)不同的模塊單元，并通過(guò)局域網(wǎng)共享數據資源;另一方面三個(gè)實(shí)驗室又通過(guò)校園網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現各教學(xué)環(huán)節的有機聯(lián)系，再加上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，系統的功能便可拓展的遠程監控領(lǐng)域。
結束語(yǔ)
采用模塊化組件技術(shù)建立的開(kāi)放結構模塊化數控系統應用開(kāi)發(fā)系統通過(guò)組建校園局域網(wǎng)的形式在天津大學(xué)機械學(xué)院的數控技術(shù)教學(xué)活動(dòng)中得到了應用，在交互式學(xué)習中取得了很好的效果。
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