可重构机床控制的模块化设计研究.pdf

、I lI8 似 可重构机床控制的模块化设计研究 Res ear ch on m odul ar desi gn m et hod f or con t r oI of r econfigur abl e m achi ne t ool s 杨志帮，陈德林 Y ANG Zh i ． b a n g ．CHEN De - l i n 开封大学 机械与汽车工程学院，开封 4 7 5 1 0 0 摘 要可重构制造系统的基础是系统设计方法学，可重配置机床不仅仅是特殊工况下的可重配置， 还是一种基于可重构原理的概念性机床。为了使控制与机械部分同步，本文研究了一种可重 构机床控制器模块化设计方法。这种方法的原理是将每个独立控制模块都简化为一一对应的 有限状态机与事件集合。不仅仅实现了机械模块的可重配置 ， 控制模块通过端口语言同步实 现可重配置 ，实现控制模块与机械模块同步可重构。通过基于离散事件系统有限状念机的研 究 ，给出了定义、方法及原理，最终证明了设计方案的可实施和正确性。 关键词 可重构机床；可重构性 ；模块化设计；控制模块 中国分类号 T G6 5 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 0 5 下 -0 1 4 9 -0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． o 5 下 ． 4 3 0 引言 目前 ，全球 化带来 了激烈的市场竞争 ，客户 对于产品的要求也越 来越趋 向于定制化 ，造成厂 家必 须缩短 产品制造 周期 ，米适应市场的变化 。 如何 能否快速 响应 ，并且具有 良好 的经济性是 目 前制造 业亟待解决 的一个 问题 。显然 ，如果还使 用传 统的流水线生产模式不能快速 响应 ，近年来 快速 发展 的柔性制造 系统虽然在一定程度可以适 应不 同的生产模式 ，但其快速改造能力差 。基于 此 ，可重构制造 系统应运而生 ，通过合理的配置 机床模块 ，可 以快速重组 ，实时更新 ，很好的响 应新的市场需求u 。 由于机 床 的配 置 模块 本 身不 能 及 时更 新换 代 ，因此现有的机 床不能满足快 速增 长的需求 ， 需要具有可重构能力的机床来实现机床功能 的可 重构属性和定制化要求。 1 国内外研究概况 可重构机床的概念最早在1 9 9 6 年 由美 国密歇 根大学可重构制造工程研究中心提 出，它是一个 复杂的系统工程 ，伴随着机床模块化技术 的发展 和控制器技术的 日臻成熟，可重 构机床研究也取 得 了长足的进步和丰硕的成果。 可重构机床不仅仅是机械结构 的可重配置 ， 而且 还必须做到控制器也具有可重配置和模块化 的能 力，覆盖软硬件两部分 内容 。 目前 ，相关研 究有软件建模 、模块化逻辑控制器 、开放式 体系 结构控制器等 。 位于美国密歇根州的E R C I R MS C E NT E R正在 研 究一种非开放式结构控制器，它采用的编程语 言为C ，包括人机交互界面 、仿真工具和配置工 具三部分组成 。开放式体系结构控制器可 以在机 械模块可重配置的时候同时实现可重构 。 B． B i r l a 提 出运用软件建模的方法来可重配置 机床控制器 ，该方法有四个主要的应用领域 1 单 向精确定位运动控制 ；2 单向精确定位运动静 态模型 构建 ；3 单向精确 定位运动动 态模 型构 建；4 多向多 自由度运动控制 。 E ． T． E n s l e w等通过采用逻辑模型模拟可重配置 生产流程 ，来选择最优参数 ，评价和检验可重配 置生产系统 ，以控制输入，保证并稳定输 出。 RF ． Wa l i t a 和P D． Kh a r g o n e k a r 提 出了一种 可 以详细表达分析 系统 的分层结构框架 ，以便在不 同层次 上协 调 集成 控制 器 。这种 方法 不仅 面 向 对象 ，而且模块化 ，该 方法借 鉴了Z a c a r d 提 出的 T C F T i me d C o n v e r s i o n F o r me r s 方法实现模型 构建 ，并应用了Ro b e r t 和R a l f 提 出的T T T B T r u e T i me T i me d B o r d e r 理论和工具。 S ． Ga r k ， D． M． T i l b u y r 和P DKh a t g o n e k a r 在汽 车 行业领域 ，根据生产节拍开发 了一种模块化控制 器 ，可 以进 行 基础 的功 能分 析 ，并能够 模拟 工 况，算 出不同时期不同状态下的产量。 收稿日期2 0 1 3 - 0 3 -1 9 作者简介杨志帮 1 9 7 3一，男，安徽阜阳人，讲师，硕士研究生，研究方向为机械制造 自动化。 第3 5 卷第5 期2 0 1 3 0 5 下 [ 1 4 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参l 訇 化 2 离散事件系统定义及其组成 本文首先介绍离散事件 系统 定义及其组成 ， 之后再详细开展可重构机床模块化控制器设计方 法研 究 。 离散事件系统是非静 态系统 ，它通过突然发 生的独立事件的形 式来描述 。在本文中。离散事 件 系统的主要表现 有两个方面 ，分别是语言和有 限状态机 。这 两种手段各有优缺点，前者执行起 来较为困难，但是非常容易 ，后者实施简单但是 原理和逻辑 非常繁 杂，存在嵌 套和迭代 。本文采 用的方法是通过有限状态机来进行模型构建。 2 ． 1 语言 如上所述 ，语言的表达方式 简单容易 ，主要 应用在离散事件 系统 ，其基础是字符串，体现事 件发生可能性的序列排列即概率大小的排列。 字符串 s t r i n g ，S 表示按照概率大小进行 的一组排列 。 e 代表 的是空行 ，即事件发生 的概 率为0 。对于随机 发生的两个事件S 和S ，S 表示 字符串S 中的时间因为S 发生而发生的概率。 语 言 La n g u a g e ，L 表 示所 有 可能 发 生事 件 的序列 集 合 。若 事件 集合 定位为 ∑，且 e∈∑，则对于任意两个语言L l ，L 均 ∈∑ 映射L 在 ∑’上的映射表示为f Y , ’ L ， 有如下定义 f ∑ ， L I I f ￡ ， s S ∈L 1 2 ． 2 有限状态机 有限状态机作为另一种表达 方式，具有操作 容易，简介直观的优点，故使用频率很高。如图1 所示 ，有限状态机 的表示方法较为特殊，主要通 过关键节点和箭头来表示流程的流转和转移 ，与 流程图非常类似 ，学名叫做状态图 。其 中，圆圈 状 的节点用来代表当下 的实时情况 ，箭头用来代 表流转方向。 e f 图1 有限状态机流程流转示意图 有限状态机 F S M其数 学特征表现为一个 五元函数组 ∑F S M Q，E， S ， q 0 ， F 2 其 中各参数含义为 Q定义为状态集合 ，∑定 [ 1 5 0 1 第3 5 卷第5 期2 0 1 3 0 5 下 义为事件 集合 ， 6定义 为转移 函数 ，q 0 定义为初 始态，F 定义为终止态集合。 最重要的是通过标记来表述任务循环往复的 状态，避免 出现死循环 ，转移函数 6参数表如表l 所示 。这里 的 6通常表达一种字符 串到状态集合 的递归映射关系。 表1 有限状态机状态转移函数 6 参数表 a b C d e f q 0 q 0 q 1 q 1 q 1 q 2 q 2 q 2 q 1 3 可重配置机床模块化控 制器 系统 设计 利用前面所提到的设计和计算方法 ，可 以实 现 可重构机床控制器的模块化和可充配置化 。如 图2 所 示为一个典型 可重配置机床 ，该机 床机械 模块组成部分有机床床身 ，回转台，立柱 ，怀 胎 ，动力刀头等，要进行控制器模块化可重配置 需进行一下三个方面的改造 1 设计控制器整体 系统 结构 ；2 定义 各控制模块之 问的信息流 ； 3 构造控制模块的有限状态机。 ‰ a 初始配置 图2 需 改进控制 系统的可重构机床 3 ． 1模块化控制器整体结构概要设计 由于本文主要依托于离散事件 系统来开展 ， 所 以逻辑控制是重中之重 ，通过逻辑控制来进行 排列组合 ，完成可重构机各个机械模块的拆分重 组 。为 了实现点对 点的实时精确控制 ，我们 队每 一 个机械模块都开发了对应的机械控制模块 ，如 图3 所示。 1 用户结构控制模块 此模块通过面板上的按钮实现人机 交互 ，完 成整体 系统 的 启动 ，关 闭，转换 刀头 等加 工功 能 。通过传递用户指令完成控制达成并实时显示 当前状态 。该模块的关键是图3 中的端 口A，它是 信息通讯的桥梁。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 匐 出 图3 可重构机床控制器的整体结构 2 模式转换控制器模块 此模 块 由手动和 自动两个模块构成 。手动模 式下 ，通过人工输入微调指令实现精确控制刀头 的进给 以及各加工参数 。自动模式下 ，机床按照 NC 代码顺序加工 ，避免重复加工，精确有效。两 种模式之间的转换通过转换开关来控制。 此模块一共有4 个端 口，分别是端口A、B、C、 G，A代表控制协调用户接口，B 代表 自动选择合适 准确的加工模式，c 代表人机互动完成NC 代码的编 制，G代表控制协调机床各个机械模块功能互联。 3 机床协调器模块 机床 协调器的功能主要用来实现命令分解和 命令 冲突调 整。命令分解主要用于分解上游控制 器发送 的指令细化传递到各个子控制模块 ；命令 冲突调 整主要用来避免发生非法指令的 出现和碰 撞干涉的可能 。此模块一共有5 个端 口，分别是端 口C、D1 、D2 、D3 、E，分 别用于模式转换控制 器控制 、机械运动部件的移动、动力刀头组件的 进给等功能实现 。 3 ． 2 控制模块信息流构建 在上述控制器 中，模 式转换控制 器的端 口起 到 了最关键的最用 。正是通过 它才实现 了主模块 与子模块之 间的相互控制 、传递和调用 ，实现 系 统高效稳定简洁的运行 。如图4 所示为模式转换控 制器端 口G的有限状态机示意，通过箭头的指向代 表了状态之 间的转移流转 ，表2 所示为模式转换控 制器端 口G有限状态机的参数状态 ，表3 所示为其 逻辑上事件状态，表4 所示为其逻辑转移函数。 图4 有限状态机在模式转换控制器端 IZ l G中的示意 表2 参数状态在模式转换控制器端口G 中的示意 状态标识 q 0 q 1 q 2 状态名 空闲 首命令 附加命 令 表3 事件状态在模式转换控制器端13G中的示意 事件标识 事件 自动 、连续循环 、循环 、切削 、进给 、手动 、终 循环 、最后一步 、移动 、下一步 、离开 、接近 、重 a 新定位、复位、单步、停止、x ，x一 ，Y ，Y一 ， Z ，Z 一 b { 终循环 、最 后一步 、单步 C 停 止 d 冲突、完成、始循环 、第一步 、出错 、错误模式 e 终循环 、最后一步 、单步 f 停止 、错误模式 g 冲突、完成、出错 、始循环 、第一步 表4 转移函数模式转换控制器端口G中的示意 a b C d e f g q O q 0 q 1 q 2 q1 q O q 2 q O q 2 q1 3 ．3控制模块有限状态机构建 通过上 面的阐述 ，可 以看 出不需要复杂重复 的设计定义工作 ，最终有且仅需要进行一次设计 定义 ，之后每一个控制模块 ，每一个控制器接 口 即可 完成任意可重配置装配需求，同时其相对应 相关联 的控制模块会随着直接可重配置成全新的 控制器。图5 所示即为可重配置机床动力刀头控制 器模块的有限状态机模型，表4 所示为可重配置机 床动力刀头控制器模块的状态实时动态，表6 所示 为可重配 置机 床动 力刀头控制器模块的端 口实时 动态，表7 所示为可重配置机床动力刀头控制器模 块的状态跃迁参数 。 图5 有限状态机在动力头控制器模块的示意 【 下转第1 5 6 页】 第3 5 卷第5 期2 0 1 3 0 5 下 [ 1 5 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 应 用S P S S 和MAT L AB 工 具软件进行辅助计算 ， 试 验 结果 一致表 明 电路设计 实现 了预 期 目标 ， 前 后仿 真 结果吻 合 ，并 且其 优势 明 显 功 耗低 0 ． 9 mw，采样 频率低 2 5 MHz ，面 积小 0 ． 0 0 1 8 l I l r n 。 在未来的工作中，可以进一步着眼于功耗和速 率的优化 ，这其中还有很大的潜力可以挖掘，所 以 在未来的研究里还需要更加深入的开展相关工作。 参考文献 【 l 】邹强． V L S I 设计方法实施【 M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 2 】L ． J a me s ， B l u e a n d L ， Qu a k e ． L o w p o we r d e a d l i n e f o r wi f f a nd web uni t ．I EEE J a r nal of M a nuf ac t ur i ng C i r c u i t s ． 2 0 0 7 ， 3 0 0 1 1 4 1 0 1 4 3 0 ． [ 3 】J e r r y MJ ．S t a b i l i t y a n a l y s i s o f a c o mp l i a n t mo d u l a t o r ． I EEE Tr a ns a c t i o n on El e c t r o c i r c u i t 1 2． 1 9 98 ． 21 231 240 ． [ 4 ]曲静 婷 ， 阳春 鸾 ． 高性 能 比较 器 失调 补 偿设 计 ． 南 开大 学． 2 0 0 5 1 0 2 1 ． [ 5 ]熊永力． A ／ D转换器设计技巧． 浙江大学， 2 0 0 8 年P 5 1 0 ． 【 6 】S o n y E． Ma r y Ca s l o n ， Ro b o t ． CMOS a n a l y s e s a n d De s i g n ． HARVARD UNI VERSI TY AS 1 0N． 0CT． 1 99 5． 3 59 36 6． [ 7 】葛 明辉． 高精 密结构模 数转换 器设计 ． 北京 科技大 学． 2 0 01 2 1 2 7 ． 蠡‘ 毛‘ 生‘ 岛‘ j童‘ 曼● 盘‘ 童‘ 出‘ 如‘ j蠡‘ 蠢‘ 矗‘ 岛I 出I 蠡‘ 蠡‘ 矗‘ 蠡‘ 童‘ 蠡‘ {盘I 童‘ 岛I 【 上接第1 5 1 页 】 表5 状态实时动态在动力头控制器模块的示意 状态标识 状态名 q 0 主轴空转 q 1 主轴沿轴线进给 q 2 主轴后退 q 3 主轴旋转 表6 端口实时动态在动力头控制器模块的示意 事件标识 事件 { Ms E 接近／ Ms F 接近、Ms E 完成 、Ms E 离开／ M 离开、 a M 完成 ，M 停止／ M 停止 、M 完成 b Ms E 进给／ Ms F 进给 C { Ms 后退／ M F 后退 、M 复位／ M 后退 d { M 切n U ,M 接近 、M。 进给 e { Ms E 停／ Ms F 停止、Ms E 完成 、Ms 进给／ M 完成 f { M 停止， M 停止、M 完成、M 后退／ M 完成 g Ms F 进给／ Ms F 使后退 h Ms 进给／ Ms 使后退 表7 状态跃迁参数动力头控制器模块的示意 a b C d e f g h qO q O ql q 2 q 3 q l q O q 2 q 0 q 3 qO q 2 [ 1 5 6 1 第3 5 卷第5 期2 0 1 3 0 5 下 4 结论 本文通过运用离散 时间系统来构建可重构机 床的控制器模块，并主要使用有限状态机来完成 层次设计和系统搭建 ，实现了机械模块和控制模 块的一一对 应。因此 ，不管机械模块如何可重配 置 ，相对应 的控制模块都可 以在模型的 自动转换 下实现可重构 ，并且 只要一次可重配置证 明了准 确性，其它情况无需再次检验 ，在提高准确性的 同时大幅提高 了效率，从根本意义上实现 了机床 的可重构。 参考文献 【 l 】 Mc h mb i ． M ． I C． ， Ul s oy ． BG． Y J e r r y ．Re c o n f u r a b l e M anuf act ur i ng I ndus t r yThe I m por t ant Fut ur e M an uf a c t u r i n g． J ou r na l of i nt e l l e c t i v e M an u f a c t ur i ng ， 20 01 ． 2 0 4 0 4 4 1 9 ． [ 2 ] Ro b e r t Cl a u s e ． Re c o n f i g u r a b l e Ma c h i n e To o l s A Ne w e n s a mp l e i n M a c hi ne Tool s ． 2 008 Th a i l a nd UK co l l oq ui a o n Re c o n fi g u r a b l e Au t o ma t i o n ． 1 0 2 3 2 6 0 ． 【 3 】 P h i l i p E． Al l e n ，Do u g l a s R． No r ma l Affi r m f o r An a l y s i s W hi c h M a kes Re c on figu r a bl e Con t r o l l e r s ．Tr a ns a c t i o n o f t he J a pa n Con tro l Co nf e r e n c e ．To ky o， Fe b． 2 0 05． 3 29 3 3 6． [ 4 】Ke l l y Cl a r k s o n ． E x o t e r i c A r c h i t e c t o n i c s Co n t r o l l e r s De v e l o p me n t ． T r ans a c t i o n o f t h e CI RP ， 2 0 1 1 3 3 4 ． 【 5 ]葛明辉， 邹琼． 基于功能构件的机械产品可重构建模⋯． 机械设 计研 究， 2 0 0 9 4 2 4 2 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m