基于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的新型數控系統

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)域的廣泛應用，必將對制造業(yè)產(chǎn)生深刻的影響，并為數字化制造帶來(lái)重大的機遇和挑戰。

　　在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的數字化制造不僅僅取決于企業(yè)上層管理和設計的數字化和信息化，也取決于車(chē)間底層的數字化和信息化。我們提出一種基于移動(dòng)通信技術(shù)的人機協(xié)同的新型數字化制造模式，它把無(wú)線(xiàn)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“機器智能”的分布式人機協(xié)同工作模式。車(chē)間數字助理（Shop Floor PDA）和新型數控系統構成了這種新型制造模式的兩個(gè)核心環(huán)節，本文只討論后者。

　　采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的新型開(kāi)放式數控系統

　　采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的新型開(kāi)放式數控系統由兩部分構成：一部分是可移動(dòng)的掌上控制器，即數控PDA;另一部分則安裝于機床上，完成傳統的運動(dòng)控制和PLC功能，稱(chēng)為嵌入式機床控制器。兩部分之間通過(guò)Wi- Fi（802.11）或藍牙（Bluetooth）接口實(shí)現移動(dòng)通信，其結構框圖如圖1 所示。在這種模式下，現今數控系統中的很大一部分功能將被轉移到數控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 工作站或臺式電腦上下載巨型加工程序）、機床調整、加工數據和機床狀態(tài)的采集以及和車(chē)間管理/調度服務(wù)器通信等。而機床控制器則主要執行實(shí)時(shí)運動(dòng)控制和 PLC 功能。這種新型數控是真正的嵌入式系統，能大大降低數控系統的體積和成本。同時(shí)，通過(guò)數控PDA 也徹底改變了數控機床的操作模式，把以機器為中心改變?yōu)橐匀藶橹行?。操作者無(wú)論在位置上還是在姿勢上都不再被機床所束縛。操作更方便，更舒適，也容易實(shí)現一人多機操作。

　　由于這種專(zhuān)業(yè)化的數控PDA可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)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，因而極大的增強了數控系統的功能。同時(shí)，因為數控PDA 是一個(gè)通用的數控裝置，可以顯示多種機床的操作界面，控制不同的數控機床。由此，一個(gè)手握數控PDA的操作者和若干臺數控機床就能構成一個(gè)人機協(xié)同的加工單元。這種在數字技術(shù)支持下的以人為中心的加工單元，較之傳統的柔性加工單元更加靈活、更加可靠。此外，數控PDA 還具有本地數據庫管理功能，因而能用于組建車(chē)間網(wǎng)絡(luò )化制造的分布式數據庫，使之成為分布式體系結構中實(shí)時(shí)獲取現場(chǎng)數據的基礎結點(diǎn)。

　　1.1 數控PDA 的硬件結構

　　基于IEEE802.11 下的數控PDA 的硬件體系結構主要由32 位嵌入式微處理器、高速內存、FLSH電子盤(pán)、無(wú)線(xiàn)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）。在硬件設計上采用Intel公司Strong ARM SA — 1100 32 位RISC 微處理器，它以ARM 公司的SA — 1 內核作為其系統內核，時(shí)鐘頻率高達206MHz，可以為數控PDA 提供強大的處理能力。在通信方面，數控PDA 提供了USB接口、串行接口和無(wú)線(xiàn)通信模塊。通過(guò)這些接口可以方便地與上級服務(wù)器或嵌入式機床控制器進(jìn)行數據通信。無(wú)線(xiàn)模塊采用Airgo公司的支持 IEEE802.11a/b/g 3 種無(wú)線(xiàn)LAN標準的收發(fā)器芯片組。該芯片組可同時(shí)支持2.4GHz 和5GHz 頻帶下的OFDM（正交頻分多路復用）變頻方式。除了IEEE802.11a/b，還可支持最近作為標準剛剛獲得通過(guò)的IEEE802.11g。

　　IEEE802.11g是利用2.4GHz頻帶來(lái)實(shí)現最大數據傳輸速度54Mbit/ 秒的無(wú)線(xiàn)LAN 規格。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(xiàn)LAN 方式?；鶐酒瑤в蠭EEE802.11 的MAC功能和PHY功能，并進(jìn)行MIMO信號處理。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,數控PDA的主設備是由微處理器和IEEE802.11芯片組構成。IEEE802.11芯片組接受來(lái)自主機的控制指令，經(jīng)過(guò)基帶控制器的處理后命令無(wú)線(xiàn)收發(fā)器發(fā)出2.4-5.0GHz 帶寬的無(wú)線(xiàn)電波。IEEE802.11 芯片組和主機的連接可以通過(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)議由主機負責處理，下層的通信協(xié)議則由芯片組內的基帶層芯片與無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片負責。數控PDA 可與嵌入式機床控制器802.11無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡進(jìn)行數據傳輸和對數控機床進(jìn)行控制。

　　由于把主要的系統管理功能、人機交互和數控編程等轉移給了數控PDA，因而新型數控的機床控制部分比傳統的數控設備簡(jiǎn)化了許多，近似于一個(gè)運動(dòng)控制器和PLC。其硬軟件配置主要滿(mǎn)足伺服系統實(shí)時(shí)控制和機床I/O 功能的要求，但它必須增加無(wú)線(xiàn)通信的功能模塊。在硬件上，采用基于104總線(xiàn)的嵌入式工控PC機的體系結構。這種體系結構不僅能完全滿(mǎn)足上述要求，而且具有體積小、結構緊湊、堅固可靠和成本低等特點(diǎn)，不失為一種較理想的選擇。