導(dǎo)語(yǔ)：藍(lán)牙技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

0.研究背景和目的

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)主體,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī),是科學(xué)技術(shù)的基本載體,是國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn),是國(guó)家安全的重要保證[1]。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)對(duì)制造業(yè)不夠重視,以上對(duì)制造業(yè)地位的確立是我們幾十年血的教訓(xùn)得來(lái)的,已經(jīng)成為制造業(yè)學(xué)科泰斗們和國(guó)家的共識(shí)。當(dāng)前隨著經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)迅速發(fā)展,國(guó)際上產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移步伐加快,國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)更加激烈,這既對(duì)我國(guó)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),也提供了歷史性的發(fā)展際遇。數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的工作母機(jī),是制造業(yè)的基礎(chǔ)和根本。筆者將藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)引入數(shù)控系統(tǒng),并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了有益的探索。

將藍(lán)牙技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)合,可考慮從以下三個(gè)方面提升現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)的性能:

(1)實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員對(duì)數(shù)控機(jī)床的無(wú)線(xiàn)監(jiān)控,方便了用戶(hù)生產(chǎn)和維護(hù)。在生產(chǎn)過(guò)程中用戶(hù)方技術(shù)人員可以通過(guò)便攜的藍(lán)牙監(jiān)控設(shè)備對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和干預(yù)機(jī)床的運(yùn)行。

(2)通過(guò)建立高速無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路提高數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控能力?，F(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)是基于操作者監(jiān)控的系統(tǒng)。當(dāng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工工作時(shí),操作者主要依靠肉眼的觀察和自身的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷機(jī)床的運(yùn)行情況并作出適當(dāng)?shù)母深A(yù),例如停止主軸、系統(tǒng)停機(jī)等。這一過(guò)程是人工的,其最大的缺陷在于實(shí)時(shí)性差,當(dāng)操作者發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí),可能已造成工件的損毀、機(jī)床的破壞等無(wú)法彌補(bǔ)的損失。通過(guò)引入藍(lán)牙技術(shù),在數(shù)控主機(jī)與藍(lán)牙監(jiān)控機(jī)之間建立高速數(shù)據(jù)鏈路,將數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)地傳送給藍(lán)牙監(jiān)控機(jī),由監(jiān)控機(jī)實(shí)時(shí)地、自動(dòng)地監(jiān)控和記錄數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)發(fā)送相應(yīng)的操作命令。

(3)通過(guò)藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)和完整的記錄提高數(shù)控系統(tǒng)的可維護(hù)性。提高機(jī)床的維護(hù)效率,縮短維護(hù)時(shí)間是提高數(shù)控機(jī)床利用率和節(jié)省人力、資金的重要途徑。2003年9月的數(shù)據(jù)表明我國(guó)機(jī)床設(shè)備利用率在20%～30%之間。藍(lán)牙技術(shù)引入數(shù)控系統(tǒng)后,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的完整保存,得以對(duì)故障進(jìn)行再現(xiàn)、和分析,可以大大提高系統(tǒng)的非機(jī)械性故障的維護(hù)效率。

1.藍(lán)牙技術(shù)簡(jiǎn)介

藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)是一種短距無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),其目的是替代數(shù)字設(shè)備和計(jì)算機(jī)外設(shè)間的電纜連線(xiàn)以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)備間的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)。1998年愛(ài)立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾成立了藍(lán)牙特殊利益小組(SIG),負(fù)責(zé)制定藍(lán)牙規(guī)范。

藍(lán)牙規(guī)范規(guī)定了藍(lán)牙應(yīng)用產(chǎn)品應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)和需要達(dá)到的要求。到目前為止,SIG已經(jīng)頒布的藍(lán)牙規(guī)范有110、110B、111三個(gè)版本,目前最新的111版本于2001年4月公布。藍(lán)牙規(guī)范由兩部分組成:藍(lán)牙核心協(xié)議、藍(lán)牙應(yīng)用框架。

藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品體積小、功耗低,可以方便地集成到幾乎任何數(shù)字設(shè)備中。使用的產(chǎn)品包括手機(jī)、PDA、筆記本電腦、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用大體上可以劃分為替代線(xiàn)纜(CableRe2placement)、因特網(wǎng)橋(InternetBridge)和臨時(shí)組網(wǎng)(AdHocNetwork)3個(gè)領(lǐng)域。

2.技術(shù)路線(xiàn)分析

藍(lán)牙技術(shù)是現(xiàn)今技術(shù)最復(fù)雜的一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)的復(fù)雜性并不體現(xiàn)在它的硬件上而是體現(xiàn)在其協(xié)議本身的龐大和兼容性上。要實(shí)現(xiàn)以藍(lán)牙為數(shù)據(jù)鏈路的應(yīng)用,技術(shù)路線(xiàn)的探索和確定是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

根椐數(shù)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)平臺(tái)為WindowsNT操作系統(tǒng)。研究的總體目標(biāo)是“以藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為傳輸載體,實(shí)現(xiàn)數(shù)控主機(jī)與外圍PC和便攜設(shè)備的互連,完成數(shù)據(jù)在數(shù)控主機(jī)與外圍PC及便攜設(shè)備的互傳,以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和高效率維護(hù)?！痹诳傮w目標(biāo)確定的情況下,在組織研究的基礎(chǔ)上確定了以下三種技術(shù)路線(xiàn):

(1)獨(dú)立開(kāi)發(fā)藍(lán)牙的HCI層以下協(xié)議棧以及上層獨(dú)立的通信協(xié)議,在此基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)控制和收發(fā)模塊的開(kāi)發(fā)工作,實(shí)施對(duì)接后完成整個(gè)開(kāi)發(fā)工作。這一方法無(wú)疑是最具吸引力的一種方法。其優(yōu)點(diǎn)有:

①可以獨(dú)立掌握藍(lán)牙的核心技術(shù);

②藍(lán)牙的所有指令可以在控制模塊中直接得以執(zhí)行,我們可以直接控制藍(lán)牙設(shè)備的工作狀態(tài)、設(shè)備連接、通信速率和通信時(shí)機(jī);

③減少HCI層以上的協(xié)議層,加快程序執(zhí)行速度。

這種方法所需的工作量極大,藍(lán)牙設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序、HCI層以下協(xié)議棧和HCI上層控制模塊在短時(shí)間內(nèi)獨(dú)立完成。

(2)利用第三方提供的藍(lán)牙開(kāi)發(fā)平臺(tái),開(kāi)發(fā)出所需的通信模塊。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)難度低,但需購(gòu)買(mǎi)藍(lán)牙開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

(3)利用藍(lán)牙市場(chǎng)上成熟的藍(lán)牙設(shè)備,以藍(lán)牙的RFCOMM上層協(xié)議棧為平臺(tái),開(kāi)發(fā)藍(lán)牙通信模塊。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是投資少、開(kāi)發(fā)相對(duì)容易。

我們對(duì)第一種方法和第三種方法都做了研究,在綜合考慮后最終采用第三種技術(shù)路線(xiàn)開(kāi)發(fā)成功,其通信模型如圖2。

3.系統(tǒng)設(shè)備選型及網(wǎng)絡(luò)組織

3.1藍(lán)牙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)藍(lán)牙支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信,最基本的網(wǎng)絡(luò)組成是微微網(wǎng)。微微網(wǎng)由主設(shè)備單元和從設(shè)備單元兩種設(shè)備單元構(gòu)成。主設(shè)備單元負(fù)責(zé)提供時(shí)鐘同步信號(hào)和調(diào)頻序列。而從設(shè)備單元一般是受控同步的設(shè)備單元,并接受主設(shè)備單元的控制。在同一微微網(wǎng)中,所有設(shè)備單元均采用同一調(diào)頻序列。每個(gè)從設(shè)備單元的起始頻率和占用信道由主設(shè)備單元控制。一個(gè)微微網(wǎng)中,一般只有一個(gè)主設(shè)備單元,而從設(shè)備單元目前最多可以有7個(gè)。不同的微微網(wǎng)之間可以互相連接。

設(shè)備選型要想實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)控系統(tǒng)和藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng)上必須有相應(yīng)的藍(lán)牙硬件。設(shè)備選型涉及到數(shù)控系統(tǒng)和藍(lán)牙設(shè)備軟硬件,整個(gè)系統(tǒng)必須能夠緊密配合,否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能要求。系統(tǒng)的設(shè)備選型決定了整個(gè)系統(tǒng)的硬件成本、開(kāi)發(fā)平臺(tái)、軟件開(kāi)發(fā)難度、開(kāi)發(fā)周期等一系列問(wèn)題,是一個(gè)系統(tǒng)工程,關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的研發(fā)成敗。設(shè)備選型主要集中在數(shù)控系統(tǒng)本身藍(lán)牙設(shè)備的選型和藍(lán)牙監(jiān)控設(shè)備的選型上。

在數(shù)控系統(tǒng)本身的設(shè)備選型上,我們采用了IPC+藍(lán)牙USBDongle的硬件組合,它具有以下優(yōu)點(diǎn):

•系統(tǒng)的成本低。IPC和藍(lán)牙USBDongle都是成熟的工業(yè)產(chǎn)品,銷(xiāo)售渠道多采購(gòu)方便,采購(gòu)成本低。

•便于開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇和統(tǒng)一。IPC嚴(yán)格符合業(yè)界的各種PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn),PC機(jī)的操作系統(tǒng)和豐富的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)都可以使用。藍(lán)牙USBDongle符合藍(lán)牙1.1技術(shù)規(guī)范,藍(lán)牙豐富的上層協(xié)議為我們實(shí)施開(kāi)發(fā)提供了豐富的協(xié)議接口。

•藍(lán)牙USBDongle與數(shù)控IPC是獨(dú)立的硬件,大大增加了硬件的靈活性,避免了硬件的獨(dú)特性給采購(gòu)帶來(lái)的麻煩。

藍(lán)牙的固定監(jiān)控主機(jī)基本與數(shù)控系統(tǒng)本身的相同,可以采用IPC+藍(lán)牙USBDongle或筆記本PC+藍(lán)牙USBDongle的組合。

基于以下幾點(diǎn),藍(lán)牙移動(dòng)監(jiān)控設(shè)備采用了HPiPAQPocketPCh5450PDA:

•簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇和開(kāi)發(fā)。該P(yáng)DA采用MS的PocketPC210(即WindowsCE310)操作系統(tǒng),該系統(tǒng)支持主流的X86系列微機(jī)在WindowsNT下軟件的嵌入式版本,軟件資源豐富。因此軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)可選擇免費(fèi)eVC或eVB,而避免了其它主流嵌入式操作系統(tǒng)如PalmOS和Linix所帶來(lái)的軟件資源不夠豐富,節(jié)省了昂貴的開(kāi)發(fā)平臺(tái)采購(gòu)費(fèi)用。

•該P(yáng)DA集成了符合藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范111標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙模塊,避免了PDA上藍(lán)牙設(shè)備的開(kāi)發(fā)和選型問(wèn)題。

•HPiPAQPocketPCh5400PDA采用了ARM體系結(jié)構(gòu)的IntelmPXA250應(yīng)用處理器,它的主頻為400MHz。該系統(tǒng)功耗低、性能高,能夠滿(mǎn)足藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng)要求的系統(tǒng)運(yùn)行速度。

•HPiPAQPocketPCh5400PDA的系統(tǒng)操作界面與主流的Windows操作系統(tǒng)的界面布置和使用方法相似,界面友好、便于操作。便于使用人員的培訓(xùn)和使用。

整個(gè)硬件系統(tǒng)的硬件組織和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

4.系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模型及功能

軟件結(jié)構(gòu)模式是指軟件的組織管理方式,即系統(tǒng)任務(wù)的劃分方式、任務(wù)的調(diào)度機(jī)制、任務(wù)間的信息交換機(jī)制以及系統(tǒng)的集成方法等。研究結(jié)構(gòu)模式是為了解決CNC系統(tǒng)軟件集成的問(wèn)題,也是開(kāi)發(fā)新系統(tǒng)首先要解決的問(wèn)題,是決定數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成敗和性能高低的第一要素。系統(tǒng)的整體軟件結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖5。

數(shù)控系統(tǒng)是基于WindowsNT的全軟件型數(shù)控系統(tǒng),軟件構(gòu)架采用“線(xiàn)形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”,這種軟件結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)模塊化程度高、開(kāi)發(fā)維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控系統(tǒng)與藍(lán)牙結(jié)合并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控的首先要解決的問(wèn)題是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)采集。通過(guò)將藍(lán)牙數(shù)控模塊嵌入數(shù)控全軟件數(shù)控系統(tǒng)的位控、速控模塊,問(wèn)題就得到了很好的解決。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,藍(lán)牙收發(fā)模塊將位控模塊采集的數(shù)控機(jī)床的各傳感器的信息和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)狀態(tài)實(shí)時(shí)地發(fā)送到藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng)的藍(lán)牙數(shù)據(jù)收發(fā)模塊,藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng)的藍(lán)牙數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)分別送入實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控模塊,實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控模塊對(duì)運(yùn)行的狀態(tài)信息按一定的監(jiān)控算法進(jìn)行分析檢查,如發(fā)現(xiàn)有異常則發(fā)送指令回CNC部分完成對(duì)機(jī)床的控制,實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)將系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)存入狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí),故障自動(dòng)檢測(cè)模塊調(diào)用系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的機(jī)床實(shí)體三維信息和被加工工件的三維實(shí)體信息結(jié)合機(jī)床的實(shí)時(shí)加工狀態(tài)信息檢測(cè)可能發(fā)生的故障,并實(shí)施自動(dòng)干預(yù)措施。人工干預(yù)模塊是一個(gè)人工干預(yù)命令集合,在加工過(guò)程中技術(shù)人員可通過(guò)該模塊人工發(fā)送指令,控制機(jī)床的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)修改加工參數(shù)。故障回放模塊是一種事后處理系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)和藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng)之間的工作是相互獨(dú)立地實(shí)時(shí)并行工作,因此無(wú)論CNC部分發(fā)生怎樣嚴(yán)重的故障,并行部分都能完整的記錄系統(tǒng)的狀態(tài)信息。故障回放和故障仿真模塊調(diào)用系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息,完成其對(duì)機(jī)床故障的重現(xiàn),幫助技術(shù)人員排除故障、積累避免故障的經(jīng)驗(yàn)。

5.實(shí)現(xiàn)及結(jié)論

選擇++Builder610作為數(shù)控系統(tǒng)本體及數(shù)控系統(tǒng)中藍(lán)牙收發(fā)模塊和固定機(jī)藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái);采用eVB310作為藍(lán)牙移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái),并完成了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。數(shù)控系統(tǒng)和藍(lán)牙監(jiān)控設(shè)備之間的藍(lán)牙數(shù)據(jù)鏈可以隨時(shí)建立和中斷,完全由用戶(hù)掌握和控制。其中數(shù)控系統(tǒng)界面和藍(lán)牙固定機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面分別見(jiàn)圖6、圖7。

藍(lán)牙技術(shù)作為一種新興無(wú)線(xiàn)通信其可以應(yīng)用的領(lǐng)域很多,我們首先將其應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域,并取得了良好的效果,為拓展數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)思路、增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)功能作出了有益的嘗試。