可重構機床控制的模塊化設計研究

楊志幫，陳德林

（開封大學 機械與汽車工程學院，開封 475100）

0 引言

目前，全球化帶來了激烈的市場競爭，客戶對于產品的要求也越來越趨向于定制化，造成廠家必須縮短產品制造周期，米適應市場的變化。如何能否快速響應，并且具有良好的經濟性是目前制造業(yè)亟待解決的一個問題。顯然，如果還使用傳統(tǒng)的流水線生產模式不能快速響應，近年來快速發(fā)展的柔性制造系統(tǒng)雖然在一定程度可以適應不同的生產模式，但其快速改造能力差。基于此，可重構制造系統(tǒng)應運而生，通過合理的配置機床模塊，可以快速重組，實時更新，很好的響應新的市場需求[1～3]。

由于機床的配置模塊本身不能及時更新?lián)Q代，因此現(xiàn)有的機床不能滿足快速增長的需求，需要具有可重構能力的機床來實現(xiàn)機床功能的可重構屬性和定制化要求。

1 國內外研究概況

可重構機床的概念最早在1996年由美國密歇根大學可重構制造工程研究中心提出，它是一個復雜的系統(tǒng)工程，伴隨著機床模塊化技術的發(fā)展和控制器技術的日臻成熟，可重構機床研究也取得了長足的進步和豐碩的成果。

可重構機床不僅僅是機械結構的可重配置，而且還必須做到控制器也具有可重配置和模塊化的能力，覆蓋軟硬件兩部分內容。目前，相關研究有軟件建模、模塊化邏輯控制器、開放式體系結構控制器等[4,5]。

位于美國密歇根州的ERCIRMS CENTER正在研究一種非開放式結構控制器，它采用的編程語言為C++，包括人機交互界面、仿真工具和配置工具三部分組成。開放式體系結構控制器可以在機械模塊可重配置的時候同時實現(xiàn)可重構。

B.Birla提出運用軟件建模的方法來可重配置機床控制器，該方法有四個主要的應用領域：1）單向精確定位運動控制；2）單向精確定位運動靜態(tài)模型構建；3）單向精確定位運動動態(tài)模型構建；4）多向多自由度運動控制。

E.T.Enslew等通過采用邏輯模型模擬可重配置生產流程，來選擇最優(yōu)參數(shù)，評價和檢驗可重配置生產系統(tǒng)，以控制輸入，保證并穩(wěn)定輸出。

RF.Walita和P D.Khargonekar提出了一種可以詳細表達分析系統(tǒng)的分層結構框架，以便在不同層次上協(xié)調集成控制器。這種方法不僅面向對象，而且模塊化，該方法借鑒了Zacard提出的TCF（Timed Conversion Formers）方法實現(xiàn)模型構建，并應用了Robert和Ralf提出的TTTB（True Time Timed Border）理論和工具。

S.Gark,D.M.Tilbuyr和PDKhatgonekar在汽車行業(yè)領域，根據生產節(jié)拍開發(fā)了一種模塊化控制器，可以進行基礎的功能分析，并能夠模擬工況，算出不同時期不同狀態(tài)下的產量。

2 離散事件系統(tǒng)定義及其組成

本文首先介紹離散事件系統(tǒng)定義及其組成，之后再詳細開展可重構機床模塊化控制器設計方法研究。

離散事件系統(tǒng)是非靜態(tài)系統(tǒng)，它通過突然發(fā)生的獨立事件的形式來描述。在本文中。離散事件系統(tǒng)的主要表現(xiàn)有兩個方面，分別是語言和有限狀態(tài)機。這兩種手段各有優(yōu)缺點，前者執(zhí)行起來較為困難，但是非常容易，后者實施簡單但是原理和邏輯非常繁雜，存在嵌套和迭代。本文采用的方法是通過有限狀態(tài)機來進行模型構建。

2.1 語言

如上所述，語言的表達方式簡單容易，主要應用在離散事件系統(tǒng)，其基礎是字符串，體現(xiàn)事件發(fā)生可能性的序列排列即概率大小的排列。

字符串（string，s）：表示按照概率大小進行的一組排列。ε代表的是空行，即事件發(fā)生的概率為0。對于隨機發(fā)生的兩個事件S1和S2，S2表示字符串S2中的時間因為S1發(fā)生而發(fā)生的概率。

語言（Language，L）：表示所有可能發(fā)生事件的序列集合。若事件集合定位為∑，且ε∈∑，則對于任意兩個語言Ll，L2均∈∑

映射：L在∑’上的映射表示為f∑’（L），有如下定義：

2.2 有限狀態(tài)機

有限狀態(tài)機作為另一種表達方式，具有操作容易，簡介直觀的優(yōu)點，故使用頻率很高。如圖1所示，有限狀態(tài)機的表示方法較為特殊，主要通過關鍵節(jié)點和箭頭來表示流程的流轉和轉移，與流程圖非常類似，學名叫做狀態(tài)圖。其中，圓圈狀的節(jié)點用來代表當下的實時情況，箭頭用來代表流轉方向。

圖1 有限狀態(tài)機流程流轉示意圖

有限狀態(tài)機（FSM）其數(shù)學特征表現(xiàn)為一個五元函數(shù)組：

其中各參數(shù)含義為：Q定義為狀態(tài)集合，∑定義為事件集合，δ定義為轉移函數(shù)，q0定義為初始態(tài)，F(xiàn)定義為終止態(tài)集合。

最重要的是通過標記來表述任務循環(huán)往復的狀態(tài)，避免出現(xiàn)死循環(huán)，轉移函數(shù)δ參數(shù)表如表1所示。這里的δ通常表達一種字符串到狀態(tài)集合的遞歸映射關系。

表1 有限狀態(tài)機狀態(tài)轉移函數(shù)δ參數(shù)表

3 可重配置機床模塊化控制器系統(tǒng)設計

利用前面所提到的設計和計算方法，可以實現(xiàn)可重構機床控制器的模塊化和可充配置化。如圖2所示為一個典型可重配置機床，該機床機械模塊組成部分有：機床床身，回轉臺，立柱，懷胎，動力刀頭等，要進行控制器模塊化可重配置需進行一下三個方面的改造：1）設計控制器整體系統(tǒng)結構；2）定義各控制模塊之間的信息流；3）構造控制模塊的有限狀態(tài)機。

圖2 需改進控制系統(tǒng)的可重構機床

3.1 模塊化控制器整體結構概要設計

由于本文主要依托于離散事件系統(tǒng)來開展，所以邏輯控制是重中之重，通過邏輯控制來進行排列組合，完成可重構機各個機械模塊的拆分重組。為了實現(xiàn)點對點的實時精確控制，我們隊每一個機械模塊都開發(fā)了對應的機械控制模塊，如圖3所示。

1）用戶結構控制模塊

此模塊通過面板上的按鈕實現(xiàn)人機交互，完成整體系統(tǒng)的啟動，關閉，轉換刀頭等加工功能。通過傳遞用戶指令完成控制達成并實時顯示當前狀態(tài)。該模塊的關鍵是圖3中的端口A，它是信息通訊的橋梁。

圖3 可重構機床控制器的整體結構

2）模式轉換控制器模塊

此模塊由手動和自動兩個模塊構成。手動模式下，通過人工輸入微調指令實現(xiàn)精確控制刀頭的進給以及各加工參數(shù)。自動模式下，機床按照NC代碼順序加工，避免重復加工，精確有效。兩種模式之間的轉換通過轉換開關來控制。

此模塊一共有4個端口，分別是端口A、B、C、G，A代表控制協(xié)調用戶接口，B代表自動選擇合適準確的加工模式，C代表人機互動完成NC代碼的編制，G代表控制協(xié)調機床各個機械模塊功能互聯(lián)。

3）機床協(xié)調器模塊

機床協(xié)調器的功能主要用來實現(xiàn)命令分解和命令沖突調整。命令分解主要用于分解上游控制器發(fā)送的指令細化傳遞到各個子控制模塊；命令沖突調整主要用來避免發(fā)生非法指令的出現(xiàn)和碰撞干涉的可能。此模塊一共有5個端口，分別是端口C、D1、D2、D3、E，分別用于模式轉換控制器控制、機械運動部件的移動、動力刀頭組件的進給等功能實現(xiàn)。

3.2 控制模塊信息流構建

在上述控制器中，模式轉換控制器的端口起到了最關鍵的最用。正是通過它才實現(xiàn)了主模塊與子模塊之間的相互控制、傳遞和調用，實現(xiàn)系統(tǒng)高效穩(wěn)定簡潔的運行。如圖4所示為模式轉換控制器端口G的有限狀態(tài)機示意，通過箭頭的指向代表了狀態(tài)之間的轉移流轉，表2所示為模式轉換控制器端口G有限狀態(tài)機的參數(shù)狀態(tài)，表3所示為其邏輯上事件狀態(tài)，表4所示為其邏輯轉移函數(shù)。

圖4 有限狀態(tài)機在模式轉換控制器端口G中的示意

表2 參數(shù)狀態(tài)在模式轉換控制器端口G中的示意

表3 事件狀態(tài)在模式轉換控制器端口G中的示意

表4 轉移函數(shù)模式轉換控制器端口G中的示意

3.3 控制模塊有限狀態(tài)機構建

通過上面的闡述，可以看出不需要復雜重復的設計定義工作，最終有且僅需要進行一次設計定義，之后每一個控制模塊，每一個控制器接口即可完成任意可重配置裝配需求，同時其相對應相關聯(lián)的控制模塊會隨著直接可重配置成全新的控制器。圖5所示即為可重配置機床動力刀頭控制器模塊的有限狀態(tài)機模型，表4所示為可重配置機床動力刀頭控制器模塊的狀態(tài)實時動態(tài)，表6所示為可重配置機床動力刀頭控制器模塊的端口實時動態(tài)，表7所示為可重配置機床動力刀頭控制器模塊的狀態(tài)躍遷參數(shù)。

圖5 有限狀態(tài)機在動力頭控制器模塊的示意

表5 狀態(tài)實時動態(tài)在動力頭控制器模塊的示意

表6 端口實時動態(tài)在動力頭控制器模塊的示意

表7 狀態(tài)躍遷參數(shù)動力頭控制器模塊的示意

4 結論

本文通過運用離散時間系統(tǒng)來構建可重構機床的控制器模塊，并主要使用有限狀態(tài)機來完成層次設計和系統(tǒng)搭建，實現(xiàn)了機械模塊和控制模塊的一一對應。因此，不管機械模塊如何可重配置，相對應的控制模塊都可以在模型的自動轉換下實現(xiàn)可重構，并且只要一次可重配置證明了準確性，其它情況無需再次檢驗，在提高準確性的同時大幅提高了效率，從根本意義上實現(xiàn)了機床的可重構。

[1] Mchmbi.M.I C.,Ulsoy.BG.Y.Jerry. Reconfigurable Manufacturing Industry: The Important Future Manufacturing. Journal of intellective Manufacturing,2001.(20):404-419.

[2] Robert Clause. Reconfigurable Machine Tools—A New ensample in Machine Tools.2008 Thailand-UK colloquia on Reconf i gurable Automation.10:23-260.

[3] Philip E. Allen, Douglas R. Normal Affirm for Analysis Which Makes Reconf i gurable Controllers. Transaction of the Japan Control Conference. Tokyo,Feb.2005.329-3 36.

[4] Kelly Clarkson. Exoteric Architectonics Controllers Development. Transaction of the CIRP,2011(33)4.

[5] 葛明輝,鄒瓊.基于功能構件的機械產品可重構建模[J].機械設計研究,2009(4):24-26.