引言

    可重構(gòu)系統(tǒng)突出強(qiáng)調(diào)面對(duì)易于變化的外部環(huán)境，能夠以重排、重復(fù)利用和更新系統(tǒng)組態(tài)或子系統(tǒng)的方式，實(shí)現(xiàn)高效、靈活、低成本的重新配置，迅速適應(yīng)新環(huán)境的要求。可重構(gòu)制造系統(tǒng)作為一種新的制造模式，已成為當(dāng)今先進(jìn)制造的研究熱點(diǎn)。可重構(gòu)制造系統(tǒng)要求制造單元設(shè)備的類型、數(shù)量和布局(物理上或控制邏輯上)不再是固定不變的，而是隨著生產(chǎn)任務(wù)的不同而動(dòng)態(tài)變化。相應(yīng)地，單元控制系統(tǒng)也需要具有可重構(gòu)性，以適應(yīng)單元物理配置變化和邏輯變化。分布式數(shù)控(Distributed NumericalControl，DNC)系統(tǒng)作為單元控制系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，其是否具有可重構(gòu)性，直接決定了單元控制系統(tǒng)對(duì)單元物理和邏輯變化的適應(yīng)性和敏捷性。

    狹義的DNC系統(tǒng)通過(guò)RS232等串行通訊接口，將數(shù)控(Numerical Control，NC)程序下傳到數(shù)控機(jī)床控制器，也可將控制器中的NC程序上傳到上位機(jī)。廣義的DNC系統(tǒng)除了具有狹義DNC系統(tǒng)的功能外，還具有數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。本文研究的DNC系統(tǒng)屬于廣義DNC系統(tǒng)，其可重構(gòu)性具有兩個(gè)方面的意義：①DNC硬件通訊平臺(tái)的可重構(gòu)性；②DNC管理軟件的可重構(gòu)性。文獻(xiàn)[4]針對(duì)DNC系統(tǒng)提出了兩種可重構(gòu)的硬件通訊結(jié)構(gòu)，第一種通過(guò)串口擴(kuò)展卡實(shí)現(xiàn)，適用于信息化集成較低的小型制造企業(yè)；第二種通過(guò)企業(yè)局域網(wǎng)和帶獨(dú)立IP的終端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，主要適用于較好地實(shí)施了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer IntegratedManufacturing System，CIMS)的制造企業(yè)。本文在文獻(xiàn)中提出的第二種通訊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開(kāi)展了進(jìn)一步的研究，提出一種基于工業(yè)以太網(wǎng)、嵌入式智能終端和軟插件技術(shù)的可重構(gòu)硬件通訊結(jié)構(gòu)�；�于這種結(jié)構(gòu)的DNC硬件通信平臺(tái)能夠?qū)⑿碌耐ㄐ艆f(xié)議和驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)以太網(wǎng)從軟插件庫(kù)下載到智能終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)新制造單元的通訊和控制。文獻(xiàn)[63針對(duì)生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，提出了由基本庫(kù)模塊、動(dòng)態(tài)庫(kù)模塊、用戶權(quán)限模塊構(gòu)成的可重構(gòu)軟件系統(tǒng)框架。本文擴(kuò)展了該框架，加入了基于抽象工廠模式的數(shù)據(jù)訪問(wèn)模塊和基于角色的訪問(wèn)控制模塊。數(shù)據(jù)訪問(wèn)模塊用于屏蔽底層數(shù)據(jù)庫(kù)類型和結(jié)構(gòu)的變更對(duì)DNC管理軟件的影響；基于角色的訪問(wèn)控制模塊用于提高權(quán)限管理的效率和可擴(kuò)展性。擴(kuò)展后的軟件系統(tǒng)框架更有利于實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的重構(gòu)。

1 可重構(gòu)分布式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    為更好地實(shí)現(xiàn)DNC系統(tǒng)的可重構(gòu)性，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采取層次化設(shè)計(jì)方式，提出如圖1所示的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)分為四大模塊，共八層，其設(shè)計(jì)思想是使下層模塊的變動(dòng)僅僅作用于與其相鄰的上層模塊，而對(duì)其他模塊來(lái)說(shuō)，這種變動(dòng)是不可見(jiàn)的。這樣的設(shè)計(jì)方式最大限度地降低了由于系統(tǒng)某一模塊的變動(dòng)而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所造成的影響，有利于提高DNC系統(tǒng)的可重構(gòu)性。

圖1 可重構(gòu)DNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

    位于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)最底端的三層構(gòu)成了系統(tǒng)支持模塊，為DNC系統(tǒng)提供多任務(wù)操作系統(tǒng)、即插即用驅(qū)動(dòng)程序和硬件通信平臺(tái)等系統(tǒng)級(jí)的功能支持；在此之上是數(shù)據(jù)操作模塊，其中分布式數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，用于屏蔽下層異構(gòu)數(shù)據(jù)所帶來(lái)的差異；業(yè)務(wù)邏輯模塊對(duì)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行描述，并通過(guò)編寫(xiě)的類庫(kù)對(duì)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理，類庫(kù)中的數(shù)據(jù)庫(kù)操作則通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的接口來(lái)完成；最頂端的應(yīng)用模塊調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的類庫(kù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，以圖形化界面的方式展現(xiàn)給用戶，并通過(guò)應(yīng)用接口層和計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(Computer Aided Process Planning，CAPP)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)等其他應(yīng)用進(jìn)行集成。

2 可重構(gòu)硬件通信平臺(tái)設(shè)計(jì)

    現(xiàn)代制造企業(yè)面對(duì)的是一個(gè)多變的需求環(huán)境，制造系統(tǒng)面對(duì)的加工任務(wù)也是多變的。因此，車間數(shù)控機(jī)床的類型、數(shù)量和布局都需要隨著加工任務(wù)的變化而做出相應(yīng)的調(diào)整。這就要求DNC硬件通信平臺(tái)具有開(kāi)放性和可重構(gòu)性。本文通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、嵌入式智能終端和軟插件技術(shù)來(lái)搭建系統(tǒng)硬件通信平臺(tái)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 可重構(gòu)DNC系統(tǒng)硬件通信平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    平臺(tái)采用三層分布式結(jié)構(gòu)：中心服務(wù)器層、車間服務(wù)器層和數(shù)控機(jī)床層。中心DNC服務(wù)器選用IBM xSeries機(jī)架式服務(wù)器，車間DNC服務(wù)器選用工控機(jī)。均安裝Windows NT／2000／XP操作系統(tǒng)，SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)，并集成10／100／1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)卡。車間DNC服務(wù)器和中心DNC服務(wù)器間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，利用TCP／IP協(xié)議進(jìn)行通信。智能終端采用ARBOR公司生產(chǎn)的基于PCI04總線的EMl04-S416，支持STPC Atlas CPU(最高133 MHz)，自帶32MB SDRAM、一個(gè)自適應(yīng)網(wǎng)卡、四個(gè)串口、一個(gè)并口和一個(gè)USB接口。智能終端上安裝DOS操作系統(tǒng)，由于DOS操作系統(tǒng)沒(méi)有自帶網(wǎng)絡(luò)通訊功能，所以在其上安裝MicrosoftNetwork Client軟件，借助該軟件，智能終端通過(guò)TCP／IP協(xié)議與車間DNC服務(wù)器進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)傳輸。該硬件通信平臺(tái)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

    (1)中心DNC服務(wù)器存儲(chǔ)各個(gè)車間DNC系統(tǒng)的公共數(shù)據(jù)信息，而各個(gè)車間DNC服務(wù)器間相互獨(dú)立，僅存儲(chǔ)本車間DNC系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。若要增設(shè)一個(gè)數(shù)控車間，只需在網(wǎng)絡(luò)中接入一臺(tái)新的車間DNC服務(wù)器，其所需的公共數(shù)據(jù)信息從中心DNC服務(wù)器下載即可。

    (2)每臺(tái)智能終端通過(guò)以太網(wǎng)卡和車間DNC服務(wù)器相連，并指定了唯一的IP地址。根據(jù)IP地址的命名規(guī)則，車間子網(wǎng)最多可以帶255臺(tái)智能終端，便于以后的擴(kuò)充。而且采用網(wǎng)卡能使兩者間的通訊速率大幅度提高。和普通計(jì)算機(jī)相比，智能終端體積小，配置簡(jiǎn)單，便于拆卸，更易實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。

    (3)以軟插件技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)改變時(shí)，只需將新的通信協(xié)議和驅(qū)動(dòng)程序從DNC服務(wù)器中直接下載到與機(jī)床相連的智能終端上。所有的通信協(xié)議和驅(qū)動(dòng)程序由DNC中心服務(wù)器的軟插件庫(kù)管理。調(diào)用使用于該數(shù)控系統(tǒng)的通信協(xié)議和驅(qū)動(dòng)程序就可以控制新的數(shù)控系統(tǒng)，從而使數(shù)控系統(tǒng)的重構(gòu)變得簡(jiǎn)單易行。

3智能終端處理軟件設(shè)計(jì)

    智能終端作為聯(lián)系車間DNC服務(wù)器和數(shù)控機(jī)床的橋梁，向上與車間DNC服務(wù)器建立以太網(wǎng)通信，將機(jī)床當(dāng)前工作狀態(tài)上傳到服務(wù)器，通過(guò)監(jiān)控軟件展現(xiàn)給用戶，并把相關(guān)信息寫(xiě)入服務(wù)器日志文件；向下與數(shù)控機(jī)床建立RS232串口通信，將機(jī)床配置文件和工藝人員編寫(xiě)好的NC程序下傳到數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)。

    如圖3所示，智能終端處理軟件主流程如下：智能終端首先完成初始化工作，然后檢查網(wǎng)絡(luò)連接情況。若局域網(wǎng)(Local Area Network，LAN)連接正常，則從車間DNC服務(wù)器下載相應(yīng)的機(jī)床配置文件、通信協(xié)議和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。下載完成后，軟件將開(kāi)啟三個(gè)線程，分別用于監(jiān)視機(jī)床的NC程序申請(qǐng)、機(jī)床主軸的工作狀態(tài)和機(jī)床的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)：

    (1)NC程序申請(qǐng)監(jiān)視線程：若機(jī)床申請(qǐng)下傳NC程序，則將NC程序從車間DNC服務(wù)器下傳至數(shù)控設(shè)備，準(zhǔn)備進(jìn)行加工；若機(jī)床申請(qǐng)上傳NC程序，則將機(jī)床數(shù)控設(shè)備中已經(jīng)存在的NC程序上傳至車間DNC服務(wù)器并保存。

    (2)機(jī)床主軸工作狀態(tài)監(jiān)視線程：檢測(cè)機(jī)床主軸的當(dāng)前工作狀態(tài)，如主軸速度，轉(zhuǎn)向，冷卻液開(kāi)停等，這些參數(shù)從數(shù)控設(shè)備的輸出信號(hào)點(diǎn)獲得。智能終端解析這些信號(hào)，然后將獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫(xiě)入機(jī)床主軸工作狀態(tài)日志文件，上傳到車間DNC服務(wù)器中。

    (3)機(jī)床數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)監(jiān)視線程：檢測(cè)機(jī)床當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，如正在傳輸?shù)腘C程序名、程序大小、文件路徑、申請(qǐng)方式、工作方式、開(kāi)始時(shí)間、完成進(jìn)度等。這些參數(shù)通過(guò)監(jiān)視機(jī)床用于和智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇�口獲得。智能終端解析這些信號(hào)，然后將獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫(xiě)入機(jī)床數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)日志文件，上傳到車間DNC服務(wù)器中。

圖3 智能終端處理軟件主流程

4 分布式數(shù)控管理軟件的可重構(gòu)設(shè)計(jì)

    4．1系統(tǒng)功能及基于角色的訪問(wèn)控制

     DNC管理軟件負(fù)責(zé)管理DNC系統(tǒng)所涉及到的掰有裁造資源(物理士或{霧[念上)，包括享闋員工、數(shù)控機(jī)床、NC程序等。用統(tǒng)一建模語(yǔ)育(UnifiedModeling Language，UML)建立其用例圖(如圖4)。

    系統(tǒng)采用基于角色的訪向控制模型，涉及普通員工、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputxAided Design/Computer Aided Manufacturing,CAD/CAM)設(shè)計(jì)人員、車間管理員和系統(tǒng)管理員四種角色，每種角色有其各自的用戶群。系統(tǒng)在用戶登錄時(shí)對(duì)用戶的角色進(jìn)行驗(yàn)證，以賦予用戶符合自身角色的權(quán)限，從而呈現(xiàn)給用戶相應(yīng)的操作界面。普通員工是最基本的角色，僅能對(duì)本車間的機(jī)床信息和NC程序信息進(jìn)行查詢，其他的角色均是對(duì)普通員工角色的繼承，CADJCAM設(shè)計(jì)人員管理自己的設(shè)計(jì)任務(wù)，包括創(chuàng)建、申請(qǐng)、上傳、下載、修改NG程序;車間管理員管理本車間的機(jī)床和員工等各種資源，包括添加刪除機(jī)床、添加刪除員工、設(shè)置機(jī)床通信參數(shù)、查看機(jī)床實(shí)時(shí)狀態(tài)等;系統(tǒng)管理員管理各個(gè)車間的總體信息，包括添加刪除車間、設(shè)置車間管理員等，并有權(quán)管理系統(tǒng)日志，以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的備份和還原。此外，系統(tǒng)能夠通過(guò)解析智能終端傳人的各類日志文件，將機(jī)床的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)、實(shí)時(shí)運(yùn)行情況等以圖形化的方式展現(xiàn)出來(lái)，方便相關(guān)人員對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)還能按設(shè)定的頻率，在對(duì)各個(gè)車間DNC服務(wù)器上的數(shù)據(jù)整合后備份到主服務(wù)器上。

圖4 UNC管理軟件用例圖

    使用基于角色的訪問(wèn)控制模型有助于提高軟件的可重構(gòu)性，新用戶的創(chuàng)建不再需要重新分配權(quán)限，只需把其歸于相應(yīng)的角色即可;新角色的創(chuàng)建往往可以通過(guò)在繼承原有角色的基礎(chǔ)上，加入自己特有的權(quán)限來(lái)完成。

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本文標(biāo)題：可重構(gòu)分布式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(上)

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