| 摘要：為提高制造企業(yè)對市場動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)能力,對新一代網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)進(jìn)行了研究,給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)通訊和控制的硬件方案,并介紹了網(wǎng)絡(luò)通訊和控制的軟件設(shè)計(jì)。所開發(fā)的系統(tǒng)已成功用于多種實(shí)際零件的加工,取得了良好效果。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線 CAN總線 智能尋位 制造系統(tǒng) 隨著市場競爭的日益激烈,產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐不斷加快。如何對動(dòng)態(tài)變化、難以預(yù)測的市場需求作出快速響應(yīng),高效實(shí)現(xiàn)多品種小批量產(chǎn)品的快速敏捷化生產(chǎn),成為了制造領(lǐng)域一個(gè)具有普遍意義和相當(dāng)難度的重要研究課題。 智能尋位加工技術(shù)和系統(tǒng)為解決上述問題開辟了新的途徑,因此成為造成自動(dòng)化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。近年來,我們在國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和國家863計(jì)劃的支持下,在此領(lǐng)域開展了深入系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究[1～4],取得了較大進(jìn)展。本文將介紹在網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)研究開發(fā)方面所取得的部分研究結(jié)果。
1 智能尋位制造系統(tǒng)的組成 網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)的概念是將智能尋位、工藝規(guī)劃、加工信息生成、加工設(shè)備控制等分布于制造系統(tǒng)中不同物理位置的獨(dú)立單元,借助實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)集成為一有機(jī)整體,從而實(shí)現(xiàn)單元間高速信息交換,并通過管理計(jì)算機(jī)中的動(dòng)態(tài)調(diào)度軟件,協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。據(jù)此思路構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 該系統(tǒng)接到新加工任務(wù)后,無需象常規(guī)制造系統(tǒng)那樣花很多時(shí)間為被加工零件準(zhǔn)備精密夾具,只需根據(jù)零件設(shè)計(jì)信息、加工工藝要求及毛坯信息,便可在調(diào)度子系統(tǒng)控制下,起動(dòng)系統(tǒng)開始加工。具體運(yùn)行過程為： 裝卸站操作人員根據(jù)調(diào)度指令用通用緊固夾持元件將工件固定于托盤上,并將工件/托盤復(fù)合體送往工件尋位工作站。工件尋位工作站以智能化方法主動(dòng)獲取工件表面宏觀及微觀信息,實(shí)時(shí)求解出工作的實(shí)際狀態(tài),并通過現(xiàn)場總線將工件實(shí)際狀態(tài)信息送往刀具路徑實(shí)時(shí)生成工作站。刀具路徑實(shí)時(shí)生成工作站將根據(jù)設(shè)計(jì)信息、工藝信息和被加工零件的實(shí)際狀態(tài)信息,通過實(shí)時(shí)規(guī)劃生成被加工零件的實(shí)際狀態(tài)信息,通過實(shí)時(shí)規(guī)劃生成被加工零件本次入棧在各個(gè)機(jī)床上加工的刀具運(yùn)行略徑文件,并通過現(xiàn)場總線將刀具路徑文件送往相應(yīng)的機(jī)床控制系統(tǒng)（一般新型位姿自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)）,使其作好準(zhǔn)備。一旦工件由物流系統(tǒng)送達(dá)該機(jī)庫,即可進(jìn)行加工。工件本次入線的所有工序完成后,由物流將其送往出口裝卸站,由操作人員工件從托盤上卸下,然后托盤則回到系統(tǒng)入口處,準(zhǔn)備裝載新的工件。 在這一由現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的集成環(huán)境下,工件尋位與加工操作可并行進(jìn)行。例如,有若干人個(gè)工件P1、P2、P3…進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行加工,則加工中心在對先進(jìn)入系統(tǒng)的工件（如P1）進(jìn)行加工時(shí),信息獲取工作上可同時(shí)對后續(xù)進(jìn)入系統(tǒng)的工件（如P2）進(jìn)行尋位處理。而此時(shí)裝卸站還可將新工件（如P3）裝上托盤準(zhǔn)備送入系統(tǒng),所有這些操作完全是并行進(jìn)行的。在調(diào)度系統(tǒng)控制下,系統(tǒng)將有條不紊地高效工作。
從智能尋位制造的特征可以看到,這一新的系統(tǒng)可以有效地克服基于“定位-加工”模式的傳統(tǒng)制造系統(tǒng)由于依賴精密夾具而產(chǎn)生的準(zhǔn)備周期長、切換速度慢、靈活性與快速響應(yīng)差等弊端,從而為提高企業(yè)底層制造過程對市場動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)能力開辟一條新的途徑。 2 智能尋位制造系統(tǒng)的支撐子系統(tǒng)-現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 智能尋位制造系統(tǒng)需信息集成環(huán)境下運(yùn)行,因此,網(wǎng)絡(luò)通訊與控制是其最大關(guān)鍵的支撐子系統(tǒng)。針對智能尋位制造對信息傳遞要求的特殊性,我們選取CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 2.1 CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn) 作業(yè)工作現(xiàn)場控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),可靠性和實(shí)時(shí)性是最主要的要求,現(xiàn)場總線CAN在這方面是獨(dú)具特色的[5]。 首先,為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制對可靠性的特殊要求,CAN總線采用了循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check）、框架檢測（Frame Check）、確認(rèn)信號出錯(cuò)檢測（ACK Errors）、總線監(jiān)控（Bus Monitoring）、位填充（Bit Stuffing）等多種錯(cuò)誤監(jiān)測和糾錯(cuò)措施,從而達(dá)到了很高的可靠性,平均誤碼率小于10 -13[6]。 其次,CAN采用了獨(dú)特的位仲裁技術(shù),具有比CSMA/CD網(wǎng)（IEEE802.4）更高的實(shí)時(shí)性。 除此之外,CAN總線還具有通訊速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、接口簡單、安裝方案、通訊控制簡單、開放性好、擴(kuò)展能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本低等特點(diǎn)[7]。 因此,CAN總線是一種能有效支持分布式制造控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。 2.2 CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建造與運(yùn)行 由于智能尋位制造系統(tǒng)中所有單元的計(jì)算機(jī)均采用PC機(jī)、工業(yè)PC機(jī)或與CP機(jī)兼容的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),因此,CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建造比較簡單。整個(gè)系統(tǒng)主要由插于各計(jì)算機(jī)中的CAN網(wǎng)卡、連接各網(wǎng)卡的傳輸介質(zhì)和運(yùn)行于各計(jì)算機(jī)中的網(wǎng)絡(luò)通訊與控制軟件組成。 在該CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,其物理層采用普通雙終線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)。數(shù)據(jù)鏈數(shù)層的介質(zhì)送取控制（MAC）采用基于優(yōu)先級的位仲裁調(diào)度方式。該方式將網(wǎng)上每個(gè)站點(diǎn)按通訊實(shí)時(shí)性要求的高低賦予一定的優(yōu)先級,并級優(yōu)先級號碼嵌入所發(fā)送信息的幀結(jié)構(gòu)中。這樣,若某一時(shí)刻有兩個(gè)或兩個(gè)以上站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息（指令、狀態(tài)、數(shù)據(jù)等）,需通過優(yōu)先級仲裁;優(yōu)先級低的站點(diǎn)將主動(dòng)避讓,優(yōu)先級高的站點(diǎn)將獲得發(fā)送權(quán),先完成信息的傳遞,然后優(yōu)先低的站點(diǎn)再進(jìn)行信息傳遞。 上述方案既可解決CSMA/CD方案中由于碰撞而導(dǎo)致的總線效率低、傳輸延遲大以及重載可能導(dǎo)至的系統(tǒng)崩潰等問題,又可克服令牌總線方案按固定時(shí)間（令牌循環(huán)周期）調(diào)度所引起的響應(yīng)延遲。 |
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