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0.研究背景和目的

制造業是國民經濟的物質基礎和產業主體,是國民經濟高速增長的發動機,是科學技術的基本載體,是國家核心競爭力的重要體現,是國家安全的重要保證[1]。長期以來我國對制造業不夠重視,以上對制造業地位的確立是我們幾十年血的教訓得來的,已經成為制造業學科泰斗們和國家的共識。當前隨著經濟全球化趨勢迅速發展,國際上產業結構調整和產業轉移步伐加快,國際競爭更加激烈,這既對我國提出了嚴峻的挑戰,也提供了歷史性的發展際遇。數控機床是制造業的工作母機,是制造業的基礎和根本。筆者將藍牙無線通信技術引入數控系統,并對其應用前景進行了有益的探索。

將藍牙技術與數控系統的結合,可考慮從以下三個方面提升現有數控系統的性能:

(1)實現技術人員對數控機床的無線監控,方便了用戶生產和維護。在生產過程中用戶方技術人員可以通過便攜的藍牙監控設備對數控設備進行實時監控和干預機床的運行。

(2)通過建立高速無線數據鏈路提高數控系統的實時自動監控能力。現有數控系統是基于操作者監控的系統。當數控機床進行加工工作時,操作者主要依靠肉眼的觀察和自身的經驗來判斷機床的運行情況并作出適當的干預,例如停止主軸、系統停機等。這一過程是人工的,其最大的缺陷在于實時性差,當操作者發現異常情況時,可能已造成工件的損毀、機床的破壞等無法彌補的損失。通過引入藍牙技術,在數控主機與藍牙監控機之間建立高速數據鏈路,將數控系統的運行參數實時地傳送給藍牙監控機,由監控機實時地、自動地監控和記錄數控系統的運行狀態并對數控系統主機發送相應的操作命令。

(3)通過藍牙監控系統對數控系統運行狀態的實時和完整的記錄提高數控系統的可維護性。提高機床的維護效率,縮短維護時間是提高數控機床利用率和節省人力、資金的重要途徑。2003年9月的數據表明我國機床設備利用率在20%～30%之間。藍牙技術引入數控系統后,通過對系統運行狀態的完整保存,得以對故障進行再現、和分析,可以大大提高系統的非機械性故障的維護效率。

1.藍牙技術簡介

藍牙技術(Bluetooth)是一種短距無線通信技術,其目的是替代數字設備和計算機外設間的電纜連線以及實現數字設備間的無線組網。1998年愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾成立了藍牙特殊利益小組(SIG),負責制定藍牙規范。

藍牙規范規定了藍牙應用產品應遵循的標準和需要達到的要求。到目前為止,SIG已經頒布的藍牙規范有110、110B、111三個版本,目前最新的111版本于2001年4月公布。藍牙規范由兩部分組成:藍牙核心協議、藍牙應用框架。

藍牙技術產品體積小、功耗低,可以方便地集成到幾乎任何數字設備中。使用的產品包括手機、PDA、筆記本電腦、打印機、數碼相機等。藍牙無線技術的應用大體上可以劃分為替代線纜(CableRe2placement)、因特網橋(InternetBridge)和臨時組網(AdHocNetwork)3個領域。

2.技術路線分析

藍牙技術是現今技術最復雜的一種無線通信技術。藍牙技術的復雜性并不體現在它的硬件上而是體現在其協議本身的龐大和兼容性上。要實現以藍牙為數據鏈路的應用,技術路線的探索和確定是一個關鍵環節。

根椐數控系統的整體設計要求,系統平臺為WindowsNT操作系統。研究的總體目標是“以藍牙無線通信技術為傳輸載體,實現數控主機與外圍PC和便攜設備的互連,完成數據在數控主機與外圍PC及便攜設備的互傳,以實現對數控系統的實時監控和高效率維護。”在總體目標確定的情況下,在組織研究的基礎上確定了以下三種技術路線:

(1)獨立開發藍牙的HCI層以下協議棧以及上層獨立的通信協議,在此基礎上完成系統控制和收發模塊的開發工作,實施對接后完成整個開發工作。這一方法無疑是最具吸引力的一種方法。其優點有:

①可以獨立掌握藍牙的核心技術;

②藍牙的所有指令可以在控制模塊中直接得以執行,我們可以直接控制藍牙設備的工作狀態、設備連接、通信速率和通信時機;

③減少HCI層以上的協議層,加快程序執行速度。

這種方法所需的工作量極大,藍牙設備的驅動程序、HCI層以下協議棧和HCI上層控制模塊在短時間內獨立完成。

(2)利用第三方提供的藍牙開發平臺,開發出所需的通信模塊。這種方法的優點是開發周期短、開發難度低,但需購買藍牙開發平臺。

(3)利用藍牙市場上成熟的藍牙設備,以藍牙的RFCOMM上層協議棧為平臺,開發藍牙通信模塊。

這種方法的優點是投資少、開發相對容易。

我們對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路線開發成功,其通信模型如圖2。

3.系統設備選型及網絡組織

3.1藍牙的拓撲結構藍牙支持點對點和一點對多點的通信,最基本的網絡組成是微微網。微微網由主設備單元和從設備單元兩種設備單元構成。主設備單元負責提供時鐘同步信號和調頻序列。而從設備單元一般是受控同步的設備單元,并接受主設備單元的控制。在同一微微網中,所有設備單元均采用同一調頻序列。每個從設備單元的起始頻率和占用信道由主設備單元控制。一個微微網中,一般只有一個主設備單元,而從設備單元目前最多可以有7個。不同的微微網之間可以互相連接。

設備選型要想實現數控系統與藍牙監控系統之間的數據傳輸,數控系統和藍牙監控系統上必須有相應的藍牙硬件。設備選型涉及到數控系統和藍牙設備軟硬件,整個系統必須能夠緊密配合,否則無法實現系統的整體功能要求。系統的設備選型決定了整個系統的硬件成本、開發平臺、軟件開發難度、開發周期等一系列問題,是一個系統工程,關系到整個系統的研發成敗。設備選型主要集中在數控系統本身藍牙設備的選型和藍牙監控設備的選型上。

在數控系統本身的設備選型上,我們采用了IPC+藍牙USBDongle的硬件組合,它具有以下優點:

•系統的成本低。IPC和藍牙USBDongle都是成熟的工業產品,銷售渠道多采購方便,采購成本低。

•便于開發平臺的選擇和統一。IPC嚴格符合業界的各種PC機標準,PC機的操作系統和豐富的軟件開發平臺都可以使用。藍牙USBDongle符合藍牙1.1技術規范,藍牙豐富的上層協議為我們實施開發提供了豐富的協議接口。

•藍牙USBDongle與數控IPC是獨立的硬件,大大增加了硬件的靈活性,避免了硬件的獨特性給采購帶來的麻煩。

藍牙的固定監控主機基本與數控系統本身的相同,可以采用IPC+藍牙USBDongle或筆記本PC+藍牙USBDongle的組合。

基于以下幾點,藍牙移動監控設備采用了HPiPAQPocketPCh5450PDA:

•簡化了開發平臺的選擇和開發。該PDA采用MS的PocketPC210(即WindowsCE310)操作系統,該系統支持主流的X86系列微機在WindowsNT下軟件的嵌入式版本,軟件資源豐富。因此軟件開發平臺可選擇免費eVC或eVB,而避免了其它主流嵌入式操作系統如PalmOS和Linix所帶來的軟件資源不夠豐富,節省了昂貴的開發平臺采購費用。

•該PDA集成了符合藍牙協議規范111標準的藍牙模塊,避免了PDA上藍牙設備的開發和選型問題。

•HPiPAQPocketPCh5400PDA采用了ARM體系結構的IntelmPXA250應用處理器,它的主頻為400MHz。該系統功耗低、性能高,能夠滿足藍牙監控系統要求的系統運行速度。

•HPiPAQPocketPCh5400PDA的系統操作界面與主流的Windows操作系統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和使用。

整個硬件系統的硬件組織和網絡拓撲結構見圖4。

4.系統軟件結構模型及功能

軟件結構模式是指軟件的組織管理方式,即系統任務的劃分方式、任務的調度機制、任務間的信息交換機制以及系統的集成方法等。研究結構模式是為了解決CNC系統軟件集成的問題,也是開發新系統首先要解決的問題,是決定數控系統開發的成敗和性能高低的第一要素。系統的整體軟件結構模型見圖5。

數控系統是基于WindowsNT的全軟件型數控系統,軟件構架采用“線形系統結構”,這種軟件結構具有結構簡單、系統模塊化程度高、開發維護簡單等優點。數控系統與藍牙結合并實現實時自動監控的首先要解決的問題是實時數據的高速實時采集。通過將藍牙數控模塊嵌入數控全軟件數控系統的位控、速控模塊,問題就得到了很好的解決。系統運行過程中,藍牙收發模塊將位控模塊采集的數控機床的各傳感器的信息和機床的運動坐標狀態實時地發送到藍牙監控系統的藍牙數據收發模塊,藍牙監控系統的藍牙數據收發模塊將發送過來的數據分別送入實時自動監控模塊,實時自動監控模塊對運行的狀態信息按一定的監控算法進行分析檢查,如發現有異常則發送指令回CNC部分完成對機床的控制,實時監控模塊負責將系統的狀態數據存入狀態數據庫。同時,故障自動檢測模塊調用系統信息數據庫中的機床實體三維信息和被加工工件的三維實體信息結合機床的實時加工狀態信息檢測可能發生的故障,并實施自動干預措施。人工干預模塊是一個人工干預命令集合,在加工過程中技術人員可通過該模塊人工發送指令,控制機床的工作狀態和實時修改加工參數。故障回放模塊是一種事后處理系統。數控系統和藍牙監控系統之間的工作是相互獨立地實時并行工作,因此無論CNC部分發生怎樣嚴重的故障,并行部分都能完整的記錄系統的狀態信息。故障回放和故障仿真模塊調用系統狀態數據庫中的信息,完成其對機床故障的重現,幫助技術人員排除故障、積累避免故障的經驗。

5.實現及結論

選擇++Builder610作為數控系統本體及數控系統中藍牙收發模塊和固定機藍牙監控系統的開發平臺;采用eVB310作為藍牙移動監控系統的開發平臺,并完成了整個系統的開發工作。數控系統和藍牙監控設備之間的藍牙數據鏈可以隨時建立和中斷,完全由用戶掌握和控制。其中數控系統界面和藍牙固定機監控系統界面分別見圖6、圖7。

藍牙技術作為一種新興無線通信其可以應用的領域很多,我們首先將其應用于數控系統領域,并取得了良好的效果,為拓展數控系統的開發思路、增強數控系統功能作出了有益的嘗試。