引言
可重構(gòu)系統(tǒng)突出強調(diào)面對易于變化的外部環(huán)境，能夠以重排、重復利用和更新系統(tǒng)組態(tài)或子系統(tǒng)的方式，實現(xiàn)高效、靈活、低成本的重新配置，迅速適應新環(huán)境的要求。可重構(gòu)制造系統(tǒng)作為一種新的制造模式，已成為當今先進制造的研究熱點。可重構(gòu)制造系統(tǒng)要求制造單元設備的類型、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)任務的不同而動態(tài)變化。相應地，單元控制系統(tǒng)也需要具有可重構(gòu)性，以適應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)對單元物理和邏輯變化的適應性和敏捷性。
狹義的DNC系統(tǒng)通過RS232等串行通訊接口，將數(shù)控(Numerical Control，NC)程序下傳到數(shù)控機床控制器，也可將控制器中的NC程序上傳到上位機。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)控機床的狀態(tài)采集、實時監(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)性具有兩個方面的意義：①DNC硬件通訊平臺的可重構(gòu)性；②DNC管理軟件的可重構(gòu)性。文獻[4]針對DNC系統(tǒng)提出了兩種可重構(gòu)的硬件通訊結(jié)構(gòu)，第一種通過串口擴展卡實現(xiàn)，適用于信息化集成較低的小型制造企業(yè)；第二種通過企業(yè)局域網(wǎng)和帶獨立IP的終端服務器實現(xiàn)，主要適用于較好地實施了計算機集成制造系統(tǒng)(Computer IntegratedManufacturing System，CIMS)的制造企業(yè)。本文在文獻中提出的第二種通訊結(jié)構(gòu)的基礎上開展了進一步的研究，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)。基于這種結(jié)構(gòu)的DNC硬件通信平臺能夠?qū)⑿碌耐ㄐ艆f(xié)議和驅(qū)動程序通過以太網(wǎng)從軟插件庫下載到智能終端，實現(xiàn)對新制造單元的通訊和控制。文獻[63針對生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，提出了由基本庫模塊、動態(tài)庫模塊、用戶權(quán)限模塊構(gòu)成的可重構(gòu)軟件系統(tǒng)框架。本文擴展了該框架，加入了基于抽象工廠模式的數(shù)據(jù)訪問模塊和基于角色的訪問控制模塊。數(shù)據(jù)訪問模塊用于屏蔽底層數(shù)據(jù)庫類型和結(jié)構(gòu)的變更對DNC管理軟件的影響；基于角色的訪問控制模塊用于提高權(quán)限管理的效率和可擴展性。擴展后的軟件系統(tǒng)框架更有利于實現(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)設計
為更好地實現(xiàn)DNC系統(tǒng)的可重構(gòu)性，在系統(tǒng)的設計上采取層次化設計方式，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，其設計思想是使下層模塊的變動僅僅作用于與其相鄰的上層模塊，而對其他模塊來說，這種變動是不可見的。這樣的設計方式最大限度地降低了由于系統(tǒng)某一模塊的變動而對整個系統(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)提供多任務操作系統(tǒng)、即插即用驅(qū)動程序和硬件通信平臺等系統(tǒng)級的功能支持；在此之上是數(shù)據(jù)操作模塊，其中分布式數(shù)據(jù)庫用于存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)訪問層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，用于屏蔽下層異構(gòu)數(shù)據(jù)所帶來的差異；業(yè)務邏輯模塊對系統(tǒng)的業(yè)務邏輯進行描述，并通過編寫的類庫對業(yè)務邏輯進行處理，類庫中的數(shù)據(jù)庫操作則通過調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層的接口來完成；最頂端的應用模塊調(diào)用業(yè)務邏輯層的類庫實現(xiàn)應用，以圖形化界面的方式展現(xiàn)給用戶，并通過應用接口層和計算機輔助工藝設計(Computer Aided Process Planning，CAPP)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)等其他應用進行集成。
2 可重構(gòu)硬件通信平臺設計
現(xiàn)代制造企業(yè)面對的是一個多變的需求環(huán)境，制造系統(tǒng)面對的加工任務也是多變的。因此，車間數(shù)控機床的類型、數(shù)量和布局都需要隨著加工任務的變化而做出相應的調(diào)整。這就要求DNC硬件通信平臺具有開放性和可重構(gòu)性。本文通過工業(yè)以太網(wǎng)、嵌入式智能終端和軟插件技術(shù)來搭建系統(tǒng)硬件通信平臺，其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 可重構(gòu)DNC系統(tǒng)硬件通信平臺拓撲結(jié)構(gòu)
平臺采用三層分布式結(jié)構(gòu)：中心服務器層、車間服務器層和數(shù)控機床層。中心DNC服務器選用IBM xSeries機架式服務器，車間DNC服務器選用工控機。均安裝Windows NT／2000／XP操作系統(tǒng)，SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫，并集成10／100／1000M自適應以太網(wǎng)卡。車間DNC服務器和中心DNC服務器間通過工業(yè)以太網(wǎng)，利用TCP／IP協(xié)議進行通信。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、一個自適應網(wǎng)卡、四個串口、一個并口和一個USB接口。智能終端上安裝DOS操作系統(tǒng)，由于DOS操作系統(tǒng)沒有自帶網(wǎng)絡通訊功能，所以在其上安裝MicrosoftNetwork Client軟件，借助該軟件，智能終端通過TCP／IP協(xié)議與車間DNC服務器進行快速的數(shù)據(jù)傳輸。該硬件通信平臺具有如下優(yōu)點：
(1)中心DNC服務器存儲各個車間DNC系統(tǒng)的公共數(shù)據(jù)信息，而各個車間DNC服務器間相互獨立，僅存儲本車間DNC系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。若要增設一個數(shù)控車間，只需在網(wǎng)絡中接入一臺新的車間DNC服務器，其所需的公共數(shù)據(jù)信息從中心DNC服務器下載即可。
(2)每臺智能終端通過以太網(wǎng)卡和車間DNC服務器相連，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臺智能終端，便于以后的擴充。而且采用網(wǎng)卡能使兩者間的通訊速率大幅度提高。和普通計算機相比，智能終端體積小，配置簡單，便于拆卸，更易實現(xiàn)重構(gòu)。
(3)以軟插件技術(shù)實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。當數(shù)控系統(tǒng)改變時，只需將新的通信協(xié)議和驅(qū)動程序從DNC服務器中直接下載到與機床相連的智能終端上。所有的通信協(xié)議和驅(qū)動程序由DNC中心服務器的軟插件庫管理。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)變得簡單易行。
3智能終端處理軟件設計
智能終端作為聯(lián)系車間DNC服務器和數(shù)控機床的橋梁，向上與車間DNC服務器建立以太網(wǎng)通信，將機床當前工作狀態(tài)上傳到服務器，通過監(jiān)控軟件展現(xiàn)給用戶，并把相關(guān)信息寫入服務器日志文件；向下與數(shù)控機床建立RS232串口通信，將機床配置文件和工藝人員編寫好的NC程序下傳到數(shù)控機床的數(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)絡連接情況。若局域網(wǎng)(Local Area Network，LAN)連接正常，則從車間DNC服務器下載相應的機床配置文件、通信協(xié)議和相關(guān)的驅(qū)動程序。下載完成后，軟件將開啟三個線程，分別用于監(jiān)視機床的NC程序申請、機床主軸的工作狀態(tài)和機床的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)：
(1)NC程序申請監(jiān)視線程：若機床申請下傳NC程序，則將NC程序從車間DNC服務器下傳至數(shù)控設備，準備進行加工；若機床申請上傳NC程序，則將機床數(shù)控設備中已經(jīng)存在的NC程序上傳至車間DNC服務器并保存。
(2)機床主軸工作狀態(tài)監(jiān)視線程：檢測機床主軸的當前工作狀態(tài)，如主軸速度，轉(zhuǎn)向，冷卻液開停等，這些參數(shù)從數(shù)控設備的輸出信號點獲得。智能終端解析這些信號，然后將獲得的實時數(shù)據(jù)寫入機床主軸工作狀態(tài)日志文件，上傳到車間DNC服務器中。
(3)機床數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)監(jiān)視線程：檢測機床當前的數(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、申請方式、工作方式、開始時間、完成進度等。這些參數(shù)通過監(jiān)視機床用于和智能終端進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇讷@得。智能終端解析這些信號，然后將獲得的實時數(shù)據(jù)寫入機床數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)日志文件，上傳到車間DNC服務器中。
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)設計
4．1系統(tǒng)功能及基于角色的訪問控制
DNC管理軟件負責管理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)控機床、NC程序等。用統(tǒng)一建模語育(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、計算機輔助設計/計算機輔助制造(ComputxAided Design/Computer Aided Manufacturing,CAD/CAM)設計人員、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)在用戶登錄時對用戶的角色進行驗證，以賦予用戶符合自身角色的權(quán)限，從而呈現(xiàn)給用戶相應的操作界面。普通員工是最基本的角色，僅能對本車間的機床信息和NC程序信息進行查詢，其他的角色均是對普通員工角色的繼承，CADJCAM設計人員管理自己的設計任務，包括創(chuàng)建、申請、上傳、下載、修改NG程序;車間管理員管理本車間的機床和員工等各種資源，包括添加刪除機床、添加刪除員工、設置機床通信參數(shù)、查看機床實時狀態(tài)等;系統(tǒng)管理員管理各個車間的總體信息，包括添加刪除車間、設置車間管理員等，并有權(quán)管理系統(tǒng)日志，以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的備份和還原。此外，系統(tǒng)能夠通過解析智能終端傳人的各類日志文件，將機床的開關(guān)機狀態(tài)、實時運行情況等以圖形化的方式展現(xiàn)出來，方便相關(guān)人員對數(shù)控機床進行監(jiān)控。系統(tǒng)還能按設定的頻率，在對各個車間DNC服務器上的數(shù)據(jù)整合后備份到主服務器上。
圖4 UNC管理軟件用例圖
使用基于角色的訪問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，只需把其歸于相應的角色即可;新角色的創(chuàng)建往往可以通過在繼承原有角色的基礎上，加入自己特有的權(quán)限來完成。
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