楊志幫，陳德林

（開封大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)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(duì)于產(chǎn)品的要求也越來越趨向于定制化，造成廠家必須縮短產(chǎn)品制造周期，米適應(yīng)市場的變化。如何能否快速響應(yīng)，并且具有良好的經(jīng)濟(jì)性是目前制造業(yè)亟待解決的一個(gè)問題。顯然，如果還使用傳統(tǒng)的流水線生產(chǎn)模式不能快速響應(yīng)，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(yīng)不同的生產(chǎn)模式，但其快速改造能力差。基于此，可重構(gòu)制造系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，通過合理的配置機(jī)床模塊，可以快速重組，實(shí)時(shí)更新，很好的響應(yīng)新的市場需求[1～3]。

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

1 國內(nèi)外研究概況

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

可重構(gòu)機(jī)床不僅僅是機(jī)械結(jié)構(gòu)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(nèi)容。目前，相關(guān)研究有軟件建模、模塊化邏輯控制器、開放式體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)控制器，它采用的編程語言為C++，包括人機(jī)交互界面、仿真工具和配置工具三部分組成。開放式體系結(jié)構(gòu)控制器可以在機(jī)械模塊可重配置的時(shí)候同時(shí)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)。

B.Birla提出運(yùn)用軟件建模的方法來可重配置機(jī)床控制器，該方法有四個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域：1）單向精確定位運(yùn)動(dòng)控制；2）單向精確定位運(yùn)動(dòng)靜態(tài)模型構(gòu)建；3）單向精確定位運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建；4）多向多自由度運(yùn)動(dòng)控制。

E.T.Enslew等通過采用邏輯模型模擬可重配置生產(chǎn)流程，來選擇最優(yōu)參數(shù)，評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)可重配置生產(chǎn)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(xì)表達(dá)分析系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)框架，以便在不同層次上協(xié)調(diào)集成控制器。這種方法不僅面向?qū)ο?，而且模塊化，該方法借鑒了Zacard提出的TCF（Timed Conversion Formers）方法實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建，并應(yīng)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(lǐng)域，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍開發(fā)了一種模塊化控制器，可以進(jìn)行基礎(chǔ)的功能分析，并能夠模擬工況，算出不同時(shí)期不同狀態(tài)下的產(chǎn)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(xì)開展可重構(gòu)機(jī)床模塊化控制器設(shè)計(jì)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(dú)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(gè)方面，分別是語言和有限狀態(tài)機(jī)。這兩種手段各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者執(zhí)行起來較為困難，但是非常容易，后者實(shí)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(jī)來進(jìn)行模型構(gòu)建。

2.1 語言

如上所述，語言的表達(dá)方式簡單容易，主要應(yīng)用在離散事件系統(tǒng)，其基礎(chǔ)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(jìn)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(duì)于隨機(jī)發(fā)生的兩個(gè)事件S1和S2，S2表示字符串S2中的時(shí)間因?yàn)镾1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(duì)于任意兩個(gè)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(jī)

有限狀態(tài)機(jī)作為另一種表達(dá)方式，具有操作容易，簡介直觀的優(yōu)點(diǎn)，故使用頻率很高。如圖1所示，有限狀態(tài)機(jī)的表示方法較為特殊，主要通過關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和箭頭來表示流程的流轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)移，與流程圖非常類似，學(xué)名叫做狀態(tài)圖。其中，圓圈狀的節(jié)點(diǎn)用來代表當(dāng)下的實(shí)時(shí)情況，箭頭用來代表流轉(zhuǎn)方向。

圖1 有限狀態(tài)機(jī)流程流轉(zhuǎn)示意圖

有限狀態(tài)機(jī)（FSM）其數(shù)學(xué)特征表現(xiàn)為一個(gè)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(zhuǎn)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(biāo)記來表述任務(wù)循環(huán)往復(fù)的狀態(tài)，避免出現(xiàn)死循環(huán)，轉(zhuǎn)移函數(shù)δ參數(shù)表如表1所示。這里的δ通常表達(dá)一種字符串到狀態(tài)集合的遞歸映射關(guān)系。

表1 有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)δ參數(shù)表

3 可重配置機(jī)床模塊化控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用前面所提到的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，可以實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)機(jī)床控制器的模塊化和可充配置化。如圖2所示為一個(gè)典型可重配置機(jī)床，該機(jī)床機(jī)械模塊組成部分有：機(jī)床床身，回轉(zhuǎn)臺(tái)，立柱，懷胎，動(dòng)力刀頭等，要進(jìn)行控制器模塊化可重配置需進(jìn)行一下三個(gè)方面的改造：1）設(shè)計(jì)控制器整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；2）定義各控制模塊之間的信息流；3）構(gòu)造控制模塊的有限狀態(tài)機(jī)。

圖2 需改進(jìn)控制系統(tǒng)的可重構(gòu)機(jī)床

3.1 模塊化控制器整體結(jié)構(gòu)概要設(shè)計(jì)

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(jìn)行排列組合，完成可重構(gòu)機(jī)各個(gè)機(jī)械模塊的拆分重組。為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的實(shí)時(shí)精確控制，我們隊(duì)每一個(gè)機(jī)械模塊都開發(fā)了對(duì)應(yīng)的機(jī)械控制模塊，如圖3所示。

1）用戶結(jié)構(gòu)控制模塊

此模塊通過面板上的按鈕實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成整體系統(tǒng)的啟動(dòng)，關(guān)閉，轉(zhuǎn)換刀頭等加工功能。通過傳遞用戶指令完成控制達(dá)成并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前狀態(tài)。該模塊的關(guān)鍵是圖3中的端口A，它是信息通訊的橋梁。

圖3 可重構(gòu)機(jī)床控制器的整體結(jié)構(gòu)

2）模式轉(zhuǎn)換控制器模塊

此模塊由手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)模塊構(gòu)成。手動(dòng)模式下，通過人工輸入微調(diào)指令實(shí)現(xiàn)精確控制刀頭的進(jìn)給以及各加工參數(shù)。自動(dòng)模式下，機(jī)床按照NC代碼順序加工，避免重復(fù)加工，精確有效。兩種模式之間的轉(zhuǎn)換通過轉(zhuǎn)換開關(guān)來控制。

此模塊一共有4個(gè)端口，分別是端口A、B、C、G，A代表控制協(xié)調(diào)用戶接口，B代表自動(dòng)選擇合適準(zhǔn)確的加工模式，C代表人機(jī)互動(dòng)完成NC代碼的編制，G代表控制協(xié)調(diào)機(jī)床各個(gè)機(jī)械模塊功能互聯(lián)。

3）機(jī)床協(xié)調(diào)器模塊

機(jī)床協(xié)調(diào)器的功能主要用來實(shí)現(xiàn)命令分解和命令沖突調(diào)整。命令分解主要用于分解上游控制器發(fā)送的指令細(xì)化傳遞到各個(gè)子控制模塊；命令沖突調(diào)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(gè)端口，分別是端口C、D1、D2、D3、E，分別用于模式轉(zhuǎn)換控制器控制、機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)、動(dòng)力刀頭組件的進(jìn)給等功能實(shí)現(xiàn)。

3.2 控制模塊信息流構(gòu)建

在上述控制器中，模式轉(zhuǎn)換控制器的端口起到了最關(guān)鍵的最用。正是通過它才實(shí)現(xiàn)了主模塊與子模塊之間的相互控制、傳遞和調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效穩(wěn)定簡潔的運(yùn)行。如圖4所示為模式轉(zhuǎn)換控制器端口G的有限狀態(tài)機(jī)示意，通過箭頭的指向代表了狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移流轉(zhuǎn)，表2所示為模式轉(zhuǎn)換控制器端口G有限狀態(tài)機(jī)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(zhuǎn)移函數(shù)。

圖4 有限狀態(tài)機(jī)在模式轉(zhuǎn)換控制器端口G中的示意

表2 參數(shù)狀態(tài)在模式轉(zhuǎn)換控制器端口G中的示意

表3 事件狀態(tài)在模式轉(zhuǎn)換控制器端口G中的示意

表4 轉(zhuǎn)移函數(shù)模式轉(zhuǎn)換控制器端口G中的示意

3.3 控制模塊有限狀態(tài)機(jī)構(gòu)建

通過上面的闡述，可以看出不需要復(fù)雜重復(fù)的設(shè)計(jì)定義工作，最終有且僅需要進(jìn)行一次設(shè)計(jì)定義，之后每一個(gè)控制模塊，每一個(gè)控制器接口即可完成任意可重配置裝配需求，同時(shí)其相對(duì)應(yīng)相關(guān)聯(lián)的控制模塊會(huì)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(jī)床動(dòng)力刀頭控制器模塊的有限狀態(tài)機(jī)模型，表4所示為可重配置機(jī)床動(dòng)力刀頭控制器模塊的狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，表6所示為可重配置機(jī)床動(dòng)力刀頭控制器模塊的端口實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，表7所示為可重配置機(jī)床動(dòng)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(jī)在動(dòng)力頭控制器模塊的示意

表5 狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)在動(dòng)力頭控制器模塊的示意

表6 端口實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)在動(dòng)力頭控制器模塊的示意

表7 狀態(tài)躍遷參數(shù)動(dòng)力頭控制器模塊的示意

4 結(jié)論

本文通過運(yùn)用離散時(shí)間系統(tǒng)來構(gòu)建可重構(gòu)機(jī)床的控制器模塊，并主要使用有限狀態(tài)機(jī)來完成層次設(shè)計(jì)和系統(tǒng)搭建，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械模塊和控制模塊的一一對(duì)應(yīng)。因此，不管機(jī)械模塊如何可重配置，相對(duì)應(yīng)的控制模塊都可以在模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換下實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)，并且只要一次可重配置證明了準(zhǔn)確性，其它情況無需再次檢驗(yàn)，在提高準(zhǔn)確性的同時(shí)大幅提高了效率，從根本意義上實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的可重構(gòu)。

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