0.研究背景和目的
制造业是国民经济的物质基础和产业主体, 是国民经济高速增长的发动机, 是科学技术的基本载体,是国家核心竞争力的重要体现, 是国家安全的重要保证[ 1 ] 。长期以来我国对制造业不够重视, 以上对制造业地位的确立是我们几十年血的教训得来的, 已经成为制造业学科泰斗们和国家的共识。当前随着经济全球化趋势迅速发展, 国际上产业结构调整和产业转移步伐加快, 国际竞争更加激烈, 这既对我国提出了严峻的挑战, 也提供了历史性的发展际遇。数控机床是制造业的工作母机, 是制造业的基础和根本。笔者将蓝牙无线通信技术引入数控系统, 并对其应用前景进行了有益的探索。
将蓝牙技术与数控系统的结合, 可考虑从以下三个方面提升现有数控系统的性能:
(1) 实现技术人员对数控机床的无线监控, 方便了用户生产和维护。在生产过程中用户方技术人员可以通过便携的蓝牙监控设备对数控设备进行实时监控和干预机床的运行。
(2) 通过建立高速无线数据链路提高数控系统的实时自动监控能力。现有数控系统是基于操作者监控的系统。当数控机床进行加工工作时, 操作者主要依靠肉眼的观察和自身的经验来判断机床的运行情况并作出适当的干预, 例如停止主轴、系统停机等。这一过程是人工的, 其最大的缺陷在于实时性差, 当操作者发现异常情况时, 可能已造成工件的损毁、机床的破坏等无法弥补的损失。通过引入蓝牙技术, 在数控主机与蓝牙监控机之间建立高速数据链路, 将数控系统的运行参数实时地传送给蓝牙监控机, 由监控机实时地、自动地监控和记录数控系统的运行状态并对数控系统主机发送相应的操作命令。
(3) 通过蓝牙监控系统对数控系统运行状态的实时和完整的记录提高数控系统的可维护性。提高机床的维护效率, 缩短维护时间是提高数控机床利用率和节省人力、资金的重要途径。2003 年9 月的数据表明我国机床设备利用率在20% ～30%之间。蓝牙技术引入数控系统后, 通过对系统运行状态的完整保存, 得以对故障进行再现、和分析, 可以大大提高系统的非机械性故障的维护效率。
1.蓝牙技术简介
蓝牙技术(Bluetooth) 是一种短距无线通信技术, 其目的是替代数字设备和计算机外设间的电缆连线以及实现数字设备间的无线组网。1998年爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔成立了蓝牙特殊利益小组( SIG) , 负责制定蓝牙规范。
蓝牙规范规定了蓝牙应用产品应遵循的标准和需要达到的要求。到目前为止, SIG已经颁布的蓝牙规范有110、110B、111 三个版本, 目前最新的111 版本于2001年4月公布。蓝牙规范由两部分组成: 蓝牙核心协议、蓝牙应用框架。
蓝牙技术产品体积小、功耗低, 可以方便地集成到几乎任何数字设备中。使用的产品包括手机、PDA、笔记本电脑、打印机、数码相机等。蓝牙无线技术的应用大体上可以划分为替代线缆(CableRe2p lacement) 、因特网桥( InternetBridge) 和临时组网(AdHocNetwork) 3个领域。
图1 蓝牙传输过程协议运作示意图
2.技术路线分析
蓝牙技术是现今技术最复杂的一种无线通信技术。蓝牙技术的复杂性并不体现在它的硬件上而是体现在其协议本身的庞大和兼容性上。要实现以蓝牙为数据链路的应用, 技术路线的探索和确定是一个关键环节。
根椐数控系统的整体设计要求, 系统平台为Windows NT操作系统。研究的总体目标是“以蓝牙无线通信技术为传输载体, 实现数控主机与外围PC和便携设备的互连, 完成数据在数控主机与外围PC及便携设备的互传, 以实现对数控系统的实时监控和高效率维护。”在总体目标确定的情况下, 在组织研究的基础上确定了以下三种技术路线:
(1) 独立开发蓝牙的HCI层以下协议栈以及上层独立的通信协议, 在此基础上完成系统控制和收发模块的开发工作, 实施对接后完成整个开发工作。这一方法无疑是最具吸引力的一种方法。其优点有:
①可以独立掌握蓝牙的核心技术;
②蓝牙的所有指令可以在控制模块中直接得以执行, 我们可以直接控制蓝牙设备的工作状态、设备连接、通信速率和通信时机;
③减少HCI层以上的协议层, 加快程序执行速度。
这种方法所需的工作量极大, 蓝牙设备的驱动程序、HCI层以下协议栈和HCI上层控制模块在短时间内独立完成。
(2) 利用第三方提供的蓝牙开发平台, 开发出所需的通信模块。这种方法的优点是开发周期短、开发难度低, 但需购买蓝牙开发平台。
(3) 利用蓝牙市场上成熟的蓝牙设备, 以蓝牙的RFCOMM上层协议栈为平台, 开发蓝牙通信模块。
图2 第三种技术路线的通信模型
这种方法的优点是投资少、开发相对容易。
我们对第一种方法和第三种方法都做了研究, 在综合考虑后最终采用第三种技术路线开发成功, 其通信模型如图2。
3.系统设备选型及网络组织
3.1 蓝牙的拓扑结构蓝牙支持点对点和一点对多点的通信, 最基本的网络组成是微微网。微微网由主设备单元和从设备单元两种设备单元构成。主设备单元负责提供时钟同步信号和调频序列。而从设备单元一般是受控同步的设备单元, 并接受主设备单元的控制。在同一微微网中, 所有设备单元均采用同一调频序列。每个从设备单元的起始频率和占用信道由主设备单元控制。一个微微网中, 一般只有一个主设备单元, 而从设备单元目前最多可以有7个。不同的微微网之间可以互相连接。
图3 蓝牙微微网拓扑结构
设备选型要想实现数控系统与蓝牙监控系统之间的数据传输, 数控系统和蓝牙监控系统上必须有相应的蓝牙硬件。设备选型涉及到数控系统和蓝牙设备软硬件, 整个系统必须能够紧密配合, 否则无法实现系统的整体功能要求。系统的设备选型决定了整个系统的硬件成本、开发平台、软件开发难度、开发周期等一系列问题, 是一个系统工程, 关系到整个系统的研发成败。设备选型主要集中在数控系统本身蓝牙设备的选型和蓝牙监控设备的选型上。
图4
在数控系统本身的设备选型上, 我们采用了IPC+蓝牙USB Dongle的硬件组合, 它具有以下优点:
系统的成本低。IPC和蓝牙USB Dongle都是成熟的工业产品, 销售渠道多采购方便, 采购成本低。
便于开发平台的选择和统一。IPC严格符合业界的各种PC机标准, PC机的操作系统和丰富的软件开发平台都可以使用。蓝牙USB Dongle符合蓝牙1.1技术规范, 蓝牙丰富的上层协议为我们实施开发提供了丰富的协议接口。
蓝牙USB Dongle 与数控IPC是独立的硬件,大大增加了硬件的灵活性, 避免了硬件的独特性给采购带来的麻烦。
蓝牙的固定监控主机基本与数控系统本身的相同, 可以采用IPC +蓝牙USB Dongle或笔记本PC +蓝牙USB Dongle的组合。
基于以下几点, 蓝牙移动监控设备采用了HPiPAQ Pocket PC h5450 PDA:
简化了开发平台的选择和开发。该PDA采用MS的Pocket PC 210 (即Windows CE 310 ) 操作系统, 该系统支持主流的X86 系列微机在Windows NT下软件的嵌入式版本, 软件资源丰富。因此软件开发平台可选择免费eVC或eVB, 而避免了其它主流嵌入式操作系统如Palm OS和Linix所带来的软件资源不够丰富, 节省了昂贵的开发平台采购费用。
该PDA集成了符合蓝牙协议规范111 标准的蓝牙模块, 避免了PDA上蓝牙设备的开发和选型问题。
HP iPAQ Pocket PC h5400 PDA采用了ARM体系结构的Intel m PXA250 应用处理器, 它的主频为400MHz。该系统功耗低、性能高, 能够满足蓝牙监控系统要求的系统运行速度。
HP iPAQ Pocket PC h5400 PDA 的系统操作界面与主流的Windows操作系统的界面布置和使用方法相似, 界面友好、便于操作。便于使用人员的培训和使用。
整个硬件系统的硬件组织和网络拓扑结构见图4。
4.系统软件结构模型及功能
软件结构模式是指软件的组织管理方式, 即系统任务的划分方式、任务的调度机制、任务间的信息交换机制以及系统的集成方法等。研究结构模式是为了解决CNC系统软件集成的问题, 也是开发新系统首先要解决的问题, 是决定数控系统开发的成败和性能高低的第一要素。系统的整体软件结构模型见图5。
图5 系统总体软件结构模型
数控系统是基于Windows NT的全软件型数控系统, 软件构架采用“线形系统结构”, 这种软件结构具有结构简单、系统模块化程度高、开发维护简单等优点。数控系统与蓝牙结合并实现实时自动监控的首先要解决的问题是实时数据的高速实时采集。通过将蓝牙数控模块嵌入数控全软件数控系统的位控、速控模块, 问题就得到了很好的解决。系统运行过程中,蓝牙收发模块将位控模块采集的数控机床的各传感器的信息和机床的运动坐标状态实时地发送到蓝牙监控系统的蓝牙数据收发模块, 蓝牙监控系统的蓝牙数据收发模块将发送过来的数据分别送入实时自动监控模块, 实时自动监控模块对运行的状态信息按一定的监控算法进行分析检查, 如发现有异常则发送指令回CNC部分完成对机床的控制, 实时监控模块负责将系统的状态数据存入状态数据库。同时, 故障自动检测模块调用系统信息数据库中的机床实体三维信息和被加工工件的三维实体信息结合机床的实时加工状态信息检测可能发生的故障, 并实施自动干预措施。人工干预模块是一个人工干预命令集合, 在加工过程中技术人员可通过该模块人工发送指令, 控制机床的工作状态和实时修改加工参数。故障回放模块是一种事后处理系统。数控系统和蓝牙监控系统之间的工作是相互独立地实时并行工作, 因此无论CNC部分发生怎样严重的故障, 并行部分都能完整的记录系统的状态信息。故障回放和故障仿真模块调用系统状态数据库中的信息, 完成其对机床故障的重现, 帮助技术人员排除故障、积累避免故障的经验。
5.实现及结论
选择+ +Builder610 作为数控系统本体及数控系统中蓝牙收发模块和固定机蓝牙监控系统的开发平台; 采用eVB310 作为蓝牙移动监控系统的开发平台, 并完成了整个系统的开发工作。数控系统和蓝牙监控设备之间的蓝牙数据链可以随时建立和中断, 完全由用户掌握和控制。其中数控系统界面和蓝牙固定机监控系统界面分别见图6、图7。
图6 数控系统界面
图7 蓝牙固定机监控系统界面
蓝牙技术作为一种新兴无线通信其可以应用的领域很多, 我们首先将其应用于数控系统领域, 并取得了良好的效果, 为拓展数控系统的开发思路、增强数控系统功能作出了有益的尝试。
