構(gòu)建開放式數(shù)控系統(tǒng)的一個基本原則就是模塊化，通過模塊化進行系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的分解，降低耦合、增強內(nèi)聚并控制粒度，以提高模塊的復(fù)用性。很多學(xué)者開展了有關(guān)這方面的研究工作，我們也在這個領(lǐng)域進行了一些探索，并發(fā)表了一些研究成果，圍繞模塊的接口設(shè)計、建模方法、系統(tǒng)配置等問題都進行了探討和研究。

　　隨著研究的深入，我們認識到除上述內(nèi)容之外，控制信息在各模塊間的傳遞也是值得研究的問題。本文主要針對數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)控制信息的表述及傳遞的問題，結(jié)合自主開發(fā)的開放式系統(tǒng)HITCNC進行深入探討。首先介紹HITCNC系統(tǒng)的組成，然后重點闡述如何利用嵌套式任務(wù)單元實現(xiàn)信息的表達與有效傳遞，最后通過實驗加以驗證。

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)HITCNC的模塊化構(gòu)成

　　我們采用Windows NT+RTX(Real—time exten-sion for Windows)為系統(tǒng)平臺，以軟件化方式實現(xiàn)運動控制和邏輯控制功能，建立了基于PC機的軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)HITCNC。它與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊通過遵循SERCOS協(xié)議的SofiSercans通訊卡完成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
圖1開放式效控系統(tǒng)HITCNC的模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　HITCNC是“軟件數(shù)控”，即CNC功能全部由軟件實現(xiàn)，各部分功能被分解到不同的軟件模塊中。其中人機接口、任務(wù)生成器模塊是在Windows環(huán)境下運行的COM組件；任務(wù)協(xié)調(diào)器、軸組、離散邏輯控制器、軸模塊、控制規(guī)律模塊則是運行于RTX實時環(huán)境下的動態(tài)鏈接庫。

　　各模塊具體功能如下：

　　(1)任務(wù)協(xié)調(diào)器進行任務(wù)分配，負責(zé)系統(tǒng)內(nèi)各模塊的協(xié)調(diào)與調(diào)度。

　　(2)任務(wù)生成器根據(jù)一定的語法規(guī)則對數(shù)控加工程序進行語法檢查，完成譯碼工作，生成包含運動信息的運動段指令和邏輯控制指令，并對運動指令進行刀具補償。

　　(3)軸組模塊完成加減速處理、插補任務(wù)，對譯碼得到的運動段按照一定的進給速度要求進行細分，得到單個插補周期內(nèi)的直線段進給量，然后分解并輸出給各個軸模塊。

　　(4)軸模塊接收來自軸組模塊的指令，同時讀取外部的反饋信息，根據(jù)用戶需求選擇性地調(diào)用伺服控制規(guī)律完成位置控制或速度控制等功能，并將控制信息發(fā)送給外部執(zhí)行單元。

　　(5)控制規(guī)律模塊負責(zé)伺服控制規(guī)律的計算，提供多種控制策略。

　　(6)離散邏輯控制模塊負責(zé)對外部輸入和內(nèi)部狀態(tài)變量進行布爾運算得到相應(yīng)輸出和內(nèi)部狀態(tài)變量，并對外部輸入輸出設(shè)備進行控制，包括機電設(shè)備的啟停、刀具的交換等。

2 控制信息的抽象與表達

　　2.1 任務(wù)單元

　　對數(shù)控系統(tǒng)而言，其所要處理的信息主要來自數(shù)控加工程序。在本系統(tǒng)中，數(shù)控程序經(jīng)任務(wù)生成器處理得到的控制信息(包括運動控制與邏輯控制)采用有限狀態(tài)機FSM(Finite State Machine)進行描述。這里，將包含控制信息的FSM對象稱為任務(wù)單元。有限狀態(tài)機通常采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來表示，其構(gòu)成要素包括狀態(tài)、轉(zhuǎn)移、事件、動作。簡化的任務(wù)單元狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖參見圖2。其中“未初始化、已初始化、運行、停止、結(jié)束”表示狀態(tài)；“初始化、執(zhí)行、刷新、復(fù)位、完成、停止”表示事件；“initialization()、runningAction()、stopAction()、resetAction()”表示動作；當(dāng)任務(wù)單元處于“未初始化”狀態(tài)，并接收到事件“初始化”時，它會執(zhí)行動作“initialization()”，并完成由“未初始化”狀態(tài)向“已初始化”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。任務(wù)單元本身就是一個有限狀態(tài)機對象。有限狀態(tài)機的基本概念和軟件化實現(xiàn)方法參見文獻，這里不再詳述。

 
圖2簡化的任務(wù)單元狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　2.2 任務(wù)單元的種類

　　根據(jù)任務(wù)單元所要完成功能，本系統(tǒng)定義了多種任務(wù)單元類，如圖3。

 
圖3任務(wù)單元的種類

　　(1)運動任務(wù)單元對應(yīng)于輸入軸組模塊的數(shù)據(jù)FSM，分為直線、圓弧運動任務(wù)單元等。除了具有基本的FSM管理和參數(shù)化方法之外，運動任務(wù)單元還包括速率、待加工的幾何信息等以及負責(zé)刀具軌跡規(guī)劃的速度輪廓生成器。它們在軸組模塊內(nèi)按照圖2規(guī)劃的FSM運行，通過執(zhí)行動作initilization()和runningAc—tion()分別完成插補的初始化和插補計算任務(wù)。

　　(2)離散邏輯任務(wù)單元對應(yīng)于輸入離散邏輯模塊的數(shù)據(jù)FSM。離散邏輯單元負責(zé)對外部輸人輸出單元的協(xié)調(diào)和控制。如主軸的啟停、冷卻液的開關(guān)等。

　　(3)執(zhí)行步任務(wù)單元在任務(wù)協(xié)調(diào)器內(nèi)的FSM對象，包括運動任務(wù)執(zhí)行步和離散邏輯任務(wù)執(zhí)行步，分別負責(zé)監(jiān)控和管理運動任務(wù)單元和離散邏輯任務(wù)單元的執(zhí)行。例如直線運動任務(wù)單元就是在運動執(zhí)行步的監(jiān)控下運行的，具體實現(xiàn)過程將在下文詳細解釋。對于圖3中的各種任務(wù)單元，采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，以基類任務(wù)單元模板來抽象表示它們的共性，則每一種具體類型的任務(wù)單元都通過從任務(wù)模板基類派生定制實現(xiàn)。

3 控制信息的傳遞與系統(tǒng)模塊的協(xié)作

　　任務(wù)單元是可以嵌套的，一個任務(wù)單元能夠包含其它的任務(wù)單元。當(dāng)外層任務(wù)單元的有限狀態(tài)機被激活時，它能夠向下層模塊發(fā)送其內(nèi)嵌的任務(wù)單元。這樣，就可以將數(shù)控程序包含的控制信息以任務(wù)單元的形式在模塊間傳送，被傳送的任務(wù)單元成為下層模塊內(nèi)活動的狀態(tài)機，從而控制下層模塊的行為。外層任務(wù)通過對嵌套任務(wù)的管理就可以實現(xiàn)對下層邏輯和運動控制模塊的協(xié)調(diào)調(diào)度。在本系統(tǒng)中，執(zhí)行步任務(wù)單元屬于外層任務(wù)，它負責(zé)嵌套包含運動任務(wù)單元和離散邏輯任務(wù)單元。通過下面的例子來說明當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行一個加工程序時，模塊間的協(xié)作關(guān)系與數(shù)據(jù)流的傳遞過程，如圖4所示。執(zhí)行步驟如下：

 
圖4模塊間的協(xié)作與數(shù)據(jù)傳遞

　　步驟1 加工程序在任務(wù)生成器中被翻澤為一系列執(zhí)行步任務(wù)單元，以鏈表的形式存在；每個執(zhí)行步任務(wù)單元都是嵌套的，內(nèi)部包含有等待執(zhí)行的運動任務(wù)單元或邏輯控制單元。

　　步驟2 任務(wù)協(xié)調(diào)器通過調(diào)用getTasks()獲取執(zhí)行步單元。在本系統(tǒng)中，任務(wù)生成器是一個COM組件，在Windows環(huán)境下運行；任務(wù)協(xié)調(diào)器是一個實時動態(tài)鏈接庫，在實時操作系統(tǒng)RTX環(huán)境下運行。兩個模塊通過共享內(nèi)存?zhèn)鬟f具有嵌套結(jié)構(gòu)的執(zhí)行步任務(wù)單元。

　　步驟3 任務(wù)協(xié)調(diào)器調(diào)用執(zhí)行步單元提供的exe—cuteUnit()激活其包含的狀態(tài)機。步驟3會重復(fù)執(zhí)行多次，因為它要與下層模塊保持同步(例如，等待當(dāng)前嵌套的運動任務(wù)單元被完成)。

　　步驟4 在任務(wù)協(xié)調(diào)器內(nèi)處于活動狀態(tài)的執(zhí)行步任務(wù)單元將內(nèi)嵌的運動任務(wù)單元發(fā)送到軸組模塊的運動隊列中，通過調(diào)用setNextMotionSegment()實現(xiàn)。運動任務(wù)單元被加載到軸組隊列后等待被激活。

　　步驟5 加載到軸組隊列首位的運動單元首先被激活，軸組模塊周期性調(diào)用該運動任務(wù)單元的exe-cuteUnit()方法，運動任務(wù)單元依照它的有限狀態(tài)機規(guī)劃開始運行。此時外層執(zhí)行步的狀態(tài)機在任務(wù)協(xié)調(diào)器內(nèi)同步運行，并不斷查詢運動任務(wù)單元的狀態(tài)，直至運動任務(wù)單元轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖Y(jié)束”狀態(tài)為止。

　　圖5給出了上述任務(wù)單元在控制系統(tǒng)內(nèi)的被傳遞和執(zhí)行過程中自身狀態(tài)所發(fā)生的轉(zhuǎn)變，同時可以看出它們的管理對象也發(fā)生了變化。首先，嵌套任務(wù)單元由任務(wù)生成器譯碼得到，任務(wù)協(xié)調(diào)器調(diào)用外層執(zhí)行步任務(wù)單元的executeUnit()方法激活其有限狀態(tài)機進行一系列更新操作，執(zhí)行步由“未初始化”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙殉跏蓟睜顟B(tài)，同時完成動作initiationAction()，把內(nèi)嵌的運動任務(wù)單元發(fā)送到軸組的運動隊列中。軸組調(diào)用運動任務(wù)單元的executeUnit()方法，使運動任務(wù)單元在軸組內(nèi)被激活，周期性刷新，依次處理“初始化”、“執(zhí)行”事件，完成動作“runningAction()”進行插補計算直至插補結(jié)束。在此過程中，位于上層任務(wù)協(xié)調(diào)器中的執(zhí)行步進入“運行”狀態(tài)，它也通過自身的“runningAction()”動作不斷查詢其內(nèi)嵌運動任務(wù)單元是否為“結(jié)束”狀態(tài)。當(dāng)運動任務(wù)單元結(jié)束時，軸組將其從運動隊列中刪除；任務(wù)協(xié)調(diào)器中的執(zhí)行步繼續(xù)監(jiān)控它所包含的下一任務(wù)單元或者將控制權(quán)移交給下一個執(zhí)行步。圖中兩側(cè)所示為執(zhí)行步任務(wù)單元與運動任務(wù)單元在不同時刻所對應(yīng)的管理對象。

 
圖5嵌套任務(wù)單元在系統(tǒng)內(nèi)的執(zhí)行過程

　　通過上面的例子可以看出，利用有限狀態(tài)機，任務(wù)單元通過在其內(nèi)部封裝一系列狀態(tài)變化，進而實現(xiàn)了系統(tǒng)預(yù)期完成的操作和功能；更重要的是，任務(wù)單元的嵌套結(jié)構(gòu)設(shè)計就象是一棵樹上的主干和分支，實現(xiàn)了信息在系統(tǒng)內(nèi)的有序流動和傳遞，而且這種嵌套設(shè)計使任務(wù)單元具有智能特征，具備了協(xié)調(diào)下層運動模塊和邏輯控制模塊的能力。

4 實驗驗證

　　筆者開發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)其組成如前所述，配備于一臺三軸銑床上。為了驗證任務(wù)單元的設(shè)計是否實現(xiàn)了控制信息的有效表達與傳遞，進行了下面實驗。

　　(1)直線、圓弧運動任務(wù)單元的驗證：我們所開發(fā)的系統(tǒng)最初只具有直線、圓弧加工能力，因此利用該三軸銑床進行了圖6所示的鼠標殼體的加工。實驗表明包含F(xiàn)SM的嵌套式任務(wù)單元設(shè)計合理，控制信息在模塊間傳遞無誤，數(shù)控系統(tǒng)具有實用性，整體性能良好。

　　(2)運動任務(wù)單元的派生——擴充NURBS曲線加工能力：系統(tǒng)功能擴充的途徑之一就是派生新的運動任務(wù)單元，創(chuàng)建滿足特定加工能力的子類。為了在常規(guī)插補的基礎(chǔ)上擴充NURBS插補，從運動任務(wù)單元來派生CNurbsSegment運動任務(wù)單元，其封裝實現(xiàn)了NURBS曲線插補功能。CNurbsSegment運動任務(wù)單元仍然采用執(zhí)行步任務(wù)單元嵌套管理方式，最終系統(tǒng)具有了NURBS曲線加工能力。圖7就是利用NURBS曲線插補功能所加工的電鉆殼體模具。CNurbsSegment運動任務(wù)單元部分代碼如下

　　正是由于采用了嵌套式任務(wù)單元的設(shè)計，系統(tǒng)功能擴充過程中只需對任務(wù)生成器和任務(wù)協(xié)調(diào)器進行代碼的添加，而不用修改構(gòu)成系統(tǒng)的其它部分，模塊的可重用性大大增強。

5 結(jié)語

　　本文提出了一種采用FSM數(shù)據(jù)形式封裝控制信息，并以嵌套結(jié)構(gòu)形式使其在數(shù)控系統(tǒng)各模塊中智能化地傳遞的方法。實驗證明，該方法不僅保證了模塊間信息的有序傳遞和模塊問的相互協(xié)作，而且系統(tǒng)功能擴展能力易于實現(xiàn)，模塊的可重用性大大增強。