面向应用的柔性可重构数控系统设计

0 引言

　　数控系统在当今的工业制造领域中发挥着极其重要的作用，因此越来越多的工业加工领域都开始引入和应用数控系统以提高生产效率和生成质量，然而数控应用系统一般开发周期比较长，而且设计成本比较高，但随着计算机技术的迅猛发展，柔性可重构数控系统的设计理念被提出，极大地缩短了数控系统的设计周期，降低了数控系统的设计和应用成本，目前围绕柔性可重构数控系统的相关研究有：蒋知峰对数控系统的“柔性”与“开放性”的概念分别作了深入的分析，明确了“柔性”与“开放性”这两个不同概念之间的相互关系，并在此基础上对柔性数控系统的体系结构进行了详细的描述和论证。曹建福针对嵌入式数控系统快速组态开发的难题，构建并实现了一种基于构件的嵌入式柔性数控系统体系结构，对其中的通信协议、构件库、接口等关键模块开展了深人研究与实现。张洪峰等人对数控旋切系统这一特定的数控系统运动控制功能模块的柔性实现过程进行了研究，并通过实验测试，验证了其优良的加工性能。然而在进行柔性可重构数控系统设计过程中，面临着用户日益提高的设计要求以及数控功能模块实现多样性的选择，如何开发和设计出具有高性价比的柔性可重构系统是当前的研究热点和难点，为此笔者将从柔性可重构系统的设计模式和设计方法的角度进行深入的分析，为用户更好地利用现有的数控设计条件和资源，开发和实现具有高性价比的柔性可重构系统奠定基础。

1 柔性可重构数控系统设计模式

　　性可重构数控系统的设计思想是通过对数控结构中的功能模块进行柔性可重构的设计和应用，从而实现新设计的数控系统对当前现有数控系统的功能与模块保持良好的兼容性，能够最大程度的保留系统中的性价比较高的功能模块，同时又能将最新的数控系统应用中的新技术和新方法融入到柔性可重构数控系统中。因此，按照这一设计理念应该具备良好的兼容性、开放性和可扩展性。其中开放性是指柔性可重构系统能够对数控系统发展过程中产生的新技术及时地进行吸收和消化，使最新的数控新技术新产品能够融入到新设计的数控系统中。兼容性是指柔性数控系统设计的功能模块与当前现有的数控系统功能模块保持良好的兼容性和互操作性，使得新构建的柔性可重构系统中的部分模块可以应用当前现有的数控系统功能模块，而且现有的数控系统功能模块与新设计的数控系统功能模块保持良好的互操作性。可重构特性是指新设计的数控系统能够根据数控系统的应用环境、加工目标、加工任务的变化灵活地进行功能裁剪以及部分模块的更新或替换，从而实现整个数控系统的可完成的加工任务、加工功能的柔性可重构。

　　根据柔性数控系统的设计思想，笔者设计了如图1所示的柔性可重构系统设计模式，从图l可以看出，当用户采用柔性可重构的设计理念进行数控系统设计时，首先需要明确用户设计的数控系统功能及用户需求。由用户提出的需求进行分析和研究之后，可以将用户需求细化成多个具体的用户需求，主要包括应用环境的需求，加工任务的详细需求，加工精度要求，加工速度要求，用户操作要求以及其他参数的要求，所有的这些功能要求都将从用户提出的设计需求中进行详细的定义和描述。根据所有的约束条件以及当前所具备的数控系统设计和开发条件，可以在此基础上形成数控系统设计的详细技术指标与要求，主要包括数控系统核心处理速度的要求，提供的计算资源要求，数控系统所能够提供的加工控制的能力要求，数控系统各模块之间的通信速度要求，以及用户接口规范等相关要求。在这一阶段中所提供的各种要求都将是进行量化后的明确设计指标。用户根据这些明确的技术指标可以实现数控系统模块的选型设计。

图1 数控系统柔性可重构系统设计模式 

　　在进行数控系统功能选型和设计之前，还需要结合目前所具备的软硬件设计条件和软硬件基础条件对设计的数控系统软硬件层次进行划分，这实际上也是对数控系统的设计体系结构进行研究和划分。通过软硬件实现条件和综合实现代价，实现数控系统的软硬件层次划分界限，之后分别按照数控软件设计流程和数控硬件设计流程分别展开设计。在数控软件设计流程中，需要对软件设计功能模块进行详细的划分和描述，并分别针对每一个模块的功能进行实现，数控硬件设计流程首先需要对数控系统的硬件组成方案进行设计，提出数控系统的硬件组成结构，之后对硬件组成结构中的每个功能模块进行详细的设计，最终完成数控硬件系统的组成结构。

　　由此可见，笔者提出的柔性可重构数控系统的设计模式是自顶而下的，采用这种模式既有利于对用户所提出的设计要求进行细化，同时也能够确保所设计实现的柔性可重构系统完全满足用户的应用要求。此外，这一模式可以对数控系统设计过程中各个阶段过程中进行独立研究，对数控系统所需要的各个功能模块进行最优化设计，进一步优化数控系统可重构的设计理念。