有限状态机在开放式数控系统中的应用

　　下面在原有系统中集成监控功能,以监控刀具破损为例,证实基于FSM 构造的系统具有行为重构能力。

　　监控刀具破损功能指在主轴刀具发生破损或断裂时,系统能够及时检测到该情况,并自动停止所有轴。笔者编制了单独的模块,以实现刀具破损监控功能。通过读取外部传感器测得的主轴功率,依据一定的规则判定刀具破损,发出刀具破损(broken)事件(刀具破损判定规则不在本文研究范围内) 。监控刀具破损模块也在任务协调器的调度下周期性运行,在发生刀具破损时,它向任务协调器的标准接口发送broken 事件。

　　任务协调器对broken 事件做出反应,其行为发生变化,因此需要规划FSM ,修改状态表,包括增加新的状态、事件、转移和动作,如图6 中的虚线框内为新增FSM 部分。在其处理broken 事件的动作(对应于任务协调器的成员函数toolBrokenAction() ) 中向轴组发出stop 事件,而轴组模块已经具有处理stop 事件的能力,控制逻辑不发生改变,因此轴组和轴模块的FSM 不受影响,无需作任何修改。对状态表内容的修改包括增加一个“刀具破损Tool_Broken”状态,以及和刀具破损状态相关的两个转移,还有与“循环加工Incycle”状态相关的一个转移。这些新增条目可以利用FSM 类库提供的方法addTransition 来创建。该函数原型为CFiniteS2tateMachine : :addTransition ( st ring state , st ring e2vent , st ring next State , CFSMAction action) 。其中,CFiniteStateMachine 表示FSM 类, st ring 表示字符串类, state 表示对象当前所处状态的名称,e2vent 表示对象接收事件的名称,nextState 表示对象将转移的下一状态的名称,CFSMAction 表示FSM动作类,action 表示对象转移过程中被触发的动作。创建状态表的部分代码如下:

　　void CTaskCoordinator ∷setup FSM() / / 任务协调器建立FSM
　　{
　　addTransition (“Idle”, “setAuto ”, “Auto ”, & CTaskCoordina2
　　tor : : setAutoAction) ;/ / 原有转移
　　?
　　/ / 添加刀具破损、恢复、复位事件对应的转移
　　addTransition (“ InCycle ”, “ broken ”, “ Tool _ Broken ”,
　　&CTaskCoordinator : :toolBrokenAction) ;
　　addTransition (“ Tool _ Broken ”, “ resume ”, “ InCycle ”,
　　&CTaskCoordinator : : resumeAction) ;
　　addTransition (“ Tool _ Broken ”, “ reset ”, “ Idle ”,
　　&CTaskCoordinator : : resetAction) ;
　　}

　　可以看出,通过FSM 基础类库提供的方法能够方便、高效地改变状态表。此外,模块开发者还需要完成断刀处理动作, 即toolBrokenAction , re2sumeAction 和resetAction 的编程。

　　每个模块都要经过调试正确后进行集成,最终可获得具有刀具破损监控功能的三轴数控铣床系统(如图7) 。上述重构过程已在一开放式三轴数控铣床实验台上实现,达到了系统重构的目标。通过在三轴铣床系统中添加刀具破损检测功能,说明本系统也能够集成其他外部传感器信号,实施用户特有的控制策略。

图7 具有刀具监控功能的软件系统组成 

5 结论

　　FSM 作为系统的动态行为模型,使系统具有了行为重构能力,大大增强了开放性。基于有限状态机的行为建模的优点是:提供了构造系统动态行为的统一方式;可以对每个模块的行为单独检验,有助于错误的发现; FSM 采用层级方式管理,使系统的行为变化转变为对部分模块FSM 的修改;有限状态机基础类库提供了修改和存取模块内部控制逻辑的接口,使控制逻辑的定义与实现相分离。