基于STEP-NC的开放式CNC系统研究
来源:用户上传
作者:
摘 要：随着现代制造业的发展，人们对数控技术提出了更高的要求。传统的CNC系统，设计与加工信息不能完全共享、专用数控系统开发周期长、用户对CNC制造商的高度依赖性等问题，限制了数控系统的进一步发展，使其面临新的变革。因此文中提出了分层式的CNC系统框架，框架层采用IEC 61499标准，以STEP-NC作为模型语言，完成数据处理、储存、执行等任务，可实现CAD与实际加工的无缝连接。
关键词：STEP-NC IEC 61499标准 分层结构 开放式数控系统
中图分类号：T23 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）11（c）-0078-02
数控技术集计算机、自动控制、机械制造等技术为一体，它的广泛应用，给传统制造业带来巨大变革。现代数控机床普遍仍采用G&M代码进行编程，利用CAD/CAM工具绘制零件的几何图形并生成G代码，与CNC系统进行通讯。然而不同厂商的CNC机床具有不同G代码编程方式与数据格式，库函数不能共享，不具有通用性与互换性，降低了CNC的柔性加工性能[1-2]。同时，随着制造业整体水平的发展，数控技术面临更多挑战。作为一种自动化加工系统，数控机床的设计变得更加复杂，需要根据不同的应用领域，与不同形式的自动化控制设备，如嵌入式系统、PLC等，集成在一个系统中，实行网络化的分散控制。因此，需要一种新型的编程语言，具有描述零件几何形状与加工信息的标准格式，不同品牌的CNC均可以读取数据并进行加工[3]。文中，阐述一种新型开放式的CNC系统框架，可解决CNC以上所面临的问题。CNC系统采用STEP-NC语言，基于制造特征进行编程，而不是直接对刀具运动进行编程，加工流程以工作步作为单位，将工件特征与技术信息联系到一起，实现产品生命周期内数据在各部门之间的共享。软件框架基于IEC 61499功能模块，可根据特定需要，具有良好的扩展性。
1 STEP-CNC系统研究现状
目前CNC系统所面临的最大的挑战在于数控加工制造要满足灵活多变的产品设计需求。研究表明，当系统的控制单元是基于开放式的框架理念设计，而不是基于专有硬件时，可实现CNC系统的柔性与灵活性加工。传统数控加工的G代码是一种面向过程的编程语言，只能由CAM向CNC系统单向传递信号，反映刀具的行走位置、转速等，而不能反映工件的CAD模型、加工工艺等全部信息，并且同一种G代码是无法在不同厂商的CNC机床上通用的。开放式CNC系统是一种以PC机为基础，集成多种CNC控制软件的硬件平台，通过扩展模块，实现对刀具的控制与CAM的双向通讯。开放式CNC系统的目的，是绕过CAM的后处理器，直接处理CAD模型数据。所采用的STEP-NC语言，包含了工件的所有加工任务等信息，通过对数控加工过程进行描述，使数据可在CAD与CNC系统之间进行双向传输（见图1）。随着STEP-NC数据模型和标准化工作的进展，国内外学者做了大量的研究工作。西班牙阿利凯特大学的S.Cuenca等人，基于STEP-NC，开发一种名为“虚拟数字化”的控制算法，执行速度高于传统CNC系统兩个数量级;新西兰的奥克兰大学的Fiona等人，建立了STEP-NC的数据模型与人机接口，通过VB、C++等编程语言生成STEP-NC代码，对试件的在线监测，实现了CNC系统的闭环控制;在国内，STEP-NC数控系统的研究还处在刚刚起步的阶段。山东大学、清华大学以及安徽科技大学等高校的学者对STEP-NC 的研究重点主要集中在程序信息提取、工艺规划以及控制器的概念和实现原理等一些理论研究和程序信息的预处理上。
2 IEC 61499框架的概述
IEC 61499标准是随着系统控制功能的分散化、智能化要求而提出的。利用现场总线设备、智能仪器构造的大型复杂控制系统，控制功能可物理分散在不同的设备中，不同设备中的软件通过通讯网络连接。IEC 61499提供一种基于功能块机制的分布式控制系统策略，从下到上的层次结构为功能块、资源、设备和系统。功能块是系统基本单元，资源是功能块的容器、设备包含单条或多条资源，而设备的相互连接形成分布式系统。功能块是其中的核心，它是一种封装有一种或多种算法控制的特定数据结构的软件功能单元。IEC61499定义功能块有三种类型：基本功能块（BFK）、复合功能块（CFK）、服务接口功能块（SIFK）。基本功能块是通过定义输入输出变量、驱动事件、算法、执行控制表ECC、内部数据，来实现功能块内部状态的转换过程，完成设定的控制任务。复合功能块是由一些基本功能块组成，各基本功能块通过外部数据源相连，服务接口功能块是由基本功能块和复合功能块实例所组成的功能块构成，使复合IEC61499的CNC控制系统直接与具体设备驱动传感器等直接建立通讯联系，实现对机床的实时控制。资源是包含在设备里的一个功能单元，接收、处理、返回来自通讯接口的数据和事件。资源包括本地应用、过程映射。通讯映射和调度函数，将基本功能块、复合功能块、服务接口功能块联合使用形成资源以提供一个分布式控制应用的本地部分。设备是多条资源的容器，并提供这些资源与通讯网络、传感器和执行器之间的接口。这些接口由支持分布式应用的专用资源中的SIFK完成。通讯网络把各分散设备基层集成为一个完整的系统。这样，分布在不同物理设备中的功能块形成一个真正的分布式应用。
3 结语
分布式的智能CNC机床推动生产制造全球化发展，带来产品制造模式的巨大变革。文中介绍了以IEC 61499为框架，STEP-NC为输入数据模型的一种开放式的CNC系统，数据可在不同品牌的CNC机床之间进行传递。这种开放式的CNC系统具有分层结构，使CNC控制器各单元可分布在不同的设备中，便于进行设备的远程管理与配置。分布式的智能CNC机床保证了数据信息的集成和共享，促进了数控技术智能化、网络化和集成化的发展，为数控系统的智能化发展提供了条件，但真正实现智能化控制还需要不懈的努力。
参考文献
[1] 杜娟，闫献国，田锡天，等.面向铣削加工的STEP-NC文件到G代码转换技术[J].计算机集成制造系统，2010（1）：188-194.
[2] 程国标.开放式数控系统研究[D].复旦大学，2008.
[3] 易慧敏，张平.基于STEP-NC的CAM/CNC系统数据接口的研究[J].机床与液压，2011（14）：84-89.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15148222.htm
