基于STEP-NC的開放式CNC系統(tǒng)研究

陳麗娜 陳華

摘? ?要：隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，人們對數(shù)控技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的CNC系統(tǒng)，設(shè)計(jì)與加工信息不能完全共享、專用數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)周期長、用戶對CNC制造商的高度依賴性等問題，限制了數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，使其面臨新的變革。因此文中提出了分層式的CNC系統(tǒng)框架，框架層采用IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)，以STEP-NC作為模型語言，完成數(shù)據(jù)處理、儲存、執(zhí)行等任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)CAD與實(shí)際加工的無縫連接。

關(guān)鍵詞：STEP-NC? IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)? 分層結(jié)構(gòu)? 開放式數(shù)控系統(tǒng)

中圖分類號：T23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）11（c）-0078-02

數(shù)控技術(shù)集計(jì)算機(jī)、自動控制、機(jī)械制造等技術(shù)為一體，它的廣泛應(yīng)用，給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來巨大變革。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床普遍仍采用G&M代碼進(jìn)行編程，利用CAD/CAM工具繪制零件的幾何圖形并生成G代碼，與CNC系統(tǒng)進(jìn)行通訊。然而不同廠商的CNC機(jī)床具有不同G代碼編程方式與數(shù)據(jù)格式，庫函數(shù)不能共享，不具有通用性與互換性，降低了CNC的柔性加工性能[1-2]。同時，隨著制造業(yè)整體水平的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)面臨更多挑戰(zhàn)。作為一種自動化加工系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜，需要根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，與不同形式的自動化控制設(shè)備，如嵌入式系統(tǒng)、PLC等，集成在一個系統(tǒng)中，實(shí)行網(wǎng)絡(luò)化的分散控制。因此，需要一種新型的編程語言，具有描述零件幾何形狀與加工信息的標(biāo)準(zhǔn)格式，不同品牌的CNC均可以讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行加工[3]。文中，闡述一種新型開放式的CNC系統(tǒng)框架，可解決CNC以上所面臨的問題。CNC系統(tǒng)采用STEP-NC語言，基于制造特征進(jìn)行編程，而不是直接對刀具運(yùn)動進(jìn)行編程，加工流程以工作步作為單位，將工件特征與技術(shù)信息聯(lián)系到一起，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期內(nèi)數(shù)據(jù)在各部門之間的共享。軟件框架基于IEC 61499功能模塊，可根據(jù)特定需要，具有良好的擴(kuò)展性。

1? STEP-CNC系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前CNC系統(tǒng)所面臨的最大的挑戰(zhàn)在于數(shù)控加工制造要滿足靈活多變的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。研究表明，當(dāng)系統(tǒng)的控制單元是基于開放式的框架理念設(shè)計(jì)，而不是基于專有硬件時，可實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)的柔性與靈活性加工。傳統(tǒng)數(shù)控加工的G代碼是一種面向過程的編程語言，只能由CAM向CNC系統(tǒng)單向傳遞信號，反映刀具的行走位置、轉(zhuǎn)速等，而不能反映工件的CAD模型、加工工藝等全部信息，并且同一種G代碼是無法在不同廠商的CNC機(jī)床上通用的。開放式CNC系統(tǒng)是一種以PC機(jī)為基礎(chǔ)，集成多種CNC控制軟件的硬件平臺，通過擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)對刀具的控制與CAM的雙向通訊。開放式CNC系統(tǒng)的目的，是繞過CAM的后處理器，直接處理CAD模型數(shù)據(jù)。所采用的STEP-NC語言，包含了工件的所有加工任務(wù)等信息，通過對數(shù)控加工過程進(jìn)行描述，使數(shù)據(jù)可在CAD與CNC系統(tǒng)之間進(jìn)行雙向傳輸（見圖1）。隨著STEP-NC數(shù)據(jù)模型和標(biāo)準(zhǔn)化工作的進(jìn)展，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。西班牙阿利凱特大學(xué)的S.Cuenca等人，基于STEP-NC，開發(fā)一種名為“虛擬數(shù)字化”的控制算法，執(zhí)行速度高于傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)兩個數(shù)量級;新西蘭的奧克蘭大學(xué)的Fiona等人，建立了STEP-NC的數(shù)據(jù)模型與人機(jī)接口，通過VB、C++等編程語言生成STEP-NC代碼，對試件的在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了CNC系統(tǒng)的閉環(huán)控制;在國內(nèi)，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的研究還處在剛剛起步的階段。山東大學(xué)、清華大學(xué)以及安徽科技大學(xué)等高校的學(xué)者對STEP-NC 的研究重點(diǎn)主要集中在程序信息提取、工藝規(guī)劃以及控制器的概念和實(shí)現(xiàn)原理等一些理論研究和程序信息的預(yù)處理上。

2? IEC 61499框架的概述

IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)是隨著系統(tǒng)控制功能的分散化、智能化要求而提出的。利用現(xiàn)場總線設(shè)備、智能儀器構(gòu)造的大型復(fù)雜控制系統(tǒng)，控制功能可物理分散在不同的設(shè)備中，不同設(shè)備中的軟件通過通訊網(wǎng)絡(luò)連接。IEC 61499提供一種基于功能塊機(jī)制的分布式控制系統(tǒng)策略，從下到上的層次結(jié)構(gòu)為功能塊、資源、設(shè)備和系統(tǒng)。功能塊是系統(tǒng)基本單元，資源是功能塊的容器、設(shè)備包含單條或多條資源，而設(shè)備的相互連接形成分布式系統(tǒng)。功能塊是其中的核心，它是一種封裝有一種或多種算法控制的特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的軟件功能單元。IEC61499定義功能塊有三種類型：基本功能塊（BFK）、復(fù)合功能塊（CFK）、服務(wù)接口功能塊（SIFK）。基本功能塊是通過定義輸入輸出變量、驅(qū)動事件、算法、執(zhí)行控制表ECC、內(nèi)部數(shù)據(jù)，來實(shí)現(xiàn)功能塊內(nèi)部狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，完成設(shè)定的控制任務(wù)。復(fù)合功能塊是由一些基本功能塊組成，各基本功能塊通過外部數(shù)據(jù)源相連，服務(wù)接口功能塊是由基本功能塊和復(fù)合功能塊實(shí)例所組成的功能塊構(gòu)成，使復(fù)合IEC61499的CNC控制系統(tǒng)直接與具體設(shè)備驅(qū)動傳感器等直接建立通訊聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的實(shí)時控制。資源是包含在設(shè)備里的一個功能單元，接收、處理、返回來自通訊接口的數(shù)據(jù)和事件。資源包括本地應(yīng)用、過程映射。通訊映射和調(diào)度函數(shù)，將基本功能塊、復(fù)合功能塊、服務(wù)接口功能塊聯(lián)合使用形成資源以提供一個分布式控制應(yīng)用的本地部分。設(shè)備是多條資源的容器，并提供這些資源與通訊網(wǎng)絡(luò)、傳感器和執(zhí)行器之間的接口。這些接口由支持分布式應(yīng)用的專用資源中的SIFK完成。通訊網(wǎng)絡(luò)把各分散設(shè)備基層集成為一個完整的系統(tǒng)。這樣，分布在不同物理設(shè)備中的功能塊形成一個真正的分布式應(yīng)用。

3? 結(jié)語

分布式的智能CNC機(jī)床推動生產(chǎn)制造全球化發(fā)展，帶來產(chǎn)品制造模式的巨大變革。文中介紹了以IEC 61499為框架，STEP-NC為輸入數(shù)據(jù)模型的一種開放式的CNC系統(tǒng)，數(shù)據(jù)可在不同品牌的CNC機(jī)床之間進(jìn)行傳遞。這種開放式的CNC系統(tǒng)具有分層結(jié)構(gòu)，使CNC控制器各單元可分布在不同的設(shè)備中，便于進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程管理與配置。分布式的智能CNC機(jī)床保證了數(shù)據(jù)信息的集成和共享，促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的發(fā)展，為數(shù)控系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供了條件，但真正實(shí)現(xiàn)智能化控制還需要不懈的努力。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜娟，閆獻(xiàn)國，田錫天，等.面向銑削加工的STEP-NC文件到G代碼轉(zhuǎn)換技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010（1）：188-194.

[2] 程國標(biāo).開放式數(shù)控系統(tǒng)研究[D].復(fù)旦大學(xué)，2008.

[3] 易慧敏，張平.基于STEP-NC的CAM/CNC系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口的研究[J].機(jī)床與液壓，2011（14）：84-89.