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)控技術提出了更高的要求。傳統(tǒng)的CNC系統(tǒng)，設計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標準，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，可實現(xiàn)CAD與實際加工的無縫連接。

關鍵詞：STEP-NC? IEC 61499標準? 分層結(jié)構? 開放式數(shù)控系統(tǒng)

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

數(shù)控技術集計算機、自動控制、機械制造等技術為一體，它的廣泛應用，給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來巨大變革?，F(xiàn)代數(shù)控機床普遍仍采用G&M代碼進行編程，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)進行通訊。然而不同廠商的CNC機床具有不同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)控技術面臨更多挑戰(zhàn)。作為一種自動化加工系統(tǒng)，數(shù)控機床的設計變得更加復雜，需要根據(jù)不同的應用領域，與不同形式的自動化控制設備，如嵌入式系統(tǒng)、PLC等，集成在一個系統(tǒng)中，實行網(wǎng)絡化的分散控制。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準格式，不同品牌的CNC均可以讀取數(shù)據(jù)并進行加工[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，基于制造特征進行編程，而不是直接對刀具運動進行編程，加工流程以工作步作為單位，將工件特征與技術信息聯(lián)系到一起，實現(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)品設計需求。研究表明，當系統(tǒng)的控制單元是基于開放式的框架理念設計，而不是基于專有硬件時，可實現(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機床上通用的。開放式CNC系統(tǒng)是一種以PC機為基礎，集成多種CNC控制軟件的硬件平臺，通過擴展模塊，實現(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等信息，通過對數(shù)控加工過程進行描述，使數(shù)據(jù)可在CAD與CNC系統(tǒng)之間進行雙向傳輸（見圖1）。隨著STEP-NC數(shù)據(jù)模型和標準化工作的進展，國內(nèi)外學者做了大量的研究工作。西班牙阿利凱特大學的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的Fiona等人，建立了STEP-NC的數(shù)據(jù)模型與人機接口，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、清華大學以及安徽科技大學等高校的學者對STEP-NC 的研究重點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現(xiàn)原理等一些理論研究和程序信息的預處理上。

2? IEC 61499框架的概述

IEC 61499標準是隨著系統(tǒng)控制功能的分散化、智能化要求而提出的。利用現(xiàn)場總線設備、智能儀器構造的大型復雜控制系統(tǒng)，控制功能可物理分散在不同的設備中，不同設備中的軟件通過通訊網(wǎng)絡連接。IEC 61499提供一種基于功能塊機制的分布式控制系統(tǒng)策略，從下到上的層次結(jié)構為功能塊、資源、設備和系統(tǒng)。功能塊是系統(tǒng)基本單元，資源是功能塊的容器、設備包含單條或多條資源，而設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）、復合功能塊（CFK）、服務接口功能塊（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)，來實現(xiàn)功能塊內(nèi)部狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，完成設定的控制任務。復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，服務接口功能塊是由基本功能塊和復合功能塊實例所組成的功能塊構成，使復合IEC61499的CNC控制系統(tǒng)直接與具體設備驅(qū)動傳感器等直接建立通訊聯(lián)系，實現(xiàn)對機床的實時控制。資源是包含在設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。資源包括本地應用、過程映射。通訊映射和調(diào)度函數(shù)，將基本功能塊、復合功能塊、服務接口功能塊聯(lián)合使用形成資源以提供一個分布式控制應用的本地部分。設備是多條資源的容器，并提供這些資源與通訊網(wǎng)絡、傳感器和執(zhí)行器之間的接口。這些接口由支持分布式應用的專用資源中的SIFK完成。通訊網(wǎng)絡把各分散設備基層集成為一個完整的系統(tǒng)。這樣，分布在不同物理設備中的功能塊形成一個真正的分布式應用。

3? 結(jié)語

分布式的智能CNC機床推動生產(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機床之間進行傳遞。這種開放式的CNC系統(tǒng)具有分層結(jié)構，使CNC控制器各單元可分布在不同的設備中，便于進行設備的遠程管理與配置。分布式的智能CNC機床保證了數(shù)據(jù)信息的集成和共享，促進了數(shù)控技術智能化、網(wǎng)絡化和集成化的發(fā)展，為數(shù)控系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供了條件，但真正實現(xiàn)智能化控制還需要不懈的努力。

參考文獻

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

[2] 程國標.開放式數(shù)控系統(tǒng)研究[D].復旦大學，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].機床與液壓，2011（14）：84-89.