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(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),可實現(xiàn)CAD與實際加工的無縫連接。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-098X(2019)11(c)-0078-02
數(shù)控技術(shù)集計算機、自動控制、機械制造等技術(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?,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(shù)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(shè)計變得更加復(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(shù)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(shè)計需求。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,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(chǔ),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(wù)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(biāo)準(zhǔn)化工作的進展,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(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(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)?;竟δ軌K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(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,實現(xiàn)對機床的實時控制。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(gòu),使CNC控制器各單元可分布在不同的設(shè)備中,便于進行設(shè)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(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(shù)[J].計算機集成制造系統(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].機床與液壓,2011(14):84-89.