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0.前言

計算機數控技術是一個國家制造業(yè)發(fā)展水平的標志。CAM和CNC的數據接口標準ISO6983(RS274D)協(xié)議,已經無法滿足數控系統(tǒng)的發(fā)展的需要,其局限性已日益暴露并影響數控系統(tǒng)的廣泛應用。因此,新的數據接口標準STEP-NC必然會取代舊的標準并且將給包括數控技術在內的整個制造業(yè)帶來革命性影響。本文提出的基于STEP-NC的開放式數控系統(tǒng)旨在以STEP統(tǒng)一表征CNC加工過程中涉及的全部信息,實現CAD、CAM和CNC之間的無縫連接,同時為數控系統(tǒng)提供完整的產品數據,更好地提高數控系統(tǒng)的開放性能。

1.STEP-NC概述

1.1ISO6983協(xié)議的缺點

隨著CAD/ACM系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)性能的提高,ISO6983協(xié)議已經成為制約數控技術的智能化、集成化、網絡化發(fā)展的“瓶頸”,已遠不能滿足數控技術高速發(fā)展的需要,其缺點如下:(1)現場編程或修改非常困難,對于稍具復雜性的加工對象,G、M代碼一般需要事先由后處理程序生成,增加了信息流失或出錯的可能性;(2)G、M代碼只定義了機床的運動和開關動作,不包含產品數據的其它信息,因此CNC系統(tǒng)根本不可能獲得完整的產品信息,更不可能真正實現智能化;(3)從CAD/CAM系統(tǒng)到CNC系統(tǒng)的傳輸過程是單向的,難以支持先進制造模式;(4)由于覆蓋面太窄,廠商不得不開發(fā)各自的擴充功能和專有指令,造成不同控制系統(tǒng)之間互不兼容;(5)不支持基于樣條數據的五軸銑和高速加工;(6)生產準備時間長,生產效率低。

1.2STEP-NC的優(yōu)點

為了克服ISO6983的諸多缺點,一種新的數控接口標準STEP-NC(ISO14649)應運而生。STEP-NC將產品模型數據交換標準(STandardfortheEx2chargeofProductmodeldata,STEP)擴展至數控系統(tǒng)領域,重新規(guī)定了CAD/CAM與數控系統(tǒng)之間的接口。它要求數控系統(tǒng)直接使用符合STEP標準(ISO10303)的CAD三維產品數據模型(包括零件幾何數據、設置和制造特征),加上工藝信息和刀具信息,直接產生加工程序來控制機床。其間,CAM系統(tǒng)只負責加入工藝信息和刀具信息而不必進行后置處理。STEP-NC的優(yōu)點如下:(1)面向對象和特征,描述工件的加工操作,不依賴于機床軸的運動,同一加工程序可適用于不同CNC;(2)傳統(tǒng)設計信息是圖形,加工信息是數據,但STEP-NC使用系統(tǒng)和人都能解析的產品數據模型代替圖形;(3)傳統(tǒng)加工必須把圖形描述的生產要求轉變成機床指令,使用STEP-NC可利用工藝規(guī)劃工具生成指令,使特征識別更快更準確;(4)使用STEP-NC可實現CAD、CAM、CNC信息的雙向流動;(5)支持五軸銑,支持高速切削;(6)消除了后置處理器;(7)STEP-NC統(tǒng)籌考慮設計與制造模型,集成在產品數據模型中,不存在數據傳遞誤差,可實現精確加工[1]。

2.STEP-NC產品數據模型

2.1STEP-NC涵蓋的內容

STEP-NC定義了一個CAM和CNC之間的新的數據接口標準(AP238),其本質是面向對象,描述“加工什么”。STEP-NC采用工作步驟(Working2steps)指定加工過程,工作步驟將加工特征和具體操作聯(lián)系起來,由CNC將其轉化為軸的運動和刀具操作。AP238是一個充分集成的應用協(xié)議,其幾何定義與AP203、AP214一致,加工特征與AP224相同,公差定義與AP219一致,因此可以直接使用相關模型[2]。AP238涵蓋了產品從概念到成品(零件)全過程所需的全部信息。AP238文件中的工作步驟相當于傳統(tǒng)數控文件中的G、M代碼。

0.前言

計算機數控技術是一個國家制造業(yè)發(fā)展水平的標志。CAM和CNC的數據接口標準ISO6983(RS274D)協(xié)議,已經無法滿足數控系統(tǒng)的發(fā)展的需要,其局限性已日益暴露并影響數控系統(tǒng)的廣泛應用。因此,新的數據接口標準STEP-NC必然會取代舊的標準并且將給包括數控技術在內的整個制造業(yè)帶來革命性影響。本文提出的基于STEP-NC的開放式數控系統(tǒng)旨在以STEP統(tǒng)一表征CNC加工過程中涉及的全部信息,實現CAD、CAM和CNC之間的無縫連接,同時為數控系統(tǒng)提供完整的產品數據,更好地提高數控系統(tǒng)的開放性能。

1.STEP-NC概述

1.1ISO6983協(xié)議的缺點

隨著CAD/ACM系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)性能的提高,ISO6983協(xié)議已經成為制約數控技術的智能化、集成化、網絡化發(fā)展的“瓶頸”,已遠不能滿足數控技術高速發(fā)展的需要,其缺點如下:(1)現場編程或修改非常困難,對于稍具復雜性的加工對象,G、M代碼一般需要事先由后處理程序生成,增加了信息流失或出錯的可能性;(2)G、M代碼只定義了機床的運動和開關動作,不包含產品數據的其它信息,因此CNC系統(tǒng)根本不可能獲得完整的產品信息,更不可能真正實現智能化;(3)從CAD/CAM系統(tǒng)到CNC系統(tǒng)的傳輸過程是單向的,難以支持先進制造模式;(4)由于覆蓋面太窄,廠商不得不開發(fā)各自的擴充功能和專有指令,造成不同控制系統(tǒng)之間互不兼容;(5)不支持基于樣條數據的五軸銑和高速加工;(6)生產準備時間長,生產效率低。

1.2STEP-NC的優(yōu)點

為了克服ISO6983的諸多缺點,一種新的數控接口標準STEP-NC(ISO14649)應運而生。STEP-NC將產品模型數據交換標準(STandardfortheEx2chargeofProductmodeldata,STEP)擴展至數控系統(tǒng)領域,重新規(guī)定了CAD/CAM與數控系統(tǒng)之間的接口。它要求數控系統(tǒng)直接使用符合STEP標準(ISO10303)的CAD三維產品數據模型(包括零件幾何數據、設置和制造特征),加上工藝信息和刀具信息,直接產生加工程序來控制機床。其間,CAM系統(tǒng)只負責加入工藝信息和刀具信息而不必進行后置處理。STEP-NC的優(yōu)點如下:(1)面向對象和特征,描述工件的加工操作,不依賴于機床軸的運動,同一加工程序可適用于不同CNC;(2)傳統(tǒng)設計信息是圖形,加工信息是數據,但STEP-NC使用系統(tǒng)和人都能解析的產品數據模型代替圖形;(3)傳統(tǒng)加工必須把圖形描述的生產要求轉變成機床指令,使用STEP-NC可利用工藝規(guī)劃工具生成指令,使特征識別更快更準確;(4)使用STEP-NC可實現CAD、CAM、CNC信息的雙向流動;(5)支持五軸銑,支持高速切削;(6)消除了后置處理器;(7)STEP-NC統(tǒng)籌考慮設計與制造模型,集成在產品數據模型中,不存在數據傳遞誤差,可實現精確加工[1]。

2.STEP-NC產品數據模型

2.1STEP-NC涵蓋的內容

STEP-NC定義了一個CAM和CNC之間的新的數據接口標準(AP238),其本質是面向對象,描述“加工什么”。STEP-NC采用工作步驟(Working2steps)指定加工過程,工作步驟將加工特征和具體操作聯(lián)系起來,由CNC將其轉化為軸的運動和刀具操作。AP238是一個充分集成的應用協(xié)議,其幾何定義與AP203、AP214一致,加工特征與AP224相同,公差定義與AP219一致,因此可以直接使用相關模型[2]。AP238涵蓋了產品從概念到成品(零件)全過程所需的全部信息。AP238文件中的工作步驟相當于傳統(tǒng)數控文件中的G、M代碼。

3.1開放式數控系統(tǒng)數控系統(tǒng)按結構形式可分為傳統(tǒng)封閉式和開放式(包括PC嵌入NC、NC嵌入PC和SOFT型三種結構)。SOFT型開放式數控系統(tǒng)基于PC的概念實現CNC的功能,其軟件在PC中,硬件是PC與伺服驅動和外部I/O間的標準化通用接口。用戶可以利用開放的CNC內核,開發(fā)各種所需功能。我國硬件設計、制造水平不高,而軟件開發(fā)人員眾多,軟件設計水平也比較高。完全采用軟件在工業(yè)PC上實現數控系統(tǒng),比較適合我國國情,也更易于實現開放性。

本文確定的開放式數控系統(tǒng)總體框架主要由以下幾部分構成:

(1)系統(tǒng)軟件平臺。采用WindowsNT和美國Venturcom公司的RTX(Real-TimeExtension)作為系統(tǒng)的軟件平臺。

(2)系統(tǒng)硬件平臺。以PC機和SoftSERCANS通訊卡為系統(tǒng)的硬件平臺。

(3)符合SERCOS協(xié)議的伺服系統(tǒng)與I/O設備。

SERCOS協(xié)議作為國際標準,不僅可以用于運動控制與伺服系統(tǒng)之間的實時通訊,而且它還對I/O功能做出了相應規(guī)定,能夠同時完成PC機與I/O設備之間離散數字信號的實時通訊。這樣可以在眾多廠家提供的符合SERCOS標準的伺服驅動器和I/O模塊產品中進行選擇和配置,以滿足控制軸數、控制方式等要求。我們選用了德國力士樂公司的伺服驅動器和I/O模塊產品。

(4)數控功能軟件?；赪indows和RTX提供的應用程序編程接口編制全軟件型開放式數控系統(tǒng),主要功能是接收輸入的加工信息,完成數控計算、邏輯判斷和I/O控制等功能。

3.2STEP-NC數控系統(tǒng)

基于STEP-NC的開放式數控系統(tǒng)應該使用統(tǒng)一的數據模型來實現CAX與CNC的無縫連接,STEP-NC數控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的ISO6983數控系統(tǒng)相似,其關鍵部分是STEP-NC產品數據模型和STEP-NC解釋器。因此在上述的開放式數控系統(tǒng)內用STEP-NC解釋器代替G代碼解釋器,再增加一個刀軌生成器,即可實現STEP-NC數控系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)的結構模型如圖2所示,主要由以下幾個功能模塊組成。

(1)車間級編程系統(tǒng)模塊

該模塊的主要功能為讀取三維實體模型的幾何信息,生成AP238文件。目前大多數CAD軟件(比如UG、Solidworks等)都內嵌有STEP轉換接口,能夠有效處理3D幾何形狀。此模塊可以解釋AP203/AP214文件,從其中的幾何特征中自動識別出ISO14649(Part10)所定義的加工特征,并根據ISO14649(Part10、Part11)定義的加工步驟所描述的特征操作進行工藝規(guī)劃,最后輸出AP238文件。

這一過程中可以應用Steptools公司的ST-Plan軟件,其主要功能就是讀取STEP文件輸出STEP-NC文件。

它擁有強大的用戶界面,有利于使用者重新對特征進行分類,改變加工順序,選擇加工和工具屬性。

(2)NC用戶圖形界面模塊

該模塊是STEP-NC數控系統(tǒng)的人機接口,也是其它模塊之間實現通訊聯(lián)系的接口。通過此模塊可以導入STEP-NC程序文件,并可以對工作步驟進行增添、刪除和次序更改;可以顯示和編輯某一工作步驟的幾何形狀、公差、特征、技術要求、刀具、材料和坐標等相關信息,并以同樣的格式返回到上游的設計階段,體現了STEP-NC設計制造模型的一體化和數據可以雙向流動的特點。

(3)一致性檢測模塊

該模塊主要是對AP238文件進行一致性檢測。該模塊用來檢查加工工步、加工特征、刀具信息、幾何尺寸和公差以及其它STEP-NC特征信息是否符合國際標準,若符合標準,則STEP-NC程序文件被送到程序信息樹模塊和刀軌生成模塊繼續(xù)處理;若不符合,則返回到NC用戶圖形界面模塊重新編輯修改直至符合標準。

(4)程序信息樹模塊

此模塊負責把STEP-NC數控程序中的數據信息顯示成樹狀,用戶可以通過點擊不同的節(jié)點觀察各個實體的屬性及其取值情況,讓用戶對整個程序的信息結構具有一個直觀、形象的認識。這種表示形式符合人類的認識規(guī)律,結構層次明顯,表達清楚,界面比較友好,更加容易理解。

(5)智能工藝數據庫模塊

智能工藝數據庫用來存放專家們所掌握的各種加工工藝以及對于各種故障原因及其處置方法的知識,可以包括加工條件、加工參數、刀具管理和故障診斷處理等各種數據庫、知識庫和策略庫等多種信息。推理軟件依據智能工藝數據庫中存儲的知識、經驗和推理方法等大量信息,對機床運行中的實時加工狀態(tài)進行監(jiān)測、調節(jié)和故障診斷處理等控制[4]。

(6)刀軌生成模塊

該模塊的功能是根據加工特征、操作以及加工策略等信息生成每一加工工作步驟的刀位軌跡。由于STEP-NC程序文件里包含了零件從設計到成品所需要的全部加工信息,因此可以根據智能工藝數據庫模塊提供的加工條件和加工參數等信息對刀軌進行優(yōu)化,通過最優(yōu)刀軌算法決定最合適的走刀路線、切削進給量以及切削速度等。

(7)加工仿真模塊

在零件進行實際加工之前,通過此模塊模擬運行所有加工步驟,以檢查是否存在干涉或其它問題,然后再進行真實加工[5]。

值得一提的是,從ISO6983到ISO14649,無論如何都要有一個過渡周期,因此本文所設計的數控系統(tǒng)保留了ISO6983解釋器,即本系統(tǒng)除了可以執(zhí)行STEP-NC文件外,還可以執(zhí)行傳統(tǒng)ISO6983的G代碼。只是該解釋器是作為CNC系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),而不是STEP-NC解釋器模型的一部分。

4.結論

STEP-NC的提出和發(fā)展結束了長期以來數控系統(tǒng)只是被動地執(zhí)行動作而不知究竟在干什么的歷史,為數控系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供了條件。我國已經加入WTO,制造業(yè)尤其是數控加工行業(yè)面臨著國外企業(yè)的激烈競爭和嚴峻挑戰(zhàn)。我們應努力從技術角度出發(fā),研究現實可行的方案,開放出適合我國國情的基于STEP-NC的開放式數控系統(tǒng),縮小與發(fā)達國家的差距。