基于STEP-NC的数控系统体系结构的研究.doc

基于STEP-NC的数控系统体系结构的研究*STEP-NC/数控系统/模型/结构1 引言 随着STEP-NC标准的制定和逐步完善,基于STEP-NC开放式数控系统发展成为必然。尽管数控系统从系统设计方法到系统的实现方式千差万别,但其基本组成与原理都是类似的。作为一个典型的计算机应用系统,任何数控系统都离不开硬件和软件的支持。通过系统控制软件配合系统硬件,合理地组合、管理数控系统的输入、数据处理、插补和信息输出,控制执行部件,使数控机床按照操作者的要求有条不紊地进行加工。 基于STEP-NC数控系统的体系结构研究类型可以分为三类:嵌入型、标准型和智能型。标准型与智能型相比,虽然在功能上缺乏自组织、自适应、自学习等方面较强的智能能力,但是标准型STEP-NC数控系统本身具有比较完整的闭环框架结构和基于特征的信息处理功能,所以在系统实现技术上并没有本质的差别。智能型STEP-NC数控系统是STEP-NC数控系统研究和发展的目标。开放式体系结构使数控系统具有更好的适应性、通用性、柔性、扩展性,并向智能化、网络化方向发展。2 数控系统开放式的研究现状 长期以来数控设备制造公司,对CNC均采取封闭式设计,各自设计生产自己的CNC,彼此并不兼容。这给数控机床制造厂家的生产和最终用户的使用、维护带来诸多不便。很多情况下,用户需要把特殊要求融入到控制系统中,传统数控系统的封闭性,使得对它的修改和功能扩充极为有限。最终用户在使用、维护控制系统时同样面临这个问题。更为不便的是,软件对硬件的不可移植性使得计算机和其它领域的先进技术在CNC中的应用也存在相对的滞后期。为了克服上述不足,国内外许多企业和政府研究机构在数控系统的开放性方面做了大量的研究工作1。 “开放式结构控制器(Open Architecture Controller)”的概念第一次出现在1988年前后。1989年,美国国防部开始了“下一代工作站/机床控制器NGC”计划。1990年又启动了OASYS项目作为NGC计划的后续项目。其后许多关于开放式系统结构的研究计划在世界各地相继启动。其中影响较大的有:美国的Ford、GM和Chryler等公司在NGC计划的指导下联合提出的OMAC开发计划,其目的是用更加开放、更加模块化的控制结构使制造系统更具柔性、更加敏捷;欧洲的德、法、意等国于1995年联合启动的OSACA计划;日本的丰田、三菱等14家企业联合提出的OSEC计划等,这些工作已进入了工业试用阶段并逐步走上联合垄断的道路。 在我国,目前比较有代表性的新型开放式数控系统的研究主要有以下几种:(1)基于软件芯片的开放式数控系统。华中科技大学的魏仁选提出的,在该模式中通过对数控软件的标准化与规范化研究,运用面向对象的机制,把数控系统的功能进行抽象并进行封装。这种软件芯片的使用只是简单的程序源代码的重用,这种移植只能是同一种编程语言下的移植,是一种极为有限条件下的移植。(2)基于现场总线技术的开放式数控系统。现场总线技术可以将大量的并行信号转化为串行信号,利用双线电缆或光缆可以在上百台设备之间实时传递上千路的信号25。3 STEP-NC数控系统信息流模型 STEP-NC是一个面向对象的新型NC编程数据接口国际标准,在该数控系统中,数据类型繁多,数据的创建、时变和消亡由具体运行过程决定,它所包含的信息也是随着系统需求不断变化的。信息在数控系统内部的时序要求是不同,可以把信息在数控系统内部分为三个阶段:(1)非实时流程,(2)弱实时流程,(3)强实时流程。在非实时流程中,各模块的执行过程和时序无关,根据信息的需要以循序的方式进行;在弱实时流程中,它的运行模块对实时性有要求,在执行过程中允许一定的延时,模块的执行时间也没有进行精确定时;在强实时流程中,明确定义了模块的精确执行时间和执行过程,一般不允许延时。 图1是STEP-NC非实时和弱实时信息流模型,(a)是非实时信息流自上而下的信息传递和转换过程。首先加工程序或信息经标准数据接口读入,以原始数据存于数据存储区域中,数据依据信息分类原则采用不同的处理方式。制造特征几何拓扑和资源中的模型信息采用特征重构的方式,以拓扑数据和几何元素存于数据存储区3。技术信息和执行流则采用列表的方式进行信息提取,技术列表对应具体的操作函数。对执行流列表的工艺过程利用重规划加以优化执行流。然后依据这些信息流数据进行非实时制造规划、计算和修改,同时确定需要在现场给定某些工艺参数和加工预备等资源数据,最后这些数据形成现场制造辅助数据。 (b)表示理想的弱实时信息流程,本文中暂且把刀具轨迹生成放置在非实时中完成。继刀具轨迹生成之后,需要进行刀具轨迹数据的计算及偏置、干涉的去除等。在把制造特征几何拓扑模型数据转化为离散的几何数据之后,进行基于体特征的插补控制,同时保留特征的信息,满足在特征轮廓控制中时序的需要。弱实时制造规划反馈数据及特征离散数据等,对体特征插补提供部分支持。实时流程中与传统数控的控制流程基本相同,它关注轮廓、位置控制和加减速平稳等运行过程。4 标准型STEP-NC数控系统的体系结构4.1 STEP-NC数据模型 STEP-NC数据模型是NC的数据从CAM到CNC的数据模型,它解决了现行的NC程序缺乏通用性及移植性的问题4。这种“STEP-NC”是无G和M代码,无后置处理的NC。ISOl4649标准的目标为:(1)改进CADCAM系统与CNC控制器间的联接,保证“STEP-NC”能在CADCAM之间传递数据。它不是采用刀具的运动,而是采用工作步骤面向对象的概念,以改进IS06893的缺点。(2)它的数据模块必须包括所有的复杂级别。(3)NC程序设想可以放在新开发的CNC控制器上,也可能放在分离的支持和改进现有NC控制器的高级系统上(包括各种网络)。(4)机床操作者通过NC程序的新标准能提供更多的功能、柔性、统计表的编程定义、几何过程的修正和相关控制等。(5) MTB的操作者根据新标准能执行专门的功能操作。(6)最终用户通过新的标准提供统一的编程,更快、更廉价的程序准备和由于统一的编程格式导致的低成本。(7)能得到更标准化和较少的后置处理,它们之间的数据交换变得更方便。4.2 STEP-NC数控系统的层次划分 STEP-NC数控系统的层次一般划分为三层,它是系统框架根据信息流层次而进行划分的,这三层是:模型应用层,制造规划层和实时控制层,如图2所示。我们都知道STEP-NC数控系统的核心基础结构一般包括:重构特征模型、智能化制造规划、基于特征信息的实时控制技术。因为核心基础结构的三个方面与信息流层次模型基本相符,所以系统框架根据信息流层次拟分为三层。 模型应用层首先读取STEP-NC加工文件,通过计算运行后转化为系统内部数据。这个过程一般采用标准数据接口的SDAI或中性文件API来实现。制造规划层在实时功能上可以分为二个部分。一是非实时功能,如加工预备、加工刀具轨迹的生成和加工参数的设定等;二是基于特征的插补和实时制造规划,它属于弱实时的部分。如离散数据、刀位数据和体特征插补等。实时控制层是通过总线获取存放于数据缓冲区内的数据,从而进行伺服控制和轮廓控制等高速实时控制,它是STEP-NC数控系统的执行部件。实时控制层一般是采用传统的数控技术实现位置、轮廓、速度的控制。4.3 STEP-NC数控系统的框架结构 图3 所示为一种采用了STEP-NC 标准的数控系统结构模型,上层符合STEP 标准的CADCAPP 系统与STEP-NC 接口实现双向数据流动,下层采用了新型STEP-NC 控制器,直接读取STEP 数据格式的加工文件。它使系统的集成度更高,PC设计层与管理服务层之间的功能重新划分,实现CAPP 系统宏观规划与CAD 系统集成。鉴于ISO6983 标准在数控领域内的广泛应用,在短期内用ISO14649 标准将其完全取代不太现实,因此在STEP-NC 控制器广泛使用之前,G、M代码的数控模式将长期保留在系统之中。基于STEP-NC 标准的CADCAPPCNC 之间将会实现无缝连接,CADCAPP 与CNC 的双向数据流动,使得设计部门能够清楚地了解到加工实况,并且可根据现场编程返回的信息对生产规划进行及时的调整,使得生产效率将得到极大的提高6。 下面根据STEP-NC数控系统结构中的PC单元模块模型、数据管理服务和通信模型三个方面给出系统的基本框架说明。 (1) PC单元模块模型 在PC单元模块模型中,它是由三部分组成的,如图4所示。它把接口分为两部分,一部分是实现单元功能接口的API函数,另一部分是用C表示的实现模块调度和配置的控制接口。该功能实现仍然采用黑箱的操作方式。依据这种方式能实现控制和数据接口的分离,使得模块结构更加清晰、明了。另一方面,功能接口和调度接口二者间存在着相关性,功能接口控制着外围设施的接入,调度接口接受调度任务,在调度时一方面是通知该单元需要运行,另一方面给出了该模块需要执行的任务类型。单元模块此时需要做出相应的动作,首先决定是否进行动作,如果执行,就运行调度模块指定的任务,然后根据相应的动作进行调度反馈,同时模块调度管理接受反馈信息。调度接口接受任务时的数据结构和调度反馈的数据结构相同。单元模块在做出决定时需要和数据管理进行交互,一般资源满足需要时,执行动作,否则放弃执行。 (2) 数据管理服务 数据管理是利用计算机硬件和软件技术对数据进行有效的收集、存储、处理和应用的过程。其目的在于充分有效地发挥数据的作用7。实现数据有效管理的关键是数据组织。数据管理首先分为应用数据管理和参数数据管理。参数数据反映STEP-NC数控的状态、性能等,与系统运行息息相关。STEP-NC数控系统的PC子系统就是采用数据管理服务的方式实现数据交换的。数据管理服务和单元模块结合的方式能够符合模块的调度需要,并能简单应用。数据管理服务可以说是整个PC系统的核心,几乎所有的运行模块都直接与其交互,各个模块的运行也是按照数据转换的需要而运行的。 (3) 通信模型 通信的目的是传输信息,进行信息的时空转移。通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。STEP-NC数控系统采用总线控制方式,可以参考基于现场总线的开放式数控系统体系结构。该体系结构采用西门子公司的CP5611作为现场总线控制系统的处理核心,对于PC系统利用PCI或ISA总线进行数据交换,而与数字伺服或传感器件的数据交换则采用Profibus总线。提出了一种基于现场总线的开放式CNC系统的体系结构,并把该体系结构划分为应用层、功能层和设备层三个层次,对每一层的功能进行了系统的分析和描述。在实现方法上,采用基于COM/DCOM技术的OPC规范的软件方法,实现了数控系统的软件模块的重用与扩充。采用Profibus现场总线实现了数控系统的硬件模块的互操作与互换,从而满足了数控系统开放性的要求8。5 结束语 STEP最大的优点在于其开放性的结构和可扩展性,它拥有自己的信息描述语言EXPRESS。据美国STEPTools公司的预测,STEP