集成化數(shù)控系統(tǒng)管理論文

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1.引言

在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，由于英特網(wǎng)和分布式計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造日益分散化，協(xié)同合作制造日益成為更快速、更經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的有效模式。目前的數(shù)控系統(tǒng)正在向著集成化(Integrated)的方向發(fā)展，其目的在于為產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的各個獨(dú)立部門提供有效的協(xié)同工作環(huán)境。傳統(tǒng)的CIMS技術(shù)大而全，在一般的中小企業(yè)很難實(shí)施，于是INC應(yīng)運(yùn)而生。

2.INC的概念與關(guān)鍵技術(shù)

2.1INC的概念集成化數(shù)控(IntegratedNumericalControl，INC)將CIMS中的功能實(shí)現(xiàn)(如CADPCAMPCAPPPNCP等)抽象為一系列獨(dú)立的功能模塊，再將這些功能模塊集成在一起便可組成一個具體的數(shù)控系統(tǒng)。

以水射流機(jī)床所使用的INC系統(tǒng)的整體工作流程為例(見圖1)，其整個系統(tǒng)是建立在工程數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)庫包括花樣庫、切削用量庫、夾具庫、噴嘴庫、工藝庫、NC代碼庫等，它們通過IntranetPInternet集成在一起，構(gòu)成了工程數(shù)據(jù)庫。INC系統(tǒng)可分為6個子部件模塊:輔助設(shè)計(jì)(CAD)、輔助工藝(CAPP)、優(yōu)化決策、數(shù)控加工(CNC)、系統(tǒng)監(jiān)控和總體規(guī)劃。

2.2INC與ONC、DNC的區(qū)別

開放式數(shù)控(OpenNumericalControl，ONC)，與傳統(tǒng)的CNC系統(tǒng)相比較，ONC的核心在于其開放性，它必須提供不同應(yīng)用程序運(yùn)行于系統(tǒng)平臺之上的能力;提供面向功能的動態(tài)重組工具;提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序用戶界面。世界各國相繼啟動了有許多關(guān)于開放式數(shù)控的研究計(jì)劃，其中影響較大的有美國OMAC(OpenModularArchitectureController)計(jì)劃，歐共體的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomation)和日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)計(jì)劃等[3]。直接數(shù)控(DirectNumericalCon-trol，DNC)和分布式數(shù)控(DistributedNumericalControl，DNC)系統(tǒng)的主要目標(biāo)是更加有效地控制一組數(shù)控機(jī)床或是整個工廠的生產(chǎn)，它實(shí)際上是一種分布式制造。

與ONC、DNC不同，INC是以數(shù)控為核心，它的各個模塊都是面向數(shù)控，它的一切工作都是為數(shù)控加工服務(wù)。例如，一般的CAM系統(tǒng)注重特征識別、零件幾何造型的建立以及零件加工軌跡的定義等，而INC的CAM模塊中注重的是對零件加工過程的仿真和生成數(shù)控加工代碼，其目的是便于檢驗(yàn)零件的手工編程或自動編程的數(shù)控加工程序是否正確。與分布式制造(DistributedManufacturing)相比較，INC更接近于一種協(xié)同制造(CollaborativeManufacturing)。

2.3INC的關(guān)鍵技術(shù)

INC有三點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù):面向數(shù)控的CAD技術(shù);面向數(shù)控的CAPP技術(shù)和基于CADPCAPP信息集成的CNC技術(shù)。

面向數(shù)控的CAD技術(shù)包括圖像預(yù)處理、智能識別、圖像矢量化和CADPCAPP集成技術(shù)等。面向數(shù)控的CAPP技術(shù)則包括路徑優(yōu)化、步驟優(yōu)化、CAPPPCAM集成、工藝數(shù)據(jù)庫的建立和管理技術(shù)等。

基于CADPCAPP信息集成的CNC技術(shù)，主要是與CADPCAPP集成系統(tǒng)的接口和交互的技術(shù)(基于STEP標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的接口和交互技術(shù))、嵌入式設(shè)備研制技術(shù)和實(shí)時技術(shù)等。

本文將對基于CADPCAPP信息集成的接口和交互的技術(shù)進(jìn)行討論與研究。

C與CADPCAPP的接口和交互技術(shù)

目前在工業(yè)化應(yīng)用中的NC所采用的編程方式還是基于ISO6983(GPM代碼)標(biāo)準(zhǔn)，隨著計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)CAX技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，該標(biāo)準(zhǔn)已越來越不能滿足現(xiàn)代NC系統(tǒng)的要求，成為制約數(shù)控技術(shù)乃至自動化制造發(fā)展過程中的瓶頸問題。

1997年歐共體提出了OPTIMAL計(jì)劃，將STEP技術(shù)延伸到自動化制造的底層設(shè)備，開發(fā)了一種遵從STEP標(biāo)準(zhǔn)、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型(稱為STEP2NC)，將產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到CNC領(lǐng)域，重新制定了CADPCAPP與CNC之間的接口，為實(shí)現(xiàn)CADPCAPPPCNC之間的無縫連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正意義上的完全開放式數(shù)控系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)[4]。

傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)與CADPCAPP之間的數(shù)據(jù)交換是單向傳輸，現(xiàn)場對NC程序的任何修改都無法直接反饋到CADPCAPP系統(tǒng)，生成NC程序時記錄最初加工需求的信息已經(jīng)丟失。而使用STEP2NC可減少加工信息容易丟失的問題，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)流動，能夠保存所做的修改，使零件程序和優(yōu)化的加工描述及時地反饋到設(shè)計(jì)部門(CAD)，以便設(shè)計(jì)部門及時進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，獲得完整、連貫的加工過程數(shù)據(jù)文件。

圖2所示是基于STEP2NC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型，其中包含了加工工件的所有任務(wù)，其基本原理是基于制造特征(如孔、型腔、螺紋、倒角等)進(jìn)行編程，而不是直接對刀具與工件之間的相對運(yùn)動進(jìn)行編程。這樣，CNC系統(tǒng)可以直接從CAD系統(tǒng)讀取STEP數(shù)據(jù)文件，消除了由于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換而可能導(dǎo)致的精度降低問題。

圖3所示為一種采用了STEP2NC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，該結(jié)構(gòu)模型包含了當(dāng)前STEP2NC與數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的3種模式，模式1是一種過渡形式，上層符合STEP標(biāo)準(zhǔn)的CADPCAPP系統(tǒng)與STEP2NC接口實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)流動，下層通過增加符合STEP2NC標(biāo)準(zhǔn)代碼轉(zhuǎn)換接口，將STEP2NC數(shù)據(jù)代碼轉(zhuǎn)換為GPM等代碼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)行數(shù)控系統(tǒng)的控制。模式2是一種比較簡單、初級的模式，與模式1的區(qū)別在于下層采用了新型STEP2NC控制器，直接讀取STEP數(shù)據(jù)格式加工文件。模式3是模式2的發(fā)展與完善，它使系統(tǒng)的集成度更高、設(shè)計(jì)層與車間層之間的功能重新劃分，實(shí)現(xiàn)CAPP系統(tǒng)宏觀規(guī)劃與CAD系統(tǒng)集成、微觀功能與車間層集成。鑒于ISO6983標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)控領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，在短期內(nèi)用ISO14649標(biāo)準(zhǔn)將其完全取代不太現(xiàn)實(shí)，因此在STEP2NC控制器廣泛使用之前，模式1將長期保留在系統(tǒng)之中[5]。

基于STEP2NC標(biāo)準(zhǔn)的CADPCAPPPCNC之間將會實(shí)現(xiàn)無縫連接，CADPCAPP與CNC的雙向數(shù)據(jù)流動，使得設(shè)計(jì)部門能夠清楚地了解到加工實(shí)況，并且可根據(jù)現(xiàn)場編程返回的信息對生產(chǎn)規(guī)劃進(jìn)行及時快速的調(diào)整，生產(chǎn)效率將得到極大的提高。另外，CAD、CAPP、CNC之間的功能將會重新劃分:CAPP系統(tǒng)的宏觀規(guī)劃與CAD系統(tǒng)集成，微觀功能與CNC集成。

4.應(yīng)用實(shí)例

AWJ水射流機(jī)床(國家專利產(chǎn)品)是通過高壓管道形成高壓水射流或磨料射流，來實(shí)現(xiàn)對工件的切割以及拋光等操作。初始條件為工件的數(shù)碼圖像，經(jīng)過INC的CADPCAPP集成系統(tǒng)處理后直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺NC子模塊，由CNC子模塊生成加工仿真。INC系統(tǒng)是基于Windows平臺，應(yīng)用于水射流切割機(jī)的集成化數(shù)控加工。

圖5所示是將經(jīng)過處理后的輪廓輸入CAD軟件稍加修改，再由集成到CAD軟件內(nèi)部的CAPP軟件設(shè)計(jì)出合適的加工工藝。最后生成NC代碼輸入模擬仿真軟件，如圖6所示，可以進(jìn)行仿真切割加工。這樣便完成了INC系統(tǒng)中由數(shù)碼圖像到成品加工的一系列工作。

5.結(jié)語

現(xiàn)代制造系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)、工藝、制造等部門之間，實(shí)現(xiàn)適時的動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸，在一個環(huán)境中協(xié)調(diào)運(yùn)作，基于STEP2NC的CNC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)CADPCAPPPCNC之間有效的集成，生產(chǎn)效率將得到極大的提高。加工數(shù)據(jù)流在整個加工過程中可以迅速地在各個部門、各個企業(yè)甚至國際間進(jìn)行訪問和共享，CADPCAPP與CNC之間的瓶頸效應(yīng)也不復(fù)存在，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期將大大縮短。據(jù)STEPTools公司的研究數(shù)據(jù)表明，STEP2NC的應(yīng)用將使目前加工前數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時間減少75%，工藝規(guī)劃時間減少35%，加工時間減少50%。