0.前言
计算机数控技术是一个国家制造业发展水平的标志。CAM和CNC的数据接口标准ISO6983 (RS274D)协议, 已经无法满足数控系统的发展的需要, 其局限性已日益暴露并影响数控系统的广泛应用。因此, 新的数据接口标准STEP - NC必然会取代旧的标准并且将给包括数控技术在内的整个制造业带来革命性影响。本文提出的基于STEP - NC的开放式数控系统旨在以STEP统一表征CNC加工过程中涉及的全部信息, 实现CAD、CAM和CNC之间的无缝连接, 同时为数控系统提供完整的产品数据, 更好地提高数控系统的开放性能。
1.STEP - NC概述
1.1 ISO6983协议的缺点
随着CAD / ACM系统和CNC系统性能的提高,ISO6983协议已经成为制约数控技术的智能化、集成化、网络化发展的“瓶颈”, 已远不能满足数控技术高速发展的需要, 其缺点如下: (1) 现场编程或修改非常困难, 对于稍具复杂性的加工对象, G、M代码一般需要事先由后处理程序生成, 增加了信息流失或出错的可能性; (2) G、M代码只定义了机床的运动和开关动作, 不包含产品数据的其它信息, 因此CNC系统根本不可能获得完整的产品信息, 更不可能真正实现智能化; (3) 从CAD /CAM系统到CNC系统的传输过程是单向的, 难以支持先进制造模式;(4) 由于覆盖面太窄, 厂商不得不开发各自的扩充功能和专有指令, 造成不同控制系统之间互不兼容;(5) 不支持基于样条数据的五轴铣和高速加工; ( 6)生产准备时间长, 生产效率低。
1.2 STEP - NC的优点
为了克服ISO6983的诸多缺点, 一种新的数控接口标准STEP - NC ( ISO14649 ) 应运而生。STEP -NC将产品模型数据交换标准(STandard for the Ex2charge of Product model data, STEP) 扩展至数控系统领域, 重新规定了CAD /CAM 与数控系统之间的接口。它要求数控系统直接使用符合STEP 标准( ISO10303) 的CAD 三维产品数据模型(包括零件几何数据、设置和制造特征) , 加上工艺信息和刀具信息, 直接产生加工程序来控制机床。其间, CAM系统只负责加入工艺信息和刀具信息而不必进行后置处理。STEP - NC的优点如下: ( 1) 面向对象和特征, 描述工件的加工操作, 不依赖于机床轴的运动,同一加工程序可适用于不同CNC; ( 2) 传统设计信息是图形, 加工信息是数据, 但STEP - NC使用系统和人都能解析的产品数据模型代替图形; (3) 传统加工必须把图形描述的生产要求转变成机床指令, 使用STEP - NC可利用工艺规划工具生成指令, 使特征识别更快更准确; (4) 使用STEP - NC可实现CAD、CAM、CNC信息的双向流动; (5) 支持五轴铣, 支持高速切削; (6) 消除了后置处理器; ( 7) STEP -NC统筹考虑设计与制造模型, 集成在产品数据模型中, 不存在数据传递误差, 可实现精确加工[ 1 ] 。
2.STEP - NC产品数据模型
2.1 STEP - NC涵盖的内容
STEP - NC定义了一个CAM和CNC之间的新的数据接口标准(AP238) , 其本质是面向对象, 描述“加工什么”。STEP - NC 采用工作步骤(Working2step s) 指定加工过程, 工作步骤将加工特征和具体操作联系起来, 由CNC将其转化为轴的运动和刀具操作。AP238是一个充分集成的应用协议, 其几何定义与AP203、AP214 一致, 加工特征与AP224 相同,公差定义与AP219 一致, 因此可以直接使用相关模型[ 2 ] 。AP238涵盖了产品从概念到成品(零件) 全过程所需的全部信息。AP238文件中的工作步骤相当于传统数控文件中的G、M代码。
0.前言
计算机数控技术是一个国家制造业发展水平的标志。CAM和CNC的数据接口标准ISO6983 (RS274D)协议, 已经无法满足数控系统的发展的需要, 其局限性已日益暴露并影响数控系统的广泛应用。因此, 新的数据接口标准STEP - NC必然会取代旧的标准并且将给包括数控技术在内的整个制造业带来革命性影响。本文提出的基于STEP - NC的开放式数控系统旨在以STEP统一表征CNC加工过程中涉及的全部信息, 实现CAD、CAM和CNC之间的无缝连接, 同时为数控系统提供完整的产品数据, 更好地提高数控系统的开放性能。
1.STEP - NC概述
1.1 ISO6983协议的缺点
随着CAD / ACM系统和CNC系统性能的提高,ISO6983协议已经成为制约数控技术的智能化、集成化、网络化发展的“瓶颈”, 已远不能满足数控技术高速发展的需要, 其缺点如下: (1) 现场编程或修改非常困难, 对于稍具复杂性的加工对象, G、M代码一般需要事先由后处理程序生成, 增加了信息流失或出错的可能性; (2) G、M代码只定义了机床的运动和开关动作, 不包含产品数据的其它信息, 因此CNC系统根本不可能获得完整的产品信息, 更不可能真正实现智能化; (3) 从CAD /CAM系统到CNC系统的传输过程是单向的, 难以支持先进制造模式;(4) 由于覆盖面太窄, 厂商不得不开发各自的扩充功能和专有指令, 造成不同控制系统之间互不兼容;(5) 不支持基于样条数据的五轴铣和高速加工; ( 6)生产准备时间长, 生产效率低。
1.2 STEP - NC的优点
为了克服ISO6983的诸多缺点, 一种新的数控接口标准STEP - NC ( ISO14649 ) 应运而生。STEP -NC将产品模型数据交换标准(STandard for the Ex2charge of Product model data, STEP) 扩展至数控系统领域, 重新规定了CAD /CAM 与数控系统之间的接口。它要求数控系统直接使用符合STEP 标准( ISO10303) 的CAD 三维产品数据模型(包括零件几何数据、设置和制造特征) , 加上工艺信息和刀具信息, 直接产生加工程序来控制机床。其间, CAM系统只负责加入工艺信息和刀具信息而不必进行后置处理。STEP - NC的优点如下: ( 1) 面向对象和特征, 描述工件的加工操作, 不依赖于机床轴的运动,同一加工程序可适用于不同CNC; ( 2) 传统设计信息是图形, 加工信息是数据, 但STEP - NC使用系统和人都能解析的产品数据模型代替图形; (3) 传统加工必须把图形描述的生产要求转变成机床指令, 使用STEP - NC可利用工艺规划工具生成指令, 使特征识别更快更准确; (4) 使用STEP - NC可实现CAD、CAM、CNC信息的双向流动; (5) 支持五轴铣, 支持高速切削; (6) 消除了后置处理器; ( 7) STEP -NC统筹考虑设计与制造模型, 集成在产品数据模型中, 不存在数据传递误差, 可实现精确加工[ 1 ] 。
2.STEP - NC产品数据模型
2.1 STEP - NC涵盖的内容
STEP - NC定义了一个CAM和CNC之间的新的数据接口标准(AP238) , 其本质是面向对象, 描述“加工什么”。STEP - NC 采用工作步骤(Working2step s) 指定加工过程, 工作步骤将加工特征和具体操作联系起来, 由CNC将其转化为轴的运动和刀具操作。AP238是一个充分集成的应用协议, 其几何定义与AP203、AP214 一致, 加工特征与AP224 相同,公差定义与AP219 一致, 因此可以直接使用相关模型[ 2 ] 。AP238涵盖了产品从概念到成品(零件) 全过程所需的全部信息。AP238文件中的工作步骤相当于传统数控文件中的G、M代码。
图1 STEP - NC产品数据模型文件结构 3.基于STEP - NC开放式数控系统
3.1 开放式数控系统数控系统按结构形式可分为传统封闭式和开放式(包括PC嵌入NC、NC嵌入PC和SOFT 型三种结构) 。SOFT型开放式数控系统基于PC的概念实现CNC的功能, 其软件在PC中, 硬件是PC与伺服驱动和外部I/O间的标准化通用接口。用户可以利用开放的CNC内核, 开发各种所需功能。我国硬件设计、制造水平不高, 而软件开发人员众多, 软件设计水平也比较高。完全采用软件在工业PC上实现数控系统, 比较适合我国国情, 也更易于实现开放性。
本文确定的开放式数控系统总体框架主要由以下几部分构成:
(1) 系统软件平台。采用WindowsNT 和美国Venturcom公司的RTX (Real - Time Extension) 作为系统的软件平台。
(2) 系统硬件平台。以PC机和SoftSERCANS通讯卡为系统的硬件平台。
(3) 符合SERCOS协议的伺服系统与I/O设备。
SERCOS协议作为国际标准, 不仅可以用于运动控制与伺服系统之间的实时通讯, 而且它还对I/O功能做出了相应规定, 能够同时完成PC机与I/O设备之间离散数字信号的实时通讯。这样可以在众多厂家提供的符合SERCOS标准的伺服驱动器和I/O模块产品中进行选择和配置, 以满足控制轴数、控制方式等要求。我们选用了德国力士乐公司的伺服驱动器和I/O模块产品。
(4) 数控功能软件。基于Windows和RTX提供的应用程序编程接口编制全软件型开放式数控系统,主要功能是接收输入的加工信息, 完成数控计算、逻辑判断和I/O控制等功能。
3.2 STEP - NC数控系统
基于STEP - NC的开放式数控系统应该使用统一的数据模型来实现CAX与CNC的无缝连接, STEP -NC数控系统与传统的ISO6983 数控系统相似, 其关键部分是STEP - NC产品数据模型和STEP - NC解释器。因此在上述的开放式数控系统内用STEP - NC解释器代替G代码解释器, 再增加一个刀轨生成器,即可实现STEP - NC数控系统的功能。系统的结构模型如图2所示, 主要由以下几个功能模块组成。
图2 STEP - NC数控系统结构模型
(1) 车间级编程系统模块
该模块的主要功能为读取三维实体模型的几何信息, 生成AP238文件。目前大多数CAD软件(比如UG、Solidworks等) 都内嵌有STEP转换接口, 能够有效处理3D 几何形状。此模块可以解释AP203 /AP214文件, 从其中的几何特征中自动识别出ISO14649 ( Part10 ) 所定义的加工特征, 并根据ISO14649 ( Part10、Part11) 定义的加工步骤所描述的特征操作进行工艺规划, 最后输出AP238 文件。
这一过程中可以应用Step tools公司的ST - Plan软件,其主要功能就是读取STEP文件输出STEP - NC文件。
它拥有强大的用户界面, 有利于使用者重新对特征进行分类, 改变加工顺序, 选择加工和工具属性。
(2) NC用户图形界面模块
该模块是STEP - NC数控系统的人机接口, 也是其它模块之间实现通讯联系的接口。通过此模块可以导入STEP - NC程序文件, 并可以对工作步骤进行增添、删除和次序更改; 可以显示和编辑某一工作步骤的几何形状、公差、特征、技术要求、刀具、材料和坐标等相关信息, 并以同样的格式返回到上游的设计阶段, 体现了STEP - NC设计制造模型的一体化和数据可以双向流动的特点。
(3) 一致性检测模块
该模块主要是对AP238 文件进行一致性检测。该模块用来检查加工工步、加工特征、刀具信息、几何尺寸和公差以及其它STEP - NC特征信息是否符合国际标准, 若符合标准, 则STEP - NC程序文件被送到程序信息树模块和刀轨生成模块继续处理; 若不符合, 则返回到NC用户图形界面模块重新编辑修改直至符合标准。
(4) 程序信息树模块
此模块负责把STEP - NC数控程序中的数据信息显示成树状, 用户可以通过点击不同的节点观察各个实体的属性及其取值情况, 让用户对整个程序的信息结构具有一个直观、形象的认识。这种表示形式符合人类的认识规律, 结构层次明显, 表达清楚, 界面比较友好, 更加容易理解。
(5) 智能工艺数据库模块
智能工艺数据库用来存放专家们所掌握的各种加工工艺以及对于各种故障原因及其处置方法的知识,可以包括加工条件、加工参数、刀具管理和故障诊断处理等各种数据库、知识库和策略库等多种信息。推理软件依据智能工艺数据库中存储的知识、经验和推理方法等大量信息, 对机床运行中的实时加工状态进行监测、调节和故障诊断处理等控制[ 4 ]。
(6) 刀轨生成模块
该模块的功能是根据加工特征、操作以及加工策略等信息生成每一加工工作步骤的刀位轨迹。由于STEP - NC程序文件里包含了零件从设计到成品所需要的全部加工信息, 因此可以根据智能工艺数据库模块提供的加工条件和加工参数等信息对刀轨进行优化, 通过最优刀轨算法决定最合适的走刀路线、切削进给量以及切削速度等。
(7) 加工仿真模块
在零件进行实际加工之前, 通过此模块模拟运行所有加工步骤, 以检查是否存在干涉或其它问题, 然后再进行真实加工[ 5 ]。
值得一提的是, 从ISO6983到ISO14649, 无论如何都要有一个过渡周期, 因此本文所设计的数控系统保留了ISO6983 解释器, 即本系统除了可以执行STEP - NC文件外, 还可以执行传统ISO6983的G代码。只是该解释器是作为CNC系统的一个子系统,而不是STEP - NC解释器模型的一部分。
4.结论
STEP - NC的提出和发展结束了长期以来数控系统只是被动地执行动作而不知究竟在干什么的历史,为数控系统的智能化发展提供了条件。我国已经加入WTO, 制造业尤其是数控加工行业面临着国外企业的激烈竞争和严峻挑战。我们应努力从技术角度出发, 研究现实可行的方案, 开放出适合我国国情的基于STEP - NC的开放式数控系统, 缩小与发达国家的差距。
