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集成化數控系統的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)
1、引言
在現代制造系統中，由于英特網(wǎng)和分布式計算技術(shù)的出現，產(chǎn)品的設計和制造日益分散化，協(xié)同合作制造日益成為更快速、更經(jīng)濟的生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的有效模式。目前的數控系統正在向著(zhù)集成化( Integrated)的方向發(fā)展，其目的在于為產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)獨立部門(mén)提供有效的協(xié)同工作環(huán)境。傳統的CIMS 技術(shù)大而全，在一般的中小企業(yè)很難實(shí)施，于是INC 應運而生。
2、INC 的概念與關(guān)鍵技術(shù)
2.1 INC 的概念
集成化數控( Integrated Numerical Control ， INC) 將CIMS 中的功能實(shí)現(如CADPCAMPCAPPPNCP 等) 抽象為一系列獨立的功能模塊，再將這些功能模塊集成在一起便可組成一個(gè)具體的數控系統 。
以水射流機床所使用的INC 系統的整體工作流程為例(見(jiàn)圖1) ，其整個(gè)系統是建立在工程數據庫的基礎上，數據庫包括花樣庫、切削用量庫、夾具庫、噴嘴庫、工藝庫、NC 代碼庫等，它們通過(guò)Intranet/Internet集成在一起，構成了工程數據庫。INC 系統可分為6個(gè)子部件模塊輔助設計(CAD) 、輔助工藝(CAPP) 、優(yōu)化決策、數控加工(CNC) 、系統監控和總體規劃。
圖1 水射流INC 系統工作流程圖
2.2 INC 與ONC、DNC 的區別
開(kāi)放式數控(Open Numerical Control ，ONC) ，與傳統的CNC 系統相比較，ONC 的核心在于其開(kāi)放性，它必須提供不同應用程序運行于系統平臺之上的能力;提供面向功能的動(dòng)態(tài)重組工具;提供統一、標準化的應用程序用戶(hù)界面。世界各國相繼啟動(dòng)了有許多關(guān)于開(kāi)放式數控的研究計劃， 其中影響較大的有美國OMAC(Open Modular Architecture Controller) 計劃，歐共體的OSACA (Open System Architecture for Control withinAutomation) 和日本的OSEC(Open System Environment forController) 計劃等[3 ] 。直接數控(Direct Numerical Con-trol ， DNC) 和分布式數控(Distributed Numerical Control ，DNC) 系統的主要目標是更加有效地控制一組數控機床或是整個(gè)工廠(chǎng)的生產(chǎn)， 它實(shí)際上是一種分布式制造。
與ONC、DNC 不同， INC 是以數控為核心，它的各個(gè)模塊都是面向數控，它的一切工作都是為數控加工服務(wù)。例如，一般的CAM 系統注重特征識別、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(guò)程的仿真和生成數控加工代碼，其目的是便于檢驗零件的手工編程或自動(dòng)編程的數控加工程序是否正確。與分布式制造(Distributed Manufacturing) 相比較， INC 更接近于一種協(xié)同制造(Collaborative Manufacturing) 。
2.3 INC 的關(guān)鍵技術(shù)
INC 有三點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)面向數控的CAD 技術(shù);面向數控的CAPP 技術(shù)和基于CAD/CAPP 信息集成的CNC 技術(shù)。
面向數控的CAD 技術(shù)包括圖像預處理、智能識別、圖像矢量化和CAD/CAPP 集成技術(shù)等。面向數控的CAPP 技術(shù)則包括路徑優(yōu)化、步驟優(yōu)化、CAPP/CAM集成、工藝數據庫的建立和管理技術(shù)等。
基于CAD/CAPP 信息集成的CNC 技術(shù)，主要是與CAD/CAPP 集成系統的接口和交互的技術(shù)(基于STEP標準擴展的接口和交互技術(shù)) 、嵌入式設備研制技術(shù)和實(shí)時(shí)技術(shù)等。
本文將對基于CAD/CAPP 信息集成的接口和交互的技術(shù)進(jìn)行討論與研究。
3、CNC與CAD/CAPP 的接口和交互技術(shù)
目前在工業(yè)化應用中的NC 所采用的編程方式還是基于ISO 6983 (GPM 代碼) 標準，隨著(zhù)計算機輔助系統CAX技術(shù)、系統集成技術(shù)等的飛速發(fā)展和廣泛應用，該標準已越來(lái)越不能滿(mǎn)足現代NC 系統的要求，成為制約數控技術(shù)乃至自動(dòng)化制造發(fā)展過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題。
1997 年歐共體提出了OPTIMAL 計劃，將STEP 技術(shù)延伸到自動(dòng)化制造的底層設備，開(kāi)發(fā)了一種遵從STEP 標準、面向對象的數據模型(稱(chēng)為STEP2NC) ，將產(chǎn)品模型數據轉換標準擴展到CNC 領(lǐng)域，重新制定了CAD/CAPP 與CNC 之間的接口， 為實(shí)現CAD/CAPP/CNC 之間的無(wú)縫連接，進(jìn)而實(shí)現真正意義上的完全開(kāi)放式數控系統奠定了基礎[4]。
傳統數控系統與CAD/CAPP 之間的數據交換是單向傳輸，現場(chǎng)對NC 程序的任何修改都無(wú)法直接反饋到CAD/CAPP 系統，生成NC 程序時(shí)記錄最初加工需求的信息已經(jīng)丟失。而使用STEP-NC 可減少加工信息容易丟失的問(wèn)題，實(shí)現雙向數據流動(dòng)，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(shí)地反饋到設計部門(mén)(CAD) ，以便設計部門(mén)及時(shí)進(jìn)行數據更新，獲得完整、連貫的加工過(guò)程數據文件。
圖2 所示是基于STEP-NC 標準的數據模型，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動(dòng)進(jìn)行編程。這樣，CNC 系統可以直接從CAD 系統讀取STEP 數據文件，消除了由于數據類(lèi)型轉換而可能導致的精度降低問(wèn)題。
圖2 基于STEP-NC 的數據模型
圖3 所示為一種采用了STEP-NC 標準的數控系統結構模型，該結構模型包含了當前STEP-NC 與數控系統結合的3 種模式，模式1 是一種過(guò)渡形式，上層符合STEP 標準的CAD/CAPP 系統與STEP-NC 接口實(shí)現雙向數據流動(dòng)，下層通過(guò)增加符合STEP-NC 標準代碼轉換接口，將STEP-NC 數據代碼轉換為GPM 等代碼，進(jìn)而實(shí)現對現行數控系統的控制。模式2 是一種比較簡(jiǎn)單、初級的模式，與模式1 的區別在于下層采用了新型STEP-NC 控制器，直接讀取STEP 數據格式加工文件。模式3 是模式2 的發(fā)展與完善，它使系統的集成度更高、設計層與車(chē)間層之間的功能重新劃分，實(shí)現CAPP 系統宏觀(guān)規劃與CAD 系統集成、微觀(guān)功能與車(chē)間層集成。鑒于ISO6983 標準在數控領(lǐng)域內的廣泛應用，在短期內用ISO14649 標準將其完全取代不太現實(shí)，因此在STEP-NC 控制器廣泛使用之前，模式1 將長(cháng)期保留在系統之中[5] 。
圖3 基于STEP 標準的數控系統結構模型
基于STEP-NC 標準的CAD/CAPP/CNC 之間將會(huì )實(shí)現無(wú)縫連接，CAD/CAPP 與CNC 的雙向數據流動(dòng)，使得設計部門(mén)能夠清楚地了解到加工實(shí)況，并且可根據現場(chǎng)編程返回的信息對生產(chǎn)規劃進(jìn)行及時(shí)快速的調整，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(huì )重新劃分CAPP 系統的宏觀(guān)規劃與CAD 系統集成，微觀(guān)功能與CNC 集成。
4、應用實(shí)例
AWJ 水射流機床(國家專(zhuān)利產(chǎn)品) 是通過(guò)高壓管道形成高壓水射流或磨料射流，來(lái)實(shí)現對工件的切割以及拋光等操作。初始條件為工件的數碼圖像，經(jīng)過(guò)INC 的CAD/CAPP 集成系統處理后直接將數據傳輸到CNC 子模塊，由CNC 子模塊生成加工仿真。INC 系統是基于Windows 平臺，應用于水射流切割機的集成化數控加工。
圖4 所示是INC 系統的圖像預處理模塊，左上角是初始數碼圖像，經(jīng)過(guò)一系列處理后得到右下角的輪廓線(xiàn)。
圖4 圖像預處理模塊
圖5 所示是將經(jīng)過(guò)處理后的輪廓輸入CAD 軟件稍加修改，再由集成到CAD 軟件內部的CAPP 軟件設計出合適的加工工藝。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 系統中由數碼圖像到成品加工的一系列工作。
圖5 CAD/CAPP 模塊
圖6 數控加工模塊運行界面
5、結語(yǔ)
現代制造系統要求設計、工藝、制造等部門(mén)之間，實(shí)現適時(shí)的動(dòng)態(tài)數據傳輸，在一個(gè)環(huán)境中協(xié)調運作，基于STEP-NC 的CNC 技術(shù)可以實(shí)現CAD/CAPP/CNC之間有效的集成，生產(chǎn)效率將得到極大的提高。加工數據流在整個(gè)加工過(guò)程中可以迅速地在各個(gè)部門(mén)、各個(gè)企業(yè)甚至國際間進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和共享， CAD/CAPP 與CNC 之間的瓶頸效應也不復存在，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期將大大縮短。據STEP Tools 公司的研究數據表明，STEP-NC 的應用將使目前加工前數據準備時(shí)間減少75 % ，工藝規劃時(shí)間減少35 % ，加工時(shí)間減少50 %。
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