基于STEP-NC的開放式CNC系統研究

陳麗娜 陳華

摘? ?要：隨著現代制造業的發展，人們對數控技術提出了更高的要求。傳統的CNC系統，設計與加工信息不能完全共享、專用數控系統開發周期長、用戶對CNC制造商的高度依賴性等問題，限制了數控系統的進一步發展，使其面臨新的變革。因此文中提出了分層式的CNC系統框架，框架層采用IEC 61499標準，以STEP-NC作為模型語言，完成數據處理、儲存、執行等任務，可實現CAD與實際加工的無縫連接。

關鍵詞：STEP-NC? IEC 61499標準? 分層結構? 開放式數控系統

中圖分類號：T23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）11（c）-0078-02

數控技術集計算機、自動控制、機械制造等技術為一體，它的廣泛應用，給傳統制造業帶來巨大變革。現代數控機床普遍仍采用G&M代碼進行編程，利用CAD/CAM工具繪制零件的幾何圖形并生成G代碼，與CNC系統進行通訊。然而不同廠商的CNC機床具有不同G代碼編程方式與數據格式，庫函數不能共享，不具有通用性與互換性，降低了CNC的柔性加工性能[1-2]。同時，隨著制造業整體水平的發展，數控技術面臨更多挑戰。作為一種自動化加工系統，數控機床的設計變得更加復雜，需要根據不同的應用領域，與不同形式的自動化控制設備，如嵌入式系統、PLC等，集成在一個系統中，實行網絡化的分散控制。因此，需要一種新型的編程語言，具有描述零件幾何形狀與加工信息的標準格式，不同品牌的CNC均可以讀取數據并進行加工[3]。文中，闡述一種新型開放式的CNC系統框架，可解決CNC以上所面臨的問題。CNC系統采用STEP-NC語言，基于制造特征進行編程，而不是直接對刀具運動進行編程，加工流程以工作步作為單位，將工件特征與技術信息聯系到一起，實現產品生命周期內數據在各部門之間的共享。軟件框架基于IEC 61499功能模塊，可根據特定需要，具有良好的擴展性。

1? STEP-CNC系統研究現狀

目前CNC系統所面臨的最大的挑戰在于數控加工制造要滿足靈活多變的產品設計需求。研究表明，當系統的控制單元是基于開放式的框架理念設計，而不是基于專有硬件時，可實現CNC系統的柔性與靈活性加工。傳統數控加工的G代碼是一種面向過程的編程語言，只能由CAM向CNC系統單向傳遞信號，反映刀具的行走位置、轉速等，而不能反映工件的CAD模型、加工工藝等全部信息，并且同一種G代碼是無法在不同廠商的CNC機床上通用的。開放式CNC系統是一種以PC機為基礎，集成多種CNC控制軟件的硬件平臺，通過擴展模塊，實現對刀具的控制與CAM的雙向通訊。開放式CNC系統的目的，是繞過CAM的后處理器，直接處理CAD模型數據。所采用的STEP-NC語言，包含了工件的所有加工任務等信息，通過對數控加工過程進行描述，使數據可在CAD與CNC系統之間進行雙向傳輸（見圖1）。隨著STEP-NC數據模型和標準化工作的進展，國內外學者做了大量的研究工作。西班牙阿利凱特大學的S.Cuenca等人，基于STEP-NC，開發一種名為“虛擬數字化”的控制算法，執行速度高于傳統CNC系統兩個數量級;新西蘭的奧克蘭大學的Fiona等人，建立了STEP-NC的數據模型與人機接口，通過VB、C++等編程語言生成STEP-NC代碼，對試件的在線監測，實現了CNC系統的閉環控制;在國內，STEP-NC數控系統的研究還處在剛剛起步的階段。山東大學、清華大學以及安徽科技大學等高校的學者對STEP-NC 的研究重點主要集中在程序信息提取、工藝規劃以及控制器的概念和實現原理等一些理論研究和程序信息的預處理上。

2? IEC 61499框架的概述

IEC 61499標準是隨著系統控制功能的分散化、智能化要求而提出的。利用現場總線設備、智能儀器構造的大型復雜控制系統，控制功能可物理分散在不同的設備中，不同設備中的軟件通過通訊網絡連接。IEC 61499提供一種基于功能塊機制的分布式控制系統策略，從下到上的層次結構為功能塊、資源、設備和系統。功能塊是系統基本單元，資源是功能塊的容器、設備包含單條或多條資源，而設備的相互連接形成分布式系統。功能塊是其中的核心，它是一種封裝有一種或多種算法控制的特定數據結構的軟件功能單元。IEC61499定義功能塊有三種類型：基本功能塊（BFK）、復合功能塊（CFK）、服務接口功能塊（SIFK）。基本功能塊是通過定義輸入輸出變量、驅動事件、算法、執行控制表ECC、內部數據，來實現功能塊內部狀態的轉換過程，完成設定的控制任務。復合功能塊是由一些基本功能塊組成，各基本功能塊通過外部數據源相連，服務接口功能塊是由基本功能塊和復合功能塊實例所組成的功能塊構成，使復合IEC61499的CNC控制系統直接與具體設備驅動傳感器等直接建立通訊聯系，實現對機床的實時控制。資源是包含在設備里的一個功能單元，接收、處理、返回來自通訊接口的數據和事件。資源包括本地應用、過程映射。通訊映射和調度函數，將基本功能塊、復合功能塊、服務接口功能塊聯合使用形成資源以提供一個分布式控制應用的本地部分。設備是多條資源的容器，并提供這些資源與通訊網絡、傳感器和執行器之間的接口。這些接口由支持分布式應用的專用資源中的SIFK完成。通訊網絡把各分散設備基層集成為一個完整的系統。這樣，分布在不同物理設備中的功能塊形成一個真正的分布式應用。

3? 結語

分布式的智能CNC機床推動生產制造全球化發展，帶來產品制造模式的巨大變革。文中介紹了以IEC 61499為框架，STEP-NC為輸入數據模型的一種開放式的CNC系統，數據可在不同品牌的CNC機床之間進行傳遞。這種開放式的CNC系統具有分層結構，使CNC控制器各單元可分布在不同的設備中，便于進行設備的遠程管理與配置。分布式的智能CNC機床保證了數據信息的集成和共享，促進了數控技術智能化、網絡化和集成化的發展，為數控系統的智能化發展提供了條件，但真正實現智能化控制還需要不懈的努力。

參考文獻

[1] 杜娟，閆獻國，田錫天，等.面向銑削加工的STEP-NC文件到G代碼轉換技術[J].計算機集成制造系統，2010（1）：188-194.

[2] 程國標.開放式數控系統研究[D].復旦大學，2008.

[3] 易慧敏，張平.基于STEP-NC的CAM/CNC系統數據接口的研究[J].機床與液壓，2011（14）：84-89.