集成化数控系统的特点及关键技术

    1、引言
   
    在现代制造系统中，由于英特网和分布式计算技术的出现，产品的设计和制造日益分散化，协同合作制造日益成为更快速、更经济的生产高质量产品的有效模式。目前的数控系统正在向着集成化( Integrated)的方向发展，其目的在于为产品生产过程中的各个独立部门提供有效的协同工作环境。传统的CIMS 技术大而全，在一般的中小企业很难实施，于是INC 应运而生。
   
    2、INC 的概念与关键技术
   
    2.1 INC 的概念

    集成化数控( Integrated Numerical Control ， INC) 将CIMS 中的功能实现(如CADPCAMPCAPPPNCP 等) 抽象为一系列独立的功能模块，再将这些功能模块集成在一起便可组成一个具体的数控系统 。
   
    以水射流机床所使用的INC 系统的整体工作流程为例(见图1) ，其整个系统是建立在工程数据库的基础上，数据库包括花样库、切削用量库、夹具库、喷嘴库、工艺库、NC 代码库等，它们通过Intranet／Internet集成在一起，构成了工程数据库。INC 系统可分为6个子部件模块辅助设计(CAD) 、辅助工艺(CAPP) 、优化决策、数控加工(CNC) 、系统监控和总体规划。

图1 水射流INC 系统工作流程图

    2.2 INC 与ONC、DNC 的区别
   
    开放式数控(Open Numerical Control ，ONC) ，与传统的CNC 系统相比较，ONC 的核心在于其开放性，它必须提供不同应用程序运行于系统平台之上的能力；提供面向功能的动态重组工具；提供统一、标准化的应用程序用户界面。世界各国相继启动了有许多关于开放式数控的研究计划， 其中影响较大的有美国OMAC(Open Modular Architecture Controller) 计划，欧共体的OSACA (Open System Architecture for Control withinAutomation) 和日本的OSEC(Open System Environment forController) 计划等[3 ] 。直接数控(Direct Numerical Con-trol ， DNC) 和分布式数控(Distributed Numerical Control ，DNC) 系统的主要目标是更加有效地控制一组数控机床或是整个工厂的生产， 它实际上是一种分布式制造。
   
    与ONC、DNC 不同， INC 是以数控为核心，它的各个模块都是面向数控，它的一切工作都是为数控加工服务。例如，一般的CAM 系统注重特征识别、零件几何造型的建立以及零件加工轨迹的定义等，而INC 的CAM 模块中注重的是对零件加工过程的仿真和生成数控加工代码，其目的是便于检验零件的手工编程或自动编程的数控加工程序是否正确。与分布式制造(Distributed Manufacturing) 相比较， INC 更接近于一种协同制造(Collaborative Manufacturing) 。
   
    2.3 INC 的关键技术
   
    INC 有三点关键技术面向数控的CAD 技术；面向数控的CAPP 技术和基于CAD／CAPP 信息集成的CNC 技术。
   
    面向数控的CAD 技术包括图像预处理、智能识别、图像矢量化和CAD／CAPP 集成技术等。面向数控的CAPP 技术则包括路径优化、步骤优化、CAPP／CAM集成、工艺数据库的建立和管理技术等。
   
    基于CAD／CAPP 信息集成的CNC 技术，主要是与CAD／CAPP 集成系统的接口和交互的技术(基于STEP标准扩展的接口和交互技术) 、嵌入式设备研制技术和实时技术等。
   
    本文将对基于CAD／CAPP 信息集成的接口和交互的技术进行讨论与研究。
   
    3、CNC与CAD／CAPP 的接口和交互技术
   
    目前在工业化应用中的NC 所采用的编程方式还是基于ISO 6983 (GPM 代码) 标准，随着计算机辅助系统CAX技术、系统集成技术等的飞速发展和广泛应用，该标准已越来越不能满足现代NC 系统的要求，成为制约数控技术乃至自动化制造发展过程中的瓶颈问题。
   
    1997 年欧共体提出了OPTIMAL 计划，将STEP 技术延伸到自动化制造的底层设备，开发了一种遵从STEP 标准、面向对象的数据模型(称为STEP2NC) ，将产品模型数据转换标准扩展到CNC 领域，重新制定了CAD／CAPP 与CNC 之间的接口， 为实现CAD／CAPP／CNC 之间的无缝连接，进而实现真正意义上的完全开放式数控系统奠定了基础[4]。
   
    传统数控系统与CAD／CAPP 之间的数据交换是单向传输，现场对NC 程序的任何修改都无法直接反馈到CAD／CAPP 系统，生成NC 程序时记录最初加工需求的信息已经丢失。而使用STEP－NC 可减少加工信息容易丢失的问题，实现双向数据流动，能够保存所做的修改，使零件程序和优化的加工描述及时地反馈到设计部门(CAD) ，以便设计部门及时进行数据更新，获得完整、连贯的加工过程数据文件。
   
    图2 所示是基于STEP－NC 标准的数据模型，其中包含了加工工件的所有任务，其基本原理是基于制造特征(如孔、型腔、螺纹、倒角等) 进行编程，而不是直接对刀具与工件之间的相对运动进行编程。这样，CNC 系统可以直接从CAD 系统读取STEP 数据文件，消除了由于数据类型转换而可能导致的精度降低问题。

图2 基于STEP－NC 的数据模型

    图3 所示为一种采用了STEP－NC 标准的数控系统结构模型，该结构模型包含了当前STEP－NC 与数控系统结合的3 种模式，模式1 是一种过渡形式，上层符合STEP 标准的CAD／CAPP 系统与STEP－NC 接口实现双向数据流动，下层通过增加符合STEP－NC 标准代码转换接口，将STEP－NC 数据代码转换为GPM 等代码，进而实现对现行数控系统的控制。模式2 是一种比较简单、初级的模式，与模式1 的区别在于下层采用了新型STEP－NC 控制器，直接读取STEP 数据格式加工文件。模式3 是模式2 的发展与完善，它使系统的集成度更高、设计层与车间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、微观功能与车间层集成。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，模式1 将长期保留在系统之中[5] 。

图3 基于STEP 标准的数控系统结构模型

    基于STEP－NC 标准的CAD／CAPP／CNC 之间将会实现无缝连接，CAD／CAPP 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快速的调整，生产效率将得到极大的提高。另外，CAD、CAPP、CNC 之间的功能将会重新划分CAPP 系统的宏观规划与CAD 系统集成，微观功能与CNC 集成。
   
    4、应用实例
   
    AWJ 水射流机床(国家专利产品) 是通过高压管道形成高压水射流或磨料射流，来实现对工件的切割以及抛光等操作。初始条件为工件的数码图像，经过INC 的CAD／CAPP 集成系统处理后直接将数据传输到CNC 子模块，由CNC 子模块生成加工仿真。INC 系统是基于Windows 平台，应用于水射流切割机的集成化数控加工。
   
    图4 所示是INC 系统的图像预处理模块，左上角是初始数码图像，经过一系列处理后得到右下角的轮廓线。

 
图4 图像预处理模块

    图5 所示是将经过处理后的轮廓输入CAD 软件稍加修改，再由集成到CAD 软件内部的CAPP 软件设计出合适的加工工艺。最后生成NC 代码输入模拟仿真软件，如图6 所示，可以进行仿真切割加工。这样便完成了INC 系统中由数码图像到成品加工的一系列工作。

图5 CAD／CAPP 模块

图6 数控加工模块运行界面

    5、结语
   
    现代制造系统要求设计、工艺、制造等部门之间，实现适时的动态数据传输，在一个环境中协调运作，基于STEP－NC 的CNC 技术可以实现CAD／CAPP／CNC之间有效的集成，生产效率将得到极大的提高。加工数据流在整个加工过程中可以迅速地在各个部门、各个企业甚至国际间进行访问和共享， CAD／CAPP 与CNC 之间的瓶颈效应也不复存在，产品的生产周期将大大缩短。据STEP Tools 公司的研究数据表明，STEP－NC 的应用将使目前加工前数据准备时间减少75 % ，工艺规划时间减少35 % ，加工时间减少50 %。