基于STEP-NC的数控系统体系结构的研究*STEP-NC/数控系统/模型/结构1引言随着STEP-NC标准的制定和逐步完善,基于STEP-NC开放式数控系统发展成为必然。尽管数控系统从系统设计方法到系统的实现方式千差万别,但其基本组成与原理都是类似的。作为一个典型的计算机应用系统,任何数控系统都离不开硬件和软件的支持。通过系统控制软件配合系统硬件,合理地组合、管理数控系统的输入、数据处理、插补和信息输出,控制执行部件,使数控机床按照操作者的要求有条不紊地进行加工。基于STEP-NC数控系统的体系结构研究类型可以分为三类:嵌入型、标准型和智能型。标准型与智能型相比,虽然在功能上缺乏自组织、自适应、自学习等方面较强的智能能力,但是标准型STEP-NC数控系统本身具有比较完整的闭环框架结构和基于特征的信息处理功能,所以在系统实现技术上并没有本质的差别。智能型STEP-NC数控系统是STEP-NC数控系统研究和发展的目标。开放式体系结构使数控系统具有更好的适应性、通用性、柔性、扩展性,并向智能化、网络化方向发展。2数控系统开放式的研究现状长期以来数控设备制造公司,对CNC均采取封闭式设计,各自设计生产自己的CNC,彼此并不兼容。这给数控机床制造厂家的生产和最终用户的使用、维护带来诸多不便。很多情况下,用户需要把特殊要求融入到控制系统中,传统数控系统的封闭性,使得对它的修改和功能扩充极为有限。最终用户在使用、维护控制系统时同样面临这个问题。更为不便的是,软件对硬件的不可移植性使得计算机和其它领域的先进技术在CNC中的应用也存在相对的滞后期。为了克服上述不足,国内外许多企业和政府研究机构在数控系统的开放性方面做了大量的研究工作[1]。“开放式结构控制器(OpenArchitectureController)”的概念第一次出现在1988年前后。1989年,美国国防部开始了“下一代工作站/机床控制器NGC”计划。1990年又启动了OASYS项目作为NGC计划的后续项目。其后许多关于开放式系统结构的研究计划在世界各地相继启动。其中影响较大的有:美国的Ford、GM和Chryler等公司在NGC计划的指导下联合提出的OMAC开发计划,其目的是用更加开放、更加模块化的控制结构使制造系统更具柔性、更加敏捷;欧洲的德、法、意等国于1995年联合启动的OSACA计划;日本的丰田、三菱等14家企业联合提出的OSEC计划等,这些工作已进入了工业试用阶段并逐步走上联合垄断的道路。在我国,目前比较有代表性的新型开放式数控系统的研究主要有以下几种:(1)基于软件芯片的开放式数控系统。华中科技大学的魏仁选提出的,在该模式中通过对数控软件的标准化与规范化研究,运用面向对象的机制,把数控系统的功能进行抽象并进行封装。这种软件芯片的使用只是简单的程序源代码的重用,这种移植只能是同一种编程语言下的移植,是一种极为有限条件下的移植。(2)基于现场总线技术的开放式数控系统。现场总线技术可以将大量的并行信号转化为串行信号,利用双线电缆或光缆可以在上百台设备之间实时传递上千路的信号[2][5]。3STEP-NC数控系统信息流模型STEP-NC是一个面向对象的新型NC编程数据接口国际标准,在该数控系统中,数据类型繁多,数据的创建、时变和消亡由具体运行过程决定,它所包含的信息也是随着系统需求不断变化的。信息在数控系统内部的时序要求是不同,可以把信息在数控系统内部分为三个阶段:(1)非实时流程,(2)弱实时流程,(3)强实时流程。在非实时流程中,各模块的执行过程和时序无关,根据信息的需要以循序的方式进行;在弱实时流程中,它的运行模块对实时性有要求,在执行过程中允许一定的延时,模块的执行时间也没有进行精确定时;在强实时流程中,明确定义了模块的精确执行时间和执行过程,一般不允许延时。图1是STEP-NC非实时和弱实时信息流模型,(a)是非实时信息流自上而下的信息传递和转换过程。首先加工程序或信息经标准数据接口读入,以原始数据存于数据存储区域中,数据依据信息分类原则采用不同的处理方式。制造特征几何拓扑和资源中的模型信息采用特征重构的方式,以拓扑数据和几何元素存于数据存储区[3]。技术信息和执行流则采用列表的方式进行信息提取,技术列表对应具体的操作函数。对执行流列表的工艺过程利用重规划加以优化执行流。然后依据这些信息流数据进行非实时制造规划、计算和修改,同时确定需要在现场给定某些工艺参数和加工预备等资源数据,最后这些数据形成现场制造辅助数据。(b)表示理想的弱实时信息流程,本文中暂且把刀具轨迹生成放置在非实时中完成。继刀具轨迹生成之后,需要进行刀具轨迹数据的计算及偏置、干涉的去除等。在把制造特征几何拓扑模型数据转化为离散的几何数据之后,进行基于体特征的插补控制,同时保留特征的信息,满