集成数控系统的特点及关键技术

1，简介

在现代制造系统中，由于互联网和分布式计算技术的出现，产品的设计和制造日益分散，协同制造日益成为更快、更经济地生产高质量产品的有效模式。目前，数控系统正在向集成化方向发展，其目的是为产品生产过程中的各个独立部门提供一个有效的协同工作环境。传统的CIMS技术庞大而全面，在普通中小企业中难以实施，于是INC应运而生。

2.公司的概念和关键技术。

2.1 INC的概念

集成数控(INC)将CIMS中的功能实现(如CADPCAMPCAPPPNCP)抽象为一系列独立的功能模块，然后将这些功能模块集成在一起，形成一个具体的数控系统。

以水射流机床使用的INC系统整体工作流程为例(见图1)。整个系统以工程数据库为基础，包括图形数据库、切削参数数据库、夹具数据库、喷嘴数据库、工艺数据库、数控代码数据库等。它们通过Intranet/Internet集成在一起，形成工程数据库。INC系统可分为六个子组件模块辅助设计(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水射流公司系统工作流程图

2.2 Inc与ONC、DNC的区别

与传统的数控系统相比，开放式数控的核心在于其开放性，必须提供不同应用程序在系统平台上运行的能力。提供面向功能的动态重组工具；提供统一和标准化的应用程序用户界面。世界上许多国家都开展了开放式数控的研究计划，其中美国的OMAC(Open Modular Architecture Controller)计划影响很大。欧洲的Osaca(自动化控制开放系统架构)和日本的OSEC(控制器开放系统环境)[3]。直接数控(DNC)和分布式数控(DNC)系统的主要目标是更有效地控制一组数控机床或整个工厂的生产，这实际上是一种分布式制造。

与ONC和DNC不同，INC以数控为核心，所有的模块都面向数控，所有的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、零件几何建模的建立和零件加工轨迹的定义，而INC的CAM模块则注重零件加工过程的模拟和数控加工代码的生成，目的是便于验证零件手工编程或自动编程数控加工程序的正确性。与分布式制造相比，INC更接近于协同制造。

2.3公司的关键技术

公司拥有三项关键技术:面向数控的CAD技术；面向数控的CAPP技术和基于CAD/CAPP信息集成的数控技术。

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。面向数控的CAPP技术包括路径优化、步骤优化、CAPP/CAM集成、工艺数据库建立和管理技术。

基于CAD/CAPP信息集成的数控技术主要包括与CAD/CAPP集成系统的接口与交互技术(基于STEP标准扩展的接口与交互技术)、嵌入式设备开发技术和实时技术。

本文将对基于CAD/CAPP信息集成的接口和交互技术进行探讨和研究。

3.数控系统与CAD/CAPP的接口及交互技术。

目前，工业应用中使用的数控编程模式仍然是基于ISO 6983 (GPM代码)标准。随着CAX技术和系统集成技术的快速发展和广泛应用，该标准已越来越不能满足现代数控系统的要求，成为制约数控技术乃至自动化制造发展的瓶颈问题。

1997年，欧洲* * *提出最优方案，将STEP技术扩展到自动化制造的底层设备，开发符合STEP标准的面向对象数据模型(称为STEP2NC)，将产品模型的数据转换标准扩展到CNC领域，重新建立CAD/CAPP与CNC的接口，以实现CAD/CAPP/CNC的无缝连接，进而实现真正意义上的完全开放的CNC。

传统数控系统与CAD/CAPP之间的数据交换是单向传输的，现场对数控程序的任何修改都不能直接反馈到CAD/CAPP系统，生成数控程序时记录初始加工要求的信息已经丢失。使用STEP-NC可以减少加工信息容易丢失的问题，实现数据双向流动，保存所做的修改，并将零件程序和优化后的加工描述及时反馈给设计部门(CAD)，使设计部门及时更新数据，获得完整连贯的加工工艺数据文件。

图2显示了基于STEP-NC标准的数据模型，它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、腔、螺纹、倒角等)进行编程。)，而不是直接编程刀具和工件的相对运动。这样CNC系统就可以直接从CAD系统中读取STEP数据文件，消除了数据类型转换可能带来的精度降低问题。

图二。基于STEP-NC的数据模型

图3所示为采用STEP-NC标准的数控系统结构模型，包括当前STEP-NC与数控系统结合的三种模式。1模式是一种过渡形式。上层符合STEP标准的CAD/CAPP系统与STEP-NC接口实现双向数据流，下层通过增加符合STEP-NC标准的代码转换接口将STEP-NC数据代码转换为GPM代码，从而实现当前的数控系统。模式2是一种比较简单初级的模式，与模式1的区别在于，下层采用了新的STEP-NC控制器，直接读取STEP数据格式的加工文件。模式3是模式2的发展和完善，使系统更加集成，重新划分了设计层和车间层的功能，实现了CAPP系统宏规划和CAD系统、微功能和车间层的集成。鉴于ISO6983标准在数控领域的广泛应用，短时间内用ISO14649标准完全取代它是不现实的，所以在STEP-NC控制器被广泛使用之前，1模式将在系统中长期保留[5]。

图3基于STEP标准的数控系统结构模型

将实现基于STEP-NC标准的CAD/CAPP/CNC之间的无缝连接，CAD/CAPP与CNC之间的双向数据流将使设计部门清楚地了解加工实际，并根据现场编程返回的信息对生产计划做出及时快速的调整，大大提高生产效率。此外，CAD、CAPP和CNC之间的功能将重新划分为CAPP系统的宏观规划和CAD系统的集成，以及CNC的微观功能和集成。

4.应用示例

AWJ水射流机床(国家专利产品)通过高压管道形成高压水射流或磨料射流，实现工件的切割和抛光。初始条件是工件的数字图像，由INC的CAD/CAPP集成系统处理，数据直接传输到CNC子模块，CNC子模块生成加工仿真。INC系统基于Windows平台，应用于水射流切割机的集成数控加工。

图4示出了INC系统的图像预处理模块。初始数字图像在左上角，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示出了将加工后的轮廓输入到CAD软件中进行轻微修改，然后集成到CAD软件中的CAPP软件设计合适的加工工艺。最后将生成的NC代码输入仿真软件，如图6所示，即可进行仿真切割。这样就完成了INC系统中从数字图像到成品处理的一系列工作。

图5 CAD/CAPP模块

图6数控加工模块运行界面

5.结论

现代制造系统要求设计、技术、制造等部门之间及时的动态数据传输，并在一个环境中协同运作。基于STEP-NC的数控技术可以有效地集成CAD/CAPP/CNC，生产效率将大大提高。在整个加工过程中，加工数据流可以在各个部门、企业甚至国际范围内快速访问和享用，CAD/CAPP与CNC之间的瓶颈效应将不复存在，产品的生产周期将大大缩短。根据STEP Tools公司的研究数据，STEP-NC的应用将使加工前的数据准备时间减少75%，工艺规划时间减少35%，加工时间减少50%。

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