CA6140機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)（含全套CAD圖紙）
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數(shù)控機(jī)床更加開(kāi)放，可互操作的，智能的技術(shù)評(píng)論
摘要
新一代的計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）機(jī)器的目的是可移植的，可互操作的，適應(yīng)能力強(qiáng)。近年，G-代碼（ISO 6983）已廣泛應(yīng)用于部分編程的數(shù)控機(jī)床，但在開(kāi)發(fā)新一代的數(shù)控機(jī)床上也被認(rèn)為是一個(gè)瓶頸。一個(gè)叫STEP-NC的新標(biāo)準(zhǔn)正在作為一種新型數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)模型而發(fā)展起來(lái)。數(shù)據(jù)模型是一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)智能化的數(shù)控制造工作站，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CNC控制器和NC代碼生成工具的目標(biāo)。它被認(rèn)為是一個(gè)實(shí)現(xiàn)STEP-NC的數(shù)控機(jī)床更加開(kāi)放的，更強(qiáng)適應(yīng)性的基礎(chǔ)架構(gòu)。本文概述了STEP-NC的未來(lái)主義觀(guān)點(diǎn)來(lái)支持通過(guò)全球網(wǎng)絡(luò)的自主制造工作站進(jìn)行的可互操作的分布式STEP兼容數(shù)據(jù)的解釋?zhuān)糠种悄艹绦虻纳?，診斷和維護(hù)，監(jiān)測(cè)和作業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的智能制造。
2005年，愛(ài)思唯爾B.V.保留所有權(quán)利。
1. 介紹
從一開(kāi)始在19世紀(jì)的工藝生產(chǎn)到20世紀(jì)初所開(kāi)拓的大規(guī)模生產(chǎn)中已經(jīng)出現(xiàn)了制造系統(tǒng)中一些革命性的配置變化。最被認(rèn)可的傳統(tǒng)配置制造系統(tǒng)是專(zhuān)用的傳輸（機(jī)器）線(xiàn)，它們使大規(guī)模生產(chǎn)在高效率和低成本下進(jìn)行成為可能。為滿(mǎn)足20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)80年代生產(chǎn)發(fā)展中需要的應(yīng)用范圍更廣的零部件的要求，“靈活”生產(chǎn)得以發(fā)展來(lái)滿(mǎn)足這些需求較小的批次不同的生產(chǎn)部分。這些系統(tǒng)使用幾組計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）機(jī)器來(lái)重新編程使不同部分與自動(dòng)傳送系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)合。 這些CNC機(jī)床在系統(tǒng)中成為核心要點(diǎn)，例如在靈活的傳輸線(xiàn)上，柔性制造系統(tǒng)（FMS）中和柔性制造單元（FMC）中。
然而，這些系統(tǒng)的靈活性還是被認(rèn)為是被限制了的。為了讓制造企業(yè)在面對(duì)日益頻繁，不可預(yù)測(cè)的市場(chǎng)變化中自信的做好準(zhǔn)備，可互操作的更加開(kāi)放的制造系統(tǒng)是必要的。在可互操作，開(kāi)放的制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作過(guò)程中有必要區(qū)分系統(tǒng)上的問(wèn)題，組件上（即機(jī)床和控制）的問(wèn)題還有減少加速時(shí)間的問(wèn)題。大部分的研究工作都不遺余力地放在了系統(tǒng)的問(wèn)題上，對(duì)組件的問(wèn)題的研究很少，而減少加速時(shí)間的問(wèn)題就更被人忽視了。在組件層面上，研究工作主要圍繞關(guān)于機(jī)床的控制問(wèn)題。目的在于為模塊化和開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)控制提供可行的數(shù)控技術(shù)。
在任何制造系統(tǒng)中，數(shù)控機(jī)床都是其主要成分。需求和新的機(jī)遇賦予數(shù)控機(jī)床急需的功能，例如，互操作性，適應(yīng)性，靈活性和可重構(gòu)性。為此，有兩個(gè)主要問(wèn)題需要解決，即產(chǎn)品數(shù)據(jù)的兼容性/互操作性和數(shù)控機(jī)床適應(yīng)性。至目前為止，很少有研究在這一領(lǐng)域開(kāi)展，但由于被稱(chēng)為STEP-NC的新的CNC數(shù)據(jù)模型的發(fā)展，出現(xiàn)了一股研究活動(dòng)在設(shè)法解決上述的問(wèn)題。本文報(bào)道了這些研究活動(dòng)，并試圖解決數(shù)控機(jī)床的互操作性和適應(yīng)性的問(wèn)題。
目前的CNC技術(shù)的障礙
今天的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)在如多軸控制，誤差補(bǔ)償和多工藝制造（例如，聯(lián)合車(chē)/銑/激光和磨床）的幫助下很好的發(fā)展起來(lái)了。但與此同時(shí)，這些功能的編程任務(wù)越來(lái)越困難而且機(jī)床本身也較難適應(yīng)。為緩解這一問(wèn)題已經(jīng)付出了一些努力，特別是開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)控制的趨勢(shì)方面，基于OSACA[5]和開(kāi)放式模塊化結(jié)構(gòu)控制器（OMAC）[6]，第三方軟件可用于在控制器內(nèi)工作于標(biāo)準(zhǔn)的Windows操作系統(tǒng)下。對(duì)于軟件控制器的應(yīng)用是一個(gè)公認(rèn)的未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，PLC的邏輯編輯在軟件中而不是硬件。
雖然這些事態(tài)發(fā)展都提高了軟件工具和數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，但供應(yīng)商和用戶(hù)仍在尋求一個(gè)共同的語(yǔ)言，它集成了CAD，CAPP，CAM，CNC，每個(gè)階段的知識(shí)轉(zhuǎn)換不會(huì)丟失信息。雖然有很多的輔助工具支持NC制造，但從系統(tǒng)到系統(tǒng)的適應(yīng)性和互操作性問(wèn)題，仍然被看作是限制更廣泛地使用這些工具的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
2.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)的兼容性和互操作性
數(shù)控機(jī)床完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造生命周期，往往不在于他們必須與上游子系統(tǒng)進(jìn)行溝通，如CAD，CAPP，CAM。像SET，VDA和初始圖形交換規(guī)范（IGES）在中立數(shù)據(jù)交換協(xié)議的情況下就會(huì)使用，在合成的CAD/CAM系統(tǒng)之間會(huì)發(fā)生信息交換。然而，這只有部分成功，因?yàn)檫@些協(xié)議主要是為了交換幾何信息但不完全適用于所有的CAD / CAPP / CAM行業(yè)的需求。因此，國(guó)際社會(huì)制定的ISO10303[7]設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，稱(chēng)為STEP為我們所熟知。
通過(guò)實(shí)施STEP AP-203[8]和STEP AP-214[9]在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)交換的屏障被除去。然而，CAD / CAM和CNC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題仍未得到解決。CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)精確地描述了一部分的幾何形狀，而CAM系統(tǒng)根據(jù)目前的CAD模型和車(chē)間現(xiàn)有的資源上的幾何信息來(lái)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成計(jì)劃和控制制造業(yè)務(wù)。最終結(jié)果是，CAM系統(tǒng)是一組能在數(shù)控機(jī)床上執(zhí)行的數(shù)控程序。STEP AP-203和STEP AP-214只有統(tǒng)一為一個(gè)CAM系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。在CAM系統(tǒng)的輸出方面，一個(gè)50年歷史的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6983（稱(chēng)為G-代碼或RS274D）[10]仍占據(jù)大多數(shù)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。 ISO 6983已經(jīng)過(guò)時(shí)，但仍然被廣泛使用，ISO 6983只支持單向的信息流從設(shè)計(jì)到制造的。 CAD數(shù)據(jù)不利用在機(jī)床上。相反，他們所處理的后處理器只得到了一組低層次的，不完整的數(shù)據(jù)，這使得修改，驗(yàn)證和仿真變的困難。在車(chē)間所做的更改不能直接反饋給設(shè)計(jì)師。因此，在車(chē)間的寶貴經(jīng)驗(yàn)不能被保存和再利用。
2.2 不靈活的CNC控制制度
ISO 6983標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于編程的機(jī)軸，刀具中心位置（CL）的部分，而不是加工任務(wù)的路徑。因此，ISO 6983定義程序語(yǔ)句的語(yǔ)法，但在大多數(shù)情況下留下的語(yǔ)義含糊不清，再加上低級(jí)別的有限的控制程序執(zhí)行。這些程序在CAM系統(tǒng)的機(jī)器經(jīng)過(guò)特定的處理器加工后，變的依賴(lài)于機(jī)器。為了提高數(shù)控機(jī)床的能力，CNC控制器供應(yīng)商還開(kāi)發(fā)了自己定制的控制命令集，以增加更多的功能到他們的CNC控制器上，擴(kuò)展ISO 6983。這些命令由于不同的供應(yīng)商之間的差異，將進(jìn)一步造成機(jī)床之間數(shù)據(jù)的不兼容。
目前不靈活的的CNC控制制度意味著從CAM系統(tǒng)的輸出具有不適應(yīng)性，這反過(guò)來(lái)又否認(rèn)有任何互操作性的數(shù)控機(jī)床。主要的原因是基于G代碼的部分程序只包含低級(jí)別的信息可以被描述為“如何做”的信息。數(shù)控機(jī)床，不管他們的能力，能做的只是“忠實(shí)地”遵循G代碼程序。這是不可能執(zhí)行智能控制或加工優(yōu)化的。
3. STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)
今天，一個(gè)正在被STEP-NC供應(yīng)商，用戶(hù)和全球范圍內(nèi)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的新的標(biāo)準(zhǔn)ISO 14649[11-16]被非正式的確認(rèn)了，這將給一種新的智能CNC提供一個(gè)數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型是一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)NC編程的通用標(biāo)準(zhǔn)，這使得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CNC控制器和NC代碼生成工具的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。目前正在開(kāi)發(fā)兩個(gè)版本的STEP-NC ISO。首先是應(yīng)用參考模型（ARM）（即ISO 14649）和其他應(yīng)用程序的解釋模型（AIM），ISO 14649（即ISO 10303 AP-238 [17]）。欲了解更多使用方面信息和它們之間的差異的讀者可以參考[18,19]。
不同于當(dāng)前的NC編程標(biāo)準(zhǔn)（ISO 6983），ISO 14649不是部分編程的方法，通常不會(huì)說(shuō)明數(shù)控機(jī)床的刀具移動(dòng)。相反，它采用各種信息表示基于功能的編程，如待加工功能，使用的工具類(lèi)型，要執(zhí)行的操作，和遵循的操作順序，以一個(gè)詳細(xì)的，結(jié)構(gòu)化的接口提供給數(shù)控設(shè)備一個(gè)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型。雖然它能近似的定義為機(jī)床刀具使用STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的目的是讓后期的新品種智能控制器--STEP-NC控制器能生成這些命令。它的宗旨是讓STEP-NC零件程序可以只要編寫(xiě)一次，但可以在許多不同類(lèi)型的機(jī)床控制器上提供機(jī)器所需的處理能力。能做到這一點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床和控制程序的適應(yīng)性和可互操作性就能得以實(shí)現(xiàn)了。圖.1說(shuō)明幾何和加工信息，現(xiàn)在可以在CAD / CAM系統(tǒng)和STEP-NC控制器之間雙向傳送[20]。一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是刀具路徑的運(yùn)動(dòng)信息是可選的，理想情況下應(yīng)該由STEP-NC控制器在機(jī)器上生成。
被定義為加工功能（類(lèi)似的AP-224[22]）的幾何信息以稱(chēng)為工作步驟的加工操作執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)功能。這些加工步驟提供基本的“工作計(jì)劃”制造組件。圖.2示出了一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)提取物形成的工作計(jì)劃進(jìn)行開(kāi)槽，鉆孔和扒竊的加工步驟的一部分。要注意的重要的一點(diǎn)是，這個(gè)代碼是STEP-NC智能控制器導(dǎo)入和導(dǎo)出所傳送的（物理）文件。這個(gè)文件是由控制器解讀，在控制器上通過(guò)一個(gè)智能的人工數(shù)據(jù)接口（MDI）或CAD / CAM系統(tǒng)使數(shù)控運(yùn)營(yíng)商在一個(gè)工步水平（即加工操作）進(jìn)行交互。使用STEP-NC的好處如下[23]。
· STEP-NC提供了一個(gè)完整的，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)模型，幾何和技術(shù)的信息聯(lián)系起來(lái)，這樣在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的不同階段不會(huì)丟失任何信息。
· 它的數(shù)據(jù)元素足夠來(lái)形容任務(wù)導(dǎo)向型的NC數(shù)據(jù)。
· 數(shù)據(jù)模型在進(jìn)一步的技術(shù)和擴(kuò)展性（一致性等級(jí)）上是可發(fā)展的，來(lái)匹配特定的CAM，SFP或者NC的能力。
· 可以大大減少中小型工作任務(wù)的加工時(shí)間，因?yàn)镾TEP-NC控制器能進(jìn)行智能優(yōu)化。
· 后處理器機(jī)制將被淘汰，因?yàn)榻涌诓灰髾C(jī)器特定的信息。
· 機(jī)床更安全而且有更強(qiáng)的適應(yīng)性因?yàn)镾TEPNC是從機(jī)床供應(yīng)商中獨(dú)立的。
· 在車(chē)間的改造可以保存并反饋給設(shè)計(jì)部門(mén)，因此可以實(shí)現(xiàn)雙向信息在CAD/ CAM和數(shù)控機(jī)床之間的傳輸。
· XML文件可以作為一個(gè)信息載體，從而基于Web進(jìn)行分布式制造。
STEP-NC的價(jià)值主張有詳細(xì)的討論在OMAC STEP-NC工作組的一份報(bào)告[24]和其他出版物[20,23,25]中可以找到。
Fig. 1. STEP-NC的雙向信息流 [21].
Fig. 2.STEP-NC物理文件示例[20].
4. STEP-NC更加開(kāi)放和可互操作的機(jī)床
相關(guān)的STEP-NC的研究工作有四種類(lèi)型：（1）傳統(tǒng)的CNC控制使用STEP-NC（2）啟用新的STEP-NC的控制；（3）STEP-NC的智能控制；（4）啟用協(xié)作STEP-NC的加工。從1型到4型，適應(yīng)性程度是遞增的。應(yīng)當(dāng)注意的是，STEP-NC和STEP現(xiàn)已形成用于較完整的產(chǎn)品信息的通用數(shù)據(jù)模型。其深遠(yuǎn)的影響在于一個(gè)完全整合的CAD，CAPP，CAM和CNC在完整的設(shè)計(jì)，制造產(chǎn)業(yè)鏈所需的互操作性和適應(yīng)性。由于本文的討論范圍有限，只有直接關(guān)系到支持STEP-NC的CAM / CNC的研究工作才進(jìn)行了討論。
4.1 傳統(tǒng)的CNC控制使用STEP-NC
這種類(lèi)型的研究，標(biāo)志著STEP-NC的相關(guān)研究的努力。其主要目的是要回答兩個(gè)問(wèn)題：“STEP-NC文件包含足夠的數(shù)控加工，并提供充足的信息嗎？'，如果是，”一個(gè)傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上能使用而無(wú)需改變?cè)撓到y(tǒng)的硬件嗎？'。主要研究對(duì)“翻譯”的發(fā)展，可以在STEP AP-203和AP-224文件中讀取，并將其轉(zhuǎn)換為G代碼格式，有針對(duì)性的數(shù)控機(jī)床可以執(zhí)行。在許多CAD/ CAM或CAM系統(tǒng)中，翻譯是有點(diǎn)類(lèi)似的“后處理器”。唯一不同的是，現(xiàn)在的CAD/ CAM，CAM和CNC系統(tǒng)在一定意義上，STEP標(biāo)準(zhǔn)的信息可以用來(lái)全線(xiàn)實(shí)現(xiàn)互操作。此外，設(shè)計(jì)信息，可以嵌入在STEP-NC文件中提供的數(shù)控系統(tǒng)。此方案說(shuō)明了有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的傳統(tǒng)制造業(yè)能啟用STEP AP-203。
在三個(gè)階段的超級(jí)模型項(xiàng)目的前兩個(gè)階段的工作進(jìn)入到了這種類(lèi)型的工作。在第一階段，包括Gibbs CAM軟件和各種第三方軟件開(kāi)發(fā)了一系列的軟件工具（i.e.ST-計(jì)劃，ST-機(jī)，STIX[31]）。Gibbs CAM軟件STEP翻譯的示范部分在STEPAP-203格式下可以讀取。然后使用Gibbs CAM軟件的圖形界面編程，直觀(guān)地驗(yàn)證其切割部分的渲染能力[32]。在第二階段，AP-238文件被Gibbs CAM軟件STEP-NC的轉(zhuǎn)接器插頭讀取使用，由STEP Tools公司開(kāi)發(fā)。MDSI開(kāi)放式數(shù)控控制器（基于軟件的CNC）[33]改造成在Gibbs CAM軟件和STEP-NC軟件的平臺(tái)上使用的布里奇波特立式加工中心。 使用AP-238文件中指定的工具和操作參數(shù)，STEP-NC適配器創(chuàng)建的Gibbs CAM軟件工具，過(guò)程，幾何元素和執(zhí)行Gibbs CAM軟件的功能來(lái)生成相應(yīng)的AP-238加工特征的刀具路徑。再一次，切割部分在呈現(xiàn)視覺(jué)驗(yàn)證之前處理數(shù)據(jù)來(lái)生成現(xiàn)有的G代碼輸出。這項(xiàng)工作已經(jīng)證明STEP-NC的完全自動(dòng)化CAM加工和刀具路徑生成的能力。它也顯著減少在CAD/ CAM數(shù)控編程所需的時(shí)間達(dá)85％[32]。
最近，在加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）于2003年1月，STEP Tools公司展示了，AP-203的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)功能轉(zhuǎn)換成AP-238功能（即AIM版本的STEP-NC），使用ST-計(jì)劃AP-238數(shù)據(jù)。AP-238的數(shù)據(jù)在ST-機(jī)的協(xié)助下然后轉(zhuǎn)移到Gibbs CAM軟件，然后到了法道 五軸加工中心。2003年6月在NIST，Master CAM的接口與其他5軸機(jī)床進(jìn)行了類(lèi)似的設(shè)置。
4.2 新的STEP-NC的控制
與一些流行的CNC控制器或開(kāi)放式模塊化結(jié)構(gòu)控制器密切合作[6]，在世界各地的幾個(gè)研究小組已經(jīng)能夠處理STEP-NC內(nèi)部信息的CNC控制器。隨著發(fā)展這是可以做到，而且能集成STEP-NC解釋器，控制器，可以忠實(shí)地執(zhí)行ISO 14649中規(guī)定的加工任務(wù)。
美國(guó)超級(jí)模型項(xiàng)目的第三階段工作可以看到，Gibbs CAM軟件集成了OMAC機(jī)床。AP-238提供的數(shù)據(jù)文件，所有的生產(chǎn)信息，讓Gibbs CAM軟件生成了刀具路徑數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)隨后被發(fā)送到臥式加工中心，然后發(fā)送到所謂的“行程的進(jìn)程間通信”，而不是傳統(tǒng)的G-代碼，顯示出比通常通過(guò)ISO 6983實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的CAM / CNC一體化。
在歐盟開(kāi)展的工作大部分屬于這一類(lèi)的研究。主要重點(diǎn)一直是發(fā)展STEP-NC功能的采用西門(mén)子840D控制器的CNC控制系統(tǒng)[34]。這使得STEP-NC物理文件與控制器直接集成，在STEP-NC兼容的Shop Mill CAM系統(tǒng)版本采用可視化的加工特征和相關(guān)的加工步驟。同時(shí)進(jìn)行編程的開(kāi)發(fā)，和這項(xiàng)工作一起在WZL，德國(guó)亞琛大學(xué)進(jìn)行，結(jié)合WZL車(chē)間編程系統(tǒng)，WZL Mill，STEP-NC兼容的編程系統(tǒng)和WZL-WOP（作坊式面向?qū)ο缶幊蹋?。在歐洲CATIA和OPENMIND系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)由沃爾沃和戴姆勒 - 克萊斯勒公司實(shí)現(xiàn)[34,15]說(shuō)明CAD/ CAM產(chǎn)品和出口的標(biāo)準(zhǔn)納入STEP-NC的西門(mén)子840D控制器的輸出能力。
除了STEP-NC銑床的發(fā)展，技術(shù)也已延伸到數(shù)控車(chē)削加工。STEP Turn軟件模塊的原型已開(kāi)發(fā)出ISW斯圖加特，與西門(mén)子840控制在勃林格NG200車(chē)床工作[34]，STEP Turn軟件可以導(dǎo)入CAD的幾何形狀和加工功能，定義加工策略和技術(shù)，并生成STEP-NC輸出。西門(mén)子控制器接收到這個(gè)輸出，并把它轉(zhuǎn)換成西門(mén)子Shop Turn的系統(tǒng)通過(guò)STEP-NC的進(jìn)口設(shè)備。
4.3 STEP-NC的智能控制
進(jìn)行智能控制數(shù)控機(jī)床的夢(mèng)想從來(lái)沒(méi)有得到真正的實(shí)現(xiàn)。主要原因是，輸入到數(shù)控機(jī)床可用的信息（G-碼）是太低級(jí)的信息，只有最小量的優(yōu)化工作可以實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)進(jìn)行。STEP-NC，無(wú)論是設(shè)計(jì)還是工藝信息都是提供給數(shù)控機(jī)床。對(duì)數(shù)控機(jī)床，或它們的控制器來(lái)說(shuō)，進(jìn)行高層次的智能活動(dòng)，如部分設(shè)置自動(dòng)化，自動(dòng)化和優(yōu)化刀具路徑生成精確的加工狀態(tài)和結(jié)果反饋;完整的防撞檢查（考慮到夾具和進(jìn)程中的幾何體），最佳工步序列;自適應(yīng)控制和上機(jī)檢測(cè)這是可能的。
研究人員在NRL-SNT（國(guó)家研究實(shí)驗(yàn)室STEP-NC科技）在韓國(guó)POSTECH，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種基于特征的STEP-NC自主控制基于開(kāi)放架構(gòu)的虛擬制造系統(tǒng)[35?37]。 ISO 14649的部分程序的信息通過(guò)一個(gè)解釋器被轉(zhuǎn)換成內(nèi)部數(shù)據(jù)格式，即形式“過(guò)程序列格拉夫過(guò)程順序（PSG）”。解釋器轉(zhuǎn)換物理文件，在“任務(wù)描述”成PSG的形式，如幾何，技術(shù)和工具的信息描述。PSG表示非線(xiàn)性的加工步驟序列中描述的加工特性的加工操作使用“與-或”的關(guān)系（表1和圖3）。上述的PSG，該器件可用多種方式加工，使數(shù)控靈活的，最佳的，智能的和自主的執(zhí)行。非直線(xiàn)過(guò)程序列模式符合STEP-CNC自治系統(tǒng)。為準(zhǔn)備執(zhí)行的STEP-NC程序，刀具路徑的發(fā)電機(jī)（PosTPG），刀具路徑模擬器（PosTPS）和數(shù)控軟件 NCK / PLC已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)了[35]。NCK/ PLC的STEP-NC的數(shù)據(jù)能轉(zhuǎn)換到機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型，并能夠進(jìn)行NURBS插值，先行控制，位置/速度插值PID（比例，積分，微分）控制。它通過(guò)I / O板與機(jī)床的硬件（驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)）連接。
Fig.3.處理序列圖[37].
制造系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，奧克蘭大學(xué)已經(jīng)開(kāi)發(fā)的STEP標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控機(jī)床，展示了G-代碼免費(fèi)加工方案[38]。這項(xiàng)研究工作由兩部分組成：改造現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床和發(fā)展STEPCNC（符合STEP-NC）轉(zhuǎn)換器。CompuCam的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[39]是用來(lái)取代現(xiàn)有的CNC控制器，該控制器是可編程的，使用自己的運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言-6 K運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言，能夠通過(guò)如Visual Basic，Visual C ++和Delphi語(yǔ)言的接口與其他CAPP/ CAM程序連接。STEPCNC轉(zhuǎn)換器可以理解和處理STEP-NC代碼，并通過(guò)人機(jī)界面與CNC控制器連接。它使用的STEP-NC的信息，如工作計(jì)劃，工步，加工策略，加工功能和切割工具，是目前在STEP-NC AIM的一個(gè)文件。
4.4 協(xié)同STEP-NC的加工
可以說(shuō)，STEP-NC的加工，最終目標(biāo)是支持基于Web的分布式協(xié)同制造（圖4），一個(gè)“設(shè)計(jì)任何地方/建造任何地方'的場(chǎng)景。作為一個(gè)STEP-NC程序可以從一個(gè)特定的機(jī)床的制造業(yè)信息（怎么做）區(qū)分“通用”制造業(yè)信息（做什么）是有可能的。因此，一個(gè)通用的STEP-NC程序可以做成獨(dú)立于機(jī)器的，有優(yōu)勢(shì)超過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)床，基于G代碼的NC程序，它總是產(chǎn)生一個(gè)特定的數(shù)控機(jī)床。對(duì)于這種類(lèi)型的STEP-NC程序上實(shí)現(xiàn)本機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，本機(jī)生產(chǎn)知識(shí)必須輸入。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，本機(jī)STEP-NC測(cè)繪系統(tǒng)的所謂的“原生STEP-NC適配器”已經(jīng)開(kāi)發(fā)[40]。該適配器內(nèi)置有三個(gè)部分：本機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，翻譯和人機(jī)界面。本機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中有一個(gè)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使發(fā)展中的翻譯工作由簡(jiǎn)單和連貫的NC編程組件在整個(gè)企業(yè)啟用。
最近，有使用XML（或者更確切地說(shuō)，ISO 10303第28部分）來(lái)代替明確的語(yǔ)言（或ISO 10303第21部分[41]）表示STEP-NC信息的一種趨勢(shì)。這樣做的原因是顯而易見(jiàn)的。XML的處理能力，可以輕松地支持電子制造業(yè)的情況。數(shù)控機(jī)床可以通過(guò)Internet / Intranet與其他部門(mén)以及公司內(nèi)外共享信息。
ERC-ACI（先進(jìn)控制和儀器儀表工程技術(shù)研究中心）在韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)[42?44]一直致力于開(kāi)發(fā)支持XML的STEP-NC數(shù)據(jù)模型的銑削。它可以搜索，提取和存儲(chǔ)工具中生成XML格式的路徑。銑床用于測(cè)試系統(tǒng)包含四個(gè)模塊（圖5）：XML數(shù)據(jù)輸入模塊，翻譯，刀具路徑生成器和運(yùn)動(dòng)控制卡。XML數(shù)據(jù)輸入模塊和翻譯器讓CAD文件生成STEP-NC程序，而另外兩個(gè)生成并執(zhí)行本機(jī)CNC加工計(jì)劃。
奧克蘭大學(xué)的一個(gè)符合STEP-CAPP系統(tǒng)的框架已經(jīng)開(kāi)發(fā)[29,30]。該系統(tǒng)采用三層的，基于Web的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（圖6）。在客戶(hù)端層有一組應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，使用戶(hù)和系統(tǒng)之間相互作用。這個(gè)過(guò)程打算像STEP-NC的AIM標(biāo)準(zhǔn)中描述的，是用來(lái)輸入到數(shù)控系統(tǒng)中的。更高級(jí)別的信息，例如加工的功能，加工步驟和工作計(jì)劃用于構(gòu)成的處理計(jì)劃替代按ISO6983規(guī)定的低層次信息。數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)提出用于通用和本機(jī)制造信息，而XML是用來(lái)表示STEP-NC在這些數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息。
Fig.4. 分布式的STEP反饋NC加工[20].
Fig.5. STEP-NC銑床[42].
Fig.6. 一個(gè)STEP標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)作的生產(chǎn)模式.
5. 便攜式STEP-NC刀具路徑
在二零零五年二月三日，OMAC的STEP-NC Working集團(tuán)在美國(guó)的佛羅里達(dá)州的奧蘭多，主持了STEP-NC的論壇。示范的主要目的有兩方面：（一）演示了如何STEP-NC的信息可以支持便攜式五軸加工中心的加工及（二）STEP-NC刀具路徑的描述能力是否可用于簡(jiǎn)化現(xiàn)有的CAD / CAM系統(tǒng)和加工中心之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)。AIM（AP-238）版本的STEP-NC采用的CC1（符合第1類(lèi)）獨(dú)立于機(jī)器的刀具路徑[17]，用于示范。該組件測(cè)試是5軸NAS979圓/鉆石/平方米的一部分與NAS979的倒錐測(cè)試中心（圖7）[45]。
這個(gè)商業(yè)企劃和行業(yè)的主要參與者是波音公司的制造工廠(chǎng)。像其他廠(chǎng)一樣，波音公司在最多的五軸加工中心以G代碼的格式收到機(jī)器控制數(shù)據(jù)（MCD），G代碼定義各軸的運(yùn)動(dòng)需要來(lái)制造工件的一部分。這種直接的編程模型是指方向軸當(dāng)同步軸走，并且都是與一個(gè)特定的道具的長(zhǎng)度有關(guān)的。這些MCD計(jì)劃的問(wèn)題是，他們既不便攜，也不具有適應(yīng)能力。因?yàn)槿狈梢浦残?，所以出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楠?dú)特的軸位置數(shù)據(jù)，必須對(duì)每一臺(tái)機(jī)器控制的要運(yùn)行的部分產(chǎn)生組合（組合零件，工具和機(jī)器配置）。MCD方案適應(yīng)性不強(qiáng)，沒(méi)有信息提供給本機(jī)，以幫助它適應(yīng)加工動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變化（進(jìn)給速度）或機(jī)床校準(zhǔn)（工具和磨損補(bǔ)償）。
通過(guò)比較，道具中心編程（TCP）定義程序幾何作為刀具運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，而不是軸的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。TCP是一個(gè)類(lèi)似機(jī)器人6D構(gòu)成的代表。運(yùn)動(dòng)被定義為3D刀尖位置（X，Y，Z）和3D刀具軸的方向（I，J，K）。對(duì)于每個(gè)TCP（X，Y，Z，I，J，K），CNC控制兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸，刀具的位置和方向就被指定了。此外，CNC控制器根據(jù)刀尖所在的正確位置沿刀具軸執(zhí)行刀具偏置補(bǔ)償。
Fig.7. 五軸NAS979圓/菱形/平方米的部分.
STEP-NC刀具中心編程定義程序的幾何形狀，刀具的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，而不是軸移動(dòng)數(shù)據(jù)。STEP-NC還提供有關(guān)部分功能，材料，刀具和尺寸公差的豐富的，高層次的信息。在航空航天工業(yè)中，緊公差預(yù)期的規(guī)范，因此，顯然是需要STEP-NC的。TCP可以提供一些直接的準(zhǔn)確度改善，因?yàn)槊總€(gè)CNC將決定它的刀尖位置，而不是到CAM系統(tǒng)生成靜態(tài)工具的路徑作為一個(gè)系列的軸位置。由于機(jī)器尺寸略有不同，即使相同的機(jī)器之間，預(yù)計(jì)精度的提高應(yīng)該是顯著的。
在奧蘭多的STEP-NC論壇，CAD / CAM系統(tǒng)（如CATIA，Unigraphics，Gibbs CAM軟件和Master CAM）被用來(lái)生成CL零件程序。這些CL數(shù)據(jù)的角刀動(dòng)作在CNC配置有獨(dú)立的I，J，K的方式，與假設(shè)的基礎(chǔ)機(jī)床控制器翻譯成機(jī)器I，J，K特定的5軸角配置。CL-AP-238轉(zhuǎn)換器已被翻譯成AP-238部分的CL文件21文件的基礎(chǔ)上的AP-238 CC1tool路徑技術(shù)。此STEP-NC文件機(jī)的加工步驟進(jìn)行編碼，如TCP工具路徑的基礎(chǔ)上的AP-238快速模式，這是適合于不同的加工中心之間的傳輸。不同的機(jī)器上特定的轉(zhuǎn)換器已發(fā)展到翻譯的STEP-NC文件到一個(gè)特定于控制器的TCP程序（圖8）。這些轉(zhuǎn)換器將最終嵌入控制器中。要注意的是，STEP-NC（AP-238）文件現(xiàn)在是中性的五軸機(jī)床，五軸數(shù)控龍門(mén)，“C”加工中心或'' C對(duì)B“加工中心。它是便攜式的，因?yàn)樗x幾何形狀，在切割器的運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，而不是軸移動(dòng)數(shù)據(jù)程序。因?yàn)樗梢哉紦?jù)機(jī)床上的任何配置的變化，所以它具有適應(yīng)性。
Fig.8. 通過(guò)使用STEP-NC的智能數(shù)控?cái)?shù)據(jù)流.
6. 結(jié)語(yǔ)
現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，雖然功能上是完好的，但缺乏適應(yīng)性，可移植性和智能。這是由于這樣的事實(shí)：一個(gè)有50年歷史的語(yǔ)言仍在這些機(jī)床上使用。用這種語(yǔ)言編寫(xiě)的NC程序只在一個(gè)特定的機(jī)床執(zhí)行。他們不能被重新編譯為不同的機(jī)床的CAM系統(tǒng)或SFP系統(tǒng)。100％優(yōu)化的NC程序會(huì)自動(dòng)生成設(shè)計(jì)信息，不可能知道如何表示不同的格式和不同數(shù)據(jù)庫(kù)上的機(jī)床和材料。
STEP-NC可以為CAM，SFP和NC提供一個(gè)統(tǒng)一的NC程序格式，避免了后處理而帶來(lái)一個(gè)真正的格式交換。運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)在可以支持CAM，SFP和NC的完整信息中包含可以理解的幾何形狀（特征），面向任務(wù)的操作，策略和工具的定義。加工階段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的可用性也允許可靠的碰撞檢測(cè)，精確的模擬和從加工階段到設(shè)計(jì)階段的反饋。從某種意義上說(shuō)，符合STEP-NC的標(biāo)準(zhǔn)零件程序是具有可互操作性的，他們可以適應(yīng)數(shù)控機(jī)床而且有能力執(zhí)行加工任務(wù)。實(shí)施STEP-NC的數(shù)控機(jī)床可以有一個(gè)更加開(kāi)放的，適應(yīng)性強(qiáng)的架構(gòu)，與其他生產(chǎn)設(shè)施更容易整合，例如工件裝卸裝置。STEP-NC還支持分布式制造的情況，例如通過(guò)以太網(wǎng)連接在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，診斷和維護(hù)，監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)調(diào)度。在OMAC STEP-NC論壇展示的該演示有顯著意義。它表明不同的CAD / CAM系統(tǒng)可以產(chǎn)生一樣的，機(jī)器中性的STEP-NC信息。STEP-NC文件已經(jīng)適應(yīng)不同的五軸數(shù)控機(jī)床。測(cè)試部分（NAS979）是一個(gè)真正的5軸分量。要指出的是，只有獨(dú)立于機(jī)器的刀具路徑數(shù)據(jù)AP-238 CC1是運(yùn)用于上的。例如加工功能和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的信息是不考慮的。因此，只有有限的具有適應(yīng)性的數(shù)控機(jī)床可以在這種情況下運(yùn)行。
還有需要解決的問(wèn)題和需要克服的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)來(lái)自一個(gè)STEP-NC信息模型的驅(qū)動(dòng)器，STEP-NC功能的智能控制器，對(duì)必要的生產(chǎn)知識(shí)有把握來(lái)支持機(jī)床等級(jí)的定型，還有沒(méi)被開(kāi)發(fā)的相關(guān)技術(shù)的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)與機(jī)會(huì)并存，如果能把握時(shí)間STEP-NC保證產(chǎn)生大量的利益。
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