基于STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的主流標(biāo)準(zhǔn)STEP(Standard for the Exchange of Product Data)向工場(chǎng)制造階段延伸，逐漸形成新的標(biāo)準(zhǔn)ISO14649，即STEP-NC(STEP for numerical controllos)。STEP-NC的出現(xiàn)打破了數(shù)字化制造過(guò)程中CAxs與CNC之間信息傳輸?shù)钠款i，使從設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)制造之間的信息雙向高速傳輸成為可能，為集成制造技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。在此背景下，本文開(kāi)展基于S

2、TEP-NC數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和若干關(guān)鍵技術(shù)的研究，為研發(fā)STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)提供方法和技術(shù)支持。 分析了STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型和開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，給出系統(tǒng)功能的需求分析及模型結(jié)構(gòu)。分別建立基于非實(shí)時(shí)信息流、弱實(shí)時(shí)信息流和強(qiáng)實(shí)時(shí)信息流的STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的信息流模型。劃分STEP-NC數(shù)控的層次結(jié)構(gòu)為模型應(yīng)用層、制造規(guī)劃層和實(shí)時(shí)控制層。參考現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是基于PC的“軟件型”數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，提出

3、PC+嵌入式系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。 STEP-NC加工程序的信息提取是控制器獲取信息的前提和基礎(chǔ)。研究開(kāi)發(fā)了基于STEP-NC數(shù)控加工程序信息提取系統(tǒng)。根據(jù)STEP信息共享和數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)技術(shù)，采用基于SDAI(Standard Data Access Interface)原理的應(yīng)用方法，構(gòu)造節(jié)點(diǎn)、字典單元實(shí)體、實(shí)體結(jié)構(gòu)樹(shù)和加工程序結(jié)構(gòu)樹(shù)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。給出分步的實(shí)體實(shí)例信息提取過(guò)程模型——字典實(shí)體創(chuàng)建

4、、節(jié)點(diǎn)實(shí)例創(chuàng)建、加工程序結(jié)構(gòu)樹(shù)創(chuàng)建和實(shí)體實(shí)例匹配。根據(jù)識(shí)別的實(shí)體實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行特征信息的重構(gòu)，包括制造特征重構(gòu)、技術(shù)列表、執(zhí)行流排序和資源特征列表及重構(gòu)。 曲面加工一直是數(shù)控加工的重要應(yīng)用領(lǐng)域。由于STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)對(duì)曲面和曲線加工的更為支持，能夠有效提高加工效率和精度，本文研究了一種能夠同時(shí)具有邊界一致、基本符合二階偏導(dǎo)數(shù)漸進(jìn)變化和等參數(shù)要求的曲面刀具軌跡生成技術(shù)。該技術(shù)中一致的邊界能夠由用戶指定，并適用于組合曲面刀具軌跡的

5、生成。其中刀具軌跡的生成過(guò)程包括曲面離散、引導(dǎo)線生成、分段全局測(cè)地線生成和刀具軌跡生成。并在此基礎(chǔ)上對(duì)一類(lèi)帶脊線曲面的刀具軌跡優(yōu)化生成過(guò)程進(jìn)行了初步研究。 數(shù)控系統(tǒng)是工場(chǎng)級(jí)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，具有較高的實(shí)時(shí)性要求。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)一般采用精確定時(shí)為前提的實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制。但是由于STEP-NC的引入，給數(shù)控系統(tǒng)帶來(lái)的不僅僅是接口標(biāo)準(zhǔn)的改變和CAxs中功能模塊簡(jiǎn)單移入。隨著STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)中功能的增強(qiáng)、功能模塊數(shù)量的增加，各模塊之間的計(jì)算量

6、、實(shí)時(shí)性差異越來(lái)越大，并且某些模塊的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間難以準(zhǔn)確計(jì)算。由此對(duì)STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)與實(shí)時(shí)相關(guān)的技術(shù)和方法提出了更高的要求。 隨著STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)功能模塊的復(fù)雜性和模塊執(zhí)行時(shí)間不確定性增加，不同模塊實(shí)時(shí)性的要求差距增大。假設(shè)仍然采用以WCET(Worst-Case Execute Time，任務(wù)最長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間)計(jì)算等為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)調(diào)度方式，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度能力也將受到眾多限制，系統(tǒng)的性能也將受到影響，在實(shí)

7、現(xiàn)調(diào)度過(guò)程中也存在較大的困難。結(jié)合基于PC和嵌入式系統(tǒng)分層的標(biāo)準(zhǔn)型STEP-NC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，認(rèn)為在PC系統(tǒng)(也稱(chēng)上位系統(tǒng))中的弱實(shí)時(shí)調(diào)度與傳統(tǒng)數(shù)控實(shí)時(shí)調(diào)度存在較大的區(qū)別，分析PC系統(tǒng)中弱實(shí)時(shí)模塊的時(shí)序約束，結(jié)合服務(wù)調(diào)度、優(yōu)先級(jí)可變的模塊耦合框架和調(diào)度機(jī)制，提出一種滿足STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜模塊結(jié)構(gòu)要求的PC系統(tǒng)弱實(shí)時(shí)調(diào)度算法。 STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)閉環(huán)制造是關(guān)于參數(shù)、策略規(guī)劃和優(yōu)化的過(guò)程，是數(shù)控系統(tǒng)采用STEP-NC后

8、最顯著的變化之一。分析了當(dāng)前CAxs/CNC制造流程中實(shí)現(xiàn)基于特征信息的實(shí)時(shí)閉環(huán)制造所存在的困難。結(jié)合給定的STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，給出一種滿足STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)閉環(huán)制造過(guò)程模型。 針對(duì)以上研究?jī)?nèi)容，相應(yīng)開(kāi)發(fā)了基于STEP-NC數(shù)控加工程序信息提取實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)和曲面刀具軌跡生成原型系統(tǒng)。加工程序信息提取系統(tǒng)能夠識(shí)別STEP-NC加工程序，并能重構(gòu)部分單特征的零件幾何。刀具軌跡生成系統(tǒng)能夠處理組合曲面的情況，并能