CN203117724U - 一种基于step-nc的智能数控系统 - Google Patents

Abstract

一种基于STEP-NC的智能数控系统，连接布置在机床本体上，其由下述几部分构成：计算机控制装置、机床加工控制器、驱动器、伺服装置、接口、机床监控装置；其中：机床加工控制器分别与计算机控制装置和驱动器连接，驱动器还通过接口与伺服装置连接；伺服装置连接布置在机床本体上；机床监控装置分别连接着计算机控制装置、机床本体。本实用新型有助于加工数据流的自由访问和数据共享,CAD/CAM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。其具有重要的经济意义和较为重大的社会效益。

Description

一种基于STEP-NC的智能数控系统

技术领域

本实用新型涉及基于STEP-NC的数控系统整体结构设计和应用技术领域，特别提供了一种基于STEP-NC的智能数控系统。

背景技术

现有技术中，为提高加工质量和加工效率，现代金属切削机床普遍采用了数控技术，数控机床已广泛应用于航空、航天、国防、机械制造等各个生产领域，是装备制造业的基础。数控技术作为数控机床的核心，是各国竞相发展的高新技术，其技术复杂，研究难度大，我国在这方面的研究相对于西方发达国家还有很大差距。努力缩短与西方发达国家的差距、尽快赶上他们的水平是我国数控技术发展的重要研究课题。

目前的数控技术经过了50多年的发展，取得了长足的进步，NC编程数据接口已成为国际化的标准（标准号为ISO6983）。但是随着对加工效率和加工质量要求的不断提高，按照ISO6983数据接口标准开发的数控系统的固有弊病越来越明显地暴露出来，主要表现在以下几个方面：①柔性化和智能化程度不高。由于该接口采用G/M代码来描述零件的加工，它提供给系统的主要是刀具中心的运动轨迹和速度等低层次的信息，而不包括零件的几何和工艺信息，所以在系统中难以实现三维刀具形状尺寸及加工余量的补偿。当实际工作情况有所不符（如刀具尺寸变化）时，原有程序无法使用，操作者无法在线进行干预。另外，由于程序中缺乏对被加工零件的几何和工艺等高层次信息的描述，所以造成了整个系统仅仅是一个被动的执行机构，缺乏柔性和智能性。②产品信息从CAD/CAM到CNC是单向流动，难以实现信息的共享和集成。零件程序一旦生成便无法更改，当车间层的加工条件发生变化时,变化信息难以反馈给上游的设计部门；另外，由于不同类型数控系统、不同厂家生产的数控机床编程的方法都不尽相同，因此在编程时不但要了解所选用的数控机床的规格型号、性能、系统所具有的功能，还要详细了解数控系统的编程说明书及指令格式，这种强烈依赖于具体数控系统的特点使得程序不具有可移植性。因此，不但系统和上游的系统间难以实现信息的集成和共享，而且不同的系统之间也难以实现信息的交换和共享。③不支持样条插补功能。由于受传统CNC系统插补（直线、圆弧插补，在三坐标以上加工时仅采用空间直线插补）能力的限制，在实际生产中，自由曲面零件的数控加工一般都采用CAM软件进行NC编程。CAM软件的工作过程如下：首先对自由曲面进行刀具轨迹规划与生成，然后通过大量的微小直线段逼近刀具轨迹曲线，生成刀位数据文件和NC程序。采用这种方法有以下缺点：第一，势必产生大量的NC程序（G01）和相对较大的逼近误差；第二，会导致刀具轨迹曲线各G01段连接处几何上一阶、二阶导数的不连续，使本来光滑的轨迹曲线不光滑。在加工中，由于刀具轨迹曲线的不连续会引起进给速度和加速度的不连续，将导致刀具运动方向和受力情况的突然变化，从而不可避免地引起机床振动，产生较差的表面质量，并加快刀具的磨损；第三，在CNC系统内由于频繁的程序段处理会导致较长的运算时间，也会限制进给速度的提高；第四，在复杂的精密零件加工中，NC代码段定义的位移极小，在高速加工时会出现过切或欠切的可能性。因此，传统的CNC系统的插补技术严重影响了曲面加工的插补精度和加工效率。④ISO6983数据按口存在语义歧义，不能保证数据被数控系统正确识别和理解。

ISO6983数据接口存在的上述不足使CAD/CAM与CNC的集成很难实现，特别是在网络化制造模式下，企业分布在全球各地制造中心的数控设备、加工能力、生产系统和员工素质是不完全相同的，同一个产品在不同的加工地点制造需要进行大量的数据转换、处理，这样不仅浪费大量的人力、物力，延长制造周期，而且很难保证产品质量的一致性。因此企业迫切需要具有可移植性、智能化和自适应性的新一代数控设备，以满足网络化条件下的柔性智能制造。

基于ISO6983已成为数控技术进一步发展的瓶颈，为了实现产品数据在CAD/CAM/CNC链之间的双向无缝流动，真正实现设计、制造的一体化和数控机床的智能化、可移植性和自适应性，国际标准化组织最近制定了一套新的数控数据模型标准ISO14649用于取代目前的ISO6983标准。由于ISO14649是已有的产品数据交换接口（STEP）向数控领域的扩展，它定义了不依赖于具体机床的双向CNC数据交换标准，称之为“STEP-NC”。

基于STEP-NC标准的数据和CAD/CAM系统使用的数据一样都遵循STEP格式，这就使得CAD/CAM和CNC之间的产品数据交换不再需要数据转换，同时数据还可以双向传递。STEP-NC的本质特征是面向对象的，描述的是加工什么（what），而不是如何加工（how），具体的加工操作应由数控系统根据机床的具体资源状况自行确定。STEP-NC的数据模型包括了工件的所有加工任务，包括从毛坯到成品件的所有信息。加工过程是以工步作为基本单元。工步是对机床具体动作的概括描述，内容涉及三维几何信息、刀具信息、制造特征与工艺信息。由于STEP-NC数控程序信息的完备性，使得机床可以在完全“了解”零件的条件下根据自身的具体情况调整或优化具体的操作，这就为机床加工过程的智能控制奠定了基础。

STEP-NC 的研究始于欧洲工业界和大学，其中1997 年欧共体的OPTIMAL 计划开发了遵从STEP标准的、面向对象数据模型作为铣削加工编程的数据接口，这为后续STEP-NC 研究项目提供了基础。目前，STEP-NC 的部分标准化工作已完成，并形成了国际标准。欧美等国家从智能制造的高度致力于基于STEP-NC 的数控技术研究，并已取得了阶段性成果。欧洲通过在Siemens 840D上附加STEP-NC解释器和相应界面，开发出世界上第一台能直接读取STEP-NC 数据的机床控制器。美国开发了一个STEP-NC 数据库及其相应数据接口，称为超级模型，同时还开发了一系列的插件，用以从超级模型中读取数据后驱动传统数控机床。韩国的许多大学和研究机构如Seoul National University、Honik University、Inha University等都参加了STEP-NC技术的研究。为了推动这一技术的深入研究，韩国科技部还成立了STEP-NC技术国家实验室，专门从事STEP-NC数控技术的研究。目前该实验室主要针对STEP-NC 的数控系统的框架结构和实施策略等进行研究，并且已经成功研制出了STEP-NC数控铣削加工系统原型机，建立起了STEP-NC数控车削数据模型。新西兰奥克兰大学的Xun. W. Xu教授在基于STEP-NC的CAD/CAM/CAPP/CNC集成和基于STEP-NC的在线检测方面进行了深入的研究，取得了一系列研究成果。英国的Newman教授在STEP-NC控制器、基于STEP-NC的工艺规划方面也进行了卓有成效的研究。基于STEP-NC的巨大优势，世界上的一些著名汽车厂商和控制器厂商如戴姆勒-克莱斯勒公司、沃尔沃公司、西门子公司等都积极参加STEP-NC技术的研究，对该技术的发展起了有力的推动作用。

近年来，我国一些大学也陆续开展了STEP-NC的研究工作。山东大学在基于STEP-NC铣削数据模型的基本理论和技术方面进行了深入的研究，建立了基于特征的现场规划模型，提出了运动特征的概念和基于agent型的STEP-NC控制器的框架结构；西北工业大学杜鹃等研究了基于STEP-NC的CNC系统功能的体系结构，提出了基于STEP-NC的工艺设计和基于遗传算法的工步序列优化技术，研究了基于STEP-NC/XML的CAD/CAPP/CNC的系统集成技术，并对STEP-NC解析器的开发做了部分的研究。合肥工业大学的桂贵生、何庆在STEP-NC方面的研究主要集中于STEP-NC的数据模型、加工实体以及编程等方面；哈尔滨工业大学的王永章等对STEP-NC铣削控制器及其刀具规划、加工仿真做了较为深入的研究；清华大学的叶佩青等提出了基于soft型开放式STEP-NC控制器的概念及实现原理，并对基于STEP-NC标准、应用XML实现CAD/CAM/CNC集成进行了研究；哈尔滨工程大学的祝海涛等研究了基于STEP-NC标准的CAD/CAM集成接口；华南理工大学的李伟光对STEP-NC数控系统及基于STEP-NC的图形编程方式进行了研究；东南大学的仇晓黎则重点对基于STEP-NC的产品信息共享进行了较为深入的研究。除此之外，国内的华中科技大学、浙江大学、北京航空航天大学等高校的研究人员也在STEP-NC方面做了一些研究。我们课题组近几年也对基于STEP-NC的数控系统进行了大量的研究，先后完成了制造特征自动提取和识别、基于特征的工艺规划和STEP-NC文件的生成、STEP-NC程序的解释等方面的研究，取得了丰硕的研究成果。相对国外的研究状况，国内的STEP-NC研究还处于起步阶段，研究也主要集中在铣削方面。

尽管国际标准化组织推出了新的数控数据接口标准ISO14649，然而如何实现在这个标准下的智能数控系统目前还处于探索阶段。当前研究的基于STEP-NC的CNC系统主要有三种类型：传统CNC系统、新型CNC系统和智能化CNC系统，如图1所示。传统CNC系统是在现有的CNC系统中添加一个模块来识别STEP-NC程序，并从中提取相应信息转换成G/M代码。这种类型的CNC系统仍然是基于G/M代码来实现工件的加工的，因此并不是真正意义上的STEP-NC控制器。新型CNC系统是在传统的CNC的基础上不仅增加了STEP-NC程序的解释器，而且还增加了CAM功能，即系统具有STEP-NC程序解释模块和刀具轨迹自动生成模块。这种控制器与传统CNC控制器不同，其输入格式不再是基于G/M代码，所以很容易解决不同机床互不兼容的问题，提高了数控系统的开放性。然而这种控制器只能遵循STEP-NC程序中规定的加工策略和顺序来进行加工，缺乏智能性。智能化CNC系统是在新型CNC系统基础上添加智能控制模块，是一种理想的STEP-NC控制器。其主要特点是具有智能性，可以自主地按照加工环境执行加工任务。目前欧美等国虽然研究并展示了一些原型系统，但都是基于上述类型1和类型2的，都不具有智能性。

人们期望获得一种技术效果更好的基于STEP-NC的智能数控系统设计方案和相关的应用方法。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种技术效果更好的基于STEP-NC的智能数控系统；其针对传统的基于ISO6983数控系统固有的缺陷提出了新一代数控系统的一种新的设计模型，其能支持智能化动态实时工艺规划，为数控技术的应用和发展开拓了新的技术基础。

本实用新型提供了一种基于STEP-NC的智能数控系统，连接布置在机床本体6（在此将机床中的机械部件和与计算机控制装置无直接关系的其他检测和控制部件的整体统称为机床本体）上共同构成基于STEP-NC的智能数控机床，其特征在于：所述基于STEP-NC的智能数控系统具体由下述几部分构成：计算机控制装置、机床加工控制器、驱动器、伺服装置、接口、机床监控装置；其中：机床加工控制器分别与计算机控制装置和驱动器连接，驱动器还通过接口与伺服装置连接；伺服装置连接布置在机床本体上；机床监控装置分别连接着计算机控制装置、机床本体。

所述基于STEP-NC的智能数控系统，其特征在于：计算机控制装置中还包含有用于对来自CAD系统的STEP-NC文件中的加工特征和工艺信息进行翻译和解释的STEP-NC文件解释器101。在STEP-NC文件解释器101对来自CAD系统的STEP-NC文件中的加工特征和工艺信息进行翻译和解释之后，进行动态加工工艺规划和检测规划处理；之后分别及逆行那个刀具路径生成及规划处理、测头路径生成及规划处理；然后根据刀轨信息和测头轨迹信息生成最终的加工和测试指令，并借助于控制程序指挥机床本体按控制要求进行工作。STEP-NC文件解释器101可以由专门的硬件支持这一功能模块，也可以作为计算机控制装置中的一个软件功能模块存在并发挥作用。

所述基于STEP-NC的智能数控系统还满足下述要求：

机床加工控制器是运动控制器，其具体加工位置控制装置和加工速度控制装置；

机床监控装置具体是下述几者的组合：机床运行状态件监控装置、加工位置检测装置、加工速度检测装置、加工刀具检测装置、零件表面质量和加工精度检测装置、意外和故障检测装置。

所述基于STEP-NC的智能数控系统中，伺服装置具体是伺服电机。伺服装置4通常为多个，分别支持多个机床坐标轴的动力。

在本实用新型的技术应用实践中，尽管到目前为止人们对基于STEP-NC的数控技术的研究还处于初步阶段，还没有实现真正的智能化数控系统，但已有的研究成果表明，基于STEP-NC的数控技术必将会对数控技术乃至制造业带来深远的影响。主要体现在以下几个方面：

 ① 从当前的发展趋势看，基于STEP-NC 的CNC 将逐渐取代传统的CNC，并向着以自治和自主加工为基本目标的智能化方向发展。

② CAD/CAM/CNC之间将会实现无缝连接。CAD/CAM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。

③网络化设计/制造成为现实。现代制造企业通过网络共享各种信息，同时由于全球制造企业采用统一的STEP-NC数据接口标准，企业之间的数据流动可以在基于PC机的CNC机床与数据库服务器之间直接进行。

④实现完全意义上的开放式智能数控系统。由于STEP-NC数据包含了加工产品所需的所有信息，对于STEP-NC控制器而言，它只需要告诉CNC要加工什么，具体动作由CNC自行决定，使程序具有良好的互操作性和可移植性，为CNC系统的开放性和智能化奠定了稳固的基础。

制造业是国民经济的基础,是衡量国家工业化水平的重要标志,先进制造技术的核心是数控技术。STEP - NC 的出现,对数控技术乃至整个制造业的发展都将产生深远影响。STEP-NC不仅是真正实现“无论何时,无论何地(Whenever and Wherever) ”的网络化制造，而且STEP-NC引发了一种崭新的制造和产品理念。打破了传统有形的真实产品的固有产品理念，将产品理念推广到无形的产品数据模型这一更大范围。为相关技术的发展提供了更为广阔的应用前景。

本实用新型所述的基于STEP-NC智能数控铣削系统是智能数控技术的一个重要例证，在整个加工过程中有助于加工数据流迅速地实现在各个部门、各个企业甚至国际间的自由访问和数据共享, CAD/CAM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。根据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%。本实用新型是从技术角度出发提出的基于STEP-NC 技术的智能数控铣削系统的一种现实可行的整体设计和应用方案, 其具有重要的经济意义和较为重大的社会效益。

本实用新型针对传统的基于ISO6983数控系统固有的缺陷提出了新一代数控系统的一种新的设计模型，其能支持智能化动态实时工艺规划，为数控技术的应用和发展开拓了新的技术基础。其创新特色突出表现在如下几个方面：

1、提出闭环控制的、智能化的新一代数控系统体系结构，该体系结构支持CAD/CAM/CNC的信息双向传递；

2、其更为契合动态实时工艺规划方法的发展需求，实现了根据机床的资源状况优化数控加工工艺的技术目的；使得机床能充分利用现有制造资源以最佳的工艺参数进行加工并得到最好的加工精度等质量保证；是数控机床智能性发展的一个重要尝试；

3、基于本实用新型，人们可以进一步研究面向制造特征的刀轨生成算法，使数控机床能够真正实现根据不同的制造特征、加工精度和加工策略确定最佳的刀具轨迹成为可能；也从而进一步体现了数控机床的智能性；

4、本实用新型可以以ISO14649标准规定的STEP-NC程序文件作为数控程序代码，彻底摈弃传统的G/M代码；同时具有无干涉刀具轨迹自动生成和优化功能，并具有加工过程的故障诊断及自动监控功能，并可实现在线监测和结果反馈。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1为现有技术中STEP-NC控制器的三种类型工作原理示意简图；

图2为基于STEP-NC的智能数控系统整体构成原理示意简图；

图3为基于STEP-NC的智能数控系统体系结构示意图；

图4为基于STEP-NC的智能数控系统工作流程示意图。

具体实施方式

附图中的各附图标记含义如下：计算机控制装置1、机床加工控制器2、驱动器3、伺服装置4、接口5、机床本体6、CAD系统7、机床监控装置8。

关于附图3的说明：图3为基于STEP-NC的智能数控系统体系结构示意图，其侧重于针对编程过程说明体系中的重点内容；图中的文字内容按照本领域常规表达方式说明了硬件模块内部的功能支持软件的构成和各自的关系；

关于附图4的说明：图4为基于STEP-NC的智能数控系统工作流程示意图，其侧重于针对系统的应用过程进行说明；图中的文字内容按照本领域常规表达方式说明了硬件模块内部的功能支持软件的构成和各自的关系。

实施例1

一种基于STEP-NC的智能数控系统，连接布置在机床本体6（在此将机床中的机械部件和与计算机控制装置1无直接关系的其他检测和控制部件的整体统称为机床本体6）上共同构成基于STEP-NC的智能数控机床；所述基于STEP-NC的智能数控系统具体由下述几部分构成：计算机控制装置1、机床加工控制器2、驱动器3、伺服装置4、接口5、机床监控装置8；其中：机床加工控制器2分别与计算机控制装置1和驱动器3连接，驱动器3还通过接口5与伺服装置4连接；伺服装置4连接布置在机床本体6上；机床监控装置8分别连接着计算机控制装置1、机床本体6。

所述基于STEP-NC的智能数控系统中，计算机控制装置1中还包含有用于对来自CAD系统的STEP-NC文件中的加工特征和工艺信息进行翻译和解释的STEP-NC文件解释器101。在STEP-NC文件解释器101对来自CAD系统的STEP-NC文件中的加工特征和工艺信息进行翻译和解释之后，进行动态加工工艺规划和检测规划处理；之后分别及逆行那个刀具路径生成及规划处理、测头路径生成及规划处理；然后根据刀轨信息和测头轨迹信息生成最终的加工和测试指令，并借助于控制程序指挥机床本体按控制要求进行工作。

所述基于STEP-NC的智能数控系统还满足下述要求：

机床加工控制器2是运动控制器，其具体是加工位置控制装置和加工速度控制装置的组合应用；

机床监控装置8具体是下述几者的组合：机床运行状态件监控装置、加工位置检测装置、加工速度检测装置、加工刀具检测装置、零件表面质量和加工精度检测装置、意外和故障检测装置。

所述基于STEP-NC的智能数控系统中，伺服装置4具体是伺服电机。

本实施例中，计算机控制装置1具体为工控机，机床加工控制器2具体由数字信号处理器DSP和现场可编程门阵列FPRG相结合的组件承担对应功能，驱动器3和伺服装置4具体可由电机及其专用驱动单元共同承担对因功能，接口5、机床监控装置8主要进行下述监控任务实施：机床运行状态监控、加工位置和速度检测、加工刀具检测、零件质量和精度检测、意外和故障检测；机床监控装置8具体是一些检测用的测量装置的组合应用；接口5具体提供电连接和信号交互支持。

在本实施例的技术应用实践中，提供了一种基于STEP-NC的数控技术的研究方案。尽管到目前为止人们对基于STEP-NC的数控技术的研究还处于初步阶段，还没有实现真正的智能化数控系统，但已有的研究成果表明，基于STEP-NC的数控技术必将会对数控技术乃至制造业带来深远的影响。主要体现在以下几个方面：

 ① 从当前的发展趋势看，基于STEP-NC 的CNC 将逐渐取代传统的CNC，并向着以自治和自主加工为基本目标的智能化方向发展。

② CAD/CAM/CNC之间将会实现无缝连接。CAD/CAM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。

③网络化设计/制造成为现实。现代制造企业通过网络共享各种信息，同时由于全球制造企业采用统一的STEP-NC数据接口标准，企业之间的数据流动可以在基于PC机的CNC机床与数据库服务器之间直接进行。

④实现完全意义上的开放式智能数控系统。由于STEP-NC数据包含了加工产品所需的所有信息，对于STEP-NC控制器而言，它只需要告诉CNC要加工什么，具体动作由CNC自行决定，使程序具有良好的互操作性和可移植性，为CNC系统的开放性和智能化奠定了稳固的基础。

制造业是国民经济的基础,先进制造技术的核心是数控技术。STEP - NC 的出现,是数控技术领域的一次革命,对数控技术乃至整个制造业的发展都将产生深远影响。STEP-NC不仅是真正实现“无论何时,无论何地(Whenever and Wherever) ”的网络化制造，而且STEP-NC引发了一种崭新的制造和产品理念。打破了传统有形的真实产品的固有产品理念，将产品理念推广到无形的产品数据模型这一更大范围。本实施例作为实例所提出的具体技术方案为相关技术的发展提供了更为广阔的应用前景。

本实施例所述的基于STEP-NC智能数控铣削系统是智能数控技术的一个重要例证，在整个加工过程中有助于加工数据流迅速地实现在各个部门、各个企业甚至国际间的自由访问和数据共享, CAD/CAM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。根据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%。本实施例是从技术角度出发提出的基于STEP-NC 技术的智能数控铣削系统的一种现实可行的整体设计和应用方案, 其具有重要的经济意义和较为重大的社会效益。

Claims (3)

1.一种基于STEP-NC的智能数控系统，连接布置在机床本体（6）上共同构成基于STEP-NC的智能数控机床，其特征在于：所述基于STEP-NC的智能数控系统具体由下述几部分构成：计算机控制装置（1）、机床加工控制器（2）、驱动器（3）、伺服装置（4）、接口（5）、机床监控装置（8）；其中：机床加工控制器（2）分别与计算机控制装置（1）和驱动器（3）连接，驱动器（3）还通过接口（5）与伺服装置（4）连接；伺服装置（4）连接布置在机床本体（6）上；机床监控装置（8）分别连接着计算机控制装置（1）、机床本体（6）。

2.按照权利要求1所述基于STEP-NC的智能数控系统，其特征在于：所述基于STEP-NC的智能数控系统还满足下述要求：

机床加工控制器（2）是运动控制器，其具体加工位置控制装置和加工速度控制装置的组合；

机床监控装置（8）具体是下述几者的组合：机床运行状态件监控装置、加工位置检测装置、加工速度检测装置、加工刀具检测装置、零件表面质量和加工精度检测装置、意外和故障检测装置。

3.按照权利要求2所述基于STEP-NC的智能数控系统，其特征在于：所述基于STEP-NC的智能数控系统中，伺服装置（4）具体是伺服电机。

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