網(wǎng)絡(luò)化STEP-NC控制器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、現(xiàn)代制造業(yè)全球化的發(fā)展，迫切需要制造設(shè)備能夠更加開(kāi)放化和網(wǎng)絡(luò)化。數(shù)控機(jī)床作為制造業(yè)的核心設(shè)備，更應(yīng)該滿(mǎn)足這些需求。這就需要數(shù)控系統(tǒng)擁有良好的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及智能、高效的加工數(shù)據(jù)模型。良好的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是指數(shù)控系統(tǒng)擁有統(tǒng)一的、跨平臺(tái)的、能夠與其它設(shè)備互聯(lián)的上層Internet網(wǎng)絡(luò)接口，并且擁有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。其中實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的一個(gè)新發(fā)展方向。和傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相比，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊速度更快、兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)包的容量大、布線(xiàn)簡(jiǎn)潔并且成本

2、更低。對(duì)于加工數(shù)據(jù)模型，傳統(tǒng)的G&M代碼作為一種底層加工描述語(yǔ)言，丟失了許多上層設(shè)計(jì)信息，從而制約了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。而STEP-NC的誕生則提供了新的加工數(shù)據(jù)模型，它支持從設(shè)計(jì)到加工的雙向、全生命周期的加工數(shù)據(jù)流。本文將上層網(wǎng)絡(luò)接口、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)以及STEP-NC有機(jī)地結(jié)合在一起，并對(duì)其進(jìn)行了研究，提出了一種網(wǎng)絡(luò)化的STEp-NC控制器方案。該方案擁有三類(lèi)總線(xiàn):上層網(wǎng)絡(luò)接口——MTConnect;加工數(shù)據(jù)總線(xiàn)——STEP-NC;底層硬件總

3、線(xiàn)——實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。
　　 對(duì)于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，本文根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議EtherMAC（Ethernetfor Manufacturing Automation Control）?；趯?shí)時(shí)以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)更易于模塊化和擴(kuò)展。和其它實(shí)時(shí)以太網(wǎng)相比，EtherMAC采用了鎖存信號(hào)觸發(fā)上發(fā)的機(jī)制，從而縮短了反饋數(shù)據(jù)與指令數(shù)據(jù)的等待時(shí)間;從以太網(wǎng)包在底層元器件的延遲與傳輸特點(diǎn)入手，分析了以太網(wǎng)包

4、的傳輸延遲及抖動(dòng)的原因，提出了自己的同步方法。該同步方法可以得到很高的同步精度，并且節(jié)點(diǎn)越少同步精度越高，十分適用于數(shù)控系統(tǒng)。為了覆蓋更廣泛的數(shù)控應(yīng)用，本文還提出了基于WindowsNT和EtherMAC的解決方案。本文還詳細(xì)介紹了EtherMAC的工作流程、出錯(cuò)處理等，并給出了基于FPGA的EtherMAC實(shí)現(xiàn)方案，包括可以避免數(shù)據(jù)包沖突的鏈路層和優(yōu)化了的數(shù)控接口模塊，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了它的實(shí)時(shí)性能。
　　 本數(shù)控系統(tǒng)的上層網(wǎng)

5、絡(luò)接口采用MTConnect。MTConnect是一個(gè)新的設(shè)備互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，并且是跨平臺(tái)、免版權(quán)的。本文介紹了MTConnect的協(xié)議結(jié)構(gòu)、工作流程、數(shù)據(jù)格式以及設(shè)備描述方式;然后按照該標(biāo)準(zhǔn)的定義，構(gòu)建了一個(gè)基于MTConnect的機(jī)床模型并生成了對(duì)應(yīng)的XML文檔。MTConnect本身并不支持對(duì)STEP-NC控制器的監(jiān)控，本文把MTConnect與STEP-NC結(jié)合起來(lái)，使其能夠監(jiān)視STEP-NC控制器的加工進(jìn)度。文中給出了基于MTCon

6、nect的代理端和客戶(hù)端在.NET平臺(tái)下的實(shí)現(xiàn)方法，并用其遠(yuǎn)程監(jiān)視機(jī)床的路徑、開(kāi)關(guān)量和進(jìn)給速率信息。
　　 由于沒(méi)有支持生成STEP-NC加工文件的商業(yè)CAM軟件，為了測(cè)試STEP-NC控制器，本文構(gòu)建了一個(gè)兼容STEP-NC的、面向電路板雕刻的2DCAM模塊。該模塊既可以作為獨(dú)立的模塊生成STEP-NC加工文件，又可以作為STEP-NC控制器的內(nèi)嵌CAM模塊來(lái)生成路徑。該CAM模塊可以讀取ECAD文件(Gerber文件)、刀具

7、定義文件以及機(jī)床模型信息、參數(shù)，進(jìn)行工藝規(guī)劃并定義順從STEP-NC的加工特征、順序、操作以及路徑，然后生成STEP-NC加工文件。STEP-NC并不支持Gerber文件中基于中心線(xiàn)的輪廓信息，該CAM模塊可以將這些圖形映射到STEPAP210ARM中，然后再映射到STEP-NC中的加工特征里。其間，一個(gè)自定義的“Closed_profile_with_styles”STEP實(shí)體用來(lái)連接STEPAP210和STEP-NC。該CAM模塊給

8、出了面向STEP-NC的電路板加工工藝規(guī)劃。該工藝規(guī)劃提供了一個(gè)新的多把刀高效組合的加工策略。為了用STEP-NC描述這種情況，本文依據(jù)STEPAP238，對(duì)ISO14649進(jìn)行了擴(kuò)展，使其支持多把刀共享加工特征的情況。該加工策略是一種混合了“Contour_parallel”和“Bidirectional”的加工策略。對(duì)于“Contour_parallel”的路徑生成，該CAM模塊采用基于像素的算法用來(lái)計(jì)算輪廓?！癇idirectio

9、nal”加工策略的路徑生成，文中也有闡述。
　　 最后本文給出了本數(shù)控系統(tǒng)的STEP-NC控制器內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)，它和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherMAC接口的實(shí)現(xiàn)、MTConnect接口的實(shí)現(xiàn)一起構(gòu)成了本文所提出的網(wǎng)絡(luò)化STEP-NC控制器。本文利用ST-Developer提供的STEPJava庫(kù)操作STEP實(shí)體、實(shí)例，并使用工具IKVM.NET來(lái)進(jìn)行Java平臺(tái)和.NET平臺(tái)的交互，把與STEP-NC相關(guān)的實(shí)現(xiàn)移植到.NET平臺(tái)中。同時(shí)，本