基于STEP-NC的開放式智能數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、目前在數(shù)控系統(tǒng)開放性研究已經(jīng)日臻成熟的情況下，人們?yōu)榱送黄艭NC與制造系統(tǒng)上層CAx之間的信息交流瓶頸，增強(qiáng)制造系統(tǒng)的集成性，提出了一種新的加工數(shù)據(jù)模型-STEP-NC(STEP for numerical controller)。使用STEP-NC取代傳統(tǒng)G&M代碼作為數(shù)控系統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)模型，為數(shù)控系統(tǒng)帶來了豐富的加工設(shè)計(jì)和規(guī)劃信息，為數(shù)控系統(tǒng)智能化的發(fā)展提供了新的契機(jī)。與此同時(shí)STEP-NC的使用還引起了數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的巨大變化。

2、為此本文開展了關(guān)于STEP-NC型數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)及其關(guān)鍵支撐技術(shù)的研究，尤其側(cè)重于STEP-NC型數(shù)控系統(tǒng)智能化實(shí)現(xiàn)的研究。
　　 本文分析了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，針對(duì)智能數(shù)控系統(tǒng)的需求進(jìn)行了軟硬件實(shí)施平臺(tái)的選取。分析了STEP-NC數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，探討了STEP-NC型數(shù)控系統(tǒng)的新特征，進(jìn)而提出了一種STEP-NC型開放式智能數(shù)控系統(tǒng)的架構(gòu)模型。該數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)模型包含了五個(gè)主體部分：本地工藝規(guī)劃模塊、智能決策模塊、開放式

3、軟NC核、加工專家?guī)煜到y(tǒng)和工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線平臺(tái)。該體系架構(gòu)為將來STEP-NC型數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 同時(shí)，本文還對(duì)STEP-NC在數(shù)控系統(tǒng)中幾個(gè)基本功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。利用ST-Developer提供的Java開發(fā)環(huán)境進(jìn)行STEP-NC信息的提取和解釋，以Java3D引擎為基礎(chǔ)開發(fā)了STEP-NC三維顯示和加工仿真模塊，將STEP-NC的本地工藝規(guī)劃功能劃分為三個(gè)層次，提出了一種STEP-NC工藝規(guī)劃

4、層與數(shù)控內(nèi)核層對(duì)接的方法。開發(fā)了驗(yàn)證程序?qū)ι鲜鋈齻€(gè)STEP-NC功能模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 引入本體論的思想構(gòu)建了一個(gè)三層數(shù)控加工本體專家?guī)炷Ｐ?，?shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)控加工領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)加工知識(shí)的建模。分析了數(shù)控加工本體構(gòu)建的意義和定位，明確了數(shù)控加工本體建模的開發(fā)語言和工具，對(duì)數(shù)控加工領(lǐng)域內(nèi)的主要概念進(jìn)行了劃分和定義，采用SWRI。進(jìn)行數(shù)控加工語義規(guī)則設(shè)計(jì)。研究了Express數(shù)據(jù)模型到OWL本體模型的映射規(guī)則和機(jī)制，探討了數(shù)控加工本

5、體專家?guī)炫c智能數(shù)控系統(tǒng)集成的方法。實(shí)驗(yàn)表明，該數(shù)控加工本體專家?guī)炜梢杂行У谋磉_(dá)數(shù)控加工領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)，同時(shí)具有一定的智能推理能力，能夠?yàn)镾TEP-NC型開放式智能數(shù)控系統(tǒng)提供智力支持。
　　 采用工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)作為數(shù)控系統(tǒng)的底層硬件平臺(tái)，既能滿足開放性要求，又能保證與制造系統(tǒng)上游設(shè)計(jì)管理單元之間具有良好的集成能力。本文采用本課題組所研發(fā)的EtherMAC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線作為STEP-NC型開放式智能數(shù)控系統(tǒng)的底層硬件平臺(tái)，分析了Et

6、herMAC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理以及從站實(shí)施方案。在Linux RTAI平臺(tái)下為EtherMAC總線開發(fā)了主站協(xié)議棧，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，在該主站協(xié)議棧下EtherMAC在不需要專有硬件和高性能的RTOS或者控制器的情況下，其定時(shí)同步性能以及周期通訊的實(shí)時(shí)性能與現(xiàn)在流行的幾種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線水平相當(dāng)，完全滿足同步實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制的要求，同時(shí)還為其它應(yīng)用程序提供了靈活的應(yīng)用集成接口。
　　 分析了Linux RTAI平臺(tái)下開放式軟數(shù)控內(nèi)核EMC

7、2的結(jié)構(gòu)，提出了以EMC2為核心，上層對(duì)接STEP-NC工藝規(guī)劃模塊，下層對(duì)接EtherMAC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線平臺(tái)的STEP-NC型開放式智能數(shù)控系統(tǒng)的集成方案。采用EMC2的HAL模塊設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了EtherMAC總線協(xié)議的集成，采用ECM2的Canon命令作為STEP-NC加工的數(shù)控中間語言，實(shí)現(xiàn)了STEP-NC工藝規(guī)劃模塊的集成。在集成后的STEP-NC型開放式智能數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)，驗(yàn)證了STEP-NC加工數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)加工的能力以及