CNC控制器的发展趋势(二)

2 控制器的开放

    当出现NC机床以后,制造厂家就希望能打开NC系统这个黑盒子,部分或全部地代替机床设计师和操作者的大脑,具有一定的智能,能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进NC系统,同时也希望它具有图形交互、诊断等功能。这就需要商用的数控系统具有友好的人机界面和提供给用户的开发平台。要求NC控制器透明以使机床制造商和最终用户可以自由地执行自己的思想。于是产生了开放结构的数控系统。

    IEEE“开放系统技术委员会”定义“开放结构”为:“开放系统所执行的应用可以运行在多家制造者不同的平台;并可以与其他系统的应用具有互操作性,且呈现与用户交互协同(1EEElo03.0)。”也可以用下列的性能指标评估控制器的开放性。比如应用模块为AM:①移植性:在保持应用模块(AM)的功能下,不需任何变化就可以应用到不同的平台。②扩展性:不同的AM能运行在一个平台而不出现冲突。③互操作性:AM在一起工作时表现为相互协同,可以根据定义相互交换数据。④缩放性:按照用户的需要,AM的功能、性能和硬件的规模可以伸缩。

    开放结构的控制器(oAC)使控制器销售商、机床制造商和最终用户可以从柔性和敏捷生产中获得较大利
益。其主要目标是在标准化环境下采用开放的接口使操作方便,成本降低和柔性增加。这样的系统能力被广泛接受。软件可以重复使用,用户可以按照给定的配置设计他们的控制器。

    控制系统的开放体系结构由于考虑到对实时和可靠性要求很严格,因此是高度复杂的系统。其特点是基于PC,相互链接的关键结构为系统组件和接口,系统组件由软件模块和硬件模块所组成。在开放系统中,各个组件和接口还可以在制造过程中实现增加智能的优点。对于控制的复杂性,这些系统的硬件和软件是基本的工具。控制的接口可以分成两组:内部和外部的接口。

    ①外部接口:这些接口连接系统和监控单元以及子单元、用户。它们可以分为编程接口和通信接口。NC与PI‘C编程接口采用国家或国际标准,如RS一274、DIN66025、或IEC6l131—3。通讯接口也强烈地受标准的影响。现场总线系统,如SERCOS,P凹肋us或Device Net用作驱动和I/O的接口。I,AN(局网LocalArea Network)网络主要基于以太网和TCP/IP与监控系统连系的接口。

    ②内部接口:用于组件间的互相作用和数据交换,以形成控制系统的核心。在这方面,一个重要的性能是支持实时机构。为了得到可重构和白适应的控制,控制系统的内部结构基于平台的概念。由于软件组件中无法知道专用硬件的详情,因而主要的目标是建立一个可定义的但是在软件组件间进行柔性的通讯方法。应用编程接口(APl)保证了这些需要。控制系统的全部功能被分为几个包,模块化的软件组件通过被定义的API互相作用。

    根据1999年美国机器人工业论坛的资料,当年美国机器人全部装机的系统是机器人本身价值的3—5倍,也就是如果有lo亿美元机器人的市场,等于增加20到40亿美元的附加值,如果其中25%归因于软件集成的原因引起的,再认为如果通过标准化的开发和应用,采用开放体系结构的控制器使其中降低50%;那么在采用开放控制器后,每年潜在的价值就可以节省2亿5千万到5亿美元。

    目前,开放的数控系统结构主要有3种形式:

    ①基于PC的CNC系统,这种系统以PC机为平台,开发数控系统的各种功能,通过伺服卡传送数据,控制坐标轴电机的运动。这类系统有时也称为Soft NC,这样的系统容易做到全方位开放。

    ②PC嵌入式:这种系统的基本结构为:CNC十PC主板,即把一块CNC板插入传统的PC机器中,CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制,或且CNC作为数控功能运行,而PC板作为用户的人机接口平台。

    ③PC十CNC:目前主流NC系统生产厂家认为NC系统最主要的性能是可靠性,像PC机存在的死机现象是不允许的。而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上这些厂家长期已经生产大量的NC系统;体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不良的影响。因此不把开放结构作为主要的产品,仍然大量生产原结构的NC系统。为了增加开放性,主流NC系统生产厂家往往在不变化原系统基本结构的基础上增加一块PC板,提供键盘使用户能把PC和CNC联系在一起,大大提高了人机界面的功能,比较典型的如FANUC的150i/160i/180i/210j系统。有些厂家也把这种装置称为融合系统(fusion system)。由于它工作可靠,界面开放,越来越受到机床制造商的欢迎。成为NC技术的发展

    3 STEP-NC

    它基于STEP,并把STEP扩展到NC,形成“STEP—NC”。开发和推广这个标准的首要目的是实现不同的CAx系统通过标准的个性文件来进行数据交换。当前,企业之间的专业分工趋向越来越明显。一个汽车总装厂往往有好几百个零部件供应商,这些企业可能采用不同的CAD系统,数据交换的工作量非常大。采用CAD系统之间点对点的交换方式是不可取的。只有通过一种统计表的方式来表达数据,统计表的文件格式来输入和输出数据才有可能实现大量的数据交换。STEP体系结构可归纳为采用ExPRESS的语言(ExPRESS是一种信息建模语言),具有三层结构(应用层、逻辑层、物理层)。也可以认为STEP的核心是一个工程定义的数据库,这些定义可以组成不同的应用协议,引1用于各产业需要的产品模块。数据库包括几何、拓扑、公差、关系、属性、装配、配置和其他的特性。而新的产品模块在需要增加时可以不断加入。

    “CNC控制器的数据模型”(以下称STEP—NC)是NC的数据从CAM到CNC的数据模型,它解决现行的NC程序缺乏通用性及移植性的问题。使“STEP—NC”产品模型数据用作直接机床的输人已经发展成具有实际的意义。这种“STEP—NC”是无G和M代码,无后置处理的NC。ISol4649标准的目标为:(1)改进CAD/CAM系统与CNC控制器间的联接;保证“STEP—NC”能在CAD/CAM之间传递数据。不是采用刀具的运动,而是采用工作步骤面向对象的概念,以改进IS06893的缺点。工作步骤相应于高级特征和过程的参数。CNC可以对工作步骤解析为坐标的运动和刀具的动作。(2)数据模块必须包括所有的复杂级别(从加工时指令的CAD几何数据到带离散值的简单轴运动)。(3)NC程序设想可以放在新开发的CNC控制器上,但是它也可能放在分离的支持和改进现有NC控制器的高级系统上(包括各种网络)。(4)对于NC程序的新标准将提供机床操作者更多的柔性、功能、统计表的编程定义和相关控制和几何过程的修正。(5)新标准允许MTB的操作者由于他的专用机床和技术而执行专门的功能。(6)对于最终用户新的标准提供统一的编程,更快、更廉价的程序准备和由于统一的编程格式导致的低成本。(7)较少的后置处理而且更标准化。在NC编程级,CAD/CAM系统和NC系统之间的数据交换将更方便。

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