STEP-Compliant開放式數(shù)控平臺設(shè)計方法研究.pdf

1、數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)中起著非常重要的作用，其發(fā)展水平關(guān)系著一個國家制造業(yè)的水平。隨著生產(chǎn)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)逐漸不能滿足生產(chǎn)的要求，分析可歸結(jié)為數(shù)控系統(tǒng)軟件的開放性、加工數(shù)據(jù)模型的開放性以及硬件實施平臺的開放性三個問題。軟件的開放性包括兩個方面：開放的支持二次開發(fā)的軟件體系結(jié)構(gòu)和友好的設(shè)計方法。加工數(shù)據(jù)模型的開放性是指使用與上游CAD/CAM數(shù)據(jù)格式兼容的加工數(shù)據(jù)模型STEP-NC，替代傳統(tǒng)的ISO6983(G、M代碼)，以充分利

2、用上游的設(shè)計制造信息對數(shù)控系統(tǒng)智能自治能力提供支持，從而解決ISO6983信息量不足的問題。硬件實施平臺的開放性主要體現(xiàn)在硬件的柔性配置能力方面，用以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)柔性和二次開發(fā)能力的硬件層支持。以上三個問題即STEP-Compliant數(shù)控平臺的設(shè)計方法問題。針對STEP-Compliant數(shù)控平臺的實施方法，本文以上述三個問題為主線進(jìn)行了深入的研究。 首先是開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法的研究。本文針對數(shù)控系統(tǒng)交互式事件驅(qū)

3、動的特點，基于Statecharts建模理論，提出了功能分離的設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)，并給出了其實施方案。在功能分離的結(jié)構(gòu)中，數(shù)控系統(tǒng)軟件部分被分為機(jī)器接口、功能描述數(shù)據(jù)、非交互功能函數(shù)動態(tài)鏈接庫和事件處理器四部分。機(jī)器接口是軟件層與硬件層交互的接口，其根據(jù)從硬件層獲取的信息或設(shè)計者定義的規(guī)則產(chǎn)生事件處理器的驅(qū)動事件并將事件處理器產(chǎn)生的控制命令映射到底層硬件層。功能描述數(shù)據(jù)是對事件處理規(guī)則的描述，其包括行為描述數(shù)據(jù)和動作函數(shù)動態(tài)鏈接庫。非交互功

4、能函數(shù)動態(tài)鏈接庫是數(shù)控系統(tǒng)中復(fù)雜計算和數(shù)據(jù)處理等具有非交互特點的功能函數(shù)的集合，這些函數(shù)根據(jù)功能描述數(shù)據(jù)中描述的規(guī)則被調(diào)用。事件處理器受機(jī)器接口送來的事件的驅(qū)動，根據(jù)功能描述數(shù)據(jù)中的處理規(guī)則進(jìn)行處理，處理過程中在必要的情況下通過功能描述數(shù)據(jù)的動作函數(shù)調(diào)用非交互功能函數(shù)，得出的處理結(jié)果由機(jī)器接口映射至底層硬件層。 此結(jié)構(gòu)將數(shù)控功能設(shè)計為功能描述數(shù)據(jù)和非交互功能函數(shù)動態(tài)鏈接庫，在系統(tǒng)中分離出來作為數(shù)控功能開發(fā)的接口。數(shù)控功能通過St

5、atecharts進(jìn)行圖形化建模并仿真后，由本文設(shè)計的功能描述數(shù)據(jù)生成器(FDD Generator)將Statecharts模型自動生成功能描述數(shù)據(jù)。非交互功能函數(shù)動態(tài)鏈接庫可由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商或第三方提供，也可由用戶自行設(shè)計修改。這種結(jié)構(gòu)保證了數(shù)控系統(tǒng)軟件的開放性，其友好的數(shù)控功能圖形化設(shè)計和仿真方法簡便易行，既減輕了數(shù)控功能的設(shè)計負(fù)擔(dān)，又保證了用戶級的二次開發(fā)能力。 其次是在數(shù)控系統(tǒng)加工數(shù)據(jù)模型方面的研究。本文對STEP-

6、NC加工數(shù)據(jù)模型與開放式軟件結(jié)構(gòu)的集成，即STEP-Compliant開放式控制器的構(gòu)建方法進(jìn)行了研究。首先對它的工作方式進(jìn)行了分析，然后在功能分離方法的框架下，設(shè)計了STEP-Compliant智能控制器的結(jié)構(gòu)并給出了其工作方法。通過此開放的結(jié)構(gòu)可方便地對STEP-Compliant控制器相應(yīng)模塊的功能進(jìn)行測試和更新，為其后續(xù)研發(fā)提供一個快速開發(fā)平臺。 最后是在開放式數(shù)控硬件實施平臺方面的研究。最近幾年，基于工業(yè)總線的硬件結(jié)構(gòu)

7、成為發(fā)展的趨勢。工業(yè)以太網(wǎng)由于其較高的性價比和與上游的設(shè)計、管理單元網(wǎng)絡(luò)的縱向一致性而成為工業(yè)現(xiàn)場總線發(fā)展的主流。本文對課題組自主研發(fā)的以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherMC進(jìn)行了改進(jìn)和完善，作為系統(tǒng)的硬件實施平臺。給出了EtherMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和同步方案，并將樹形結(jié)構(gòu)引入到從站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，給出了樹形結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)主站和從站的設(shè)計方法和配置方法。在以上設(shè)計中，通過FPGA中設(shè)計的并行收發(fā)機(jī)制和數(shù)據(jù)控制機(jī)制，可以實現(xiàn)各子樹中高效的數(shù)據(jù)并行傳輸和處理，并

8、可將指定的子樹設(shè)計為高速自治子系統(tǒng)，解決了工業(yè)控制總線超小周期控制的問題。提供的配置方法保證了硬件平臺的柔性和可重構(gòu)性，為整個系統(tǒng)的柔性和可重構(gòu)型提供了硬件層的支持。 為驗證以上方法的正確性，本文進(jìn)行了系統(tǒng)原型機(jī)的開發(fā)和運行驗證。通過機(jī)床手動功能的實現(xiàn)，驗證了功能分離的方法以及EtherMC硬件平臺的可行性和有效性。通過對手動功能進(jìn)行的二次開發(fā)(增加第四軸、第五軸功能)，驗證了系統(tǒng)的二次開發(fā)能力和EtherMC硬件平臺的開放性。