集成化數控系統的特點及關鍵技術
1、引言
在現代製造系統中，由於英特網和分佈式計算技術的出現，產品的設計和製造日益分散化，協同合作製造日益成為更快速、更經濟的生產高質量產品的有效模式。目前的數控系統正在向着集成化( Integrated)的方向發展，其目的在於為產品生產過程中的各個獨立部門提供有效的協同工作環境。傳統的CIMS 技術大而全，在一般的中小企業很難實施，於是INC 應運而生。
2、INC 的概念與關鍵技術
2.1 INC 的概念
集成化數控( Integrated Numerical Control ， INC) 將CIMS 中的功能實現(如CADPCAMPCAPPPNCP 等) 抽象為一系列獨立的功能模塊，再將這些功能模塊集成在一起便可組成一個具體的數控系統 。
以水射流機牀所使用的INC 系統的整體工作流程為例(見圖1) ，其整個系統是建立在工程數據庫的基礎上，數據庫包括花樣庫、切削用量庫、夾具庫、噴嘴庫、工藝庫、NC 代碼庫等，它們通過Intranet/Internet集成在一起，構成了工程數據庫。INC 系統可分為6個子部件模塊輔助設計(CAD) 、輔助工藝(CAPP) 、優化決策、數控加工(CNC) 、系統監控和總體規劃。
圖1 水射流INC 系統工作流程圖
2.2 INC 與ONC、DNC 的區別
開放式數控(Open Numerical Control ，ONC) ，與傳統的CNC 系統相比較，ONC 的核心在於其開放性，它必須提供不同應用程序運行於系統平台之上的能力;提供面向功能的動態重組工具;提供統一、標準化的應用程序用户界面。世界各國相繼啟動了有許多關於開放式數控的研究計劃， 其中影響較大的有美國OMAC(Open Modular Architecture Controller) 計劃，歐共體的OSACA (Open System Architecture for Control withinAutomation) 和日本的OSEC(Open System Environment forController) 計劃等[3 ] 。直接數控(Direct Numerical Con-trol ， DNC) 和分佈式數控(Distributed Numerical Control ，DNC) 系統的主要目標是更加有效地控制一組數控機牀或是整個工廠的生產， 它實際上是一種分佈式製造。
與ONC、DNC 不同， INC 是以數控為核心，它的各個模塊都是面向數控，它的一切工作都是為數控加工服務。例如，一般的CAM 系統注重特徵識別、零件幾何造型的建立以及零件加工軌跡的定義等，而INC 的CAM 模塊中注重的是對零件加工過程的仿真和生成數控加工代碼，其目的是便於檢驗零件的手工編程或自動編程的數控加工程序是否正確。與分佈式製造(Distributed Manufacturing) 相比較， INC 更接近於一種協同製造(Collaborative Manufacturing) 。
2.3 INC 的關鍵技術
INC 有三點關鍵技術面向數控的CAD 技術;面向數控的CAPP 技術和基於CAD/CAPP 信息集成的CNC 技術。
面向數控的CAD 技術包括圖像預處理、智能識別、圖像矢量化和CAD/CAPP 集成技術等。面向數控的CAPP 技術則包括路徑優化、步驟優化、CAPP/CAM集成、工藝數據庫的建立和管理技術等。
基於CAD/CAPP 信息集成的CNC 技術，主要是與CAD/CAPP 集成系統的接口和交互的技術(基於STEP標準擴展的接口和交互技術) 、嵌入式設備研製技術和實時技術等。
本文將對基於CAD/CAPP 信息集成的接口和交互的技術進行討論與研究。
3、CNC與CAD/CAPP 的接口和交互技術
目前在工業化應用中的NC 所採用的編程方式還是基於ISO 6983 (GPM 代碼) 標準，隨着計算機輔助系統CAX技術、系統集成技術等的.飛速發展和廣泛應用，該標準已越來越不能滿足現代NC 系統的要求，成為制約數控技術乃至自動化製造發展過程中的瓶頸問題。
1997 年歐共體提出了OPTIMAL 計劃，將STEP 技術延伸到自動化製造的底層設備，開發了一種遵從STEP 標準、面向對象的數據模型(稱為STEP2NC) ，將產品模型數據轉換標準擴展到CNC 領域，重新制定了CAD/CAPP 與CNC 之間的接口， 為實現CAD/CAPP/CNC 之間的無縫連接，進而實現真正意義上的完全開放式數控系統奠定了基礎[4]。
傳統數控系統與CAD/CAPP 之間的數據交換是單向傳輸，現場對NC 程序的任何修改都無法直接反饋到CAD/CAPP 系統，生成NC 程序時記錄最初加工需求的信息已經丟失。而使用STEP-NC 可減少加工信息容易丟失的問題，實現雙向數據流動，能夠保存所做的修改，使零件程序和優化的加工描述及時地反饋到設計部門(CAD) ，以便設計部門及時進行數據更新，獲得完整、連貫的加工過程數據文件。
圖2 所示是基於STEP-NC 標準的數據模型，其中包含了加工工件的所有任務，其基本原理是基於製造特徵(如孔、型腔、螺紋、倒角等) 進行編程，而不是直接對刀具與工件之間的相對運動進行編程。這樣，CNC 系統可以直接從CAD 系統讀取STEP 數據文件，消除了由於數據類型轉換而可能導致的精度降低問題。
圖2 基於STEP-NC 的數據模型
圖3 所示為一種採用了STEP-NC 標準的數控系統結構模型，該結構模型包含了當前STEP-NC 與數控系統結合的3 種模式，模式1 是一種過渡形式，上層符合STEP 標準的CAD/CAPP 系統與STEP-NC 接口實現雙向數據流動，下層通過增加符合STEP-NC 標準代碼轉換接口，將STEP-NC 數據代碼轉換為GPM 等代碼，進而實現對現行數控系統的控制。模式2 是一種比較簡單、初級的模式，與模式1 的區別在於下層採用了新型STEP-NC 控制器，直接讀取STEP 數據格式加工文件。模式3 是模式2 的發展與完善，它使系統的集成度更高、設計層與車間層之間的功能重新劃分，實現CAPP 系統宏觀規劃與CAD 系統集成、微觀功能與車間層集成。鑑於ISO6983 標準在數控領域內的廣泛應用，在短期內用ISO14649 標準將其完全取代不太現實，因此在STEP-NC 控制器廣泛使用之前，模式1 將長期保留在系統之中[5] 。
圖3 基於STEP 標準的數控系統結構模型
基於STEP-NC 標準的CAD/CAPP/CNC 之間將會實現無縫連接，CAD/CAPP 與CNC 的雙向數據流動，使得設計部門能夠清楚地瞭解到加工實況，並且可根據現場編程返回的信息對生產規劃進行及時快速的調整，生產效率將得到極大的提高。另外，CAD、CAPP、CNC 之間的功能將會重新劃分CAPP 系統的宏觀規劃與CAD 系統集成，微觀功能與CNC 集成。
4、應用實例
AWJ 水射流機牀(國家專利產品) 是通過高壓管道形成高壓水射流或磨料射流，來實現對工件的切割以及拋光等操作。初始條件為工件的數碼圖像，經過INC 的CAD/CAPP 集成系統處理後直接將數據傳輸到CNC 子模塊，由CNC 子模塊生成加工仿真。INC 系統是基於Windows 平台，應用於水射流切割機的集成化數控加工。
圖4 所示是INC 系統的圖像預處理模塊，左上角是初始數碼圖像，經過一系列處理後得到右下角的輪廓線。
圖4 圖像預處理模塊
圖5 所示是將經過處理後的輪廓輸入CAD 軟件稍加修改，再由集成到CAD 軟件內部的CAPP 軟件設計出合適的加工工藝。最後生成NC 代碼輸入模擬仿真軟件，如圖6 所示，可以進行仿真切割加工。這樣便完成了INC 系統中由數碼圖像到成品加工的一系列工作。
圖5 CAD/CAPP 模塊
圖6 數控加工模塊運行界面
5、結語
現代製造系統要求設計、工藝、製造等部門之間，實現適時的動態數據傳輸，在一個環境中協調運作，基於STEP-NC 的CNC 技術可以實現CAD/CAPP/CNC之間有效的集成，生產效率將得到極大的提高。加工數據流在整個加工過程中可以迅速地在各個部門、各個企業甚至國際間進行訪問和共享， CAD/CAPP 與CNC 之間的瓶頸效應也不復存在，產品的生產週期將大大縮短。據STEP Tools 公司的研究數據表明，STEP-NC 的應用將使目前加工前數據準備時間減少75 % ，工藝規劃時間減少35 % ，加工時間減少50 %。
