基于STEP-NC的開放式智能數(shù)控系統(tǒng)架構及其關鍵技術研究.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計和規(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。與此同時STEP-NC的使用還引起了數(shù)控系統(tǒng)體系結構的巨大變化。

2、為此本文開展了關于STEP-NC型數(shù)控系統(tǒng)架構及其關鍵支撐技術的研究，尤其側(cè)重于STEP-NC型數(shù)控系統(tǒng)智能化實現(xiàn)的研究。
　　 本文分析了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的基本結構，針對智能數(shù)控系統(tǒng)的需求進行了軟硬件實施平臺的選取。分析了STEP-NC數(shù)據(jù)模型的結構和特點，探討了STEP-NC型數(shù)控系統(tǒng)的新特征，進而提出了一種STEP-NC型開放式智能數(shù)控系統(tǒng)的架構模型。該數(shù)控系統(tǒng)架構模型包含了五個主體部分：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)實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線平臺。該體系架構為將來STEP-NC型數(shù)控系統(tǒng)的進一步研究奠定了基礎。
　　 同時，本文還對STEP-NC在數(shù)控系統(tǒng)中幾個基本功能的實現(xiàn)進行了研究。利用ST-Developer提供的Java開發(fā)環(huán)境進行STEP-NC信息的提取和解釋，以Java3D引擎為基礎開發(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)核層對接的方法。開發(fā)了驗證程序?qū)ι鲜鋈齻€STEP-NC功能模塊進行了實驗驗證。
　　 引入本體論的思想構建了一個三層數(shù)控加工本體專家?guī)炷Ｐ?，實現(xiàn)了對數(shù)控加工領域內(nèi)的相關加工知識的建模。分析了數(shù)控加工本體構建的意義和定位，明確了數(shù)控加工本體建模的開發(fā)語言和工具，對數(shù)控加工領域內(nèi)的主要概念進行了劃分和定義，采用SWRI。進行數(shù)控加工語義規(guī)則設計。研究了Express數(shù)據(jù)模型到OWL本體模型的映射規(guī)則和機制，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。實驗表明，該數(shù)控加工本體專家?guī)炜梢杂行У谋磉_數(shù)控加工領域內(nèi)的知識，同時具有一定的智能推理能力，能夠為STEP-NC型開放式智能數(shù)控系統(tǒng)提供智力支持。
　　 采用工業(yè)實時以太網(wǎng)作為數(shù)控系統(tǒng)的底層硬件平臺，既能滿足開放性要求，又能保證與制造系統(tǒng)上游設計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實時以太網(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，分析了Et

6、herMAC的拓撲結構、工作原理以及從站實施方案。在Linux RTAI平臺下為EtherMAC總線開發(fā)了主站協(xié)議棧，經(jīng)試驗測試，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，其定時同步性能以及周期通訊的實時性能與現(xiàn)在流行的幾種實時以太網(wǎng)總線水平相當，完全滿足同步實時運動控制的要求，同時還為其它應用程序提供了靈活的應用集成接口。
　　 分析了Linux RTAI平臺下開放式軟數(shù)控內(nèi)核EMC

7、2的結構，提出了以EMC2為核心，上層對接STEP-NC工藝規(guī)劃模塊，下層對接EtherMAC實時以太網(wǎng)總線平臺的STEP-NC型開放式智能數(shù)控系統(tǒng)的集成方案。采用EMC2的HAL模塊設計思想，實現(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)架構內(nèi)，驗證了STEP-NC加工數(shù)據(jù)模型驅(qū)動加工的能力以及