網(wǎng)絡化STEP-NC控制器關鍵技術研究.pdf

1、現(xiàn)代制造業(yè)全球化的發(fā)展，迫切需要制造設備能夠更加開放化和網(wǎng)絡化。數(shù)控機床作為制造業(yè)的核心設備，更應該滿足這些需求。這就需要數(shù)控系統(tǒng)擁有良好的網(wǎng)絡架構，以及智能、高效的加工數(shù)據(jù)模型。良好的網(wǎng)絡架構是指數(shù)控系統(tǒng)擁有統(tǒng)一的、跨平臺的、能夠與其它設備互聯(lián)的上層Internet網(wǎng)絡接口，并且擁有現(xiàn)場級的總線網(wǎng)絡。其中實時以太網(wǎng)是現(xiàn)場總線的一個新發(fā)展方向。和傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線相比，實時以太網(wǎng)通訊速度更快、兼容標準以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)包的容量大、布線簡潔并且成本

2、更低。對于加工數(shù)據(jù)模型，傳統(tǒng)的G&M代碼作為一種底層加工描述語言，丟失了許多上層設計信息，從而制約了數(shù)控機床的發(fā)展。而STEP-NC的誕生則提供了新的加工數(shù)據(jù)模型，它支持從設計到加工的雙向、全生命周期的加工數(shù)據(jù)流。本文將上層網(wǎng)絡接口、實時以太網(wǎng)以及STEP-NC有機地結合在一起，并對其進行了研究，提出了一種網(wǎng)絡化的STEp-NC控制器方案。該方案擁有三類總線:上層網(wǎng)絡接口——MTConnect;加工數(shù)據(jù)總線——STEP-NC;底層硬件總

3、線——實時以太網(wǎng)。
　　 對于實時以太網(wǎng)，本文根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的特點實現(xiàn)了一種改進的實時以太網(wǎng)協(xié)議EtherMAC（Ethernetfor Manufacturing Automation Control）?；趯崟r以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)更易于模塊化和擴展。和其它實時以太網(wǎng)相比，EtherMAC采用了鎖存信號觸發(fā)上發(fā)的機制，從而縮短了反饋數(shù)據(jù)與指令數(shù)據(jù)的等待時間;從以太網(wǎng)包在底層元器件的延遲與傳輸特點入手，分析了以太網(wǎng)包

4、的傳輸延遲及抖動的原因，提出了自己的同步方法。該同步方法可以得到很高的同步精度，并且節(jié)點越少同步精度越高，十分適用于數(shù)控系統(tǒng)。為了覆蓋更廣泛的數(shù)控應用，本文還提出了基于WindowsNT和EtherMAC的解決方案。本文還詳細介紹了EtherMAC的工作流程、出錯處理等，并給出了基于FPGA的EtherMAC實現(xiàn)方案，包括可以避免數(shù)據(jù)包沖突的鏈路層和優(yōu)化了的數(shù)控接口模塊，而且通過實驗驗證了它的實時性能。
　　 本數(shù)控系統(tǒng)的上層網(wǎng)

5、絡接口采用MTConnect。MTConnect是一個新的設備互聯(lián)標準，并且是跨平臺、免版權的。本文介紹了MTConnect的協(xié)議結構、工作流程、數(shù)據(jù)格式以及設備描述方式;然后按照該標準的定義，構建了一個基于MTConnect的機床模型并生成了對應的XML文檔。MTConnect本身并不支持對STEP-NC控制器的監(jiān)控，本文把MTConnect與STEP-NC結合起來，使其能夠監(jiān)視STEP-NC控制器的加工進度。文中給出了基于MTCon

6、nect的代理端和客戶端在.NET平臺下的實現(xiàn)方法，并用其遠程監(jiān)視機床的路徑、開關量和進給速率信息。
　　 由于沒有支持生成STEP-NC加工文件的商業(yè)CAM軟件，為了測試STEP-NC控制器，本文構建了一個兼容STEP-NC的、面向電路板雕刻的2DCAM模塊。該模塊既可以作為獨立的模塊生成STEP-NC加工文件，又可以作為STEP-NC控制器的內嵌CAM模塊來生成路徑。該CAM模塊可以讀取ECAD文件(Gerber文件)、刀具

7、定義文件以及機床模型信息、參數(shù)，進行工藝規(guī)劃并定義順從STEP-NC的加工特征、順序、操作以及路徑，然后生成STEP-NC加工文件。STEP-NC并不支持Gerber文件中基于中心線的輪廓信息，該CAM模塊可以將這些圖形映射到STEPAP210ARM中，然后再映射到STEP-NC中的加工特征里。其間，一個自定義的“Closed_profile_with_styles”STEP實體用來連接STEPAP210和STEP-NC。該CAM模塊給

8、出了面向STEP-NC的電路板加工工藝規(guī)劃。該工藝規(guī)劃提供了一個新的多把刀高效組合的加工策略。為了用STEP-NC描述這種情況，本文依據(jù)STEPAP238，對ISO14649進行了擴展，使其支持多把刀共享加工特征的情況。該加工策略是一種混合了“Contour_parallel”和“Bidirectional”的加工策略。對于“Contour_parallel”的路徑生成，該CAM模塊采用基于像素的算法用來計算輪廓?！癇idirectio

9、nal”加工策略的路徑生成，文中也有闡述。
　　 最后本文給出了本數(shù)控系統(tǒng)的STEP-NC控制器內核的實現(xiàn)，它和實時以太網(wǎng)EtherMAC接口的實現(xiàn)、MTConnect接口的實現(xiàn)一起構成了本文所提出的網(wǎng)絡化STEP-NC控制器。本文利用ST-Developer提供的STEPJava庫操作STEP實體、實例，并使用工具IKVM.NET來進行Java平臺和.NET平臺的交互，把與STEP-NC相關的實現(xiàn)移植到.NET平臺中。同時，本