基于STEP-NC的数控系统体系结构及其关键技术研究

论文摘要

随着产品数据交换的主流标准STEP（Standard for the Exchange of ProductData）向工场制造阶段延伸,逐渐形成新的标准ISO14649,即STEP-NC（STEP fornumerical controllers）。STEP-NC的出现打破了数字化制造过程中CAxs与CNC之间信息传输的瓶颈,使从设计到现场制造之间的信息双向高速传输成为可能,为集成制造技术的发展提供了基础。在此背景下,本文开展基于STEP-NC数控系统体系结构和若干关键技术的研究,为研发STEP-NC的数控系统提供方法和技术支持。分析了STEP-NC标准数据模型和开放式数控系统的体系结构,给出系统功能的需求分析及模型结构。分别建立基于非实时信息流、弱实时信息流和强实时信息流的STEP-NC数控系统的信息流模型。划分STEP-NC数控的层次结构为模型应用层、制造规划层和实时控制层。参考现有的数控系统拓扑结构,特别是基于PC的“软件型”数控系统结构模型,提出PC+嵌入式系统分层结构的标准型STEP-NC数控系统的体系结构。STEP-NC加工程序的信息提取是控制器获取信息的前提和基础。研究开发了基于STEP-NC数控加工程序信息提取系统。根据STEP信息共享和数据交换实现技术,采用基于SDAI（Standard Data Access Interface）原理的应用方法,构造节点、字典单元实体、实体结构树和加工程序结构树等数据结构。给出分步的实体实例信息提取过程模型——字典实体创建、节点实例创建、加工程序结构树创建和实体实例匹配。根据识别的实体实例数据进行特征信息的重构,包括制造特征重构、技术列表、执行流排序和资源特征列表及重构。曲面加工一直是数控加工的重要应用领域。由于STEP-NC数控系统对曲面和曲线加工的更为支持,能够有效提高加工效率和精度,本文研究了一种能够同时具有边界一致、基本符合二阶偏导数渐进变化和等参数要求的曲面刀具轨迹生成技术。该技术中一致的边界能够由用户指定,并适用于组合曲面刀具轨迹的生成。其中刀具轨迹的生成过程包括曲面离散、引导线生成、分段全局测地线生成和刀具轨迹生成。并在此基础上对一类带脊线曲面的刀具轨迹优化生成过程进行了初步研究。数控系统是工场级的实时系统,具有较高的实时性要求。传统数控系统一般采用精确定时为前提的实时调度机制。但是由于STEP-NC的引入,给数控系统带来的不仅仅是接口标准的改变和CAxs中功能模块简单移入。随着STEP-NC数控系统中功能的增强、功能模块数量的增加,各模块之间的计算量、实时性差异越来越大,并且某些模块的任务执行时间难以准确计算。由此对STEP-NC数控系统与实时相关的技术和方法提出了更高的要求。随着STEP-NC数控系统功能模块的复杂性和模块执行时间不确定性增加,不同模块实时性的要求差距增大。假设仍然采用以WCET（Worst-Case ExecuteTime,任务最长执行时间）计算等为基础的传统调度方式,STEP-NC数控系统的实时调度能力也将受到众多限制,系统的性能也将受到影响,在实现调度过程中也存在较大的困难。结合基于PC和嵌入式系统分层的标准型STEP-NC系统结构,认为在PC系统（也称上位系统）中的弱实时调度与传统数控实时调度存在较大的区别,分析PC系统中弱实时模块的时序约束,结合服务调度、优先级可变的模块耦合框架和调度机制,提出一种满足STEP-NC数控系统复杂模块结构要求的PC系统弱实时调度算法。STEP-NC数控系统中实时闭环制造是关于参数、策略规划和优化的过程,是数控系统采用STEP-NC后最显著的变化之一。分析了当前CAxs/CNC制造流程中实现基于特征信息的实时闭环制造所存在的困难。结合给定的STEP-NC数控系统体系结构,给出一种满足STEP-NC的数控系统实时闭环制造过程模型。针对以上研究内容,相应开发了基于STEP-NC数控加工程序信息提取实验原型系统和曲面刀具轨迹生成原型系统。加工程序信息提取系统能够识别STEP-NC加工程序,并能重构部分单特征的零件几何。刀具轨迹生成系统能够处理组合曲面的情况,并能对一类带脊线曲面进行刀具轨迹优化生成。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 G、M代码──数字化制造的瓶颈
• 1.1.2 STEP-NC标准对数控技术发展的影响
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 STEP-NC技术国内外研究现状
• 1.2.1.1 国外STEP-NC技术研究现状
• 1.2.1.2 国内STEP-NC技术研究状况
• 1.2.1.3 STEP-NC数控系统体系结构类型比较
• 1.2.2 STEP-NC加工程序信息提取技术的研究现状
• 1.2.3 刀具轨迹生成技术及研究现状
• 1.2.4 数控系统实时调度技术及研究现状
• 1.2.4.1 实时调度算法研究现状
• 1.2.4.2 实时调度技术在数控系统中的应用研究现状
• 1.3 本文的工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 STEP与STEP-NC数据模型
• 2.1 STEP标准简述
• 2.1.1 STEP组织结构
• 2.1.2 STEP基础结构
• 2.1.3 STEP信息模型结构
• 2.2 STEP-NC数据模型
• 2.2.1 STEP-NC简述
• 2.2.2 STEP-NC实体模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于STEP-NC的数控系统体系结构研究
• 3.1 数控系统开放式研究现状
• 3.2 基于STEP-NC数控系统功能分析和模型
• 3.2.1 STEP-NC数控系统功能需求分析
• 3.2.2 STEP-NC数控系统功能结构模型
• 3.3 STEP-NC数控系统信息流模型
• 3.4 标准型STEP-NC数控系统体系结构
• 3.4.1 STEP-NC数控系统层次划分
• 3.4.2 传统数控系统的拓扑结构
• 3.4.3 STEP-NC数控系统框架结构
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于SDAI的STEP-NC数控加工程序信息提取
• 4.1 SDAI技术概述
• 4.2 STEP-NC数控加工程序信息提取模型
• 4.2.1 数据结构类型
• 4.2.2 实体实例信息提取过程模型
• 4.2.2.1 字典实体创建
• 4.2.2.2 节点实例创建
• 4.2.2.3 加工程序结构树创建
• 4.2.2.4 实体实例匹配
• 4.2.3 特征信息重构
• 4.2.3.1 制造特征重构
• 4.2.3.2 执行流排序
• 4.2.3.3 技术列表
• 4.2.3.4 资源重构和列表
• 4.3 STEP-NC数控加工程序信息提取系统设计
• 4.3.1 系统总体结构设计
• 4.3.2 模块结构设计
• 4.4 系统实现和应用实例
• 4.5 本章小结
• 第五章 边界一致曲面等参数刀具轨迹生成技术
• 5.1 基于热传导的曲面边界一致等参数刀具轨迹生成
• 5.1.1 算法思想
• 5.1.2 引导线生成
• 5.1.2.1 有限元模型
• 5.1.2.2 单元内引导线计算模型
• 5.1.2.3 相交单元引导线模型
• 5.1.2.4 开始和结束边界条件
• 5.1.3 分段全局测地线生成
• 5.1.3.1 基于MMP的相邻引导线之间精确测地线生成
• 5.1.3.2 全局测地线连接
• 5.1.4 等参数刀具轨迹生成
• 5.2 一类带脊线曲面的刀具轨迹优化生成
• 5.2.1 测地线曲率极值参数计算
• 5.2.2 测地线间曲率极值参数拟合
• 5.2.3 曲面区域分割
• 5.3 原型系统开发和实例验证
• 5.3.1 系统数据结构
• 5.3.2 系统框架结构
• 5.3.3 等参数刀具轨迹生成示例
• 5.3.4 带脊线曲面刀具轨迹生成示例
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于综合资源约束的STEP-NC数控PC系统弱实时调度机制研究
• 6.1 STEP-NC数控任务及其约束定义和类型
• 6.1.1 任务定义和术语
• 6.1.2 任务类型
• 6.1.3 任务约束类型
• 6.2 STEP-NC数控系统实时性分析
• 6.2.1 传统数控系统的控制时序模型
• 6.2.2 STEP-NC数控系统实时任务模块划分
• 6.2.3 STEP-NC数控PC系统的弱实时约束数据资源分析
• 6.2.4 STEP-NC数控PC系统中弱实时模块的综合约束
• 6.2.5 STEP-NC数控PC系统弱实时数据的相互约束关系
• 6.3 STEP-NC数控PC系统弱实时任务模块耦合模型
• 6.3.1 任务模块耦合框架
• 6.3.2 任务单元结构
• 6.3.3 任务服务结构
• 6.3.4 系统耦合逻辑
• 6.4 STEP-NC数控PC系统弱实时调度算法
• 6.4.1 STEP-NC数控系统任务调度模型
• 6.4.2 STEP-NC数控PC系统弱实时调度算法
• 6.5 软件模拟和试验
• 6.5.1 PC微机操作系统实时性能分析
• 6.5.2 Windows下模拟软件模块系统函数
• 6.5.3 模拟结果分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 基于STEP-NC数控系统的实时闭环制造过程模型研究
• 7.1 传统CAxs/CNC数字化制造技术的流程简述
• 7.2 STEP-NC数控系统实时闭环制造过程框架
• 7.2.1 实时闭环制造过程框架及原理
• 7.2.2 工场级制造规划再优化
• 7.2.2.1 工场级执行流再优化问题的提出
• 7.2.2.2 基于制造规划的特征重构技术
• 7.2.2.3 工场级执行流再优化方法
• 7.2.3 基于特征的插补原理
• 7.2.3.1 刀具轨迹的生成
• 7.2.3.2 基于特征的插补控制
• 7.3 软件模拟和试验
• 7.3.1 2.5D制造特征模拟实验
• 7.3.2 曲面制造特征模拟实验
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结和展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 本文主要创新点
• 8.3 今后工作展望
• 参考文献
• 附录1 攻读博士论文期间发表和录用的论文
• 致谢