基于STEP-NC标准的闭环加工开放式数控系统研究

摘要

闭环加工具有开放性、协作性和智能性等特点，能够适应越来越普遍的中小批量生产方式，而加工过程控制是降低加工过程的生产成本、提高生产效率和产品质量的有效手段。实现闭环加工中的加工过程控制，需要解决两个关键问题：一是产品加工信息的快速无损传输，二是高层产品加工信息的在线与实时处理。本文以STEP-NC标准为基础，建立完整产品信息的集成与闭环传输机制，并针对存在于加工环节与工艺规划环节间的信息传输障碍，分析数控系统对高层产品加工信息的读取和利用方法，最终实现基于STEP-NC的闭环加工及其加工过程控制。
　　本文针对闭环加工系统加工过程控制的需求，分析了系统的功能划分、产品加工信息集成和信息交互机制。以STEP-NC标准的描述方法与实现方法为基础，对完整产品加工信息的集成与闭环数据流的建立方法进行了分析。建立了以开放式STEP-NC数控系统为核心的闭环加工系统架构，以消除数控系统与工艺规划系统之间的信息传输屏障，实现产品设计、工艺规划、产品加工、加工过程控制和加工知识管理等环节之间的动态交互。并采用结构化分析方法，建立了闭环加工系统的功能模型。
　　为了实现STEP-NC文件在数控系统中的在线解释，本文采用模块化结构，建立开放式STEP-NC数控系统软件内核。为保证STEP-NC数控系统核心功能的软件化与可移植性，利用动态链接库、组件对象模型和应用程序接口对STEP-NC解释功能、任务生成与传送功能和插补计算功能进行封装。接着，利用面向对象、多线程和共享内存等技术实现了STEP-NC文件解析、高层信息提取和在线刀具轨迹生成等STEP-NC文件在线解释的核心功能。本文所建不需要后置处理过程，能够实现高层产品加工信息在闭环加工系统中的自由传立的开放式STEP-NC数控系统能够直接读取和解释STEP-NC文件，输，保证加工系统数据流的信息完整与闭环。
　　为了研究加工过程控制在开放式STEP-NC数控系统中的实现与功能集成方法，本文以平面特征的误差区域修补为对象，分析闭环加工系统在线检测及加工过程控制的实现方法；以铣削力的控制为对象，分析实时加工过程控制的实现方法。首先利用STEP-NC标准的描述方法，建立加工过程控制的数据模型，并与其它产品加工信息集成，实现加工过程控制的任务传送及数据反馈，解决了高层数据传输与集成问题。接着设计了误差区域识别与修补方法和基于模糊控制的恒力铣削算法，并以共享内存、多线程和有限状态机技术建立加工过程控制信息在数控系统内的传输与处理机制，保证了加工过程控制的集成性与实时性。
　　最后，本文对所提出的闭环加工系统架构、开放式STEP-NC数控系统和加工过程控制方法的具体实现方法进行了分析，并建立了开放式STEP-NC数控系统的软硬件平台。将STEP-NC文件解释、加工、在线检测、实时监测、加工过程控制和数据输出等功能集成在闭环加工开放式STEP-NC数控系统中，保证了产品加工信息的集成与闭环。以多特征STEP-NC文件解释与加工、在线误差区域识别与修补和恒力铣削为实例，验证本文所提出的STEP-NC数据模型、开放式STEP-NC数控系统功能、在线检测及加工过程控制实现方法和实时加工过程控制实现方法。本文所建立的闭环加工开放式STEP-NC数控系统实现平台为进一步开展基于STEP-NC的加工过程控制研究提供了实验平台上的支持。

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英文摘要

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 闭环加工系统及其加工过程控制研究现状

1.3 STEP-NC加工技术研究现状

1.4 基于STEP-NC的闭环加工研究面临的主要问题

1.5 本文的主要研究内容

第2章 STEP-NC闭环加工系统架构研究

2.1 引言

2.2 闭环加工系统加工过程控制需求分析

2.3 基于STEP-NC的集成产品加工信息模型

2.4 基于STEP-NC的闭环加工系统架构功能模型

2.5 本章小结

第3章 开放式STEP-NC数控系统构建

3.1 引言

3.2 开放式STEP-NC数控系统软件内核设计与开发

3.3 在线STEP-NC文件解释实现

3.4 本章小结

第4章 STEP-NC闭环加工系统加工过程控制实现

4.1 引言

4.2 基于STEP-NC的加工过程控制实现原理

4.3 加工过程信息STEP-NC数据模型

4.4 开放式STEP-NC数控系统加工过程控制功能集成

4.5 本章小结

第5章 STEP-NC闭环加工系统功能实现及验证

5.1 引言

5.2 开放式STEP-NC数控系统实现平台

5.3 STEP-NC制造特征加工实验

5.4 基于STEP-NC的在线检测及加工过程控制实验

5.5 基于STEP-NC的实时加工过程控制实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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