Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 2, 2004 г.

КОНЦЕПЦИЯ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ МЕХАТРОННЫМИ СИСТЕМАМИ: ИНТЕГРАЦИЯ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТАНДАРТОВ STEP

 

Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М.

(Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»)

 

Введение. Среди возможных видов интеграции в автоматизированных производствах в последнее время привлекают те, которые построены на единой информационной модели изделия в рамках его жизненного цикла: от компьютерного проектирования (CAD) и компьютерного планирования (CAPP) к автоматизированной подготовке управляющих программ (CAM) и изготовлению на станках с ЧПУ (NC). Подобная модель определена в рамках комплекса стандартов STEP (Standard for the Exchange of Product model data) (см. [1], [2]). Слабым звеном в последовательных переходах по этапам жизненного цикла является переход CAM-NC, уверенное представление о котором не сложилось до сих пор. В дальнейшем сделан акцент именно на этом переходе; что потребовало, однако, введения общих представлений о комплексе стандартов STEP.

Обзор комплекса производственных стандартов STEP. Речь далее пойдет о той части стандартов STEP, которая определена для области обработки резанием на станках с ЧПУ. В жизненном цикле изделия предусмотрены фазы: STEP-проектирования (CAD, Computer-Aided Design), макро-планирования технологического процесса (CAPP, Computer-Aided Process Planning); а, кроме того, и те способы микро-планирования (CAM, Computer-Aided Manufacturing) и изготовления (NC, Numerical Control), которые существуют сегодня вне STEP. Функции STEP-ориентированного микро-планирования и STEP-ориентированного изготовления станут доступными в ближайшем будущем.

Фаза проектирования предполагает генерацию и сохранение STEP-данных для последующего производства изделий. В рамках фазы разработаны несколько вариантов прикладных протоколов (AP, Application protocol), определенных в качестве международных стандартов, наилучшим из которых служит протокол AP224. На уровне этой фазы формируется некоторый полный набор информации для планирования технологических маршрутов в очередной фазе. Полнота означает определение данных в терминах 3D-геометрии (прямые, дуги и т.д.); но и в таких технологических терминах, как карманы, канавки, отверстия, скругления и др. Полнота означает также определение размеров и допусков, ассоциированных с 3D-образом; генерацию такой существенной информации, как материал, шероховатость, специальные технические требования (например, скругление острых кромок). Все спецификации представляют собой не просто текст в виде примечаний, но являются частью модели; причем, под протоколом AP224 понимают и модель, и транслятор, генерирующий производственные данные для отдельных деталей и сборок в формате AP224. В составе транслятора имеется СУБД. В фазе проектирования создают проект, выполненный в CAD-системе, или используют уже существующий проект, транслированный в AP224.

В следующей фазе макропроектирования используют производственные данные конструкторского проекта и обрабатывают их соответственно новым задачам. Представление данных в формате AP224 существенно повышает эффективность планирования; окончательный же результат макропроектирования будет представлен в формате AP213 в форме технологического маршрута для станков с ЧПУ. Формат AP213 принадлежит комплексу STEP, но пока еще не является международным стандартом; хотя тому существует мощная международная поддержка. Пока же, по большей части, STEP служит только входом в систему макро-планирования; в то время как выход организован в формате используемой CAPP-системы.

Один из существующих вариантов CAPP-системы разработан в виде машины знаний как интеллектуальное приложение для CAD системы. Информация об изделии, информация о цеховых ресурсах, специфические сведения о построении технологических маршрутов и практический опыт объединены вместе с целью построения планов обработки, используемых для самого широкого спектра деталей. План обработки представляют собой схему маршрутизации (распределение шагов маршрута по станкам), спецификацию материалов, обобщающую маршрутную информацию, требования к инструментальному обеспечению, нормы времени для каждого шага, инструкции оператору. Приспособления и инструменты выбираются, заказываются или изготавливаются. В процессе макро-планирования оценивают стоимость обработки. Система принимает информацию в форматах: STEP AP224 (оптимальный вариант), STEP AP203 (более ранний вариант прикладного протокола проектирования), IGES (Initial Graphics Exchange), информацию чертежа. Модель цеховых ресурсов включает наличные материалы и инструменты, описания станков, оценки времени обработки, технологические возможности. Пользователю доступна твердотельная модель обрабатываемого изделия. В его распоряжении множество экранов с информацией об изделии, цеховых ресурсах и плане обработки.

Стратегия очередной фазы, микро-планирования, - состоит в том, чтобы принять информацию в формате AP213 на основе формата AP224; но это станет возможным, когда формат AP213 будет завершен и выстроен в качестве стабильной модели и стандартного входа в CAM-системы. CAM-система выполнит микро-планирование в AP238 формате на основе стандарта STEP-NC для каждого станка из тех, которые определены маршрутом операций.

В любом случае, выход STEP-ориентированного макро-плана используют в качестве входа в систему микро-планирования. Микро-план ориентирован на шаги операций, поддержанные числовым программным управлением; он содержит чертежи установок и управляющие программы для станков с ЧПУ. CAM-системы проектируют траектории инструментов и пост-процессируют их, чтобы обеспечить совместимость с конкретной системой ЧПУ. Кроме того, разрабатываются схемы установок и коррекции инструментов, а также подробные инструкции оператору.

Фаза изготовления деталей станет гораздо более совершенной после завершения и внедрения стандарта AP238 (STEP-NC). Однако для прямого использования инструкций STEP AP238 должны быть разработаны системы ЧПУ очередного поколения; такие, которые понимают STEP-NC формат вместо языка ISO-7bit (ISO 6983, DIN 66025).

STEP-NC. Программирование современных систем ЧПУ подчиняется стандарту ISO 6983 (DIN 66025), которому уже более 50 лет, и который явно тормозит развитие ЧПУ-технологии (см. рис. 1). Стандарт поддерживает простые команды для элементарных перемещений и логических операций, но не сложные геометрию и логику. Управляющие программы в стандарте ISO 6983 содержат ничтожное подмножество информации, полученной на уровне CAD-CAM систем. Однако более серьезным является невозможность двухстороннего обмена информацией с этими системами; что означает, что любые изменения в управляющей программе не могут быть отображены в восходящем информационном потоке к системам CAD-CAM.

 

 

Рис. 1. Существующая схема программирования станков с ЧПУ и ее недостатки

 

В отличие от существующего, стандарт STEP-NC предлагает модель того, «что» нужно сделать, но не подробности того, «как» осуществлять траекторные перемещения и выполнять команды логических переключений. Эта модель отвечает новому стандарту ISO 14649, согласно которому: изделие получают из заготовки путем удаления типовых форм (features); путем условного или безусловного выполнения ассоциированных с типовыми формами переходов (workingsteps); в потоке управления, задаваемом исполняемыми блоками (executables); с необходимыми допусками; с использованием инструмента, отвечающего всем необходимым требованиям. Эта модель использует информацию форматов AP204 и AP213 вплоть до этапа интерпретации управляющей программы; т.е. она несопоставимо богаче существующей схемы программирования. Предполагается, что система управления способна интерпретировать подобную информацию и генерировать необходимые перемещения и циклы.

Стандарт ISO 14649 устанавливает девять компонентов функциональности (Units of Functionality, UOFs): проект (project), изделие (workpiece), типовая форма (feature), исполняемый блок (executable), операция (operation), траектория инструмента (toolpath), измерения (measures). Отношения между компонентами показаны на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Отношения между компонентами функциональности в стандарте ISO 14649

 

Рисунок представлен в форме, соответствующей упрощенной графической версии объектно-ориентированного языка EXPRESS (см. [3], [4]); который послужил средством описания всех прикладных протоколов STEP.

Изделие описывают так, как это принято в стандарте STEP: с историей версии, с информацией владельца, с утверждениями, датой, указанием материала и его свойств. Изделие служит выходом технологического процесса, а его внешний вид является свойством готового продукта. Типовые формы определяют области удаляемого материала заготовки, а их внешний вид является частью внешнего вида изделия. Типовые формы задают в параметрическом виде как совокупность образующей и направляющей. Особый случай представляют поверхности свободной формы, для которых задают область, в пределах которой поверхность свободной формы размещается. Некоторые виды типовых форм представлены на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Виды типовых форм

 

Ядро модели STEP-NC составляет план операций (workplans), который является последовательностью переходов (workingsteps). Каждый переход ассоциирован с операцией, выполняемой в некоторой типовой форме изделия. В свою очередь операция содержит технологический алгоритм (включая стратегию внедрения в материал и вывода инструмента) и указания по настройкам. Операции имеют черновую и чистовую версии. Предполагается, что интеллектуальные системы ЧПУ будут самостоятельно рассчитывать траектории инструмента для стандартных типовых форм.

Исполняемый блок (executable) описывает поток управления и последовательность переходов, ассоциированных с операциями и типовыми формами. Исполняемый блок технологически независим. Конструкция исполняемого блока приведена на рис. 4

 

 

Рис. 4. Конструкция исполняемого блока

 

Траектория инструмента устанавливает точное движение координатных приводов в том случае, если интеллектуальная система ЧПУ не способна сама спланировать такую траекторию. Однако полная траектория может быть воссоздана из каких-то ее повторяющихся или стандартных частей; таким образом, гибкость плана операций снижается лишь частично. Структура траектории инструмента представлена на рис. 5

 

 

Рис. 5. Структура траектории инструмента

 

Компонент функциональности измерения определяет используемые средства измерения и допуски в разработанной модели.

Обобщающим компонентом функциональности служит проект. Суть в том, что общая STEP-NC модель может включать описания нескольких изделий и множество планов операций. Проект устанавливает стартовую точку, идентифицируя главный план операций. Формальное описание проекта в объектно-ориентированном языке EXPRESS выглядит следующим образом:

 

ENTITY project;

its_id: identifier;

main_workplan: workplan;

its_workpieces: SET [0:?] OF workpiece;

its_owner: OPTIONAL person_and_address;

its_release: OPTIONAL date_and_time;

its_status: OPTIONAL approval;

(*

Informal proposition:

its_id shall be unique within the part programme.

*)

END_ENTITY;

 

Управляющая программа для станка с ЧПУ представлена в формате физического файла, соответствующего ISO 1033, часть 21. Первая секция программы служит заголовком (header). Здесь представлена информация общего характера и комментарии (имя файла, автор, дата и др.), см. рис. 6. Далее следует секция данных, открываемая ключевым словом Data. Эта секция делится на три части: план операций, исполняемые блоки, технологические описания, геометрические описания. Рисунок показывает отношения между этими тремя частями.

 

 

Рис. 6. Структура управляющей программы для станка с ЧПУ

 

Рабочий план объединяет исполнительные блоки в линейном порядке или с учетом условий. Один из типов исполнительных блоков содержит структуру программы; и чтобы изменить последовательность операций достаточно внести изменения в этот блок.

Пример использования управляющей программы в подобном виде был продемонстрирован фирмой Siemens. Далее приведен небольшой фрагмент такой программы:

 

File:

 Header

 #1=Project (Workplan #10);

 #10=Workplan (#20, #35, #71,…);

 …

 #20=Machining_Workingstep (#(Feature), #22(Operation));

 #21=Round_hole (‘Hole M6’,,,,,,,);

 #22=Drilling (#…(Tool),,,#…(Technology), #…(Machine_functions));

 …

 #35=Machining_Workingstep (…);

End-ISO-10303-21

 

Использование этого формата имеет ясное представление и четкое окружение, как это показано на рис.7. Однако имеются и другие предложения, связанные с прямым использованием в управляющих программах ЧПУ языков EXPRESS и XML. Дело в том, что синтаксис ISO 10303-21 не предполагает расширений и не предусматривает использование гипер-текстовых механизмов.

 

 

Рис. 7. Окружение разработки управляющей программы в соответствии с ISO 10303-21

 

Использование в интерфейсе систем ЧПУ языков EXPRESS и XML. Среди многих интересных достоинств такого подхода важную роль играет ориентация на интегрированное распределенное производство.

Язык EXPRESS является универсальным средством для описания информационных моделей в терминах «сущность – атрибуты». Сущности могут сохраняться в репозиториях в качестве абстрактных объектов, не имеющих привязки к конкретным физическим образам. Однако разработчики математического обеспечения репозиториев имеют и возможность использовать любые информационные технологии и подходы при определении сущностей и атрибутов.

Язык XML гибок и расширяем и в этом смысле имеет преимущества перед ISO 10303-21. XML-документы могут быть обработаны Web-браузерами; при этом технология браузеров позволяет визуализировать EXPRESS-сущности. XML-описания принимают участие в обмене нейтральными данными, но и могут быть использованы в разделяемых специализированных базах данных и архивах (см. [5]).

Правила отображения и раннего связывания моделей EXPRESS и XML состоят в следующем: имя тэга соответствует или имени EXPRESS-сущности, или имени атрибута; элемент тэга соответствует значениям атрибута; для упрощения структуры тэга его атрибуты являются многофункциональными. Упрощенная схема отображения моделей показана на рис. 8.

 

 

Рис. 8. Отображение EXPRESS в XML

 

Окончательная схема генерации управляющей XML-программы ЧПУ из EXPRESS-модели данных ЧПУ показана на рис. 9. Эта модель охватывает EXPRESS-схему и EXPRESS-репозиторий. EXPRESS-схему можно конвертировать в XML DTD (Document Type Declaration) с использованием правил отображения.

 

 

Рис. 9. Схема генерации управляющей XML-программы ЧПУ

 

Заключение. До сих пор станки с ЧПУ программируют в стандарте ISO 6983. Этот стандарт существует со времени использования перфолент и перфокарт; он абсолютно не удовлетворяет современным технологиям. Управляющие программы, соответствующие ISO 6983, всего лишь описывают координатные перемещения (G1, G2, G3) и управляют циклами (M3, M8). Новые языки программирования работают с технологическими задачами, привязанными к типовым формам (features). Такой задачей может быть, к примеру, обработка кармана. Все операции, необходимые для перехода от заготовки к готовому изделию, могут быть описаны в терминах технологических задач. В этой связи, на цеховой уровень огромный объем информации. Все модификации цехового уровня могут быть не только сохранены, но и без труда переданы обратно в отделы планирования. Поскольку геометрия и заготовки, и готового изделия описывается с использованием STEP синтаксиса, возможен прямой обмен информацией между CAD/CAM/CNC системами. Геометрические данные могут быть непосредственно импортированы в систему ЧПУ, и только технологическая информация должна быть добавлена, чтобы сгенерировать управляющую программу.

Сопоставление моделей управляющих программ ЧПУ, современной (ISO 6983) и перспективной (ISO 1469), выполнено на рис. 10.

 

 

Рис.10. Сравнение двух моделей управляющих программ ЧПУ, современной (ISO 6983) и перспективной (ISO 1469)

 

Список литературы

 

1.        http://www.steptools.com.

2.        http://www.okstate.edu/ind-engr/step/WEBFILES/Papers

3.        http://www.cals.ru/structstep.html#str

4.        http://www.cals.ru/structstep.html#ex

5.        http://www.xml.coverpage.org/StepExpressXML.html#step-part28

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 2, 2004 г.