New Interpretation Module for Open Architecture Control based CNC Systems
ABSTRACT
CNC technology is the key technology of the machine tools, which are the base of industrial unit computerization. CNC machines are operated by controllers, each of which has a software module inside known as interpreter. The function of interpreter is to extract data from CAM system generated code and convert to controller motion commands. However, with the development of numerical control technology existing CNC systems are limited with the interpreter lacking in expansibility, modularity and openness. In order to overcome these problems open architecture control was introduced. In this paper, a conceptual module of new software system is presented. The developed system is able to interpret ISO 14649 and 6983 code and translate as per internal structure required by the CNC machine. It interprets position, feed rate, tool, spindle etc data and translates to CNC machine. At the mean time it is also able to generate output in text and XML files as per user defined file structure.
1. Introduction
In the 1950rsquo;s arevolutionary change occurred in the manufacturing world with the introduction of Numerical Control (NC) machine tools. NC is the term used to define the control of machine movements with other various functions, which transfers the instructions in a series of numbers via an electronic control system. After that, in the 1970rsquo;s a next important development in machine tool automation occurred, that was the introduction of Computer Numerical Control (CNC) machines. CNC is the term used when the control system includes a computer. In this technology computer replaces most of the electronic hardware and punch card of the NC machine . These CNC machines can be classified by a range of different categories including machining process, number of axes, spindle arrangement, number of spindles and kinematics configuration. The application of CNC technique is often used in turning, drilling, milling, electronic components insertion, tube welding and cutting robots.Computer Numerical Control technology is proved to be economical in mass, batch and many other single item production cases. The most important factors which contribute towards the economic feasibility of CNC technology are; high productivity rates, uniformity of the product, reduced component rejection, reduced tooling costs, less operator involvement and easily machining of complex shapes . In the progression towards more modern systems, flexible manufacturing became dominant among the 1970rsquo;s and 1980rsquo;s to enable low batch production of a wide rang of parts.In order to realize flexible manufacturing,Computer Numerical Controlled machines became a critical manufacturing resource due to their capability for being reprogrammed to produce different parts. Consequently, CNC machines with multi axes and multi-process workstation configurations were developed to support high-speed manufacturing of precision parts such as complex aerospace components .
Today in industries many CNC machines are employed with different controllers and multiple abilities to fulfill customer demands. Most of these CNC machines are programmed in ISO 6983 formally known as Gamp;M codes language. The current CNC language, so called Gamp;M codes have been used since the 1950s. The programs for CNC machines are generated by computer aided manufacturing systems that uses computer aided design information. Gamp;M codes language is defined by just numerical codes such as G, T, M, F, S etc indicating the movement of a machine and an axis to the controller. Meanwhile this language delivers only limited information to the CNC, this makes the CNC nothing but an executing mechanism which is completely unaware from the motions being executed. For ISO 6983, it has also become necessary to perform so called post-processing in order to convert the neutral part program for each controller . However with the growth in the manufacturing world, there are number of problems found in this data interface such as: delivering limted. information to CNC, transferring one-way information from CAD/CAM to CNC, unable to implement the seamless integration of the CAD-CAM-CNC,etc.Also,the development of various CAD/ CAPP/ CAM/ CNC systems in the CAx process chain created a requirement for data exchange standards to enable smooth data integration between machines and systems from different vendors. Behind these drawbacks in reality G-codes programs are still very valuable in commercial manufacturing systems because they incorporate both an implicit micro process plan as well as many years of operator experience . For this reason a functionality of interpretation of G-code has included in this system.
In order to overcome data integration problems a new standard STEP was introduced in the 1990rsquo;s. STEP is an international product data standard also known as ISO 10303. It provides a computer interpretable definitions of the physical and functional characteristics of a product throughout its life cycle . ISO 10303 significantly improved the interoperability between CAD systems. This standard has also highlighted the need for the development of a similar standard for exchange of information between CNC machines as well as CAM systems. Consequently, in the 1999rsquo;s an international project was started to specify a new standard entitled ISO 14649 formally known as STEP-NC to bring the benefits of STEP to CAM and CNC . The ISO 14649 standard is an extension of ISO 10303, it allows the connections between STEP based CAx and CNC. The data models of the ISO 10303 and ISO 14649 standards are constructed based on the EXPRESS language . The EX
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基于数控系统的开放式结构控制的功能模块
摘要
数控技术就是机床，这是机电一体化的基础的关键技术。数控机床是由控制器组成，每个都具有称为翻译的软件模块进行操作。解释器的功能是提取从CAM系统生成的代码数据，并转换到控制器运动命令。但是，随着数控技术的现有数控系统的开发与解释缺乏扩展性，模块化和开放性的限制。为了克服这些问题，开放式结构的控制进行了介绍。在本文中，新的软件系统的概念性模块呈现。所开发的系统能够解释的ISO14649和6983基于CNC机床所需的内部结构。它解释了的工件位置，进给速度，刀具，主轴等数据，并转化为数控机床的功能。在单位时间也能够以每个用户定义的文件结构生成在文本和XML文件输出。
1.介绍
在1950年的技术发生变化，从而在全球制造业引进了数控（NC）机床。数控是用来定义机器运动与其他的各种功能，其通过电子控制系统传送的一系列数字的指示的控制的术语。此后，在1970年，机床自动化进入了下一个重要的发展时期，那就是引进计算机数控（CNC）的机器。数控是用于当所述控制系统包括一台计算机的术语。在这种技术的计算机取代大部分的数控机床的电子硬件。这些CNC机床可以分类通过一定范围的不同类别，包括机械加工的过程中，轴数，主轴装置中，主轴和运动学配置数目。数控技术的应用中经常使用车削，钻孔，铣削，电子元件的插入，管焊接和切割机器人。计算机数字控制技术被证明是经济的质量，批次等诸多单项的生产情况。其中朝向数控技术的经济可行性贡献的最重要的因素是，高生产率，产品的均匀性，减少了元件排斥，降低模具成本，更少的操作者的介入和容易加工的复杂形状。在向更现代系统的发展，灵活的制造成为其中1970和1980年的实现低批量生产各种零件的优势。为了实现灵活的制造，计算机数值控制成了关键制造资源，因为它们对被重新编程，以产生不同的部分的能力。因此，数控机床具有多轴和多进程的工作以便开发了支持精密零件的高速生产，如复杂的航空零部件。
在如今的行业中，许多数控机床都采用不同的控制器并具有多种功能，以满足客户的需求。大多数数控机床的编程在ISO 6983的正式名称为G＆M代码语言。目前CNC语言，所谓的G＆M代码，其实20世纪50年代已被使用。通过使用计算机辅助设计信息和计算机辅助制造系统生成的程序的数控机床。 G＆M代码语言去科幻通过指示机器的运动和轴控制器只是数字代码，如G，T，M，F，S等定义。同时这种语言只提供了有限的信息给CNC，这使得CNC只是一个执行机制，这是完全不知道从正在执行的动作。对于ISO 6983，这也成为必要，以便在中立部分程序转换为每个控制器执行所谓的后处理。然而，随着在制造世界的生长，也有在该数据接口中发现的问题，例如数：提供限定日期。信息CNC，从CAD / CAM到CNC传输单向的信息，无法实施CAD，CAM，CNC，etc.Also，各种CAD / CAPP / CAM / CNC系统中的CAx过程中发展的无缝集成创造了数据交换标准的要求，使不同厂商的设备和系统之间兼容的数据集成。这些优点在现实中导致G代码后面的方案仍然在商业制造系统非常有价值的，因为它们都包含一个隐含的微加工计划以及多年的操作员的经验。出于这个原因的G代码解释的功能已包括在本系统中。
为了克服数据集成问题在1990年提出的新标准STEP。一个国际性的产品数据标准也称为ISO 10303提供的产品的物理和功能特性的计算机可解释软件在其整个生命周期。 ISO 10303显着改善CAD系统之间的互操作性。该标准还强调需要类似标准的发展交换了数控机床之间的信息和CAM系统。因此，在1999年的国际项目开始到指定的新标准名为ISO 14649的正式名称为STEP-NC带来STEP的好处是网络连接的TS CAM和CNC。在ISO 14649标准ISO 10303的扩展，它允许基于STEP的CAx和CNC之间的连接。的ISO 10303和ISO 14649标准的数据模型是基于EXPRESS语言构造。EXPRESS语言定义是正规语言的实体属性数据模型。 ISO 10303中 21接口是连接第一个实现方法是去网络网元存储EXPRESS / STEP数据在基于字符的物理网络连接文件的基本规则。 ISO 14649恢复从CAD / CAPP / CAM到CNC的信息丢失，使CNC更加开放，可互操作和智能化。 STEP-NC主要集中于交流与机床控制器的数据，并正式作为ISO14649和ISO10303-AP238。
为了贯彻新标准，对于传统的数控机床供应商的依赖从而导致的主要问题。据“大多数当今数控机床系统都配备有由控制器供应商作为一个黑盒子提供的CNC控制器，这使得它很难机床制造商快速开发和实施定制控制功能”。其结果是，这种类型的品牌控制器的设计不允许最终用户自主地安装和接口的任何新的自行研制的或商购获得的功能模块，从而提高了机器的功能。为了克服这些问题的开放式结构的控制技术进行了介绍。这种技术的目的是开发控制器独立于制造技术，该技术允许用户购买的硬件和软件从几个不同的供应商，并自由装配所获取的设备。这种类型的数控系统，可在通用的PC硬件上运行，并利用各种软件资源，这使得CNC可重构，互操作性，便携和互换。从CNC的基础设施来看，目前的趋势是开发基于PC的开放式柔性CNC。
本文提出了一种开放式数控机床控制器按照数控机床的内部结构代码的软件系统，它有两个转换数据接口（ISO14649：6983）。该系统架构包括两个数据模块; ISO14649的功能模块和ISO6983的功能模块。
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2.开发系统的模块概念
所开发的软件组件是专为开放式结构控制的数控系统。这是编程实验室虚拟仪器工程工作台（LabVIEW中）中的一些特殊功能。 LabVIEW平台的选择，因为它是一种图形语言，很容易使用相比于文本编码平台上，它通过串行端口，无线等提供广泛的连接。对实验的另一个好处是，它提供了几乎所有的软件，如MS办公室连接的访问，C，C ，C＃，Java的，在实验时，SolidWorks的界面的主要优点是，它是让所有的最佳来源一体式的工作平台，为数控机床提供访问监测，检查，数据库，互联网连接等功能，并让所有功能聚于一身的数控平台。发达模块的功能是将ISO代码按照该数控机床的指令控制的内部结构。它解释了该机床加速，减速，主轴速度，进给速度等等的每个步进/伺服电机，使步进/伺服马达可以在整个线性或圆弧插补移动。
所开发的软件系统由两个子模块：ISO14649解释模块和ISO6983的解释模块。它提取的所有数据从执行ISO14649和ISO6983的数据接口转移到每数控机床的内部结构，使机器可以执行操作。
2.1ISO14649功能模块
该模块的是ISO14649，能够符合ISO14649-21代码工作解释数据。它提取的材料，工件，刀具，位置，主轴转速，等完整的数据，大量的输入数据在ISO14649.的文件后数据提取软件模块结合了所有数据，并转移到数控机床中。开发的系统还能够生成以执行代码数据的特殊格式.txt的文件和.xml文件按用户定义的输出文件格式用定界符设置。模块由三个子模块;数据输入模块，数据提取模块，数据输出模块。由这些子模块组成的各种功能块
这个模块是开发组件，其功能由路径控制功能的代发起获取输入的源代码的初始阶段。获取源代码路径之后，读文件功能的下一个步骤被执行。该函数读取输入源的完整内容。然后在这个阶段结束时的线指数函数显影。此函数的作用是引导解释关于读码的起点。此功能的启用使得解释器能够提取/读的代码。
2.1.1输入数据模块
此模块提供的路径控制功能，用于文件上传，在平均时间它也使读出的数据的功能读取输入文件的全部内容。该模块还包含一个行索引函数是指导对输入文件的起点的解释器。该模块由三个功能块：输入路径控制，读取输入数据，并线索引
2.1.2数据提取模块
该模块是由搜索数据，匹配数据，提取数据，生成指令，结合数据和刀具路径组成的功能块。该模块的功能开始于搜索对内部输入的ISO 14649部21的文件数据。该功能搜索实体的数字的内部的输入文件。那么所有的实体成立的数字匹配数据库，它从输入文件中提取搜查实体号码的全部数据。该匹配的数据去提取数据功能，执行该指令功能，按他们的类型，即实体名称，价值，数量等数据后，打破所有提取的数据转换为字符串标记的值，并通过存储数据的功能，它存储了内存中的所有数据。然后在该提取数据的端部模块的数据相结合时所发生的作用，其中所有所提取的令牌数据组合成一个单一码，并传递到刀具路径的功能块。此函数采用组合的数据的功能的输出作为输入，并产生刀具路径。发达的功能使用的位置，深度，进给速度，主轴转速，刀具直径，测量长度公差，宽容加上丰富的数据接口模型减去等价值，并产生刀具路径进行钻孔。
2.1.3数据输出模块
此模块通过数据提取模块输出到数控机床控制器的相关部分。输出数据模块起着关键的作用，以将数据传递到以正确的方式，即在用户定义的文件格式，机器控制器硬件系统文件（.txt或.xml）; 以X轴的值进给到X轴伺服/步进电机，工具值到工具更换等同时在这个模块中也能够生成以.txt和.xml格式的文件用于文件输出。这些生成的输出文件可在任何类型的个人计算机（PC）中基于开放体系结构的数控机系统中使用。
2.2 ISO6983解释模块
控制文件开始寻找路径的功能，这提供了将ISO6983中的代码访问上传到系统中的功能。上传功能后读取输入的代码的全部内容，并通过对线指数函数出发点的过程中的选择。默认此函数具有零值，这表明将开始从输入代码的第一行的处理。而有不同的是，因为这两个数据接口模型的不同的文件结构的数据提取模块中。
3.工作原理
本节介绍开发系统的工作原理。
3.1 ISO14649介绍
该模块的工作原理是从21接口的文件上传到开发的软件，将执行输入数据模块的功能。之后，该输入文件将被传递到第二数据模块，其是数据的提取。然后在最后的文件将传递到输出的数据模块，其中数据传输到开放式数控机器与机器执行操作。
系统的图形用户界面（GUI）包括四个子选项卡:主要解释标签，车间的编辑，细节和设置。主页包含输入路径控制功能需要从其他系统输入文件，这也说明了输入文件的页眉数据，项目名称的数据，工件数据，刀具数据和加工过程数据的完整内容。主屏幕显示报头，项目名称，工件，切割在不同的部分工具和加工过程中的所有数据，从而使用户可以容易地理解的输入代码的内容。车间编辑器提供了访问做修改的代码，而加工或脱机，它能够做对工件的位置，设置位置，切削深度，主轴转速修改，联合，处理深度，公差等开发的细节选项卡系统提供了在设置的深度信息，工件，工艺，公差，位置，深度等的不同部分。最后一个标签是设置，这提供了对文件的访问的输入和输出设置，用于输入设定它具有线索引函数，而对于输出设置有通数据到数控机床，并产生输出的功能。开发GUI的目的是使大量的数据容易转换成易于理解的结构，还提供了对输入文件的内容进行访问，使用户可以方便地查看和修改数据按要求。
3.2 ISO6983介绍
所开发的软件模块采用CAD/ CAM系统生成的ISO6983的代码作为输入。通过输入数据模块的功能之后，在文件前进到数据提取模块，则在结束它进入到输出数据模块。输出数据模型，然后转发转换后的代码，以开放式数控机床的操作。
图形用户界面（GUI）具有四个子选项卡: 主要解释标签，车间编辑器，细节和设置。主要功能标签是由软件组成，这说明能控制输入文件路径，输入ISO 6983的代码和生成的（解释）代码的主网页。车间编辑器显示所有提取的数据，所以在任何时间，而工作的用户可以很容易地修改数据。有了这个功能，系统能够提供存取位置做最后一分钟的变化，进给速度，主轴转速，输入代码，工具等数据的实现。详细内容标签显示从输入码所提取的值。设置选项卡是解释器，它是由输入和输出设置的重要标签。输入设定为约引导关于起点（从该解释器开始读取输入码点）的解释器。默认情况下它的值为0，这意味着是输入代码的第一行。输出模块按照其内部结构将数据转换到数控机床也产生了以.txt和.xml格式的文件，这部分包含将数据传送给数控机床，并生成输出功能。
4.结论和未来的工作
数控控制器它是由软件和硬件平台组成的一个机器的重要部分。解释部分是CNC机床控制器的软件平台，其功能是把输入的ISO码控制CNC机床的内部结构，从而使步进/伺服马达可以在整个线性或圆弧插补移动。现在，数控机床的传统的控制器被发现有所区别，即它们不便于访问的CNC控制器和轴控制系统的内在功能。这些系统是两个方面：硬件和软件。换句话说，它们被存储在人机界面（HMI）平台，输入和输出功能，连接，数据接口模型等方面作为解释器是CNC机床控制器的软件的一部分，由于控制器解释器的接近程度也取决于厂商的规格。
为了克服这些问题从而开放式结构的控制技术被引入，该技术的目的是开发控制器，它独立于制造商的技术，从而允许用户从多个不同制造商购买的硬件和软件，并自由地装配所获取的设备。在本文中的软件系统是为开放式结构的数控控制系统开发的，这个模块是能将ISO 14649中的21接口的代码和ISO 6983数据接口模型代码作为每个机器的内部结构。该软件是由两个子模块组成; ISO 14649功能模块和ISO 6983的功能模块。这些模块工作在输入数据，数据提取和输出数据的基本模块。开发的系统能够与现有的CAD / CAM一起工作，它具有开放的性质，欢迎从不同的控制语言（VB，C ，C＃，JAVA等）进行使用。开发的软件模块也能够生成以按用户定义.txt和.xml格式的输出文件的结构。该软件使生活方便的用户来说，它提取低级别的代码和高层次的代码完整的数据并显示在GUI上的方便形式。它示出了设置的所有所提取的数据，工件，坐标，位置，深度，工具，公差等成单独的部分，以提供容易理解到用户对输入文件的内容，并且还提供了用于方便数
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