數控G代碼轉換為STEP文件方法的研究

摘 要:為了解決ISO10303和ISO14649標準的數控代碼兼容性問題，基于可拓理論中的基元理論，建立了表達ISO6983標準中數控G代碼知識的信息模型——復合元RG-function。根據STEP標準的要求，給出了G代碼信息模型的EXPRESS語言描述模型，并在此基礎上實現對G代碼描述模型的實例化，從而生成STEP文件。構建了數控G代碼向STEP文件轉換的系統模型，介紹了其主要組成模塊，并重點討論了中間文件生成模塊的算法流程。

關鍵詞:G代碼; STEP; 復合元; 轉換

中圖分類號:TP391

文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)02-0600-03

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.02.055

Research on method of translation from G code to STEP files

ZHOU Xiao-qing1a， QI Cong-qian2， SUN Yao1b

(1.a.Dept. of Mechanical，b.Practial teachingCenter， Nantong Vocational College， Nantong Jiangsu 226007， China; 2.College of Mechanical Engineering，Tongji University， Shanghai 200331， China)

Abstract:To solve the compatibility of NC codes between ISO 10303 and ISO 14649， this paper built an information model-multiple element RG-function， to express the knowledge of G codes in ISO6983 based on the unit theory in extension theory. According to STEP standard， gave the EXPRESS description-model of G-code information model and realized the instantiation from G-code description-model to generate the STEP files. Constructed the system model of translating G codes into STEP files. Introduced the primary modules in the translating system and emphatically discussed the idea of algorithm in the intermediate-file generating module.

Key words:G code; STEP;multiple element; translating

基于ISO14649標準(standard for the exchange of product model data-computer numerical control，STEP-NC)的數控代碼解釋器是未來數控技術研究的重點。STEP-NC是STEP標準(ISO10303)在數控領域的擴展，合符STEP-NC標準的數控解釋器能夠閱讀STEP格式的文件。而以G、M代碼——尤其是G代碼——為核心的ISO6983數控代碼標準，因其應用的廣泛性和習慣性，仍將長期存在。因此，如何解決ISO6983標準中G代碼與ISO14649標準數控代碼之間的兼容性，就成為一個重要的研究內容。目前研究的主要方法有基于STEP和STEP-NC的CAD/CAPP/CAM/CNC系統集成技術的研究[1~3]、基于STEP的數據模型和編程接口的研究[4~7]等。這些研究中，或是基于STEP或STEP-NC，僅根據ISO6983代碼的功能信息來建立代碼信息模型，或是直接拋開現有標準、直接建立數控加工的STEP標準信息模型，從而生成STEP文件。很顯然，前者的研究不能很好地表達現有標準數控代碼所包括的信息內容，信息表達不全;而后者的方法在可預見的未來，缺乏足夠的實用性，因為由于ISO14649標準和ISO10303標準的不完善性以及使用習慣的問題，ISO6983標準仍將是數控代碼的主流標準。很顯然，上述的研究不僅不能很好地解決新標準與舊標準之間的兼容問題，而且也不能解決現有標準下不同數控系統之間的代碼兼容問題。因此，本文基于STEP標準，根據數控G代碼的特點和知識表達方法，建立數控G代碼統一的信息表達模型，進而提出了一種G代碼轉換為STEP中性格式文件的方法。通過這種方法，一方面為解決新舊標準數控代碼之間的兼容性提供了一種思路，另一方面可以通過STEP文件強大的統一性，為解決現有不同系統數控代碼的兼容性提供統一的數據接口。

1 數控G代碼知識的信息模型

ISO6983標準的數控代碼是一種機床功能的表示代碼，它基于機床運動過程，其G代碼的知識僅包括了基本的機床運動和開關信息，但在具體的代碼中無法看出這些信息。而STEP和STEP-NC標準則不同，它們采用面向對象的方法，首先必須建立相關的信息模型(也就是知識表達模型)，并通過網狀數據結構來描述數據信息;在其代碼中不僅明確表達了數控代碼的功能信息，還包括了諸如幾何信息和工藝信息等其他信息。

根據上述分析，對G代碼知識的信息模型表達可采用可拓理論中基元理論的方法來表達?；碚摾靡粋€有序三元組模型R=(N，c，v)來形式化地描述知識，稱為基元。其中:N表示基元名;c表示特征名;v表示特征量值。根據N的定義不同，基元分別稱為事元、物元和關系元，對應地表示對事物、動作和關系三種知識的描述;另外，還可以用這三種基元模型的復合形式來表達復雜的對象[8]。因此，基元理論支持網狀知識表達結構，它不僅能明確表達G代碼的功能信息——機床的運動和開關，還能表達暗含在G代碼中的其他信息。

根據基元理論，G代碼的知識可表達為如式(1)的一個由多個基元復合而成的復合元模型:

RG-function=(代碼，功能，功能名)復合元id，v1功能類名，v2功能開始時間，v3同組功能，v4模態，v5功能參數，v6刀具軌跡類型，v7c8，v8=RG-codec1v1c2v2c3v3c4v4c5v5c6v6c7v7c8，v8(1)

式(1)中功能類名(c2)的取值(v2)為一個物元，如式(2);刀具軌跡類型(c7)的取值(v7)可表示為一個多維組合復合元，如式(3)所示。

RG-Type=G代碼類型物元id，v1子類名一，v2子類名二，v3=G-Typec1，v1c2，v2c3，v3(2)

VTool_Path=RUnit_Toolpath1RG_function1RUnti_Toolpath2RG_function2RUnit_Toolpath3RG_function3(3)

式(2)中各特征上的取值意義為:物元id的取值(v1)是用來標識該物元的惟一標志，用一組數字來表示;子類名i是在功能類名限制下的子類名，可用字符串表示，其取值為(v2， …， vi， …)，若該數控代碼的功能屬于該子類，則取該子類特征量值集中的一個值，否則取空。

式(3)中RUnit_Toolpath表示單位刀具軌跡的坐標值，它又可用如式(4)的一個物元來表示。由式(3)可知，一個G代碼實現的刀具軌跡可由若干個單元刀具軌跡組合而成。

RUnit_Toolpath=單元刀具軌跡，起點坐標，(x，y，z)終點坐標，(x’，y’，z’)(4)

在式(1)中，其他特征的意義和量值為:RG_Code是一個一維物元，用來表示某一數控代碼的功能，表示為RG_Code=(NG_Code， c， v)，物名(NG_Code)為數控代碼的符號，特征名(c)為功能，特征量值(v)為該數控代碼代表的功能;復合元id號(c1)的取值(v1)是用來標志該復合元的惟一標志，用一組整數數字來表示;功能開始時間(c3)的取值(v3)有三種，即與程序段運動指令同時開始、在程序段運動指令完成后開始、沒有限制;同組功能(c4)的取值(v4)是指模態功能所在的同一組中的功能。該量值用與該數控代碼同組的數控代碼的功能來表示;模態(c5)的取值(v5)取模態和非模態，如果數控代碼的功能在此特征上沒有要求，則取空值;功能參數(c6)的取值(v6)是指要實現該功能時，必須提供的參數，如FANUC系統中快速移動命令的功能參數的取值為{終點X軸坐標值，終點Z軸坐標值}。式(1)中的c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7為數控代碼功能的最基本、共有的特征。若數控代碼的功能還有其他特征的話，其特征和量值依次分別用c8…來表示。

2 數控G代碼信息模型的EXPRESS描述和實例化

STEP文件主要是完成一種用于數據交換的中性文件結構，它用尼克勞斯。維爾斯句法符號(WSN)來定義具體的結構，以實現產品數據的存取、傳遞和共享。根據STEP標準的要求，生成STEP文件前，必須先以EXPRESS語言來描述相關的信息模型，然后在此基礎上實現對信息模型的實例化，生成STEP文件的純正文編碼，也就是STEP文件。

根據STEP Part11(ISO10303-11)的要求，G代碼知識的復合元模型在EXPRESS語言中應描述為實體(ENTITY)形式，復合元的各個特征同樣也可以用一系列實體來描述。因此，對于G代碼知識復合元信息模型的EXPRESS語言描述模型為:

SCHEMA function;(數控代碼功能復合元的描述模式)

ENTITY G_function; (對RG_functione復合元實體的定義)

Function_Code: STRING;

function: string_feauture;

END_ ENTITY;

……(對其各個特征取值類型進行實體定義)

ENTITY function; (G代碼復合元的實體定義)

complex_element_name: Code_function; (復合元名)

element_id: integer_feauture; (復合元id)

function_type:function_type_element; (功能類名)

start_time: string_feauture; (功能開始時間)

group_function:list_feature; (同組功能)

mode:integer_feauture; (模態)

parameter:list_feature; (功能參數)

toolpath_type: string_feauture; (刀具軌跡類型)

……(對全特征集中的其他特征進行定義)

END_ENTITY;

END_SCHEMA;

在EXPRESS語言描述的基礎上，可再由STEP Part21(ISO10303-21)要求對描述模型實例化，生成交換文件的純正文編碼[7]，也就是STEP中性文件。因為EXPRESS語言是一種面向對象的語言，要實現G代碼知識的實例化，只要代入某個G代碼的具體信息即可，實現對EXPRESS描述實體的實例化。例如，根據ISO10303-21標準，結合上文中的EXPRESS語言描述模型，GSK980TD數控系統中的直線插補代碼G01轉換成STEP中性文件的純正文編碼為:

/STEP中性文件中的頭段實體實例/

ISO-10303-21;

FILE_SCHEMA((‘EXAMPLE_01’));

ENDSEC;

/STEP中性文件中的數據段實體實例/

DATA;

#1=FUNCTION(#2， #3， #4， #5， #6， #7， #8， #9， …);

#2=CODE_FUNCTION(‘G01’， #101 );

#3= INTEGER_FEATURE(‘物元id’， $);

#4=FUNCTION_TYPE_ELEMENT(#102， #103， #104， …)

#5=STRING_FEATURE(‘功能開始時間’， $);

#6=LIST_FEATURE(‘同組功能’， (‘快速移動’， ‘圓弧插補(順時針)’，‘圓弧插補(逆時針)’， ‘直線插補’， ‘直線插補’， ‘螺紋切削’， ‘軸向切削循環’， ‘螺紋切削循環’， ‘徑向切削循環’));

#7=INTEGER_FEATURE(‘功能續效狀態’，1);

#8=LIST_FEATURE(‘功能參數’，(‘X坐標量’，‘Y坐標量’));

#9=STRING_FEATURE(‘刀具軌跡類型’， ‘直線插補’);

……

#101= STRING_FEAUTURE(‘功能’， ‘直線插補’);

#102=…;

#103=…;

……

ENDSEC;

END-ISO-10303-21;

3 G代碼轉換為STEP文件的系統結構和算法

根據上文的分析，G代碼轉換為STEP文件的系統模型的結構如圖1所示。系統包括三個部分:a)G代碼信息定制模塊，用于讀入G代碼功能復合元RG-function各特征及其量值的數據，并保存在G代碼功能集數據庫中，數據的錄入通過人機交互的形式來進行;b)G代碼輸入模塊，利用人機交互的形式輸入數控程序的G代碼，并提取G代碼功能數據庫中的信息，以便為代碼轉換做好準備;c)中間文件生成模塊，根據輸入的G代碼和代碼功能數據庫中的信息，生成STEP中性文件。

中間文件生成模塊是該系統的關鍵部分，其算法流程如圖2所示。在該流程中，設置了兩個關鍵的鏈表:AdvanceNode和SingleNode。前者用于讀入和保存一個包含有多個G代碼的數控程序段;后者用于讀入和保存一個G代碼的特征和特征量值，以便生成STEP格式的純正文編碼。系統的界面如圖3~5所示。通過該系統可初步實現數控G代碼向STEP文件的轉換。

4 結束語

本文提出了一種數控G代碼轉換為STEP文件的具體實現方法。與以往的研究相比，該方法更具可行性和操作性。主要的工作包括:a)基于可拓理論中的基元理論，建立了數控G代碼的復合元模型，從而全面、多角度地描述了G代碼中包含的知識;b)根據STEP和STEP-NC標準的要求，實現了對代碼復合元模型的EXPRESS語言描述和實例化;c)建立了轉換系統模型的結構，實現了G代碼向STEP文件的轉換。

進一步的研究包括:ISO6983標準中其他代碼，如M代碼向STEP文件轉換的方式;不同數控系統間數控代碼轉換的方式;系統模型的進一步完善和實用化等。

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