基于STEP-NC的軸類零件車削系統的開發

虎智猛，黃曉明

（云南機電職業技術學校，昆明 650203）

1 STEP-NC標準概述

STEP-NC是一個新的NC編程接口標準（ISO-14649），全稱是計算機數字控制的數據模型（Data Model for Computerized Numerical Controllers）。它是STEP標準在NC領域內的擴展，是CAD/CAM/CNC之間的新的數據接口標準[1]。

STEP-NC的基本原理是基于制造特征進行編程而不是直接對刀具運動進行編程，它的本質特征是面向對象描述加工什么。STEP-NC用工步（Working steps）指定加工過程，工步將加工特征和具體操作聯系起來。STEP-NC包含了工件的所有加工任務，通過這一系列加工任務對從零件毛坯到最終成品所有的操作加以描述提供了更高層次的信息給加工車間。其幾何信息描述和文件格式與STEP標準完全一致。一個基于STEP-NC的程序由幾何信息和工藝信息描述組成，幾何信息采用STEP數據格式描述，CNC系統可以直接從CAD系統讀取STEP數據文件，從而消除了由于數據格式轉換可能導致的精度降低的問題。工藝信息描述部分包括所有工步的詳細完整定義如特征代碼、刀具數據、機床功能、加工策略及其它數據[2]。

由此可以看出，基于STEP-NC的CAM系統意義上發生了變化，從功能上看更類似于一個CAPP系統。一個NC程序就是特征的幾何信息加上必要的工藝信息，而刀具運動軌跡計算等任務則由CNC系統處理，CNC系統負責把工步轉換成機床坐標軸和刀具的運動。而且基于STEP-NC的CNC技術是真正實現開放式集成制造環境和協同制造的基礎，具有極其重要的研究意義和廣闊的應用前景。

2 系統設計原則

本文所研究的軸類零件的STEP-NC文件生成系統主要是針對車削加工的，即該系統生成的STEP-NC文件將作為具備STEP-NC控制器的數控車床的加工程序，用以實際加工零件。該系統既能生成具有一般制造企業的軸類零件的STEP-NC文件（程序）G代碼，同時也能生成傳統數控系統的G代碼，因此該系統在普及STEP-NC程序過程中將起到過渡作用。

本系統的構思完全依據STEP-NC的數據模型和程序結構的理論要求，進行模塊化設計。

系統設計的目的是在軸類零件三維造型的基礎上，根據STEP-NC的實現方式自動生成STEP-NC文件。由于STEP-NC的控制器研究還處于初級階段，因此該系統生成的STEP-NC文件需轉換成傳統的G代碼，在現有的數控車床上進行一致性測試，以滿足STEP-NC的基本要求。

系統所生成的STEP-NC文件使用EXPRESS語言進行描述，容易被計算機識別，同時可實現產品數據在全生命周期中的共享與交換要求。

3 系統總體結構的設計

為了自動生成符合ISO 14649標準的STEP-NC文件，結合軸類零件的加工特點，系統首先對軸的各特征進行識別，同時獲取零件造型的相應的幾何信息（AP203文件），通過特征識別，可以直接得到加工該特征所需的刀具描述和零件的制造特征；然后通過文件頭信息模塊、毛坯描述模塊、坐標系及裝夾定位描述模塊、加工參數描述模塊、刀具庫模塊和工步描述模塊，生成符合STEP-NC要求的工步描述，并將其按照加工順序進行排列，最終生成STEP-NC文件。

在實際開發過程中，系統主要利用SolidWorks軟件的設計模塊和其強大的開發功能，使系統直接讀取利用SolidWorks軟件所設計的軸類零件的CAD模型。在此基礎上，利用Visual Basic語言對SolidWorks 2005進行二次開發，以實現文件頭信息、毛坯描述、坐標系及裝夾定位描述、加工參數描述、刀具庫、工步描述和特征信息提取七個功能模塊，其中在特征信息提取模塊中，生成零件各特征表面的幾何信息和加工參數，最終生成符合STEP標準的STEP-NC文件，同時為了實現該系統的驗證，在本模塊中還可以生成傳統的數控程序（G代碼）。根據以上分析，得到系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

4 系統功能模塊及其實現流程

根據ISO 14649標準，本文將STEP-NC系統分為七個主要的功能模塊：文件頭信息、毛坯描述、坐標系及裝夾定位描述、加工參數描述、刀具庫、工步描述和特征幾何信息模塊。前六個模塊均可通過窗體進行人機交互對話得到所需數據，并在各窗體之間進行傳遞，而特征幾何信息模塊需要完成四個功能：制造特征信息（包括生成AP203、AP214、AP224文件三個子菜單）、加工信息、生成STEP-NC文件、生成G代碼。七個模塊分別實現各自相應的功能，并且它們之間相互緊密聯系。系統的整個功能模塊實現流程如圖2所示。

圖2 系統功能實現流程圖

5 生成插件

為了在SlidWorks環境中更方便快捷地運行該系統，本文將實現整個系統的程序編譯成了一個*.DLL文件，并將其做成SolidWorks的一個插件（STEP－NC），使之集成于SolidWorks軟件，并為后續研究提供了工具。如圖3所示。

圖3 添加名稱為STEP-NC的插件

6 系統運行實例

在SolidWorks零件環境中，單擊“【工具】”“【插件】”，選擇“STEP-NC”，此時在SolidWorks環境中就加入了一個名為“【STEP-NC】”的菜單，單擊該菜單下的子菜單“運行系統”，則出現圖4所示的系統主頁面。

圖4 系統主頁

圖5a 運行前

圖5b 運行后

按“文件頭信息”、“毛坯信息”等依次進入各功能模塊，并輸入相應信息。圖5顯示了“刀具庫”的運行情況，其中圖5a顯示的是選擇刀具前的情況，當在下拉組合框中選中“外圓粗車刀”時，刀具常用角度列表框中自動輸入外圓粗車刀的各角度值，該值可以進行人工調整，圖5b顯示的是選擇粗車刀后的情況。

進入“特征信息及驗證”界面后，出現四個菜單：“制造特征信息”、“生成加工信息”、“生成G代碼”和“生成STEP-NC”，首先選擇“生成加工信息”，則得到圖6所示結果。

接下來，單擊“生成G代碼”，則在系統環境中出現如圖7所示的提示，并且此時在C盤根目錄下產生一個名為“CNC.txt”的文本文件。

圖6 “生成加工信息”的運行結果

圖7 “生成G代碼”的運行結果

最后將所生成的“CNC.txt”文本文件傳輸入至數控車床，并加工出該零件，此時可驗證本系統所提取的加工參數具有可執行性，再通過對加工出的零件進行檢測，在不計公差要求的情況下，加工出的零件的尺寸滿足CAD模型的基本尺寸要求，最終驗證了該系統所提取的幾何信息正確無誤。

圖8 “生成STEP-NC文件”的運行結果

根據前面各模塊所得到的所有信息，最終生成了一個名為“STEP.txt”的文本文件，運行結果如圖8所示。

[1] Martin Hardwick,David Lofredo.STEP into NC.Manufacturing Engineering.2001(1):38-50.

[2] 劉日良,張承瑞.STEP-NC2.5D銑削工步的運動特征及其數據模型[J].機械科學與技術,2005,1.

[3] SolidWorks公司.《SolidWorks API二次開發》.機械工業出版社,2005.