基于STEP-NC的數據轉換機制研究

韓建華，杜娟

（太原科技大學 機械電子工程學院，太原 030024）

STEP-NC是1996年國際上為數控程序制定的一種新的數據接口標準(ISO14649)，它提供了一種不依賴具體系統的中性機制和能夠描述產品整個生命周期內的統一數據模型。STEP-NC的提出，使得將集中于單個計算機上的數控程序分散在互聯網的不同設備上，從而為基于網絡的制造模式和技術創造了條件［1］。

為便于網絡傳輸，產品數據模型文件使用XML語言描述，而STEP-NC程序使用EXPRESS語言描述，因此，如何進行二者之間的轉換就成為數控技術向開放式、網絡化的發展的關鍵所在。本文針對實際構建的網絡協同設計平臺，提出了一種引入自學習機制的EXPRESS/XML轉換機制的實現方法，并用實例進行驗證，效果良好。

1 系統的硬件平臺

為了完成網絡的協同制造需求，整個網絡架構根據功能可分產品設計、網絡傳輸和制造加工三個層次。產品設計和制造加工的數據可以利用互聯網協議在網絡上進行傳輸，擺脫了空間位置的束縛。該系統的網絡架構如圖1所示。

產品設計層用于建立產品數據模型文件，允許有多個設計者互聯，每個設計者均可建立自己的三維零件圖，并通過 STEP轉接口，直接輸出符合STEP-NC標準格式的文件，再使用EXPRESS/XML轉換器生成適合于網絡傳輸的XML語言文件。制造加工層包括多個加工車間，每個加工車間設置一臺車間服務器，用于連接本車間的各個STEP-NC機床，并通過交換機與Internet相連。通過STEP-NC機床，操作員可直接瀏覽產品的幾何模型和加工信息，但要進行加工，必須再次使用EXPRESS/XML轉換器轉換，生成EXPRESS文件，經程序檢查確認無誤后加工開始。

圖1 系統的網絡架構圖Fig.1 Network framework of this system

2 EXPRESS/XML轉換機制

STEP-NC程序描述使用 EXPRESS語言，而EXPRESS語言與XML語言之間可以相互轉換，這為網絡化制造提供了一種新的途徑；ISO 10303-28標準給出了EXPRESS語言和XML之間的轉換規則，參照此規則可將 STEP-NC數控加工程序用XML語言表示。［2］

2.1 轉換方法

目前常用的方法有前綁定及后綁定［3］。兩者各有優缺點，前綁定將EXPRESS作為整體轉化，形式較簡單，但每一個EXPRESS模型必須對應一套XML標簽集（即Schema私有）；后綁定中XML標記與EXPRESS的實體、屬性、數據類型相對應，容易產生結構的膨脹和爆炸，但是，卻允許所有的EXPRESS模型共用一套標簽集（即 Schema共有）。通常，后期綁定方式能在異構平臺上較好的實現通用性和可移植性。

2.2 對應關系

EXPRESS/XML的轉換是根據結構上的對應關系進行的。具體為：EXPRESS實體對應 XML文檔；實體(子實體)對應元素(子元素)；實體屬性對應屬性(子屬性)；與其他實體關系對應與其他元素關系［4］。

對于 project實體，用 EXPRESS語言描述如下：

2.3 轉換機制

EXPRESS/XML轉換機制包括寫入模塊、轉換模塊、糾錯模塊，并設置專門的數據庫服務器存放XML-Schema庫，執行過程如圖2所示。

圖2 EXPRESS/XML轉換機制執行過程Fig.2 EXPRESS/XML transformation mechanism process

(1)寫入模塊：根據ISO10303-28標準，將EXPRESS實體生成對應的 XML文檔，寫入 XMLSchema庫。

(2)轉換模塊：輸入STEP-NC文件，根據EXPRESS表達式按照搜索規則從XML-Schema庫中搜索合適的模式進行轉換，直至EXPRESS文件結束，此時STEP-NC文件被轉換成XML文件。在轉換過程中，如果發現XML-Schema庫中沒有相關信息，則可根據STEP-NC標準，轉入寫入模塊進行添加。顯然，轉換依靠的是XML-Schema庫，保證數據庫中數據提取的快速準確是影響系統性能的直接因素。由于近期使用的規則最有可能再次被使用，故本系統在數據庫中設置專門的快速檢索表，記錄最近使用過的轉換規則。查找時，先檢索快速檢索表，如表中沒有再從XML-Schema庫中檢索，大大提高了檢索效率。

(3)糾錯模塊：為保證STEP-NC程序的正確性和合理性，轉換機制應具備糾錯功能。其實現過程為：分析 STEP-NC文件結構；采用后綁定的方法建立相應的實體XML Schema，規定數據出現的次序及數據的屬性，如字符串型、整型、實型等，在解析過程中檢查 STEP-NC文件的數據是否缺省或超出范圍，并通過對話框的形式提示操作者；若無錯誤可在本地機床安全運行，若出現錯誤則進行反饋，并修改XML-Schema庫。

2.4 自學習機制

由于XML-Schema庫的性能會直接決定整個系統的性能，故該庫在建立時引入自學習機制。初始庫中只設置必要的、基本的信息即可投入運行，使得此庫的建立比普通機制節約時間，系統能較早的投入運行。在運行時逐漸通過反饋環節進行添加以擴充數據庫。同時，對已有的信息要進行修正，保留正確的信息，刪除錯誤的信息，經過積累，轉換的準確性將逐步提高。

3 實例驗證

下面通過一個例子來演示 STEP中性文件到XML文件的轉換過程。圖3所示為用Pro/Engineer創建的測試零件，零件名稱為prtpart.prt。

圖3 測試零件Fig.3 Test part

Pro/Engineer支持 STEP AP214格式的導出功能，將測試零件信息導出后，系統自動生成名稱為prtpart.stp的STEPAP214中性文件，然后通過轉換機制將該STEP文件轉換為相應的XML文檔，默認文件名為prtpart.xml，用IE5.0瀏覽器查看其文檔內容如圖4所示。

圖4 STEP文件轉換后的XML文檔Fig.4 XML file converted from STEP file

4 結論

本文詳細闡述了一種網絡協同制造架構上的EXPRESS/XML轉換機制的構成，分析了其轉換過程，研究了兩種文件的對應關系，提出了自學習的XML-Schema庫建立方法，縮短了系統的開發時間，提高了XML-Schema庫的效能，擴展了STEPNC在網絡化制造中的應用。

［1］楊奕昕，黃澤森，范青.數控系統及研發技術研究［J］.兵工自動化，2009，28（10）：78-81.

［2］王軍，聶新剛，孫軍，等.基于STEP-NC數控編程的實現方法［J］.沈陽建筑大學學報：自然科學版，2005，21（6）：759-760.

［3］張莉彥.基于Internet的STEP-NC的研究［D］.北京化工大學，2008:63.

［4］張運森，劉保國，劉珂.基于XML與STEP的產品數據描述及轉換技術研究［J］.制造業自動化，2009，31（3）：36-38，42.