STEP-NC數控系統相關技術研究

鐘建琳，李樹春，常城

(北京信息科技大學 機電學院,北京 100192)

0 引言

數控技術自出現以來經過近六十年的發展給機械制造業帶來了巨大的變化，同時隨著計算機及信息技術的快速發展，作為現代加工車間最重要裝備的數控機床，其發展也應朝著開放化、智能化、網絡化發展。

但眾所周知，到目前為止，數控編程依然是基于G/M代碼即ISO6983標準。這種標準的數控程序是面向過程的，它通過直接指定機床軸的運動來實現加工，而不包含產品數據的其他信息。因此不支持現場對產品的修改及編程，CAD/CAM系統與數控系統之間信息只能單向傳輸、數控程序依賴于所用的數控系統等。這些問題制約著數控系統智能化、集成化、網絡化的發展。

針對這些問題，國際標準化組織ISO在STEP(standard exchange of product data model即產品模型數據交換標準)的基礎上制定了CAM與CNC之間新的數據接口標準——STEP-NC(STEP compliant data interface for numerical control，ISO14649)來取代傳統的數據接口標準ISO6983[1]。STEP的目的是提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述整個生命周期中的產品數據，同時保持數據的一致性和完整性。其優點如下：不需要后置處理，消除數控程序對數控系統的依賴性，極大地提高數控程序的可移植性和系統的柔性；實現數控系統與CAD/CAM系統之間雙向數據交換，加工現場可得到較全面的產品信息，為網絡化制造創造有利條件等。

1 STEP-NC數據模型結構

STEP-NC數控程序文件能夠完整地描述產品的設計和制造信息，其在結構上可分為文件頭和數據段兩部分。文件頭的標記為“HEADER”，主要說明加工零件的相關信息及注釋，如文件名稱，編程人員及日期等。數據段則以“DATA”開始，是程序的主體部分，包含了加工零件所需的所有信息和操作任務[2]。其中“PROJECT”語句是整個加工程序執行的起點，主要包括工作計劃、可執行語句、技術描述、幾何描述等信息，如圖1所示。它與傳統的數控加工程序最大的不同在于STEP-NC數控程序是面向加工對象即加工特征的。

圖1 STEP-NC數據模型

2 STEP-NC數控系統相關技術的研究

目前關于STEP-NC的國內外研究主要可分為兩方面。1) 是有關STEP-NC標準的建立與完善，2) 針對STEP-NC的應用研究。二者相輔相從，相互促進共同提高。對STEP-NC的應用研究主要集中在以下幾方面：對STEP-NC控制器體系結構的研究，STEP-NC標準數控程序的生成，對STEP-NC文件進行解釋(即STEP-NC程序解釋器)，STEP-NC加工仿真等方面。

2.1 STEP-NC控制器的體系結構

STEP-NC控制器的體系結構大致可分為三類：傳統控制器改造型、新控制器和智能控制器[3]。傳統控制器改造型是在傳統的CNC控制器上加上STEP-NC插件使之能讀取STEP-NC文件，通過處理后生成G/M代碼，再輸入到現有的數控機床進行加工。這種控制器實際上并不是真正意義上的直接讀取STEP-NC程序，只是將STEP-NC文件轉換成了G/M代碼。

新控制器自身帶有一個STEP-NC程序解釋器，能夠直接讀取STEP-NC數控程序，并按照所獲取的信息，自動生成刀具軌跡，直接驅動機床運動，按順序執行數控程序中的加工工步。這種控制器能夠生成刀具軌跡，但不具備智能化功能。目前國內外對STEP-NC控制器的研究大多屬于這一類。

智能控制器是STEP-NC控制器的發展方向。這種STEP-NC數控系統具有較高的智能功能，如自動識別特征、自動生成無碰撞的刀具軌跡、自動選擇刀具、自動選擇切削參數、檢測機床狀態和自動恢復，以及反饋加工狀態與結果等。

2.2 STEP-NC程序的生成

對STEP-NC程序的生成研究較為深入的是國外的STEP Tools公司。其他對STEP-NC程序生成的研究有在國外ST-Developer上進行二次開發的，也有在獨立開發平臺上生成STEP-NC程序。

STEP-NC數控程序的生成如圖2所示，可分為四步：結構設計(又稱為編譯預處理)，特征識別，工藝規劃，生成STEP-NC文件?，F在大多數CAD軟件都有STEP轉換接口，可以輸出AP203格式的文件，但AP203文件僅包括零件的幾何信息，并不包括零件的制造信息。AP203文件也是由文件頭和數據段兩部分組成。

圖2 STEP-NC數控程序生成流程圖

首先對AP203文件進行編譯預處理，生成STEP-NC文件結構。STEP-NC的頭文件可通過AP203文件的文件頭生成或者通過人機交互的方式生成。STEP-NC程序的數據段則是通過對AP203文件逐行讀入，將每行的實體ID、實體名稱和實體屬性保存在結構體數據中，為特征識別做好準備。

特征識別就是根據在編譯預處理步驟中保存在結構體數據中的幾何信息如零件的點、線、面等根據一定的規則轉換成數控編程系統中所對應的制造特征。特征識別的入口是關鍵字“CLOSED SHELL”。

工藝規劃包括機床及刀具的選擇、加工策略的制定、切削參數的選擇等。STEP-NC數控系統根據所建立的制造特征，確定加工工步、操作、工藝參數等。

STEP-NC程序的生成就是通過從AP203文件中所獲得的幾何信息，由特征識別生成制造特征，由工藝規劃形成一系列的加工工步后，將這些信息按照STEP-NC的標準格式生成STEP-NC文件。

2.3 STEP-NC程序解釋器的原理

STEP-NC程序解釋器用來讀取STEP-NC程序，通過分析，從中逐一識別出零件加工所需的所有信息和操作任務，是STEP-NC數控系統的一個重要模塊。目前有關解釋器的研究也可分為兩大類。1) 利用Visual C++的平臺，獨立開發解釋器。2) 由美國STEP-TOOLS公司提供的ST-Developer環境下進行的，利用ST-Developer工具中ROSE C++類庫提供的一系列C++類來創建、操作EXPRESS定義的數據。

STEP-NC程序解釋器總體結構如圖3所示，首先從代碼中讀取“PROJECT”關鍵詞，提取加工零件所有的制造特征、工作計劃與可執行語句及技術參數、幾何信息等，從中過濾出幾何參數、坐標、刀具、機床等數據信息，將這些信息存儲到指定的數據結構中，為下一步進行刀具軌跡的生成奠定基礎。

STEP-NC是基于特征的，并不直接對刀具運動進行編程，因此在STEP-NC數控系統中應以制造特征所對應的加工工步為設計單位來進行刀具路徑的規劃。根據STEP-NC中給出的工步所對應的進退刀策略和加工策略來規劃制造特征加工時的刀具路徑，將每個工步的刀具路徑規劃完成后，根據加工工步的順序對單個工步的路徑規劃排序，再加上個工步之間的過渡路徑，連接各加工工步的路徑規劃和過渡路徑，最終生成一條連續的總體加工路徑。

圖3 解釋器總體結構

2.4 加工仿真

基于STEP-NC的數控銑削系統的基本功能是輸入STEP-NC程序，CNC能夠識別提取出STEP-NC文件中的加工特征，并以此生成刀具軌跡[4]。該系統與傳統數控系統的重要區別之一便是刀具軌跡的自動生成。因此在實際加工前對生成的刀具軌跡進行加工仿真非常必要。

這種仿真不僅可以獲得與加工過程相似的真實感，直觀地檢驗加工路徑的正確性，監視加工過程，而且可以防止可能出現的刀具與工件、夾具、機床之間的干涉與碰撞，從而提高實際生產效率。在進行加工仿真步驟之前，首先要對工件及刀具建模，調用軌跡規劃后生成的加工路徑，運用插補算法，對刀具軌跡規劃模塊生成的加工路徑單元逐段進行插補，并將之離散為每個插補周期的刀位點，將刀位點保存。讀取刀位點數據，作為當前刀具位置，然后根據刀具的類型、位置和工件進行動態求交運算，更新刀具位置以及工件模型，顯示材料的去除效果，實現仿真加工過程。

3 結語

數控技術的發展正朝著開放化、智能化、網絡化發展。STEP-NC的數據模型不依賴于具體的數控系統，其數控程序具有可移植性和兼容性，因此基于STEP-NC標準的數控系統具有開放性。STEP-NC是具有產品全生命周期信息的數據模型，在企業內部，利用STEP作為數據交換標準，實現產品信息從CAD，CAPP到CAM，CNC以及PDM，ERP的無瓶頸傳送，這一特性可以保證數控系統得到工件的全面信息，機床操作者在加工前就可通過現場編程界面了解到最終產品，并可以解決目前智能化數控機床面臨的產品信息不全，智能算法速度慢，不能滿足實時數控加工等問題。另外，利用XML(extensible markup language)可在網上方便地傳輸產品信息，使網絡化制造成為現實。據STEP Tools公司的研究數據表明：STEP-NC的應用將使目前加工前數據準備時間減少75%，工藝規劃時間減少35%，加工時間減少50%。STEP-NC剛剛起步，如果能把握時機，對縮短我國與發達國家數控技術水平的差距具有不可估量的意義。

[1] 朱曉明, 富宏亞, 王永章,等.STEP-NC數控系統若干關鍵實現技術研究[J].計算機集成制造系統, 2009,15(6): 1122-1129.

[2] ISO 14649-11.Data model for computerized numerical controllers: part11-process data for milling.International Standards Organization, 2003.

[3] M.Minhat, V.Vyatkin, X.Xu, etc.A novel open CNC architecture based on STEP-NC data model and IEC 61499 function blocks [J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing.2009, 25: 560- 569.

[4] Petra Kersting, Andreas Zabel.Optimizing NC-tool paths for simultaneousve-axis milling based on multi-population multi-objective evolutionary algorithms [J]..Advances in Engineering Software, 2009, 40: 452-463.