基于STEP—NC的CAM/CNC系統數據接口的研究

宋明偉++張小麗++高峰++韓偉++王國章++王濤++張濤++顧豪

摘要：對基于 STEP-NC 嵌入式 CAM/CNC 系統接口展開研究來解決 STEP-NC 文件到數控加工過程中 CAM 與 CNC 系統之間互動差的問題和一些關鍵技術。在文件被輸入該系統之前，通過該接口將文件數據格式轉換為鏈表結構輸入，利用鏈表良好的操作性為后續的信息提取、刀具路徑規劃等 CAM 功能的實施打下良好的基礎，并改善系統內部各功能模塊的交互能力和效率。

關鍵詞：STEP-NC； 系統接口； 智能化

STEP-NC 是 STEP 向 CNC 領域的擴展，旨在以STEP 統一表征 CNC 加工過程中涉及的全部信息，實現 CAD/CAM/CNC 之間的無縫連接，同時為數控系統提供完整的產品數據，為發展數控系統的開放性、智能化和網絡化奠定基礎。而 G、M 代碼一般需要事先由后處理程序生成，增加了信息流失或出錯的可能性； 只定義了機床的運動和開關動作，不包含產品數據的其他信息，因此 CNC 系統根本不可能獲得完整產品信息，更不可能真正實現智能化； 從 CAD /CAM 系統到 CNC 系統的傳輸過程是單向的，難以支持先進制造模式； 由于覆蓋面太窄，廠商不得不開發各自的擴充功能和專有指令，造成不同控制系統之間互不兼容； 不支持基于樣條數據的五軸銑和高速加工； 生產準備時間長，生產效率低。與傳統數控程序相比，本質上的區別是 STEP-NC 數控程序是中性的，并不針對特定的數控系統。

一、STEP-NC 的研究現狀

如何實現 CAD/CAM 和 CNC 之間高效的數據交換和集成逐漸成為學術界和工業界近年來關注的焦點。STEP-NC（ISO 14649）提供了一種與 STEP（ISO0303）兼容的數據模型作為 CAM 和 CNC 之間的數據接口，期望實現 CAD/CAM 和計算機數控（CNC）機床之間的無縫連接隨著 STEP-NC 數據模型和標準化工作的進展，國內外學者在相關系統和技術方面做了大量的研究工作。以歐共體、瑞士、美國和韓國為主承擔的 IMS STEP-NC 計劃取得了舉世矚目的階段性成果，進行了多次公開演示。學術界認為，STEP-NC 是實現產品全生命周期信息集成和智能制造的重要途徑，同時也是對當前制造系統和技術的巨大挑戰是目前對STEP-NC 進行研究開發主要的國家和地區以及主要的制造商和從事的研究領域。現在已經開發出來的原型系統都證明了 STEP-NC 具有許多優點和內在潛力。在國內STEP-NC 數控系統的研究還處在剛剛起步的階段。山東大學、清華大學以及安徽科技大學等高校的學者對 STEP-NC 的研究重點主要集中在程序信息提取、工藝規劃以及控制器的概念和實現原理等一些理論研究和程序信息的預處理上。

二、STEP-NC 基本原理

STEP-NC 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。其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，消除了由于傳統數據接口不兼容所帶來的數控系統封閉性和不可互換性等問題； 同時也去除了 CAM 繁瑣的后處理系統，提高了數控系統的可移植性和整個系統的柔性； 提供數據的雙向傳輸，實現 CAD/CAM/CNC 之間的無縫連接，從而實現整個制造過程、乃至各個工業領域產品信息的標準化和一體化。

對STEP-NC 文件到數控加工過程中所涉及的這些問題和關鍵技術，對基于 STEP-NC嵌入式 CAM/CNC 系統接口進行研究，并對國際上為實現智能化數控系統研究出的 CAD/CAM/CNC 集成方案進行介紹，為解決基于 STEP-NC 的 CAM/CNC 系統之間數據不統一、不兼容的問題做出一些貢獻。但要實現真正意義上的 STEP-NC 還有一段很長的路要走。

三、CAM/CNC 系統接口的研究

嵌入式 CAM 系統中 CNC 將完成 CAM 系統的一部分功能，直接根據 CAD/CAM 輸出文件進行加工。傳統的接口性 STEP-NC 控制器是將文件送入 CNC之前轉化為 G、M 代碼。在嵌入式 CAM/CNC 系統中如何對 STEP-NC 文件進行處理，即如何實現可以“理解”STEP-NC 文件的 CNC，這里嵌入式 CAM/CNC 系統接口就是主要致力于在數據輸入 CNC 之前通過轉換數據格式為后續的提取零件各種信息、刀具路徑規劃、刀具干涉檢測、工藝參數設置等 CAM 功能在 CNC 中的實現打下基礎，使 STEP-NC 程序包含的零件全部信息得到傳輸，現場的操作者也完全可以根據現場的條件和實際經驗知識對程序內容（如工序內的工步安排和走刀路線、刀具、切削用量等）做出實時的修改，并將修改后的數控程序反饋給上游的設計部門。采用的接口方式是將 AP238 文件數據結構與鏈表結構的數據交換，由于 EXPRESS 本身不是一種實現語言，在實現具體應用時，系統還必須將STEP-NC 的 EXPRESS 描 述 型 的 格 式 轉 化 為 便 CAM/CNC 系統操作和識別的數據格式，這也是面向STEP-NC 與 CNC 系統的關鍵技術之一，將直接影響程序的運行效率。

四、結論

STEP-NC 的提出和發展結束了長期以來數控系統只是被動地執行動作而不知究竟在干什么的歷史。STEP-NC 集成了 STEP 的相關應用協議和 CAX 的制造信息，摒棄了 ISO6983 標準的程序在各系統間單行線式的信息傳遞方式； STEP-NC 程序在統一的數據模型基礎上建立產品信息，保證了數據信息的集成和共享，促進了數控技術智能化、網絡化和集成化的發展，為數控系統的智能化發展提供了條件，但真正實現智能化控制還需要不懈的努力！

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基金項目：河北省高等學校科學技術研究項目.項目編號：z2014132