网络制造环境下基于step-nc的零件可加工性评价系统研究

沈阳理工大学 硕士学位论文 网络制造环境下基于STEP-NC的零件可加工性评价系统研究 姓名：苏锋 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：舒启林 20100301 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 国际标准化组织最近制定了一套新的数据模型标准 ISO14649 用以取代目前 的 ISO6983 标准，它是已有的产品数据交换标准（STEP）向数控领域的扩展，故 一般称为 STEP-NC。STEP-NC 的数据模型包含了从毛坯到成品的所有信息，内 容涉及三维几何信息、刀具信息、制造特征信息和工艺信息。由于信息的完备性 为实现 CNC 系统的智能性奠定了基础。 本文首先介绍了课题的来源、背景、意义以及国内外对STEP-NC研究的现状， 然后对STEP-NC的重要概念、数据模型、制造特征和实现形式等做了详细介绍， 为课题后续进行做铺垫。 在对 STEP-NC 标准深入研究的基础上，提出了基于 STEP-NC 的零件可加工 性评价模型，目的是实现数控机床对待加工零件的加工可行性评价。通过分析 STEP-NC 程序对零件加工工艺的描述， 构建了适合零件可加工性评价的制造资源 模型；提出了针对数控机床具体制造资源对待加工零件的加工可行性评价指标体 系和评价方法；进一步完善了课题组开发的 STEP-NC 信息提取模块，建立了工 件信息库，用来保存提取的 STEP-NC 相关信息，为可加工性评价提供依据；利 用 VisualC+6.0 语言和 Access2003 数据库开发了基于 STEP-NC 的零件可加工性 评价系统，并通过实例验证了评价机制和方法的正确性。 本文从研究STEP-NC标准入手，根据STEP标准的原理及方法学建立基于 STEP-NC的零件可加工性评价模型，从技术角度出发，确定现实可行的、合理的 评价机制和总体方案，为智能化制造提供一定的借鉴意义。 关键词：STEP-NC，数控程序，可加工性评价，评价模型 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract International Organization for Standardization has developed a new data model standard ISO14649 to replace the current ISO6983 standard recently, which is the existing Standard of Exchange Product Model Data (STEP) expending to the NC field, so it is commonly called STEP-NC. STEP-NC data model contains all of the information from rough to finished pieces,concerning the three-dimensional geometric information, tool information,manufacturing feature information and process information. The completeness of the information laid the foundation for achieve the intelligence of CNC system. At first,this paper introduces the origin, background, significance of the topic as well as STEP-NC research at home and abroad.Then the important concepts of STEP-NC,data model, manufacturing characteristics and forms of realization are described in detail,which paved the way for the follow-up issues. Throught in-depth study of STEP-NC standard, this paper has proposed the part manufacturability evaluation model based on the STEP-NC, the aim of which is to achieve the manufacturability evaluation for parts to be processed on CNC machining tools.A suitable manufacturing resource model for manufacturability evaluation of parys has been constructed by analyzing the description of parts processing technology based on the STEP-NC programs.The index system and methods of manufacturability evaluation for parts to be processed with the specific manufacturing resources on CNC machine tools have been proposed.The information extraction module for STEP-NC data has been improved. The workpiece information base used to save the extracted information about STEP-NC has been established in order to provide the basis for the manufacturability evaluation.The manufacturability evaluation system of Parts based on the STEP-NC has been developed using VisualC + +6.0 and Access2003 database and experiments have verified the correctness of the evaluation mechanism and 沈阳理工大学硕士学位论文 method. This paper starting with STEP-NC standard has established a manufacturability evaluation model of parts based on STEP-NC according to the principle and methodology of STEP standards.From a technical point of view, this paper has established realistic and reasonable evaluation mechanisms and the overall program,which will provide a meaningful reference for the intelligent manufacturing. Keywords: STEP-NC, NC Program, Machinability Evaluation, Evaluation Model 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字）： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 1.1.1 课题来源 本课题题目是：网络制造环境下基于 STEP-NC 的零件可加工性评价系统研 究，是辽宁省教育厅重点实验室项目（2008S199）资助的“面向网络化制造的智 能化数控理论和关键技术研究”的组成部分。 1.1.2 课题的研究背景 近年来数控技术得到了迅猛发展，在硬件、软件、功能、速度、精度及可靠 性等方面都达到了相当高的水平。然而随着现代制造技术的发展，对数控加工技 术的研究和数控系统的开发提出了更高要求，除了在传统的数控体系结构基础上 继续追求高精度、高速度、高可靠性、高自动化、智能化等加工外，CNC 系统的 集成性、开放性及网络化正逐渐成为数控加工技术研究和发展的主流。 数控技术诞生后的 50 年里， 信息交换均采用传统的 ISO6983 标准， 即采用 G、 M 代码描述如何加工，其本质特征是面向加工过程。由于这种代码只包含一些简 单的运动指令和辅助指令，并不包含零件的几何信息、刀具路径、刀具选择等信 息，从而使 CAD/CAM 与 CNC 通道之间形成瓶颈，使得设计与加工等重要信息 不能完全共享。G/M 代码自身的局限性，严重阻碍了制造技术的发展。为了解决 上述问题， 1997年欧共体提出了OPTIMAL(Optimized Preparation of Manufacturing Information with Multi-Level CAM-CNC Coupling)计划。该计划将 STEP 标准延伸 至自动化制造的底层设备，开发了一种遵从 STEP 标准并面向对象的数据模型作 为 数 控 加 工 编 程 的 数 据 接 口 ， 并 于 2001 年 底 形 成 了 国 际 标 准 草 案 ISO-DIS-146491。由于 ISO-DIS-14649 是已有的产品数据交换标准（STEP）向数 控领域的扩展，故称为 STEP-NC1,2,它定义了不依赖于具体机床的双向数据交换 标准，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，描述产品整个生命周期 内的数据模型，从而实现整个设计制造过程的标准化3。目前，STEP-NC 已经完 成对铣削加工相关应用协议的制定，并在向车削、磨削等加工领域发展。 沈阳理工大学硕士学位论文 - 2 - 尽管现在国内外对基于 STEP-NC 的数控技术研究处于起步阶段，但是其发 展势头强劲，主要体现在以下几个方面4-6： 1.G/M 代码将被 STEP-NC 代替。STEP-NC 具有便于理解、操作方便、描述 性强的特点。 2.CAD/CAM/CNC 之间实现集成。由于数据可以在 CAD/CAM 与 CNC 之间 双向流动，使设计部门能够清楚的了解到现场加工情况，并可根据加工现场返回 的信息对生产规划进行及时、有效的调整，从而使生产效率得到极大提高。另外， CAD、CAM 和 CNC 之间的功能将被重新划分，即 CAM 系统的宏观功能与 CAD 系统集成，微观功能与 CNC 集成。 3.实现真正意义上的开放式智能数控加工。 由于传统 G/M 代码只包含少量的 信息，各机床生产商不得不对 G 代码进行基本语义外的扩展，从而造成了不同类 型的数控机床控制系统之间不兼容，严重阻碍了数据的交流和信息共享，难以实 现系统的开放性。而基于 STEP-NC 标准的数控程序包含了从毛坯到成品件的所 有信息，并且可以实现 CAD/CAM 和 CNC 之间的产品数据交换，同时数据还可 以双向传递，为实现 CNC 系统的智能性奠定了基础。 4.网络化设计/制造成为现实。网络环境下，由于全球制造企业采用统一的 STEP-NC 数据接口标准，不同企业间可以通过基于 PC 机的 CNC 机床与服务器 直接进行数据交换，操作人员只需对数据库中的三维工件模型进行简单的参数设 置，就可以完成零件的加工，从而为网络化制造、敏捷制造等先进制造技术奠定 了基础。 1.1.3 课题的研究意义 制造业是一个国家的支柱产业，是为国家创造财富的重要产业，也是反映一 个国家经济实力的重要标志7。无论是发达国家还是发展中国家，都将制造业的 发展作为提高竞争力、振兴国家经济的战略手段来对待，而数控技术作为现代制 造业的底层技术，其发展状况直接决定着制造业的发展水平8。 在全球生产模式和网络化制造的现实需求下,数控加工设备起着越来越重要 的作用。然而目前依照 ISO6983 标准开发的数控系统日益暴露出在结构、功能、 人机交互性等诸多方面无法适应现代制造需求的问题。目前，一个制造企业拥有 的数控设备往往来自不同的生产厂家，这些设备的数控系统、性能、配置都不尽 第 1 章 绪论 - 3 - 相同，对于一个设计好的零件，制造工程师必须针对特定的数控设备利用 CAM 系统进行数控工艺设计生成零件加工的刀具轨迹并通过特定的后处理器生成与特 定机床相对应的优化的 NC 代码，最后在该数控机床上进行零件的加工。显然这 样的 NC 代码并不通用，当选用其它数控设备进行加工时不得不重新生成 NC 代 码。之所以出现这样的问题，是由于现在的机床数控系统的先天性不足造成的， 主要表现在以下几个方面9-11： 1.编程语言面向过程编程，只定义了机床的运动和刀具的运动轨迹等，而并 不包含零件的具体加工任务和信息，机床在该情形下进行零件加工时，只能是一 个纯粹的执行机器，不可能实现加工过程的智能化控制。 2.基于 ISO6983 标准编程困难，人机交互性差。 3.ISO6983 覆盖面太小，机床控制器的生产商不得不开发各自的扩充功能和 专用指令，从而造成了 CAD/CAM 和 CNC 系统之间数据接口的不统一，不同控 制系统之间不能够相互兼容。 4.由于 CAD/CAM 系统和 CNC 系统之间是单向传递信息，造成加工现场的 重要信息无法反馈到设计部门。另外工艺数据和产品数据只有经过特定数控系统 的专用后处理器处理后才能被 CNC 使用，CAD/CAM 与 CNC 系统之间不能通过 信息转换和共享实现完全集成，不利于设计制造一体化的实现。 ISO6983 存在的上述不足使 CAD/CAM 与 CNC 的集成很难实现，特别是在 网络化制造模式下，企业分布在全球各地的加工设备、加工能力、生产系统和员 工素质是不完全相同的，同一个产品在不同的加工地点制造需要进行大量的数据 转换、处理，这样不仅浪费大量的人力、物力，延长制造周期，而且很难保证产 品质量的一致性， 严重影响企业的全球竞争力。 因此企业迫切需要具有可移植性、 智能化和自适应性的新一代数控设备，以满足网络化条件下的柔性智能制造。 STEP-NC 是产品数据交换接口向数控领域的扩展，基于 STEP-NC 标准的数 据和 CAD/CAM 系统使用的数据均遵循 STEP 格式， 这就使得 CAD/CAM 和 CNC 之间的产品数据交换不再需要数据转换，同时数据还可以双向传递。STEP-NC 的 本质特征是面向对象的，描述的是加工什么（what） ，而不是如何加工（how） ， 具体的加工操作应由数控系统根据机床的具体资源状况自行确定。 STEP-NC 的数 据模型包括工件的所有加工任务，加工任务中包含从毛坯到成品件的所有信息。 沈阳理工大学硕士学位论文 - 4 - 加工过程以工步作为基本模块，工步是对机床具体动作的概括描述，内容涉及三 维几何信息、刀具信息、制造特征与工艺信息。由于信息的完备性，使得机床在 完全“了解”零件的条件下可以根据自身的具体情况调整或优化具体的操作，这 就为机床的加工过程的智能控制奠定了基础。 本文紧密跟踪国际先进数控技术及其发展趋势，针对 STEP-NC 的数据模型 进行了深入、细致的研究，并提出了基于 STEP-NC 的零件可加工性评价机制， 具有一定的前沿性和前瞻性。它不仅为实现机床加工过程的智能化奠定基础，而 且对网络化条件下的智能制造具有一定的借鉴意义。 1.2 国内外 STEP-NC 的研究现状 1.2.1 国外研究现状 STEP-NC 作为面向 21 世纪的数控加工标准，已引起了国内外学者的广泛关 注，欧盟、美国、韩国等一些国家和地区的许多研究机构都启动了 STEP-NC 的 研究项目12-25，并且做了大量的研究工作。 欧盟成员于 1994 年开始对 STEP-NC 进行研究。德国亚琛工业大学(Aachen University of Technology)的机床与制造实验室(WZL)与欧洲的一些企业联合开展 了 OPTIMAL 项目研究，该项目定义了第一版 STEP-NC 铣削接口标准。在 OPTIMAL 项目之后，欧盟于 1999 年又开展了 2.5 轴铣削加工、车削以及电火花 放电加工等新的 STEP-NC 研究项目。该研究分为两个阶段，在第一阶段中开发 了针对 Simens840D 控制器以及 CatiaVS 等 CAM 系统的接口软件， 并将 STEP-NC 数据模型扩展到了放电加工(EDM)和木材加工，在 2001 年 10 月成功完成了槽、 圆孔、型腔和螺纹的加工实验。第二阶段除了进一步完善现有成果外，重点研究 STEP-NC 的反馈机制(检测)，该阶段的研究一直持续到了现在。 美国的 STEP-Tools 公司开展的 STEP-NC 研究项目叫做“超级模型项 目”(Super Model Project)。该项目在 ATP 计划的资助下，利用 STEP-NC 和其他 相关标准开发一个包含零件加工需要的所有设计信息和制造信息的开放式数据 库。 IMS(Intelligent Manufacturing Systems)是一个面向工业界的、以开发下一代 制 造 技 术 为 目 标 的 国 际 研 发 合 作 组 织 ， 该 组 织 在 2001 年 启 动 了 第 1 章 绪论 - 5 - STEP-NC(STEP-Compliant Data Interface for Numeric Controls)项目。该项目将 OPTIMAL 项目已开发的与 STEP 兼容的铣削数据接口扩展相关的加工工艺过程， 并取代传统的 ISO6983 标准；在这个项目中，美国主要负责铣削应用解释模型以 及车削部分内容的研究，欧盟主要进行车削加工的研究，韩国承担的任务是快速 原型部分及部分车削加工的研究，瑞士则主要负责放电加工部分的研究。 另外， 新西兰奥克兰大学徐旬博士的 STEP-NC 研究小组在基于 STEP-NC 的 CAD/CAM/CAPP/CNC 集成和在线检测等研究领域取得了一些重要进展。美国的 OMAC(Open Modular Architecture Controller)组织也专门成立了 STEP-NC 的研究 小组，他们研究的重点是 STEP-NC 与开放式数控系统的结合。英国的 Newman 教授对 STEP-NC 控制器以及基于 STEP-NC 的加工规划方面进行了深入的的研 究，并取得了一定成果。 1.2.2 国内研究现状 近年来，国内一些大学也陆续开展了许多 STEP-NC 的研究工作。目前从国 内检索到的有关 STEP-NC 的研究文献来看， 清华大学的叶佩青等提出了基于 soft 型开放式 STEP-NC 控制器的概念及实现原理， 并对基于 STEP-NC 标准应用 XML 实现 CAD/CAM/ CNC 集成进行了研究12,26；西北工业大学杜鹃等研究了基于 STEP-NC 的 CNC 系统功能的体系结构， 提出了基于 STEP-NC 的工艺设计和基于 遗传算法的工步序列优化技术，研究了基于 STEP-NC/XML 的 CAD/CAPP/CNC 的系统集成技术，并对 STEP-NC 解析器的开发做了研究27；哈尔滨工业大学的王 永章等对 STEP-NC 铣削控制器及其刀具规划、加工仿真做了较为深入的研究28； 山东大学的陈秀生， 张承瑞等侧重研究了基于STEP-NC标准的CAD/CAM与CNC 系统的集成29； 东南大学的仇晓黎则重点对基于 STEP-NC 的产品信息共享进行了 较为深入的研究30；合肥工业大学仓松林、何庆等在 STEP-NC 方面的研究主要集 中于 STEP-NC 的数据模型、 加工实体以及编程等方面31-32； 沈阳理工大学的王军、 沈阳建筑大学的孙军等人以 ST Developer 软件为平台，应用 ROSE 和 STIX 库， 对基于 STEP-NC 数控加工系统的核心技术作了深入的分析和研究，开发了基于 ROSE 库的 STEP-NC 程序生成系统，基于 STIX 库的 STEP-NC 程序解释器以及 基于 DSP、CPLD 结构运动控制器的刀具轨迹生成系统29-38。 相对国外的研究现状，我国对 STEP-NC 的研究还处于起步阶段，研究也主 沈阳理工大学硕士学位论文 - 6 - 要集中于铣削的加工方式，但众多人员的参与，有力地推动了国内 STEP-NC 的 研究向国际水平的靠近。 1.3 研究内容 基于新型数控编程标准 ISO14649 生成的 STEP-NC 数控程序具有 “一次写成、 随处加工”的特点，从而为智能化加工奠定基础。本文以新型数控编程标准 ISO14649 为基础，研究数控机床铣削加工零件的可加工性评价，其研究的主要内 容有： 1基于 STEP-NC 的制造资源建模研究 根据 ISO14649 标准中制造资源的描述方法和表达机制，构建适合零件可加 工性评价的制造资源模型，实现制造资源对 STEP-NC 程序的透明化，为可加工 性评价做好准备。 2基于 STEP-NC 的零件可加工性评价指标体系研究 依据 STEP-NC 数控程序所提供的工艺信息，研究并提出针对数控机床具体 制造资源对待加工零件的评价指标体系，为可加工性评价提供依据。 3基于 STEP-NC 的可加工性评价算法研究 根据可加工性评价指标体系， 提出合理的评价方法以实现对机床资源的评价。 4基于 STEP-NC 的零件可加工性评价系统开发 以 WINDOWSXP 为平台，采用 VC+6.0 高级编程语言和 ACCESS2003 数 据库，完成基于 STEP-NC 的零件可加工性评价系统的开发。 1.4 本章小结 本章首先介绍了课题的背景和研究意义，分析了 STEP-NC 对制造业自动化 的发展起到的积极的作用，为智能化制造提供了广阔的发展空间。其次，阐述了 基于 STEP-NC 的 CNC 系统的发展现状， 介绍了国内外 STEP-CNC 系统的发展趋 势及各国的研究成果，最后介绍了本课题研究的主要内容。 第 2 章 STEP 与 STEP-NC 标准概述 - 7 - 第 2 章 STEP 与 STEP-NC 标准概述 2.1 引言 STEP 是产品模型数据交换标准（Standard for Exchange of Product Model Data）的非正式缩写，是国际标准化组织（ISO）制定的一种用于交换和共享数字 化产品信息的国际标准，代号为 ISO1030343。它的目的是提供一种不依赖具体系 统的中性机制来描述产品整个生命周期内的产品数据，同时保持数据的一致性和 完整性。以 STEP 标准描述的产品数据不仅适合于物理文件交换，而且是实现和 共享产品数据库及产品数据的长期存档的基础。 尽管目前的 STEP 应用范围还局限于 CAD 领域， 但是它的体系结构和信息描 述语言保证它能够在统一的规范下向产品生命周期内的各个领域扩展。 2.2 STEP 简介 2.2.1 STEP 的体系结构 STEP 标准的体系结构如图 2.1 所示，包括描述产品数据的形式化建模语言 EXPRESS 语言规范，STEP 实现方法，集成资源和一致性测试标准，应用协议及 STEP 标准规定的用来测试某一应用是否与 STEP 标准一致的抽象测试套件43。 它 可以看作三层即：应用层、逻辑层和物理层，其中应用层在最上层，包括应用协 议及对应的抽象测试集，是与应用有关的一个层次。逻辑层处于第二层，包括集 成资源，它是一个从实际应用中抽象出来，与具体实现无关的完整产品模型。最 底层是物理层，它主要描述实现方法并给出 STEP 标准在计算机上的具体实现形 式。 沈阳理工大学硕士学位论文 - 8 - 基本结构 描述方法 Part11 EXPRESS Part 12 EXPRESS-1 应用方法 Part21 物理文件 Par22 SDAI操作 Part23 SDAI C+ Part24 SDAI C Part27 SDAI Java Part 28 XML表达 一致性检测 Part31 基本概念 Part32 测试条件 Part 23 抽象的测试组 信息模型 应用协议 Part201 显示绘图 Par202 相关绘图 Part203 配置控制设计 Part224 特征信息定义 应用资源 Part101 绘图 Pa102 船体结构 通用资源 Part41产品描述和支持基础 Part42 几何与拓扑表示 Part43特征 图 2.1 STEP 标准的体系结构 2.2.2 STEP 的信息模型 STEP 体系结构的一个重要模块是信息模型，它关注专门目的的信息内容， 被分为两个部分： 1.应用协议（Application Protocol） 应用协议是一种在产品全生命周期内，在特定的或几个加工活动中专门用于 数据交换的信息模型，用于说明如何用标准的 STEP 集成资源来解释产品数据模 型文本，从而满足工业需要。通常情况下，只是实现标准的一个子集即：根据不 同应用领域的实际需要，以标准的逻辑子集或在逻辑子集中加上补充的信息作为 标准，强制要求各应用系统在传输、交换与存储数据时符合应用协议的规定。 逻辑子集通过应用活动模型（AAM） 、应用参考模型（ARM）与应用解释模 型（AIM）来实现。子集并不是将 STEP 的集成资源分割出来，而是通过应用解 释模型来认定 STEP 标准中的某一部分。 2.集成资源 集成资源是 STEP 标准的核心，通过集成的产品模型表达所有的应用协议。 第 2 章 STEP 与 STEP-NC 标准概述 - 9 - 集成资源属于 STEP 体系结构中的逻辑层，相当于概念模式，提供了产品信息的 表达方式，它是一个由 EXPRESS 描述的产品数据的集合，这些数据描述称为资 源构件。另外，集成资源分为两类，分别是通用资源和应用资源，通用资源定义 在 STEP Part 4x 中，用来描述产品的基本特征，在应用上具有通用性，与具体实 现无关；应用资源描述特定领域中的数据，定义在 STEP part 1xx 中，通过解释以 及定义或修改约束、关系、属性满足特定的应用要求。 2.2.3 STEP 的实现形式 实现形式是产品数据交换和共享的计算机实现方法43。 STEP 标准现阶段的实 现形式为四种，分别是：中性文件交换、工作格式交换、共享数据库交换及知识 库交换。 中性文件的交换形式是在系统间采取一种中性的数据转换机制。各系统之间 的数据交换通过处理器转换为该标准的中性文件完成，信息交换效率比较低。 工作格式是用 EXPRESS 描述的产品模型在内存中的映像，是产品数据结构 在内存中的表现形式。在定义的数据存储机制的约束下，数据不同的应用程序可 以依次存取或改变这些数据，而无需像文件交换那样移动文件。 数据库交换是应用系统通过共享数据库及数据库的管理系统来实现对产品数 据的存取、处理和查询。由于在计算机集成制造中，CAD、CAPP、CAM 之间传 递的信息量大、结构复杂，文件交换方式已不能满足要求。另外随着并行工程的 发展，更需要采用数据库交换。 知识库交换方式主要通过人工智能对模型及有关数据进行处理，它与数据库 交换方式的基本内容相同，但增加了对数据库的约束检查。该层的开发目标是不 仅能完成传统方式的所有数据库管理系统所能完成的操作，还应具备知识及规则 驱动的能力，并且对一个企业内的若干数据库管理系统的集成更易管理。基于知 识库的集成方式是数据交换的发展方向。 上述四种 STEP 标准实现方式的实施方法复杂程度不同，具体采用何种方式 应根据实施的工程而定。通常，前两种方式用于较简单的工程中，后两种实现方 式应用于对运行性能要求较高的工程中。 沈阳理工大学硕士学位论文 - 10 - 2.3 STEP-NC 标准概述 STEP 标准的出现使得制造业可在整个企业过程链中使用统一的标准，并且 允许在不同的和不兼容的计算机平台上分享和交换数据信息。然而传统的数控编 程标准 ISO6983 并不能实现数控机床的数据标准统一，因此也不能实现数据信息 的分享和交换，为了解决上述问题，国际上制定了一种新的 CNC 标准-ISO14649 （STEP-NC） ,其全称是计算机数字控制的数据模型 （Data Modal for Computerized Numerical Controllers）44。STEP-NC 是 STEP 标准向 NC 领域的扩展和延伸，开 发和推广这个标准的首要目的是在不同的 CAX 之间进行数据交换，进而为实现 CAX 与 CNC 之间双向无缝连接提供有效途径。 2.3.1 STEP-NC 的数据模型 STEP-NC 的基本原理是基于制造特征(如孔、型腔、螺纹、倒角等)编程，而 不是直接对刀具运动进行编程60，主要强调“做什么”，而不是“如何做”。加 工流程是以工作步骤作为基本单位，将特征与技术信息联系到一起，每个工步只 定义一种操作。因此，STEP-NC 数据模型中的机加工工步、机加工操作、制造特 征等三类实体包含了几乎所有的加工信息45，模型如图 2.2 所示。STEP-NC 通过 任务描述（钻中心孔、钻孔、粗加工、精加工）把工件的加工程序传到加工车 间，在车间可以根据实际的需要对加工程序进行修改，修改后的加工过程信息可 以保存并返回到设计部门，使经验和知识更好地交换和保留，同时也实现了产品 生命周期数据的共享。 图 2.2 STEP-NC 的数据模型61 第 2 章 STEP 与 STEP-NC 标准概述 - 11 - 2.3.2 制造特征 STEP-NC所谓的特征是指制造特征（Manufacturing feature） ，它与一般CAD中 的特征概念有所不同，两者之间并不是一一对应的关系，这主要是因为这里的制 造特征必须通过去除材料的方式获得44。 制造特征是在工件上加工出的具体结构,分为过渡特征（Transition feature） 、 2.5轴特征（Tow5D Manufacturing feature）和域特征（Region） ，如图2.3所示。 2.5轴制造特征是制造特征的子类，也是所有可以采用2.5轴方式完成的特征的 父类。它包括三类子特征：加工特征（Manchining feature） 、重复特征（Replicate feature）和组合特征（Compound feature）12，重复特征和组合特征分别表征某一 特征的重复出现和多个特征的组合。 加工特征是2.5轴方式下可完成的所有单个特征的父类，具体包括平面 （Planar） 、 型腔 （Pocket） 、 槽 （Slot） 、 台阶 （Step） 、 孔 （Hole） 和一般特征 （Generic feature）等。 域特征是用以表征自由曲面的概念，过渡特征用于表示两特征之间的过渡部 分（如倒角、倒圆等） 。 图2.3 STEP-NC通用模型中定义的制造特征 沈阳理工大学硕士学位论文 - 12 - 2.3.3 STEP-NC 中的重要概念 可执行对象(Executable)是驱动机床动作的程序，包括工作计划(Workplan)， NC 功能(NC function)和工步(Workingstep)。工作计划是程序结构的子类，可以 指定若干工步和 NC 功能的执行顺序。 工步是可执行对象(Executable)的子类， 是对工件制造过程中机床具体动作的 概括性描述，即运用操作(Operation)完成特征的加工。它是 STEP-NC 数控程序 中最基本的单元，每一个工步只对应一个特征。按照功能的不同，工步分为机加 工工步(MachiningWorkingstep)、快速移动(Rapid movement)和探测(Touch probing)三类。 机加工工步(Machining Workingstep)是指对工件上指定区域的机械加工。与 其他工步不同的是每一个机加工工步必须针对一个具体特征实施操作，且只能使 用一把刀具和一套恒定的技术参数。 操作(Operation)是对工件某一部分进行加工处理的过程，包括若干子类，如 铣削操作(Milling machining operation)等。它是工步（Workingstep）调用的对象， 也是工步（Workingstep）的主要内容。简言之，工步（Workingstep）是通过调用 操作完成特征的加工。 机加工操作是操作的子类，定义了工件某一特征的加工过程。它针对每个特 征都指定了刀具型号和相应技术参数(称为技术，Technology)，而且在一个工步 中不能更改。例如，铣平面(Plane milling)、钻孔(Drilling operation)等都属于铣 削操作(Milling machining operation)中的机加工操作。 操作中的技术（Technology）指机加工操作中的技术参数，如主轴转速、切 削速度等。它包括铣削技术(Milling technology)、车削技术（Turning technology） 等子类。 2.3.4 AP238(AIM)与 ISO14649(ARM) 目前，有两个不同的 ISO 的子委员会致力于 STEP-NC 标准的工作，ISO TC184/SC1 制定 ISO14649（ARM）而 ISO TC184/SC4 制定 STEP AP238（AIM） 。 ISO14649 是 STEP-NC 的应用参考模型 （ARM） ， AP238 是应用解释模型 （AIM） 。 一般将ISO14649中定义的EXPRESS模型作为需求模型， 将需求模型映射到STEP 第 2 章 STEP 与 STEP-NC 标准概述 - 13 - 集成资源，即得到应用解释模型（AIM） 。在产品的整个生命周期和数据的共同领 域内，ISO14649 与 ISO10303 是一致的，即都是通过参照 STEP 标准中的特征信 息表达方法确定 CNC 加工时的工艺设计信息（加工程序，加工方法，刀具信息， 特征信息） ，并且该信息的描述方法和 STEP 中的表达方法（Part 11，Part 21）一 致。ISO14649 中的一些标准定义如下2： ISO 14649-1:基本概念和基本描述； ISO 14649-10:基本的加工数据； ISO 14649-11:铣削的加工数据； ISO 14649-12:车削加工数据； ISO 14649-111:铣削加工刀具； ISO 14649-121:车削加工刀具； 一般认为 ARM 更接近应用领域，便于人类的理解，而 AIM 则较抽象且程序 更分散、复杂,不便于人的阅读和理解，但两种标准在本质上相同41。应用参考模 型（ARM）以 Part10、Part11 和 Part111 需求的信息为基础，描述应用协议中包含 的内容。应用解释模型（AIM）描述应用协议的内容的表达和交换的实现方法。 应用解释模型（AIM）的优点在于继承了 ISO10303 标准，与 STEP 的一些应用协 议具有相同的基础，并将设计与制造完全集成在一起，如图 2.4 所示，它的几何 描述与 ISO10303 中的 AP203/AP214 相同，特征描述与 ISO10303 中的 AP224 相 同，公差定义与 ISO10303 中的 AP219 相同并包括从 ISO14649 映射的解释模型。 应用解释模型的高度继承性和集成性促进了 STEP-NC 的发展和应用，一方面利 用 STEP 的数据表达模型减少了 STEP-NC 标准的复杂程度；另一方面还可以与 STEP 兼容，在实际应用中只需对 STEP 接口做一些修改即可。 AP238集成模式 铣削、车削、电 火花加工定义 ISO14649 特征定义 AP224 几何信息定义 AP203/AP214 公差定义 AP219 图 2.4 AP238 集成模式 沈阳理工大学硕士学位论文 - 14 - 应用解释模型（AIM）和应用参考模型（ARM）可以看作 STEP-NC 的两种 不同实现方式。鉴于应用解释模型的优势，本文使用应用解释模型生成 STEP-NC 数控程序。 2.3.5 STEP-NC 的实现形式 1. 传统控制器 该实现方式的原理是首先通过一个解释器将 STEP-NC 数控程序转换成 G 代 码，然后在传统控制器上执行。这种方式不能算做真正的 STEP-NC 控制器，但 是在 STEP-NC 控制器出现以前，它是验证 STEP-NC 程序正确性的有效方法。 2. 简单 STEP-NC 控制器 它可以直接读取 STEP-NC 程序并解释执行，生成刀具路径，实现零件的加 工。这种方式是基本的 STEP-NC 控制器，不具备智能功能。 3. 智能 STEP-NC 控制器 智能 STEP-NC 控制器除了具备简单 STEP-NC 控制器的功能外，还增加了特 征识别、刀具路径转换及碰撞检测等功能，是真正意义上的 STEP-NC。具体功能 如下： ? 自动特征识别 ? 自动产生加工的刀具路径转换（进刀或退刀） ? 自动检测加工状态并进行补偿 ? 自动碰撞检测 ? 自动优化加工路线 ? 自动检测刀具，自适应控制并在线测量、补偿 ? 自动装夹 4. 网络协同制造型 STEP-NC 控制器 智能STEP-NC控制器能够实现网络化制造，而网络协同制造型STEP-NC控制 器在该基础上实现。操作者可以通过基于PC机的CNC机床的控制面板输入主页， 选择需要访问的数据库，将工件的三维模型显示在屏幕上，然后设置相应参数便 可以开始零件的加工。 第 2 章 STEP 与 STEP-NC 标准概述 - 15 - 2.4 基于 STEP-NC 标准数控系统的优势 新的数控编程接口标准 STEP-NC 具有以下主要特点： 1.由于STEP-NC是一个中性数据描述数据接口，使得CAM系统、数控装置、 数控机床等都相对独立，从而显著提高信息的可交换性和柔性。 2.STEP-NC通过使用STEP标准对毛坯和成品进行几何信息的描述，使CAD、 CAM和CNC系统之间实现信息的直接交换。 3.STEP-NC提出了工作步骤的概念。工作步骤是制造特征和工艺信息的集合， 是加工过程的基本组成部分，一个工作步骤描述一个加工操作。 4.加工车间获得高层次的信息，避免信息丢失，不需要后处理器，提高了效 率，节约了时间。如图 2.5 所示，使用 STEP-NC 可减少 35%的规划时间，75%的 数据准备时间和 50%的加工时间。 图 2.5 使用 STEP-NC 的加工46 5.网络化制造成为现实。STEP-NC 能直接进行信息交换，实现了基于 STEP-NC 的 CNC 系统与基于 STEP 的所有 CAX 系统之间的双向无缝连接。 基于 此，可以通过使用 XML 为网络化制造奠定基础。 2.5 本章小结 本章首先介绍了产品模型数据标准STEP（ISO10303）及新的数控编程接口标 准STEP-NC（ISO14649）的体系结构、信息模型及实现形式等。其次对STEP-NC 中的特征（制造特征，2.5轴特征，加工特征）做了简要的介绍，并阐述了ISO14649 和AP238的异同。最后，指出了基于STEP-NC标准的数控系统的优势。STEP-NC 是STEP标准的扩展部分，必将取代传统的数控标准，带动和促进数控技术向前飞 速发展。 沈阳理工大学硕士学位论文 - 16 - 第 3 章 基于 STEP-NC 的零件可加工性评价模型 3.1 引言 先进制造技术应随市场的全球化、竞争的激烈化、需求的个性化、生产的人 性化而体现出制造技术的信息化、 科学化和服务化。 网络化制造是适应 21 世纪制 造业的敏捷性竞争而发展起来，并逐渐被制造业所重视。网络化制造是制造业的 发展趋势，它可以利用 Internet 网络，将分散在不同地理位置、具有不同制造资 源的企业动态地连接起来，从而不受距离和时间的限制，完成产品的设计和产品 的加工47。 具有智能化的 CNC 系统具有很强的适用性和发展前景，同时也是网络化制 造的关键技术。所谓智能化的 CNC 系统，其主要特点是具有“智能性”和自主 地执行加工任务，真正的实现网络化制造。基于 STEP-NC 标准的数据和 CAD/CAM 系统使用的数据都遵循 STEP 格式。 STEP-NC 的本质特征是面向对象， 描述的是加工什么（what） ，而不是如何加工（how） ，具体的加工操作应由数控 系统根据机床的具体资源状况自行确定48-51。由于 STEP-NC 数控程序只是描述应 使用什么资源加工工件的具体特征，而不是详细描述如何进行加工，所以它不依 赖于特定数控机床，这是制定该标准的初衷之一，同时也为智能制造、网络制造 奠定了基础。 基于制造业的发展趋势及 STEP-NC 的上述特点，本文提出了网络环境下基于 STEP-NC 的零件可加工性评价，它是智能化 CNC 系统的智能性体现之一。由于不 同的数控机床在性能、功能和刀具配置方面的千差万别，所以在网络化制造环境 下，要评价某台数控机床能否加工一个基于 STEP-NC 数控程序的零件，必须建立 基于 STEP-NC 的零件可加工性评价模型。下面，本章将探讨基于 STEP-NC 数控程 序的零件可加工性评价机制及方法。 第 3 章 基于 STEP-NC 的零件可加工性评价模型 - 17 - 3.2 EXPRESS 信息建模语言 3.2.1 EXPRESS 语言 EXPRESS 语言的国际标准是 ISO10303-11，作为 STEP 的形式化信息描述语 言，决定了 EXPRESS 语言描述的产品数据信息不仅适合于物理文件交换，也是 实现产品数据共享、工程数据库的基础5