（机械电子工程专业论文）基于stepnc的信息提取及刀具轨迹规划技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 为了实现产品设计与制造间的信息集成，欧美等国家提出了一种新的数 控编程接口s t e p n c ，用以取代目前使用的编程接口i s 0 6 9 8 3 。s t e p n c 为产 品设计和制造提供了完整的、统一的数据模型，将s t e p 标准( i s 0 1 0 3 0 3 ) 扩 展到了数控加工领域。它的作用是为c d c m 与c n c 间的数据交换提供了一 种不依赖于具体系统的中性机制，极大地提高了数控程序的移植性。 本文的研究目标是从a p 2 3 8 数控程序中提取出产品的设计信息和工艺信 息，并综合运用这些信息来生成刀具轨迹为了实现此目标，本文重点研究 了四个方面的内容：从a p 2 3 8 数控程序中提取信息的方法、管理和处理产品 数据的方法、工步执行顺序规划方法和基于特征的刀具轨迹规划方法 信息提取是实现本文研究目标的基础。a p 2 3 8 数控程序含有完整的产品 信息，组成结构也非常复杂，为了提高信息提取的效率，本文采用了s t e p t o o l s 公司提供的r o s ec + + 类库和s t i x 库。此外，由于a p 2 3 8 中加工特征的 表达形式并不符合机床操作人员的习惯，所以本文对提取出来的加工特征信 息进行了处理。然后，将它们和其他数据存入o r a c l e 数据库中。 由于a p 2 3 8 数控程序没有规定工步的执行顺序，所以完成数据提取后， 接下来就需要规划工步的执行顺序。本文以最小加工对间为优化目标，提出 了一种工步执行顺序规划算法。 刀具轨迹规划是本文的核心工作，重点研究了型腔和平面两种加工特征 刀具轨迹的规划算法。所提出的算法是基于加工特征，具有模块化、复用程 度高等优点 关键词：s t e p n c ；a p 2 3 8 ；信息提取；刀具轨迹 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t or e a l i z i n gd a t ai n t e g r a t i o nb e t w e e nl , r o d u e td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ， e u r o p e a n da m e r i c a np r o p o s e dan e wn cp r o g r a m m i n gi n t e r f a c ec a l l e d s t e p - n c ，w h i c hi su s e dt or e a p l a e ei s 0 6 9 8 3 。s t e p - n cp r o v i d e sai n t e g r a t e d a n du n i f o r md a t am o d e lf o rp r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，a n de x t e n d ss t e p s t a n d a r d0 s o 0 3 0 3 ) i n t on c m a n u f a c t u r i n gf i e l d t h ef u n c t i o no fs t e p - n ci s t h a ti ti san e u t r a lm e c h a n i s mf o re x h a n g i n gd a t ab e t 讹姐c a d c a ma n dc n c w h i c hi si n d e p e n d e n t0 1 1 1c e r t a i nc a ms y s t e mo rc n cs y s t e m , s oi te n h a n c e s i g n i f i c a n t l yt h ep o r t a b i l i t yo f t l a ep a r tp r o g r a m t h ea i mo ft h i sp a p e ri st h a t , f i r s tt h ed e s i g ni n f o r m a t i o na n dp l o c c s s i n f o r m a t i o na l - ee x t r a c t e df r o ma p 2 3 8n cp r o g r a m t h e nm a k el l s eo ft h e s e i n f o r m a t i o n 幻g e n e r a t et o o l l ；i a t l lt or e a l i z et h i sa i m f o u rp a r t sa l ed e e p l y r e s e a r c h e d ：t h em e t h o do f e x w a e t i n gd a t af r o ma p 2 3 8n cp r o g r a m 、t h em e t h o do f m a n a c n ga n dp r o c e s s i n gd a t a 、t h em e t h o do fd e t e r m i n i n gt h es e q u e n c eo f w o r k i n g s t e l 拈a n dt h em e t h o do f t o o l p a t hg e n e r a t i n gb a s e dm a c h i n i n gf e a t u r e s d a t ae x l z a e t i o ni st h ef o u n d a t i o n 幻r e a l i z et h ea i mo ft h i sr e s e a r c h a p 2 3 8 n c p r o g r a mc o n t a i n si n t e g r a t e dp r o d u c ti n f o r m a t i o nw i t hac o m p l e xs t u c t u r e , s o r o s ec + + c l a s sl i b r a r ya n ds t i xl i b r a r ya r cu s e dt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo f d a t ae x t r a c t i o n , w h i c ha r ep r o v i d e db ys t e pt o o l si n e a n dt h ei n f o r m a t i o na b o u t n l a c h i n i n gf e a t u r ei sp r o c e s s e d , b e c a u s ei td o s e n tc o n f o r mt om a c h i n en n i e r s c u s t o m t h e na l ii n f o r m a t i o ni ss t o r e di no r a c l ed a t a b a s e i ti sn e e d e dt od e t e r m i 耐t h ee x e c u t i n 8s e q u e n c eo ft h ew o r k i n g s t e p s , w h i c h i m td e f i n e di na p 2 3 8n cp r o g r a m aa l g o r i t h mi sd e s i g n e dt od e t e r m i n et h e o p t i m a ls e q u e n c eb a s e do nm i n i m u m t i m e t o o l p a t hg e n e r a t i o ni sm a i nw o r ki nt h i sp a p e r , t w ot o o l p a t hg e n e r a t i o n a l g o r i t h m s 啪d e s i g n e df o rp o c k e ta n dp l a n a r 1 1 ”a l g o r i t h m s 撇b a s e d0 1 1 m a c h i n i n gf e a t u r e s , w t a i e l aa n l o 豫e x c e l l e n to i lm o d u l a r i z a t i o n a n dr e u s e 堕玺鎏三耋銮兰璧圭兰簦鲨銮一一 k e yw o r d s ：s t e p - n c ；a p 2 3 8 ；i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n ；t o o l p a t h 哈尔滨工程大学 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，均已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) ：匿鱼 日期：妒f 年6 月。日 哈尔滨_ 丁程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题来源 本课题题目是：基于s t e p - - n c 的信息提取及刀具轨迹规划技术研究。 课题获黑龙江省自然科学基金项且、黑龙江省科技重点攻关项目和国防基础 预研项目支持。 1 1 2 研究背景 随着计算机技术的发展与成熟，各种计算机辅助系统( c a d 、c a m 、c a e ) 广泛应用于机械设计和制造领域。一个企业常常使用多种不同的c a x 系统， 由于它们大多是单独开发的，并且使用不同的数据格式，所以数据在不同的 c a x 系统间无法直接进行交换。为了进一步提高工作效率，企业迫切需要在 机械设计制造领域的各个环节中准确、快速的交换信息。随着s t e p 技术 的应用，彻底解决了机械设计领域各种c a x 系统间信息交换的问题，实现 了设计信息的集成。但是设计信息和制造信息的集成却困难重重，主要原因 是数控机床所采用的编程接口是1 s 0 6 9 8 3 ( 图1 1 ) 。i s 0 6 9 8 3 诞生于上世纪 5 0 年代，5 0 年来从未进行过大的修改，早已不能满足目前产品开发对数控加 工的要求。它主要有以下几个缺点埘【，】： 1 编程界面低：i s 0 6 9 8 3 直接定义机床轴的运动状态，导致机床只能被 动的执行命令，无法最大限度的发挥机床的加工潜力。 2 数控程序可移植性差：i s 0 6 9 8 3 诞生于5 0 多年前，所提供的功能无 法满足目前数控加工的需要，所以各数控厂商都独自对其功能进行了扩充。 由于添加的功能未能标准化，导致无法在异构数控系统问移植数控程序，这 极大的降低了组织生产的灵活性和加工效率。 3 无法实现信息集成：由于i s 0 6 9 8 3 与s t e p 标准的数据模型不同，所 以无法实现设计信息与制造信息的集成，导致无法对全生命周期的产品数据 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进行统一管理。 4 数据量少：在c a d c a m 与c n c 间交换数据的过程中，丢失了大量的 零件信息，如几何信息、公差信息等。所以机床无法全面的了解零件信息， 阻碍了机床智能化程度的提高。 除此之外，单向的信息流、不支持样条曲线插补等等不足都为数控加工 带来了很多麻烦，不仅极大的影响了加工效率，而且极大的制约了数控技术 和制造业的发展。 件( c l ) n 1 0 g 5 4 g 1 7 0 帅： n 2 0m 0 6t 0 8 $ 6 0 0m 4 2 ； n 3 0c o ox l 0y 0z 6 5 ： n 5 0 m 0 8 ； n 6 0 g 4 3 h 溢i i z 2 0m o i n $ 0 l 1 0 pr ： 太 n 9 0 g 0 0 g 4 9 h l iz l ， 图1 1 基于i s 0 6 9 8 3 的数控程序 机床轴的运动 开关运动 数控厂商自 定义的指令 为了克服i s 0 6 9 8 3 的缺点，欧美等发达国家开始研究新的数控编程标准， 1 9 9 7 年欧盟首次提出了“s t e p - n c ”的概念。s t e p - n c 是一种新的n c 编程 接口，将基于s t e p 的c a d 信息和一些工艺信息直接作为c n c 系统的输入。 它的目标是为数控编程提供一种中性机制，将s t e p 标准的应用扩展到制造 领域，实现c a d c a m 与c n c 系统间信息的无缝集成。s t e p - n c 的提出具 有划时代的意义，总的来说，它有以下几个方面的优点 4 1 s h 6 r ： 1 实现了c a d ，c a m 与c n c 间的信息集成：由于s t e p - n c 与s t e p 标准采用了相同的数据模型，所以基于s t e p - n c 的数控系统可以直接接收 c a d 与c a m 生成的几何信息和工艺信息，不需要后处理，这样做不仅不会 丢失产品信息，还降低了出错的几率。 2 编程简单：s 1 琶p n c 是基于加工特征的数控编程接口，只需定义加 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工内容、加工要求，而不需要明确指出机床各轴的运动规律，因此编程简单， 不容易出错。 3 数控程序的可移植性好：s t e p - n c 是一种中性数据描述接口，所以 基于s t e p - n c 的数控程序可以在不同的数控系统间互换，在一定程度上解决 了数控系统兼容性的问题，极大的提高了安排生产时的灵活性。 4 有利于提高机床的智能：s t e p - n c 提供了完整的产品信息模型，包 括几何信息和工艺信息，这些丰富的数据为提高机床的智能程度提供了物质 基础。 5 双向的信息流：在加工阶段，由于加工条件等因素的限制，有时操作 者会修改工件的设计信息和工艺信息。由于基于s t e p - n c 的数控系统实现了 c a d c a m 与c n c 间数据的双向传递，所以修改后的产品信息可以从车间反 馈到设计部门和工艺部门，从而保证了产品数据的一致性。 1 2 国内外研究和应用情况 1 2 1s t e p - n c 在国外的发展概况 s t e p - n c 提出以后，受到了工业界和科技界的广泛关注，迅速成为新一 代数控系统研究领域中的热点。世界上许多政府组织、大学、科研单位以及 相关企业都积极开展了相关的研究工作，启动了很多研究项目。目前，进行 s t e p - n c 研究的单位主要来自一些发达国家，如欧盟、美国和韩国，下面内 容简单介绍一下它们的研究情况。 l 。欧盟 s t e p - n c 诞生于1 9 9 7 年，它的提出源于欧盟的o p t i m a l ( o p t t m i z e d p r e p a r a t i o n o fm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o nw i t hm u l t i - l e v e lc a m - c n c c o u p l i n g ) 研究计划，此计划的目标是开发基于s t e p 标准的、面向对象的铣 削数控编程接口。经过两年的努力，欧盟于1 9 9 9 年提出了铣削数控编程接口 i s 0 1 4 6 4 9 标准草案。i s 0 1 4 6 4 9 的提出为深入研究s t e p - n c 奠定了基础。此 后，欧盟启动了一个为期3 年的s t e p - n c 研究项目e s p r i t ，由来自学术界 和工业界的2 0 多家单位负责此项目的开发。e s p r i t 项目的目标有两个：一 个是验证i s 0 1 4 6 4 9 的可行性；另一个是将s t e p - n c 数控加工支持的范围由 哈尔滨工程大学硕士学位论文 铣削扩展到快速成型、电火花加工和木材加工等领域。2 0 0 1 年1 0 月，e s p r i t 项目组在一台s t e p - n c 原型机上( 图1 2 ) 进行了切削实验。该原型机是一 台五轴数控铣床，采用s i m e n s 8 4 0 d 控制器，加装了s t e p - n c 解释器和人机 界面。它直接读取i s 0 1 4 6 4 9 数控程序文件，成功的进行了型腔、圆孔、槽 等简单加工特征的加工m 。这次切削实验具有非常重要的意义，验证了 s t e p n c 这一思想的可行性，增强了研究者的信心。但是另一方面，此次实 验还有很多不足：其一，刀具轨迹信息是s t e p n c 解释器直接从数控程序中 提取出来的，并不是动态规划生成的；其二，加工对象只涉及孔、型腔等2 5 轴加工特征；其三，对加工过程没有进行在线检测，无法掌握加工的质量。 5 轴藏控机床 图1 2 e s p r i t 项目组设计的原型机结构 耳前，欧盟的研究工作主要集中于完善i s 0 1 4 6 4 9 标准、加工过程的动 态规划、加工过程信息的动态反馈机制等方面。 2 美国 虽然美国对s t e p n c 的研究起步比欧盟晚，但他的研究工作开展的十分 顺利目前，美国已经领先其他国家，取得了许多举世瞩目的研究成果。 在美国，s t e pt o o l s 公司是最主要的s 狙- n c 研究单位，主要从事 s t e p - n c 应用解释模型a p 2 3 8 的研究工作。1 9 9 9 年，该公司在美国国家标 准技术局( n a i l o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r da n dt e c h n o l o g y 简称n i s t ) 的资助下 开始了s t e p - n c 的研究，项目名称为m o d a ld r i v e ni n t e l l i g e n tc o n t r o lo f 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m a n u f a c t u r i n g 。此项目将欧盟提出的i s 0 1 4 6 4 9 作为s 1 e p - n c 应用参考模型， 在此基础上提出了s t e p - n c 的应用解释模型i s 0 1 0 3 0 3a p 2 3 8 。a p 2 3 8 定义 了一个能完整描述产品信息的数据模型，可以将设计信息和工艺信息无缝的 集成起来。a p 2 3 8 的提出，标志着s t e p 标准的应用范围扩展到了数控加工 领域，对s t e p - n c 的研究与应用来说具有十分重要得意义。2 0 0 5 年3 月， 在a p 2 3 8 测试大会上，s t e pt o o l s 公司展示了一个s t e p - n c 试验系统哪唧。 此系统内部嵌入了s t e p - n c 解释器，结构原理如图1 3 所示。接收到a p 2 3 8 数控程序后，s t e p n c 解释器综合利用其中的几何信息和工艺信息生成刀具 轨迹和控制指令，控制机床完成加工任务。以外，s 1 r i 、pt o o l s 公司还开发了 许多s t e p 和s t e p - n c 应用系统开发工具，如s t - d e v e l o p e r 、s 1 二m a c h i n e 和 s t - p l a n 等，使用它们可以极大的降低s t e p 和s t e p - n c 应用系统的开发难 度。 f w 卜 lc q h o m 4 一g c p m r u n lf 留 i 厂 s 口m 一带 s a l * 讪 t c ? l1 眦 c e d e lf m 时 f 僦j 一删m o u c m 。 l 蛐广 i 一 图1 3s t e p - n c 解释器的结构原理图 3 韩国 在亚洲，韩国较早的开展了s t e p - n c 的研究工作。2 0 0 0 年6 月，p o l i n g 科技大学的s t e p n c 国家实验室( n r l s n t ，n a t i o n a lr e s e a r c hl a bf o r s t e p - n ct c c h l o g y ) 启动了为期五年的s t e p - n c 研究计划，针对数控车削 的功能需求，研究车削数据模型的描述方式。2 0 0 2 年，研究工作取得了突破 性进展，项目组提出了s t e p - n c 车削数据建议模型。此外，该实验室还积极 开展基于s t e p - n c 的c a p p 软件系统和智能数控系统的研究工作对 i s 0 1 4 6 4 9 数据模型进行了扩展，使它含有更加灵活的工艺信息，从而满足动 哈尔滨工程大学硕士学位论文 态工艺规划的要求。并根据此扩展模型，开发了一个s t e p n c 的现场编程系 统。 1 2 2s t e p _ n c 在国内的发展概况 我国s t e p - n c 的研究工作起步较晚，总体上处于跟踪国外发展趋势的阶 段。开展s 1 e p - n c 研究工作的单位主要是一些高校，如山东大学、哈尔滨工 程大学等。 山东大学的刘日良博士对基于s t e p - n c 铣削模型的数控系统基本理论 与技术进行了研究。他提出了s t e p - n c 数控系统的三级工艺规划模型：离线 规划、在线规划和实时规划，此规划模型对开发s t e p - n c 数控系统具有一定 的借鉴价值。 我校从2 0 0 0 年开始跟踪s t e p - n c 的发展动态。开展了对s t e p - n c 的 数据模型、基于s t e p - n c 标准的c a d c a m 集成接口以及s t e p - n c 解释器 等方面的研究工作。随着研究的深入，取得了很多研究成果，如提出了 s t e p n c 解释器的功能框架和生成a p 2 3 8 数控程序的方法等，这些成果的 取得为更好的吸收和研究基于s t e p - n c 的数控技术奠定了坚实的基础。 1 3 课题的研究内容及意义 1 3 1 课题的研究内容 本课题面向新型数控编程接口s t e p - n c ，以智能生成简单加工特征的刀 具路径为目标，主要研究s t e p - n c 数控程序的信息提取方法、工步排序的策 略和基于典型加工特征的刀具轨迹规划算法。臣绕上述三个研究内容，本课 题主要完成了以下五个方面的工作： 1 掌握a p 2 3 8 和i s 0 1 4 6 4 9 信息模型的表达方法、组成结构，以及a p 2 3 8 数控程序的物理文件格式。 2 研究从a p 2 3 8 数控程序中提取设计信息和工艺信息的方法，以及加 工特征信息的处理方法。 3 设计数据库系统的模式结构，实现系统中数据信息的分类管理，提 高信息的安全性和可用度。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 设计简单的工步排序方法，以加工时间最少为优化目标，确定加工 特征的加工顺序。 5 研究两个典型加工特征( 平面、型腔) 的刀具轨迹规划算法。 1 3 2 课题的研究意义 制造业是国民经济持续增长的发动机、国家安全的重要保障和国家综合 实力的主要体现。作为制造业发展的重要基础，数控技术一直是世界各国在 制造科技领域竞争的焦点。s t e p - n c 的出现为数控技术乃至整个制造科技领 域带来了一场革命，它将彻底改变传统的生产模式，大幅的提高生产效率。 跟据s t e pt o o l s 公司的试验分析，使用s t e p n c 可以减少3 5 的工艺规划 时间，7 5 的绘图时间，中小型的加工工作可以减少5 0 的加工时间。 由于s t e p - n c 的巨大发展前景，很多国家都开展了相关的研究工作。但 总的来说，目前对于s t e p - n c 的研究还处于初级阶段。即使对于那些较早开 展s t e p - n c 研究工作的国家来说，他们所提出的实验系统都是在特定的前提 下才能正常工作，并未提出完成的一套理论，还需要做许多工作才能实现实 用化。因此，这是我国缩小差距、发展国产数控乃至全面提升我国自动化制 造水平的一个决好的机会。 本课题通过对i s 0 1 4 6 4 9 和a p 2 3 8 数据模型的研究，提出了从s t e p - n c 数控程序中提取工件几何信息和工艺信息的方法和策略，对确定加工顺序的 方法、简单加工特征的刀具孰迹规划算法以及相关技术进行了研究，并且探 讨了基于s t e p - n c 的数控系统的数据库系统设计原理，因此本课题的研究对 开发s t e p - n c 数控系统具有一定的借鉴价值。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章s t e p 与s t e p - n c 概述 2 1ls 0 14 6 4 9 与a p 2 3 8 i s 0 1 4 6 4 9 与a p 2 3 8 分别是s t e p n c 的应用参考模型( 删) 和应用解 释模型( a 订) ( t o x h ，它们的开发工作分别由i s ot c1 8 4 s c 4 和i s ot c 1 8 4 s c l 负责。作为应用参考模型，i s 0 1 4 6 4 9 使用e ，r e s s 语言定义了数 控加工领域的信息需求。a p 2 3 8 将i s o l 4 6 4 9 所定义的信息需求映射成符合 s t e p 标准要求的集成资源，由于这些集成资源具有通用性，所以其它应用 协议也可以使用它们。 a p 2 3 8 和i s 0 1 4 6 4 9 都可作为数控编程接口，在设计基于s 1 e p n c 的数 控系统时，应根据具体情况选择一个作为c a d c a m 与c n c 间的接口。选 择i s 0 1 4 6 4 9 的优点是软件系统开发周期短，编程简单。但是本文选择a p 2 3 8 作为编程接口，因为与i s 0 1 4 6 4 9 相比，a p 2 3 8 有以下三个方面的优点： 1 能更加灵活的描述产品信息：为了使信息表达更加简单，i s 0 1 4 6 4 9 规定在一个数控程序文件中，所有几何信息默认使用统一的度量单位，即英 制或者公制。而a p 2 3 8 没有这样的规定，一个文件可以同时使用两种度量单 位。在对同一个零件进行编程时，这虽然造成a p 2 3 s 数控程序比i s 0 1 4 6 4 9 数控程序复杂、文件更大，但这样做的优点是a p 2 3 8 能够更加灵活的描述产 品信息。 2 产品信息更完整：i s 0 1 4 6 4 9 只定义了数控操作方面的信息模型，由 于没有完全采用s t e p 标准所规定的表达方法和模式结构，所以它不能引用 s t e p 标准中其它应用协议的信息模型，导致i s 0 1 4 6 4 9 的产品信息模型不完 整，缺少如公差、几何等方面的信息。而a p 2 3 8 可以集成其他s t e p 应用协 议的信息模型，所以可包含全生命周期的产品信息，这正是建立s t e p 标准 的一个重要目的，所以a p 2 3 8 能够更加完整的描述产品信息 3 兼容性好：i s 0 1 4 6 4 9 数控程序的组织方式是一个有根的树状结构，只 存在一个根节点，提取数据时，遍历此树状结构即可。这种数据组织方式的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 优点是便于编程和提取信息。但是随着i s 0 1 4 6 4 9 标准的发展，如果数据模 型改变了，那么程序的树状结构也随之改变，这样造成的后果是按照新的 i s 0 1 4 6 4 9 数据模型编写的程序无法处理旧版本的i s 0 1 4 6 4 9 数控程序。a p 2 3 8 完全采用了s t e p 标准的结构，将实现层模型与需求模型分开，所以支持数 据模型的扩展，这样需求模型改变后s t e p - n c 解释程序可以向下兼容，即新 版的程序可以处理旧版本的s t e p - n c 数控程序。 、 与i s 0 1 4 6 4 9 相比，a p 2 3 8 具有上述三个优点的根本原因是二者采用 s t e p 标准所规定的表达方法和模式结构的程度不同。i s 0 1 4 “8 只是在建立 信息模型的时候使用了e x p r e s s 语言，并没有完全使用s t e p 标准的表达 方法和模式结构。而作为s t e p 标准中的一个应用协议，a p 2 3 8 完全采用了 s t e p 标准所规定的表达方法和模式结构，所以a p 2 3 8 具有s t e p 标准的所 有特点，如可扩展性、版本的兼容性等。 2 2a p 2 3 8 信息模型概述 i s o1 0 3 0 3 2 3 8 ( a p 2 3 8 ) 是s t e p - n c 的应用解释模型嗍川，制定它的目 的是为了实现在产品的设计与制造间共享产品数据，即将s t e p 标准的适用 范围从设计领域扩展到数控加工领域。a p 2 3 8 的制定方法与其他应用协议相 同，即从s t e p 集成资源中抽取资源构件，通过修改、增加构件上的约束、 关系、属性等方式来满足i s 0 1 4 6 4 9 所提出的数控领域的信息要求。 图2 ，1 a p 2 3 8 的组成 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作为s t e p 标准的一个应用协议，a p 2 3 8 的信息模型与其他应用协议的 信息模型完全兼容，也就是说a p 2 3 8 和其他应用协议共有部分的信息表达方 式是相同的。如图2 1 所示，a p 2 3 8 三维几何信息的定义和a p 2 0 3 、a p 2 1 4 相同，加工特征的定义与a p 2 2 4 相同，公差信息和a p 2 1 9 相同，工艺信息的 定义( 如车、铣、放电加工等) 和i s 0 1 4 6 4 9 相同。 从组成上看，a p 2 3 8 应用协议主要由九个功能单元( u n i t o f f u n c t i o n a l i t y ， u o f ) 构成，分别是工程( p r o j e c t ) 、工件( w o r k p i e c e ) 、特征( f e a t u r e s ) 、操作 ( o p e r a t i o n ) 、刀具轨迹( t o o l p a t h ) 、测量( m e a s u r e s ) 、铣削过程操作( m i l l i n g p r o c e s so p e r a t i o n s ) 、铣削刀具o 嘶l l i n gc u t t i n gt o o l s ) 和车削过程操作( t 啪i n g p r o c c s s o p c r a t i o n s ) ，下面简要介绍一下几个重要功能单元的用途： 工程：s n 臻n c 数控程序的入口，一个数控程序只能含有一个工程实体 实例。 工件：描述数控程序将要加工的零件信息，包括工件的材料、毛坯尺寸、 装夹位置等信息。 特征：定义了加工的具体内容。a p 2 3 8 所定义的特征指加工特征，零件 的加工可以看作是所有加工特征的去除过程。 执行：描述加工程序流程和由数字控制执行的非加工活动，包括加工顺 序、联动控制、条件控制流和描述条件控制流的条件所必需逻辑表达和变量 元素。 操作；操作是对一定加工行为的概括性描述，是工步的重要组成部分。 操作主要说明两部分的内容：一部分是与加工的类型和所使用的刀具 ( m a c h i n i n g - t 0 0 1 ) 有关的信息，如铣平面( p l a n em i l l i n g ) 、铣型腔( p o c k e t m i l l i n g ) 、钻孔( d r i l l i n go p e r a t i o n ) 等；另一部分内容是跟工艺有关的信息， 例如走刀策略、主轴的转速、刀具的进给量等。 刀具轨迹：值得注意的是，在这些功能单元中，刀具路径功能单元是可 选的，即刀具路径信息可以有也可以没有规定刀具路径限制了机床加工的 灵活性和加工潜力的发挥，这不符合建立a p 2 3 8 数控接口的初衷。但是，考 虑到a p 2 3 8 完全取代i s 0 6 9 8 3 需要很长的时间，为了使不具有自动生成刀具轨 迹能力的数控机床也能使用a p 2 3 8 编程接口，所以目前a p 2 3 8 程序中可以含有 刀具轨迹信息。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这些功能单元在形式上各自独立，它们之间的关系由一些特定的实体实 例表示，所以如果某个功能单元的信息模型发生了变化，不会影响到其它的 功能单元，有利于提高程序的兼容性。 2 3 加工特征 传统的c a d 系统只含有点、线、面等几何信息和拓扑信息，无法表达 零件的工艺信息，这严重阻碍了c a d 和c a m 间的信息集成。为了解决这个 问题，1 9 7 6 年，英国剑桥大学的c n - a y e r 博士提出了特征的概念f i l 删。特征是 一组信息的集合，它具有属性，与特定的活动( 如设计、制造) 相关它不 但含有零件的几何、拓扑信息，还含有零件的工程语义信息( 工程师的设计 制造意图) 。根据特征不同的应用领域和几何形状，形成了不同的特征分类标 准：根据产品整个生命周期发展过程，特征可分为设计特征、加工特征、分 析特征、公差及检测特征、装配体特征；根据功能，特征可分为形状特征、 精度特征、技术特征、材料特征、装配体特征。根据设计方法，特征又可分 为通道特征、挤压特征、提拉特征、过渡特征、表面特征、形变特征。在含 义上，a p 2 3 9 中所定义的加工特征( m a c h i n i n gf e a t u r e ) 不同于一般c a d 系 统中所使用的特征。它是指与加工操作关联的工件上的一块体积，当加工操 作完成后，加工特征就被切削掉了。s t e p - n c 的基本原理是基于加工特征进 行编程，而不是直接对机床坐标轴进行编程，因此说a p 2 3 8 是基于加工特征 的编程语言 根据a p 2 3 8 的说明，加工特征指在2 5 轴方式下可加工的所有特征，具 体包括平面( p l a n a rf a c e ) 、型腔( 1o c k e t ) 、槽( s l o t ) 、台阶( s t e p ) 、孔( h o l e ) 等。a p 2 3 8 定义加工特征的方式与a p 2 2 4 相同，下面内容介绍与加工特征有 关的重要概念。 1 加工特征的表达方法l l 哪m 在a p 2 3 8 中，加工特征的表达方法有两种；隐式描述( 图2 2 ) 和显式 描述。特征隐式描述通过对特征进行抽象，用一些必要参数来描述特征形状。 在隐式描述中，许多加工特征的形状通过截面轮廓沿一条路径拉伸得到，特 征的几何尺寸由截面轮廓和路径参数定义。如孔加工特征的定义形式是圆沿 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一条路径拉伸得到，几何参数有圆的直径和拉伸路径的长度等。除隐式描述 外，a p 2 3 8 也支持加工特征的显式描述，即通过一组几何基元来描述加工特 征。几何基元一般选择面，如b r e p 面等，这样加工特征可被定义为一组相关面 的集合 霸孔 ( 由豳形沿直线扫描而成) 型腔台阶 ( 由长方形沿直线扫描而成)( 由v 字型沿直线扫描而成) 图2 2 特征的隐式描述方法 2 特征方位和深度 每个加工特征都会有一个方位参数，用以描述特征原点在零件坐标系中 的位置和特征坐标系的方向。在集成表达方法中，方位参数是一个 a x i s 2p l a c e m e n t 3 d 实例，由一个笛卡尔点和两个方向向量组成。笛卡尔点指 明加工特征原点在零件坐标中的位置，两个方向向量分剐定义了特征坐标系 的z 轴和x 轴，。特征坐标系的y 轴没有直接给出，可通过右手法则得到。 a p 2 3 8 定义了一个路径( p a t h ) 参数来描述特征的深度，不同特征的路径参 数含义不同，但大多情况下此参数指明扫描路径的长度。一般情况下，扫描 路径沿z 轴，它的起点与特征原点重合。根据上述介绍可知，特征原点位于 加工特征底部，z 轴方向向上，指向特征的多卜部。 3 平面和型腔的定义方式 由于时间的限制，本课题重点研究了平面和型腔两种典型加工特征的刀 具轨迹规划算法，所以下面内容将具体介绍平面和型腔的隐式定义方式。 ( 1 ) 平面的定义方式 平面加工特征( 图2 3 ) 的隐式定义：特征的底藤轮廓由一条线段( p r o f i l e ) 沿直线( p a t h ) 拉伸得到，特征深度由切削深度( r e m o v a l属性定义。_depth) 平面特征坐标系的定义方式：特征原点位于拉伸线段与拉伸路径的交点 上，x 轴与拉伸线段( p r o f i l e ) 的方向重合。y 轴与拉伸路径( p a t h ) 的方向 重合，z 轴可由右手定则计算得到。 。 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 此外，切削方向( r e m o v a l _ d i r e c t i o n ) 是平面加工特征的重要属性之一。 它与特征坐标系的z 轴方向相同，说明了切削深度属性的方向。 陟 一乒二 、躺p r o f i l e 、 图2 3 平面加工特征的定义方式 ( 2 ) 型腔的定义方式 型腔加工特征( 图2 4 ) 的隐式定义：一个长方形底面沿直线拉伸而成。 型腔特征坐标系的定义方式：特征原点与长方形对角线的交点重合，长 方形底面位于) ( y 平面上，z 轴垂直于底面。 拉伸路径( c o u r s eo ft r a v e l ) 属性的方向与z 轴相同，它的长度为型腔 的深度。 长方形轮廓 图2 4 型腔加工特征的定义方式 2 4s t e p - n c 数控程序的文件格式 s t e p 标准提供多种产品数据交换方法，可供选择的方案有：中性文件、 数据库、数据存取和知识库。中性文件，也叫做物理文件，是最常用的一种 交换方式，本课题也采用它来交换s t e p - n c 数控程序。中性文件的格式由 i s 0 1 0 3 0 3 - 2 1 定义嗍，采用正文编码的形式( c l e a rm x te n c o d i n g ) 来描述产品 信息。由于它的语法采用w s n ( w i r t hs y n t a x n o t a t i o n ) 形式化语法，所以具 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有无二义性、上下文无关、便于计算机解释的优点。 由中性文件描述的s t e p _ n c 数控程序是由正文编码书写的顺序文件。从 结构上看，整个交换文件分为两部分：头段( h e a d e rs e c t i o n ) 和数据段( d a t a s e c t i o n ) 。二者分别以关键字“脏a d e r ”和“d a l f a ”开始，以“e n d s e c ” 结束。 从信息内容上看，头段包含一些数控程序的基本信息，如文件描述 ( f i l e _ d e s c r i p t i o n ) 、文件名称( f i l en a m e ) 、文件模式( f i l e s c h e m a ) 。其中， 文件描述提供标准的版本信息；文件名称包含一些数控程序的描述性信息， 如程序名称( n a m e ) 、编程者( a u t h o r ) 、编程日期( d a t e ) 等；文件模式给出 了本文件所遵守的数据模型的名称。这三个实体之后还可以有用户自定义的 实体，并且它们的出现顾序没有严格规定，只要每个实体符合w s n 语法郎 可。 数据段是程序的主体，包含有加工零件所需的所有设计信息和工艺信息。 在描述产品信息时，数据段以实体为单位，一行记录一个实体，以分号“；” 结束。实体的表达格式为“实体标识符= 实体名( 属性值l 、属性值2 、 属性值n ) ；”。其中，实体标识符由“襻”和一个不超过9 位的整数组成，唯 一的标识实体实例。实体名与a p 2 3 8 信息模型中由e x p p , e s s 所定义的实体 名一一对应，是代表特定意义的保留字。属性值的数据类型有三种，分别是 嵌入的实体、一般的数据值或聚合类型的数据。它们的表达特点是，如果属 性值是聚合类型的数据，那么该属性值要用圆括号括起来，各元素之间同样 采用逗号分割：如果属性值是嵌入的实体，实体用对应的实体标识符表示。 此外，若属性取缺省值，则用符号“$ ”表示 a p 2 3 8 程序实例如下所示： i s o - 1 0 3 0 3 - 2 l ： 。 h e a d e r ； f i l e _ d e s c r i p t i o n ( ( ) ，2 ；l 冀 f i l en a m e ( t o o l p a t h ，。d a t e - t i m e , ( 卸n 删嘎( v e r s i o n ) ， u g s - n x 3 o f ，二飞 f i l bs c h e m a ( c i n t e g r a t e dc n cs c h e m a ) ) ； e n d s e c ； d a t a ； 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 # i i = p r o d u c t _ d e f i n i t i o n _ f o r m a t i o n ( i 0 , m a c h i n i n gp r o j e e r , # 1 2 ) ； # 1 2 = m a c h i n i n gp r o j e c t ( n i s tp r o b ep 勰t e ，a p 2 3 8c c ! ，”，饼1 3 ) ) ； # 1 3 = p r o d u c t _ c o n t e x