（机械电子工程专业论文）基于stepnc数据模型的信息提取与处理技术研究.pdf

些奎尘耋堡耋堡篁塞 摘要 s t e p 标准是关于产品整个生命周期中产品数据表达和交换的国际标准。s t e p n c 对应的应用协议a p 2 3 8 是s t e p 标准众多协议中的一个。它定义了有关新的 数控程序数据模型所包含的内容、格式等内容。将会解决g 、m 代码所造成的瓶 颈问题。 本文重点是如何把s t e p n c 文件中的数据提取出来并加以处理。所开发的软 件模块完成从基于s t e p n c 的数控程序中提取出数据、存储数据，对基于知识的 数控n i 数据库进行了规划，完成了其中的s t e p n c 文件信息加入数据库表部 分。 关于s t e p n c 文件数据提取和处理实现方法的研究n , j 冈a j 起步。我们采用了标 准数据访问接口( s t a n d a r dd a t aa c c e s si n t e r f a c e ) 的实施方法，实现从a p 2 3 8 到自定义数据结构的处理，数据的提取和对数据的操作，生成数控加工数据库表。 数据的提取采用了s t e p t o o l s 公司的软件工具s t d e v e l o p e r 提供的编程环境和 r o s ec + + 库以及s t i x 库来实现的。把提取出来的数据用数据库系统来管理比用 文件系统管理更加易于数据的共享和智能化处理的实现。数据库是实现基于知识 加工的载体。 本课题采用通用数据库管理系统。通过比较，采用目前关系型数据库管理系 统中应用比较广泛的s q ls e r v e r 管理系统进行数据库的设计。由于数控加工数 据库涉及的数据量很大，数据的查询、访问、更新、共享等需要个管理系统来 进行，数据库管理系统提供了这样的一个平台，同时也为软件的开发提供了条件。 建立数控加工数据库，首先解决的问题是把提取出来的数据如何映射到数据库表 中，建立对应于s t e p n c 的数控加工数据库。水课题设计了存储信息的数掘库表 并完成了数据存入数据库表的工作。 软件实现了从s t e pp a r t 2 1 文件到数据库表的映射，设计过程的关键是从基 于s t e p n c 的数控程序中提取出数据并把数据分别存储到自定义的数据结构和 数据库表当中。 关键词：s t e p n c ；r o s ec + + 类库；数控加工数据库；数据模型 a b s t r a c t s t e p 。t h es t a n d a r d f o r t h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e l d a t a ，i s a c o m d r e h e n s i v ei s os t a n d a r d ( i s o 一1 0 3 0 3 ) t h a td e s c r i b e sh o wt o r e p r e s e n t a n de x c h a n g ed i g i t a lp r o d u c ti n f o r m a t i o n a p ( a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 2 3 8 i so n eo fas e r i e so fa p p l i c a t i o np r o t o c o l si ns t e ps t a n d a r d i te x p a n d s s t e pt oc n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) a n d d e f i n e san e wd a t a i n t e r f a c ef o rn cm a c h i n e s i t i sc a l l e da ss t e p n cw h i c h isd r a f t i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ( f d i s i s o 一1 4 6 4 9 ) s t e p n cd e f i n e st h ec o n t e n t ， f o r m a t ，d a t am o d e lo ft h en e wn cp r o g r a ma n ds oo n s t e p n cc a ns o l v et h e b o t t l e n e c kp r o b l e me x i s t i n gi ng ，mc o d e s t h i sp a p e rs t u d i e sh o wt oe x t r a c tt h ed a t ao fs t e p n cf i l e sa n dp r o c e s s t h e ma n das o f t w a r em o d u l ei sd e v e l o p e d t h es o f t w a r em o d u l ec a nr e t r i e v e a n ds t o r et h ed a t ao fs t e p n cf i l e s ：t h i sp a p e rc r e a t e st h en cm a c h i n i n g d a t a b a s et a b l e i na d d i t i o n t h em o d u l e so fk n o w l e d g e b a s e dn cm a c h i n i n g d a t a b a s ea r ep l a n n e d t h ei n f o r m a t i o ne x t r a c t i n ga n dp r o c e s s i n go fs t e p n cf i l e sa r ea p r e c o n t i o n t o d e v e l o ps t e p n cc o n t r o i l e r s d a i ( s t a n d a r dd a t aa c c e s s i n t e r f a c e ) m e t h o di su s e dt or e t r i e v ed a t aa n ds t o r et h e m ：i tc a ne x c h a n g e d a t af r o ms t e p n cf il e st ou s e r d e f i n e dd a t as t r u c t u r e t h e s o f t w a r e m o d u l ei sd e v e l o p e du s i n gr o s ec + + 1 i b r a r ya n ds t i x1 i b r a r ya n do t h e rt o o l s p r o v i d e db ys t d e v e l o p e rt 0 0 1 t h ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mi se a s i e r t os h a r ed a t ae x t r a c t e df r o ms t e p n cf i l e sa n dm a n i p u l a t ei n t e l l i g e n t l y t h ed a t a b a s et a b l et h a nt h ef i l em a n a g e m e n ts y s t e m t h ed a t a b a s ei st h e c a r r i e ro fk n o w l e d g e b a s e dm a c h i n i n g i nt h isp a p e r ，t h ed a t aism a n a g e db yt h ee o i p l m o nd a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m t h ed a t a b a s e i s d e s i g n e du s i n gar e l a t i o nd a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m ：m i c r o s o f ts o ls e r v e r i tp r o v i d e sap l a t f o r mt om a n a g e ，m a n i p u l a t e ， s h a r ea n d u p d a t el a r g e n u m b e ri n f o r m a t i o n w h e n c r e a t i n gm a c h i n i n g d a t a b a s et a b l e ，t h em o s tk e yw o r ki st os o l v eh o wt om a pr i g h t l yt h ed a t a t ot h ed a t a b a s et a b l e s i nt h i sp a p e r ，t h ed a t a b a s et a b l et os t o r et h e i n f o r m a t i o ni sd e s i g n e da n dt h ed a t aa r em a p p e dt ot h ed a t a b a s et a b l e i i 山东人学硕+ 学位论文 t h es o f t w a r em o d u l er e a li z e s t h ed a t a e x c h a n g e f r o ms t e pp a r t 2 i p h y s i c a lf i l et ot h ed a t a b a s et a b l e t h ek e yo ft h i sp a p e ri st oe x t r a c t d a t a f r o ms t e p n cf i l e sa n ds t o r et o u s e r d e f i n e ds t r u c t u r ea n dt h e d a t a b a s et a b l e k e y w o r d s ：s t e p n c ；r o s ec + + l i b r a r y ；n cm a c h i n i n gd a t a b a s e ：d a t am o d e l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 叠让日期：趔：5 4 一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：毒飘导师签名：互量盎堕日 期：型! ：! ： 第1 章绪论 1 1 数控技术概述 1 1 1 数控系统的组成 数控技术是数字控制技术( n c - n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 的简称，是用数字化的指 令控制机器动作的技术。数控技术是一门集机械学、微电子技术、计算机技术、 现代控制理论、传感器技术等多种技术于一体的交叉学科。数控技术的进步是与 电子技术、计算机技术的发展密不可分的。采用数控技术的控制系统就是数控系 统。数字控制技术的应用十分广泛。数控机床是数控技术向传统机械制造领域渗 透的结果。数控机床由机械部分、数字控制部分、伺服系统、液压气压传动系统、 图卜1 数控系统的组成 冷却润滑及排屑部分等组成。数控机床控制部分是由程序控制的，它产生控制命 令控制伺服系统运动从而使机床坐标轴运动。伺服系统是数控机床的驱动部分。 数控机床的基本逻辑组成如图卜1 “1 。 1 1 2 数控技术的发展历程和趋势 1 9 5 2 年由美国帕森斯( p a r s o n s ) 公司与美国麻省理工学院( m i t ) 合作试制了世 界上第一台数字控制三坐标机床，把计算机技术用到机床上面，从此传统的机床 发生了质的变化，进入了数控机床阶段。1 9 5 4 年美国b e n d i x c o o p e r a t i o n 公司生 产出第一台工业用数控机床。从1 9 5 6 年至今半个世纪以来，数控系统经历了电子 管、晶体管、小规模集成电路组成的硬件连接的数字控制和由小型计算机、微处 理器、基于p c 的计算机数字控制( p c c n c ) 两个阶段和六代的发展过程。随着微 处理器和计算机的出现，数控技术的发展日益完善，出硬件数控n c ，经过计算机 数控c n c ，直接数控系统d n c ( d i r e c tn u m e r i cc o n t r 0 1 ) ，发展到现在的p c c n c 、 开放式数控系统，柔性制造系统f m s 。“。 但是数控系统的缺陷也渐渐的凸现出来。不同厂家的数控机床相对封闭、人 机交互性羞，缺乏互换性和互操作等问题。针对上述情况，美国于1 9 8 7 年提出了 下一代控制器n g c ( n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 计划，企 图通过实现基于可相互操作和分级式软件模块的“开放式系统体系结构标准规 范”( s o s a s s p e c i f i e a t i o n f o ra n o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r es t a n d a r d ) 找到 解决上述问题的方法，在n g c 计划中提出了“丌放式系统体系结构”的概念，继 而有了开放式体系结构控制器的概念，它是基于丌放式体系结构的。n g c 计划于 1 9 9 4 年完成了原型研究，转入了工业开发应用，美国的g m 、f o r d 、c h r y s l e r 等公 司在n g c 计划指导下，提出o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 丌发 计划。r 本启动了开放系统计划o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) ， 1 9 9 1 年一项涉及欧洲各国的控制系统计划o s a c a ( o p e ns y s t e ma r e h i t e c t u r ef o r c o n t r o lw i t ha u t o m a tio ns y s t e m ) 开始启动，其目标是研制出自动化控制系统中 的开放式体系结构。国内对开放式数控体系结构以及具体实现技术也进行了广泛 的、深入的研究。开放式数控系统使得数控系统的发展达到了一个新的高度。 近l o 年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的丌放式数控系统应 运而生。就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为4 种类型1 4 - 6 1 ： 传统数控系统：如f a n u c0 系统、m i t s u b l s h im s o 系统、s i e m e n s8 1 0 系统 等。这是一种专用的封闭式体系结构的数控系统。对它的功能扩展、改变和维 修，都必须求助于系统供应商。 专用数控加p c 前端的复合式结构：这类系统的设计思想是将通用p c 和专用 n c 通过高速信息交换通道连接到一起，组成一个复合式数控系统。这类系统 的特点是保持原有数控基础，发挥厂家在以硬件专用芯片实现特殊控制功能等 方面的优势，同时利用通用p c 为操作者提供一个友好的用户界面，编程、操 作等很方便。这类系统的最大缺点是开放性有限，开发和生产成本较高，技术 上升级换代较慢。 “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统：它由丌放体系结构运动控制卡加p c 机构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制 和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系统。它开放的函数库供用户在 w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡 被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国d e l t a t a u 公司用p m a c 多 轴运动控制卡构造的p m a c - n c 数控系统、r 本m a z a k 公司用三菱电机的 m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等。 s o f t 型开放式数控系统：这是一种全新的开放体系结构的数控系统。它提供 给用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分 仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之删的标准化通用接口。用户可以在 w i n d o w sn t 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种 类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，s o f t 型丌放式数控系统具 有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e n c n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 目前，数控系统正朝着高速高精度高效化、丌放式、智能化、网络化方向发 展。现代制造技术对数控技术提出了更高的要求，下面详细介绍数控技术发展的 几个方向3 1 ： 高速、高精度、高效、高可靠性 要提高加工效率，首先必须提高切削速度和进给速度，还要缩短加工时问。 要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的 基本保证。 开放性 开放式数控系统是近年来数控系统研究热点，如美国的o m a c 计划，f l 本的 o s e c 计划，欧共体的o s a c a 计划。这些研究的目的就是充分利用p c 所具有的 开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，数控系统向开放性方向发 展。 柔性化、集成化 为适应先进制造技术发展的要求，向f m c 、f m s 和c i m s 提供基础设备，要 求数控系统不仅能完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量，自动上下料、 自动换刀、自动更换主轴头、自动误差补偿，自动诊断、进线和联网功能，特别 是依据用户的不同要求，可方便地灵活配置和集成。 智能化 智能化的内容很多：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控 制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈 控制，电机参数的自适应运算，自动识别负载自动选定模型，自整定等：简化编 程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有 智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。 网络化 网络的任务主要是进行通信，共享信息。数控机床作为车问基本设备，它的通 信范围包括：( 1 ) 数控装置与数字伺服间的通信，比如通过s e r c o s 链式网络传送 数字伺服控制信息；( 2 ) 与上级主计算机的通信，一般通过以太网i ( 3 ) 与车间 现场设备及i o 装置通信，主要通过现场总线进行通信，如采用p r o f i b u s 等；( 4 ) 通过因特网与服务中心通信，传递维修数据：( 5 ) 通过因特网与另一个工厂进行 交换制造数据：( 6 ) 和上流的设计、工艺规划的信息共享和交流。随着网络技术 的发展，数控系统的通信要求越来越高。 1 2 数据交换技术和信息共享技术的发展 7 0 年代后期，随着几何造型技术的迅速发展，各种计算机辅助系统c a x ( 如c a d 、 c a p p 、c a m 、c a e 、c a t 等) 得到广泛应用，并在工农业生产中发挥着重要作用。诸 多的c a x 系统之间缺乏统一的数据模型和通信约定，以致使不同环节之间的数据 传递不畅通，需要专门的约定和人工参与。这种集成方式效率低，也难以实现。 因此，人们迫切希望各c a x 系统的产品数据直接通过计算机进行电子数据交换， 以提高数据交换的效率和准确性。于是开始了电子数据交换( e d i - e l e c t r o n i cd a t a i n t e r c h a n g e ) 标准的研究工作。解决这一个问题的关键在于制订一个能统一支持 产品全生命周期内各种活动( 包括设计、分析、制造、质量控制、检验、产品支 持等，并且为了做到这一点标准还必须涵盖几何、拓补、公差、约束、属性、装 配、尺寸和其他许多方面的内容) 的数据模型，s t e p 应运而生。从7 0 年代未期到 现在己出现了i g e s ，s e t ，v d a - f s ，x b f ，p d e s ，s t e p 等诸多标准。电子数据交换 的标准化主要的经历了下面三个阶段： 1 原始图形交换规范i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 起源于美国波音飞机公司1 9 8 1 年作为正式的国际标准颁布。 2 产品数据交换标准p d e s ( p r o d u c td a t ae x c h a n g es t a n d a r d ) 起源于美国 麦道飞机公司，1 9 8 2 年由美国国家标准和技术协会颁布，以后又被作为 i s o 的产品数据表达和交换国际标准的主要组成部分。 3 产品模型数据交换标准s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c t m o d e ld a t a ) 是1 9 9 1 年颁布的国际标准，特点是面向产品的全生命周期 s t e p 标准在1 9 9 4 年正式将它确定为产品数据模型的国际标准i s 0 1 0 3 0 3 。 从目前的趋势来看，各种数据交换标准都在向s t e p 靠拢。s t e p 标准i ；! i 】数控领 域进行了拓展，形成s t e p n c 。它是s t e p 标准中系列协议之一，定义了新的数据模 型，在c a x 和c n c 问建立了新的数据接口。下面介绍国内外对s t e p n c 的研究情况 1 3s t e p - n c 的研究现状 1 3 1 标准方面的研究 通过对若干行业对象模型的分析，s t e p 专家提出了一种“分子式”结构，通 过5 0 0 个标准“原子”来定义具体应用领域的对象模型。这种结构使同一代码可 以被不同生命周期应用，同时也可以被不同的行业应用。目前已制订或者正在制 订的s t e p 标准涉及到的行业有：一般机械设计，电子电路，飞机，汽车，造船业， 机械制造等。已制订的s t e p n c 标准草案f d i s 一1 4 6 4 9 涵盖了基本概念和规则 ( p a r t l ) ，通用数据( p a r t1 0 ) 、数控铣削加工( p a r t1 i ) 、铣削刀具( p a r t l i l ) 等。正在制订的s t e p n c 标准有：数控车削加工( p a r t1 2 ) 、电火花加工( p a r t1 3 ) 、 木材和玻璃的铣削( p a r t1 4 ) 、检测( p a r t1 5 ) 等多个部分。 1 3 2 数据库方面的研究 s t e p n c 定义的产品数据模型涵盖了几何模型协议( a p - 2 0 3 或a p 一2 1 4 ) 、特征 定义协议( a p 2 2 4 ) 、公差定义协议( a p - 2 1 9 ) 、工艺流程( 铣、车、e d m 等) 等。 所有这些信息必须通过一个智能接口集成到一个完整的产品模型数据库中。这方 面的研究当属美国s t e p t o o l s 公司于2 0 0 0 年开始的“超级模型”项目( s u p e r m o d e l ) 。在“超级模型”的开发中采用了两项s t e p 新标准：e x p r e s s x ( p a r t1 4 ) 和s t e p x m l ( p a r t2 8 ) 。通过x m l 语言将制造策略，刀具轨迹，刀具选择等与数 据库中的几何模型、特征、加工步骤等信息方便的联系起来。只需通过合适的标 签查出某项数据，“超级模型”便会自动找出加工策略、刀具方案等相关信息。 e x p r e s s x 规定了利用信息“原子”构建对象模型的技术和方法。这两项技术的发 展和应用方便了对大量数据的处理。简化了数控编程，为数控加工的网络化奠定 了基础。 1 3 3s t e p - n c 控制器的研究 s t e p - n c 的出现为数控控制器的研究提出了新的挑战。美国的s t e pt o o l s 公 司曾经组织演示并验证了c n c 机床直接读取s t e p n c 数据和智能化制造的可行性。 德国的s i e m e n s 公司，韩国的釜山科技大学也在积极进行控制器的研究。德国通 过在s i e m e n s 8 4 0 d 控制器上面加装了s t e p n c 翻译器和用户界面组成了一个 s t e p n c 控制器原型。它可以自动识别s t e p n c 数据。在显示屏上显示“工作步骤” 及其它必要的信息。得到确认后自动控制五轴数控铣床进行加工。韩国釜山科技 大学的s t e p n c 国家研究实验室在2 0 0 0 年6 月启动了为期5 年的研究计划，主要 进行从车削数据模型到智能化加工( 车削控制器) 的研究。 1 4 本课题提出的背景、意义及主要内容 1 4 1 本文的背景和意义 计算机在机械设计和制造领域中的应用带来巨大的经济效益。计算机应用技术 正由产品单元局部的应用( 如c a d 、c a m 等) ，向着在产品整个生命周期中的应用方 向发展，使企业已实现无纸化。数据量会爆炸式增长，数据计划和数据管理的问 题就出现了。一个企业中，往往有多个c a x 系统同时工作，由于这些系统数据格 式不统一，互不兼容，因此造成各c a x 系统之间数据交换的困难。此外产品数据 的长期保留和计算机软硬件更新换代周期加快也使以上问题更加严重。随着信息 技术，特别是i n t e r n e t 的迅速发展，数据交换的范围已经扩大到全球，多家企业 要求可以异地同时设计一个工程，这就要求能够跨地区在不同的平台上进行数据 交换。因此，如何有效管理数据和提高数据交换能力，保证正确的数据，在正确 的时间，以正确的方式，传送到正确的地方，是最大限度发挥计算机应用效益最 为关键的问题之一。 目前s t e p 标准是解决上述问题的根本方法。s t e p 标准是i s o 正在开发的国际 标准，它包括一系列的标准。s t e p 标准解决了产品全生命周期中数据描述的统一 问题，s t e p 标准解决了不同计算机应用软件之间的数据交换和信息共享问题。s t e p 标准从8 0 年代出现以来，由于其技术的先进性，已引起欧美各发达国家的高度重 视。它们都建立了国家级的研究机构，投入巨资进行研究开发工作。各企业积极 应用s t e p 标准，c a x 开发商也积极向s t e p 标准靠拢，推出基于s t e p 标准的应用 系统。s t e p 技术已成为各个国家提高全球市场竞争力的最重要的技术手段之一。 c a x 之间通过s t e p 标准实现了产品数据的统一描述。但是c n c 阶段采用 i s 0 6 9 8 3 ( r s 2 7 4 d ) ，使得从c a x 到c n c 无法进行畅通的、无损的信息交流。 s t e p 标准涉及到土建工程、机械、结构、电气、电子工程和船舶结构等众多 领域。数控s t e p 应用协议a p 2 3 8 是s t e p 标准在数控加工制造领域的推广应用， 虽然还未全部正式发表或者待正式投票通过，但是主体框架已经出来了。一些国 家和大公司已开始就有关应用工具进行研究和相关软件接口进行研制和开发。如 德国p r o s t e p 公司的p s s t e pc a s e l i b 工具和美国s t e pt o o l si n c 。公司的 s t d e v e l o p e r 工具集等。事实上，包括法国、同本在内的一些国家都早已意识到 数据交换接口软件尤其是s t e p 接口的丌发必须包含行政的与技术的双重权威，因 此这些国家都在政府的支持下相继建立了把s t e p 用于工业生产的专业公司，开发 相关的接口，实现电子数据的自由交换。 数控系统本身出现的问题也要求新的数据模型出现以代替原来的数据模型g 、 m 代码，s t e p n c 定义了为数控系统定义了新的数据模型。s t e p n c 解决了g 、m 代 码无法和c a x 系统直接进行信息交流和问题的反馈，s t e p - n c 包含丰富的工艺和加 工信息，如何s t e p n c 应用到实际加工中是我们所考虑的首要问题。 目前国际上对s t e p 标准系列的协议a p 2 3 8 也就是s t e p n c 进行研究的主要是 欧盟、美国、韩国、新西兰等工业比较发达的国家，我国尚未对s t e p n c 进行正 式的科研立项。针对我国对数控技术研究的状况，封闭式数控系统的研究我国处 在落后的阶段，开放式数控系统的研究我国虽然和世界是同时起步，但是研究状 况还是落后于工业发达国家，s t e p n c 的出现为我国的数控技术研究和世界的数控 技术研究前沿缩短距离提供了契机。它对我国数控技术赶上世界先进水平和中国 参与数控新标准的制定具有巨大的意义。 1 4 2 本文所做的主要工作 本文把所做的主要工作分为五章进行阐述。第一章从数控披术的发展历程和 数据交换和共享技术的发展历史出发，引入s t e p n c 的概念并对丌展s t e p n c 的 背景和意义进行了阐述。第二章对s t e p 标准和s t e p n c ( f d i s 一1 4 6 4 9 ) 产品数据 模型的组成、基本概念、s t e p n c 的提出进行详细的介绍。第三章中为本文所做的 工作进行了总体的规划，提出了工作的流程图和实现的方案。第四章对本文所使 用的工具和编程环境以及s t e p n c 数据模型和s t e p - n c 文件的格式详细的了解， 为信息的提取和处理奠定了基础。第五章中把提取出来的数据加入到数据库表中， 并把基于知识的加工和基于知识的数据库知识与基于s t e p n c 的数据模型结合起 来，提出了基于s t e p n c 的数控加工数据库的概念，并完成了把数据加入数据库 表模块的工作。 第2 章s t e p - n c 产品数据模型交换标准 2 1 引言 本章介绍s t e p 标准的内容和相关的概念，重点介绍s t e p n c 有关状况。分析 i s 0 6 9 8 3 ( g 、m 代码) 若干缺点，从中可以看到开展s t e p n c 研究的必要性。 2 2s t e p 简介及其相关概念 2 2 1s t e p 标准概述 s t e p 是产品模型数据交换标准( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g e o fp r o d u c t m o d e ld a t a ) 的缩写，它是一个描述怎样表达和交换数字化产品信息的i s o 标准 ( i s 0 1 0 3 0 3 ) 。它的正式名称是产品数据表达与交换( p r o d u c td a t ar e p r e s e n t a t i o n a n de x c h a n g e ) ，它提供了种独立于任何具体计算机环境的中性机制。它定义了 产品设计、开发、制造以及产品全生命周期所需要的信息定义和数据交换的外部 插述。产品数据的这种描述不仅适合于中性文件交换，而且是实现和共享产品数 据库交换信息及产品数据长期存档的基础，着眼于产品的整个生命周期中产品数 据统一模型的建立。数字化产品数据必须包括足够的信息来表达产品的整个生命 周期，包括从设计到分析、制造、质量控制测试、检测和产品支持功能。为了做 到这一点，s t e p 必须涵盖几何、拓扑、公差、约束、属性、装配、尺寸和其它许 多方面的内容。 2 2 2s t e p 标准的结构 s t e p 标准有很多部分组成，图2 - 1 所示为s t e p 标准的结构。 s t e p 很多部分已经完成并公布，但是很多还在发展当中。这部分标准除了专 门的工业信息外，还包括了一些通用领域如测试过程，文件格式和编程接口等。 e x p r e s s 语言定义描述了本行业产品所需要信息。“应用协议”组成了s t e p 标准的 主体，是s t e p 产品数据交换的基础。e x p r e s s 语言不仅能描述数据结构，还能表 达约束。这些一致性约束条件是数字化产品数据的一种显示正确性标准。s t e p 是 建立在e x p r e s s 语言上的，可以扩展的标准，可以拓展到任何工业。一个能够拓 展的标准一旦颁布，就不会过时。对任何需要交换的工程信息，这种语言均能规 范描述其结构和正确性条件。 s t e p 标准是国际性的，由用户开发而不是供应商。用户驱动的标准是面向实 际应用的，而厂家驱动的标准是面向技术的，s t e p 将会继续适应技术的发展因而 底层结构 信息模型 图2 - 1s t e p 标准的组成结构 可用于产品数据的长期存取“3 。 2 2 3 s t e p 标准相关概念 2 2 3 1 e x p r e s s 语言 e x p r e s s 语言是一种形式化信息建模语言，用以描述s t e p 标准中其他部分的 信息需求。它不是一种程序设计语言，不包括输入输出、信息处理、异常处理等 语言元素。它是面向对象、基于模式的语言。它除了数据结构外还描述约束，一 致性准则将防止二义性。它具有很多的优点： 1 不仅定义模型中的实体及其关系，还定义对实体及其属性所施加的约 束和操作； 2 3 4 能将抽象与具体的事务性分离，以适应不同层次用户的需要； 可在已存在的构件上再加上约束和属性，以便于生成应用协议； 它不仅可以用于描述概念模式，即s t e p 的逻辑层，还为所有实现形 式和其它有关工具奠定了基础。s t e p 中定义的每种实现形式均表示为 e x p r e s s 句法的映射。它不仅仅局限于s t e p 标准。 2 2 ，3 2 应用协议 应用协议对用到的子集进行完整而准确的描述。它实际上是一份文件，用以 说明如何用标准的s t e p 集成资源来解释产品数据模型文本，以满足工业需求。也 就是说，根据不同应用领域的实际需要，认定标准的逻辑子集，再加上必须补充 的信息。作为标准，强制地要求各个应用系统在交换、传输与存储数据时应符台 应用协议的规定。应用协议通过解释集成资源来满足特定应用的信息要求。它提 供了一组映射，显示集成资源的解释如何满足应用的信息需求。 2 2 3 3 集成资源 集成资源是s t e p 推荐使用的概念模型，是s t e p 标准的核心部分。它表达产 品信息，定义产品数据的全局信息模型。要支持某应用的信息要求，必须对集 成资源增加许多特定的约束和关系。集成资源应该是一个完整的产品数据模型， 模型的定义应精确、无二义性。 集成资源的组成分两个部分：通用资源和应用资源。通用资源在应用上有通用 性，与具体实现无关。而应用资源则描述特定领域中的数据，它引用和拓展被一 组相似应用所使用的通用资源，依赖于通用资源的支持。 2 3s t e p 标准的组成 s t e p 标准的体系结构可以分为三层：应用层、逻辑层、物理层。最上层是应用 层，包括应用协议及对应的抽象测试集 层次：第二层是逻辑层，包括集成资源 它面向具体应用，是与应用有关的一个 是一个完整的产品模型，从实际应用中 抽象出来的，并与具体实现无关；最底层是物理层，包括实现方法，给出在计算 机上的具体实现形式。这三层组织结构在形式上类似于数据库的三级模式结构( 外 模式，概念模式和内模式) 。 ， s t e p 标准的系列发布情况如下： 0 系列名称为概述，系列号为1 ； 1 0 系列名称为描述方法，系列号分别为11 、1 2 ： 2 0 系列名称为实施方法，系列号分别为2 1 、2 2 ； 3 0 系列名称为一致性测试方法和框架，系列号分别为3 1 、3 2 、3 3 、3 4 ： 4 0 系列名称为通用资源，系列号分别为4 1 、4 2 、4 3 、4 4 、4 5 、4 6 、4 7 i4 8 、 4 9 ； i 0 0 系列名称为应用资源，系列号分别为1 0 1 、1 0 2 、1 0 3 、1 0 4 、1 0 5 ： 2 0 0 系列名称为应用协议，系列号分别为2 0 1 、2 0 2 、，2 1 2 、2 3 8 ； 涉及到的组成部分有e x p r e s s 语言、集成资源、通用资源、应用资源、应用协 议、实施方法、文件交换、工作格式、共享数据库交换、知识库交换、数据共享、 一致性测试、抽象测试套件。 2 4s t e p n c 概况 2 4 1s t e p - n o 的提出 数控技术的研究朝着开放性、软件化、网络化、智能化发展。随着研究的深入， 数控数据接口的问题就凸现出来。数控系统使用了多年的g 、m 代码( 国际标准 i s 0 - 6 9 8 3 ) 已成为制约数控技术发展的一个重要因素”，也成为c n c ( c o m p u t e r i z e d n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 与上游c a x 系统集成的瓶颈。 g 、m 代码存在的主要问题： i g 、m 代码只是定义了机床的运动和开关动作，这种具体的动作与具体的机 床有密切关系，故很难实现代码的移植； 2 g 、m 代码所表示的产品信息不全，c n c 系统不可能了解产品，只是一个被 动的执行者，缺乏智能化基础； 3 从c a x 系统到c n c 系统的传输过程是单向的，加工中出现的问题不能及时 和有效的反馈到设计阶段，难以支持先进制造模式； 4 现场编程困难或者修改非常困难，对稍具复杂性的加工对象，g 、m 代码 由后处理程序生成o ”，增加了信息流失或者出错的可能性： 5 g 、m 代码覆盖面窄，生产厂商不得不丌发各自的扩充功能和专有指令，少 的不同控制系统之间互不兼容； 6 生产的准备时间很长，生产效率低。 在这种情况下，1 9 9 7 年欧共体的o p t i m a l ( o p t i m i z e dp r e p a r a t i o no f m 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 l c a m c n cc o u p li n g ) 计划定义了 一套面向数控铣削的数据接口，提出了s t e p n c 的概念。s t e p n c 是s t e p 向制造 领域的扩展，其基本的思想是使数控系统直接以基于s t e p 标准的三维c a d 模型加 工工艺数据作为数控程序，取代传统的g 、m 代码。工业发达国家已对此展开了 研究，主要的研究计划有欧洲的s t e p n c 计划、i m s ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n r s y s t e m ) ，美国的s u p e rm o d e l ，韩国的s t e p n c 计划等。目前s t e p n c 标准草案 f d i s i s o 一1 4 6 4 9 已形成。 s t e p 标准向n c 领域扩展，为n c 加工定义数据，形成了s t e p - n c 。从而定义了 c n c 系统独立的数据输入标准。应用s t e p n c ，c a m 的路径规划或者c a m c a d 集成 的系统可以产生独立的c n c 控制指令，送到数控机床立即执行。s t e p n c 利用s t e p 统一表征的c a d 设计数据，把制造信息加到设计信息罩面，形成s t e p n c 数控程 序。它不需要传统上的后处理程序，所以只要满足进行加工的条件，在各种数控 机床上面都是可以使用的。s t e p n c 实现了c a x 、c n c 之间的无缝连接，同时为数 控系统提供完整的产品数据，使得c n c 系统不再只是知道如何加工，还知道加工 的是什么，从而为研究数控系统的开放性，智能化和网络化奠定基础。 s t e p n c 对应的应用协议是a p 2 3 8 。a p 一2 3 8 基于s t e p 标准规定了c a x 和c n c 系统间新的数据模型接口。s t e p n c 和设计系统可以实现信息双向的、实时的交流 和共享，使制造方面和设计方面实现实时的交流，出现的问题得到及时的反馈和 处理一提高效率，节省时间。在设计、工艺、加工阶段的时间分别减少了7 5 ，3 5 ， 5 0 。 图2 2 表示了传统数控和s t e p - n c 之间比较。可以看到现行n c 和s t e p n c 的 主要区别是信息的流动是双向的。 后置 现有n c s