（机械制造及其自动化专业论文）基于stepnc的数控编程实现方法研究.pdf

摘要 s t e p n c 是国际标准组织在s t e p 标准的基础上发展起来的，面向数控加工领域的数 控接口，被国际组织定义为i s 0 1 4 6 4 9 ，其目的是实现c a d c a m c a p p 在产品整个生命周 期中的信息传递。新型数控标准不同于传统标准，s t e p n c 不仅包含零件的全部几何信 息，而且包括产品的制造信息等，对现代机械制造业的发展起到推动作用。 本文分析了新型数控标准的产生和发展，以及s t e p n c 标准的优势和传统数控标准 给现代制造业带来的限制。然后进一步分析了s t e p n c 程序结构及s t e p n c 的形式化语 言e x p r e s s ，通过分析e x p r e s s 语言理解s t e p n c 的内容和结构特点。本文同时介绍了 s t e p - n c 的实现方法，其中详细说明了s d a i 实现方法。 本文采用v i s u a lb a s i c 作为开发工具，通过建立e x p r e s s 语言和v i s u a lb a s i c 的 映射关系，利用v i s u a lb a s i c 编译功能，以s t e p 标准为基础最终实现s t e p 向s t e p n c 、 s t e p n c 向g m 代码的转换。本文重点研究了实现以上转换的s t e p n c 转换器和s t e p n c 解释器。s t e p n c 转换器实现了s t e p 数据向s t e p - n c 程序转换，在s t e p 基础上按照 e x p r e s s 语言结构特点，添加产品的制造信息：s t e p n c 解释器实现了s t e p n c 向6 m 代码程序转换，通过信息提取、特征识别及轨迹生成最后生成g m 代码程序。 关键词：s t e p - n ci s 0 1 4 6 4 9 数控标准中性文件 a b s t r a c t s t e p n c b a s e do ns t e ei se s t a b l i s h e db yt h ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z 矗t i o n i ti s u s e di nt h ef i e l do fc n c p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，d e f i n e da si s o 14 6 4 9 i ta c h i e v ei n f o r m a t i o n t r a n s f o i t l la m a n gc a d c a m c a p ps y s t e mi nt h e1 i f ec y c l eo fp r o d u c t n e wc n cs t a n d a r di s d i f f i e r e n tw i t ht r a d i t i o n a ls t a n d a r d s t e p n cn o to n l yh a v ea l lg e o m e t r i ci n f o i t f l a t i o no f p a r t s ，b u t a l s oh a v em a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n i tp l a yar o l eo fm o d e r nm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n to fn e wc n cs t a n d a r d t h ea d v a n t a g e so fs t e p n c s t a n d a r dn u m e r i c a ls t a n d a r d sa n dt h er e s t r i c t i o n sb r i n g e db yt r a d i t i o n s a n a l y z i n gt h e s t e p n cp r o g r a ms t r u c t r e ，i tl e a d st ot h ef o r m a ll a n g u a g e - e x p r e s s t h i sp a p e ra l s o d e s c r i b e st h ei m p l e m e t a t i o nm e t h o do fs t e p n ca n ds h o w st h es d a im e t h o d v i s u a lb a s i cl a n g u a g ei su s e da sad e v e l o p m e n tt o o li n t h i s s u b j e c t u s i n g i t s c o m p i l a t i o n ，i tb u i l d st h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne x p r e s sl a n g u a g ea n dv i s u a l b a s i c b a s e do i ls t e pa n du s e dv i s u a lb a s i c i tr e a l i z e dt h ec o n v e r s i o nf o r ms t e pt 0 s t e p n ca n dt r a n s f o r i l l a t i o nf o r ms t e p - n ct og mc o d e a n dt h i ss u b j e tp u tf o r w a r dt w o c o n c e p t s ：s t e p - n cc o n v e r t e ra n ds t e p - n ci n t e r p r e t e r s t e p n cc o n v e r t e ra c h i e v et h e t r a s f o r mf o r ms t e pt os t e p n c ，a d d i n gp r o d u c tm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o no nt h eb a s i so f e x p r e s sl a n g u a g es t r u c t u r a lf e a t u r e s ；s t e p n ci n t e r p r e t e ra c h i e v et h et r a s f o r m a t i o nf o r m s t e p n ct og mc o d e ，t h r o u g hi n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n ，f e a t u r er e c o g n i t i o n , t r a j e c t o r y g e n e r a t i o nt h ei a s tg e n e r a t i o n1 3 mc o d e k e yw o r d s ：s t e p n c ，i s 0 14 6 4 9 ，n cs t a n d a r d ，n e u t r a lf i l e s 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的发展，诞生于上世纪5 0 年代的数控加工技术已成为机械制造业广 泛应用的加工技术。但是数控机床编程和控制仍然采用上世纪5 0 年代的技术标准一 i s 0 6 9 8 3 。为了克服了i s 0 6 9 8 3 标准的缺点，在s t e p 标准基础上，s t e p - n c 标准应运 而生。s t e p n c 标准实现了c a d c a m 系统和c n c 系统之间的数据信息共享【l j 。 s t e p n c 标准集中在信息内容的标准化，s t e p - n c 程序中的几何数据部分可以直 接引用s t e p 程序的几何数据。这样的变化不论从软件、硬件、制造工艺和s t e p 数据 模型等各个角度上讲，都给c n c 机床带来跨越式的发展。 不同于传统的n c 程序，s t e p n c 为c n c 机床提供了面向对象的、详细的和结构 化的数据接口。这种数据接口最显著的特点是： 1 它是以特征为基础； 2 它详细说明了机械加工的几何信息、工具类型的选择以及执行操作和工作计划等。 s t e p n c 数控程序中包含加工工件的三维几何数据、制造和装配特征等信息。在 c a d c a m 系统中创建的产品信息，可以直接连接到所需的控制系统中。总之，s t e p - n c 将信息的无缝连接和全面共享的概念应用到产品生产中。在产品的整个生产周期内实现 信息共享。 1 1 传统数控标准 传统数控技术可以追溯到穿孔卡片时代，通过描述加工轨迹来表现产品的加工信 息。针对刀具轨迹的描述，产生出传统数控编程方法。传统数控编程方法是基于i s 0 6 9 8 3 标准，通过简单的代码( 如g 0 1 ) 和辅助信息( 如m 0 5 ) 描述刀具轨迹。因为描述方法 简单，不能支持复杂的几何形状描述，所以基于i s 0 6 9 8 3 数控程序是无法进行复杂的程 序编写。 随着制造业信息化的发展，给制造业带来了巨大的变化。2 1 世纪的数控设备在保证 速度和精度的同时，更加开放化、智能化、网络化。数控机床开放化功能使系统可以在 统一的开发平台上运行，最终使机床生产厂家和制造商等在同一的平台上实现信息共 享。智能化是开发系统可以自动简单编程，自动识别运算等功能。网络化是现代设备的 最大优势，可以实现虚拟企业，远程操作等功能。 1 1 1 数控编程的发展过程历程 工业化不断发展，机械制造业也由原来手工制造为主，发展到智能化、网络化的加 第一章绪论 工。同时要求数控编程也要适应制造业信息化发展的要求。 o 数控编程的发展经历了以下几个阶段： 1 手工编程 最早的数控编程是以手工编程为主，通过分析零件的图样，安排合理的加工工艺， 确定加工路线和制造参数，这些过程都是通过人手完成。所以简单的，点对点的描述， 表述零件的加工特征，但是遇到轮廓复杂的，几何形状不规则的零件，安排加工工艺， 计算参数就需要大量的计算过程，工作量很大、容易出错、更不容易保证零件的精准。 2 a p t 自动编程 2 0 世纪5 0 年代，产生了专门用于数控加工编程语言，编程简单、走刀灵活。通过 描述刀具轨迹表现出零件几何形状，但是相对复杂的零件，通过刀具的轨迹不容易描述 精确。 3 c a d c a m 集成的自动编程 现代计算机发展，很多c a d 系统都扩展了后处理器的功能，在零件设计后可以直 接通过后处理生成以i s 0 6 9 8 3 为标准的数控程序，并直接应用于c n c 机床中。但是每 个c a d 的后处理器只能在该c a d 系统中应用，不能实现c a d 系统的兼容f 2 j 。 随着计算机的发展，计算机参与到机械制造的编程过程，通常是通过手工或者计算 机系统进行编程，再通过某种接口传输到数控装置中。将计算机功能引入到机床加工中， 产生了计算能力强，速度快，存储能力强的c n c 系统，可以实现在c n c 机床上进行数 控编程。联机编程的方法不仅可以处理零件的几何信息、加工信息，而且可以与该机床 相关的小型数据库关联，实现简单的自动编程。 现代制造业不断发展，影响数控编程不断的改进，同时也使现代数控编程不断发展。 从传统的数控标准i s 0 6 9 8 3 到新型数控标准i s 0 1 4 6 4 9 。 1 1 - 2 传统数控标准 传统数控加工程序即g m 代码，是依据基于i s 0 6 9 8 3 标准定义的。也是目前广泛 应用的数控编程标准，通过描述刀具的轨迹，控制数控机床加工零件表面。 传统的i s 0 6 9 8 3 数控标准包括准备功能，刀具功能、进给功能、刀具功能、主轴功 能以及辅助功能等。准备功能即g 代码，主要表示机床运动指令，直线，圆，坐标设定 等，也是机床主要的运动指令。进给功能即f 代码，以f 为开头后面紧跟机床进给速度， 表示进给速度。刀具功能，通过t 功能实现，后面加上刀具号码，表现选择刀具类型。 辅助功能即m 功能，如正转、反转、冷却液开、停等功能。 目自i 应用较广的是法纳特系统和法格系统，两种系统虽然以i s 0 6 9 8 3 为标准，但是 系统识别的文件格式稍有不同，一般不能通用。 1 1 3 传统数控标准的缺点 现代数控机床的革新需要更高要求的数控标准，但是c a d 系统提供的零件数据不 第一章绪论 能直接控制机床，必须通过后置处理器将c a d 数据转换为g m 代码程序，后置处理器 具有针对性、不可共用，目前和数控系统相对应的后置处理器有上千种，造成信息共享 的障碍。另外i s 0 6 9 8 3 只能是c a d 系统向c n c 系统的单向流动，不能实现c n c 系统 到c a d 系统的信息流动，对后期程序的修改造成障碍。i s 0 6 9 8 3 标准已经成为c a x 与 c n c 之间的瓶颈，缺点如下【3 j = 1 g m 代码是通过定义刀具轨迹控制机床的运动轨迹，不含有零件的其他信息， 造成大量的信息流失，不能实现高度智能化、网络化； 2 i s 0 6 9 8 3 标准支持信息单项传递，不能从c n c 到c a d c a m 系统反馈信息，不 能满足现代制造业的要求； 3 生产效率低，准备时间长，不支持五轴铣削和曲线高速切削； 4 制造过程中的不可以在机床上进行程序修改以及加工可视化； 5 数控程序中除g m 代码表述内容外，还存在一些其他信息的简单表述，但是各 机床生产厂商没有使用统一的表述方法，所有针对同一个零件的同一种信息表达是不同 的，导致信息不能在不同控制器系统间兼容。 1 2 新型数控标准 为了解决i s 0 6 9 8 3 标准在c a x 与c n c 之间信息传递中的瓶颈问题，一种新型的数 控程序标准s t e p n c 弥补了传统数控程序的缺陷。可以直接将产品的几何特征和加工 特征以数据形式直接应用到n c 机床中。减少设计和制造时间，同时提高了零件加工的 效率。 s t e p n c 是欧共体于1 9 9 7 年开发的产品模型数据的数据交换标准，它将s t e p 应 用到c n c 领域 4 1 。s t e p - n c 含有数控机床加工程序所需要的全部几何数据信息。建立 起设计系统和制造系统之间数据交换的标准接口，实现了c a d c a m c n c 系统之间的 无缝连接，满足了c n c 系统开放化、智能化和网络化的要求。 1 3s t e p - n c 数控标准的优越性 目前广泛应用的产品生产过程中的所有数据信息流，存在很大的不足。传统数据标 准需要大量的数据转化过程，不仅费时而且在转换过程中会造成数据的大量流失，影响 数控技术的发展。这个重大的瓶颈关键点在于信息流的末端，也就是数控机床只能使用 i s 0 6 9 8 3 格式的程序标准。但是这种数据标准是使用在数控机床产生的初期，只需要简 单数据就可以满足要求。生产技术不断进步的今天，要求更高、更复杂的控制系统，传 递更多几何信息，工艺特征可以弥补手工操作的局限性。所以i s 0 6 9 8 3 标准无法满足要 求。 s t e p n c 在c a d 、c a m 和数控机床的信息流中起到了重要作用。s t e p n c 文件 第一章绪论 直接使用了c a d 系统数据，并且以相同格式直接读入数控机床中，不存在繁琐的转换 过程。所有加工工艺信息也是以同样的数据格式写进文件中，形成一个闭环信息流。 s t e p - n c 文件面向对象的信息模型，简化了几何信息编辑过程，创建了读取和修改功 能，以及更复杂的应用开发。具体程序链比较如图1 1 ： a c t u a lp n c e s sc h 3 藉ts t b p - n cp r o c t u s $ c h a i n 图1 - 1 传统数控系统和s t e p - i q c 数控系统的比较 由于其信息量大并且复杂，i s 0 1 4 6 4 9 标准分为了一个通用标准和几个特殊技术标 准。第一个成熟的s t e p n c 模块应用于铣削和钻孔加工中。与i s 0 6 9 8 3 标准相比， i s 0 1 4 6 4 9 标准应用在铣削和钻孔加工中，优越性十分突出，s t e p - n c 成为先进制造业 数据接口发展的关键。 1 4s t e p - n c 标准的国内外研究现状 9 0 年代中期，欧洲开展了设计新型数控程序接口的倡议。欧盟委员会和瑞士的专业 人士组成s t e p n c 标准评估组织。2 0 个制造厂商和科学合作伙伴加入到收集客户需求， 定义使用实例，实现铣削，电火花和木材，玻璃和石材的轮廓切削等。除了在大学实验 中使用，s i e m e n s ，d a s s a u l ts y s t e m e s ，o p e nm i n d ，c a d c a m a t i o n ，o s a i 和c m s 也开始研 究s t e p n c 在现代工业产品中的应用问题。 1 s 0 1 4 6 4 9 标准的工作小组决定使用i s 0 1 0 3 0 3 标准定义的几何模型，美国的s t e p 研究小组建立。特别是h a r d w i c k 博士( s t e p t o o l 总裁) 协助定义了数据元素以及s t e p 第一章绪论 的数据模型。美国从2 0 0 0 年起开始研究超级模型，目的是最终实现c a d 、c a m 和c n c 系统的集成。s t e p t o o l 公司是该项目的主要合作伙伴，并第一次实现了铣削加工测试。 2 0 0 1 年秋，超级模型与韩国国际i m s 组织合作研发s t e p n c 项目。除了以实现国际性 工程为目标更为交流经验，并进一步实现s t e p n c 标准。 韩国的两个不同的项目加入到国际性i m ss t e p n c 项目组中：p o h a n g 大学将 “n r l s n t 赠予s t e p n c 项目和汉城周边的大学联盟。n r l s n t 实验室参与了欧洲 联盟车削数据模型草案的制定。这个数据模型将在韩国和欧洲的合作伙伴的实行下验证 其功能。转化成i s 0 1 4 6 4 9 2 1 。实现快速原型模型的计划。 2 0 0 1 年，日本开展数字主控器项目，这个项目没有参与国际i m ss t e p - n c 的项目。 但是因为s a k a m o t o 博士在i s 0 1 4 6 4 9 项目组工作，所以数字主控器的思想，以及该项目 的合作伙伴将纳入s t e p n c 模型工作的范围中。 我国的制造业发展迅速，国家也大力支持，目前已经建立起数控开发和生产基地， 已经有一大批具有高素质的数控技术人才。但是针对s t e p 新型标准的研究仍然停留在 理论阶段，部分高校和企业联合进行研究。国内山东大学等高校的科研人员对s t e p 进 行了深入研究，并且取得很大成绩。 1 5 课题研究意义 s t e p n c 是近年欧美等国家提出的，正在积极研发的一种新型数据接口规范【5 j 。 其基本思想是采用符合基于i s 0 1 0 3 0 3 标准的s t e p 程序中所表示的三维几何模型，添 加上工艺信息后直接作为数控加工程序应用在数控系统中，解决了c a m 与数控系统之 间的信息流的无法实现信息共享的问题，弥补g m 代码的缺陷，并基于s t e p 建立起 支持产品全生命周期的信息通道。 s t e p 为产品生命周期每一阶段的数据信息提供了共享基础【6 】。s t e p 有两个部分组 成，一部分是产品信息模型的表示、另一部分是基于这些模型的信息交换与共享。s t e p 为产品信息模型的表示提供了信息建模的形式化语言e x p r e s s ，为基于这些模型的信 息交换与共享提供了中性文件转换方式以及标准数据存取界面s d a i ( s t a n d a r dd a t a a c c e s si t e m c e ) 7 1 。s d a i 在工程应用模型与e x p r e s s 描述模型间定义了一个功能界面， 这个功能界面能够为应用者建立起一个数据处理环境平台，实现数据信息共享。 s t e p - n c 的出现为机械化生产产生更重大的意义，它建立起c a d 、c a m 和c n c 的联系。成为促进数控机床系统发展的关键因素。s t e p n c 程序包含信息全面、更符 合现代制造系统的要求，具有丌放性和可移植性等特点，为网络化、智能化的制造系统 提供条件。 第一章绪论 1 6 论文章节安排 本课题主要研究s t e p n c 数控编程的实现方法，介绍了以s d a i 为方法的研究， 并结合v i s u a lb a s i c 编程语言针对s t e p 中性文件进行处理，开发出s t e p n c 转换器和 解释器。实现了s t e p 文件，s t e p n c 文件和g m 代码之间的转换。 本论文共有五个章节，第一章是绪论部分，说明了课题研究的目的和研究意义，传 统数控编程系统的缺点，以及基于s t e p n c 标准的数控编程有优点，介绍了国内外 s t e p - n c 标准的发展和取得的成绩。并且统筹安排后面章节的研究内容。 第二章介绍了s t e p 和s t e p n c 标准的内容和特点，以及s t e p n c 标准的详细信 息。重点说明了s t e p n c 数控编程的实现方法，s d a i 信息共享界面。以s d a i 为例说 明了s t e p 的具体实现方法，同时简单介绍了s t - d e v e p l o p e r 软件。 第三章介绍s t e p 和s t e p - n c 文件的结构，e x p r e s s 语言到v i s u a lb a s i c 语言的 概念和映射特点，坐标转化模式和转化方法。介绍本课题的研究对象的三维实体和s t e p 的a p 2 0 3 文件存储形式，并分析转换器和解释器的基本理论。 第四章介绍了s t e p 的另一重要实现方法，针对a p 2 0 3 中性文件的研究，结合v i s u a l b a s i c 6 0 编程语言，开发出s t e p - n c 的转换器和解释器。以及转换器和解释器的具体实 现方法和处理器的最终实现界面。 最后一章是对本研究的总结，说明了本次研究中的创新点和不足之处。同时 s t e p n c 标准的发展进行了展望。 第二章s t e p n c 数据类型 第二章s t e p - n c 数据类型 2 1s t e p 和s t e p - n c 标准 s t e p 是国际标准化组织定义的产品数据交换标准，该标准定义为i s 0 1 0 3 0 3 ，目的 是建立一种标准的、独立的、中性的信息表达方式，描述产品整个生命周期的数据信息。 s t e p 标准独立于任何计算机系统和控制器，提供了多种模块操倒引。 1 环境操作( e n v i r o n m e n t o p e r a t i o n ) ，用来初始化s d a i 实现( i m p l e m e n t a t i o n ) ， 主要功能是以对话服务为开始，创建和对话服务相应的实体实例。 2 对话服务操作( s e s s i o no p e r a t i o n ) ，主要功能是控制和调度对话过程所使用的 s d a i 存储的实体实例。 3 存储操作( r e p o s i t o r yo p e r a t i o n ) ，主要功能是控制、调度、制定和改变在存储 中的模型数据。 4 模型操作( m o d e lo p e r a t i o n ) ，主要功能是创建实体实例，验证实例或借助于规 则来实现完成的保证实体间引用的合法性，同时规定或改变模型的存取方式。 5 模式操作( s c h e m ao p e r a t i o n ) 6 类型实例操作( e n t i t yi n s t a n c eo p e r a t i o n ) ，可对s d a i 定义的应用模式和实体定 义的实体进行访问。 7 应用实例操作( a p p l i c a t i o ni n s t a n c eo p e r a t i o n ) ，支持访问、修改、删除应用模 型中的实体实例，验证应用模型中的实体实例的合法性。 s t e p n c 是国际标准组织在s t e p 标准基础上定义的，面向数控加工领域近新型数 控接口，该标准定义为i s 0 1 4 6 4 9 ，目的是实现c a d c a m c n c 系统之间的数据信息传 递。在针对c a d 系统生成图纸的调查q b l 9 。其中1 0 使用能够电子数据的形式转移到 n c 编程系统中，另外的9 0 是将几何体绘制轮廓燃尽转移到n c 编程系统中。s t e p - n c 直接使用了i s 0 1 0 3 0 3 的数据模型，引进“工步 的概念，可以直接使用数据形式将信 息转移到c n c 机床上，便于编写，修改，而且节省了图纸制作过程，大大提高了效率。 s t e p - n c 系统弥补了i s 0 6 9 8 3 标准的缺陷，实现系统间的无缝连接。 2 2s t e p - n c 内容和特点 2 2 1s t e p - n c 标准的详细信息 s t e p n c 是国际标准化组织制定的，详细信息在下列文件中【1 0 1 ： i s 0 1 4 6 4 9 1 0 ：2 0 0 3 年定义的通用数据模型标准，通用模型已经基本完成。 第二章s t e p - n c 数据类艰 i s 0 1 4 6 4 9 1 1 ：2 0 0 4 年定义的铣削数据模型：铣削模型也已完成并应用实践。 i s 0 1 4 6 4 9 1 2 ：2 0 0 4 年定义的车削数据模型：目前是研究中，实践中应用不多。 i s 0 1 4 6 4 9 - 1 3 ：2 0 0 5 年定义的放电加工数据模型：目前是研究中，实践中应用不多。 具体如表2 1 ： 表2 1i s 0 1 4 6 4 9 标准 i s o1 4 6 4 9 p a r t1 ：标准介绍 p a r t1 0 ：通用数据模型 p a r t1 1 ：铣削模型p a r t1 2 ：车削模型p a r t1 3 ：电火花模型 2 2 2s t e p - n c 标准的特点 i s 0 6 9 8 3 描述的零件程序，是通过描述刀具轨迹使用简单的程序代码( g m 代码) ， 控制机床。s t e p n c 的最大特点是它拥有高质量的信息【】【1 2 】【1 3 】。s t e p n c 接口根据制 造特征操作，以工步为产品制造的最基本单位。通过对加工特征功能的表述，使得产品 生产从原来料开始到最终成品都可以实现完整表述。 s t e p - n c 程序可以直接使用s t e p 程序中的几何数据信息，所以保证部分程序，把 准确和完整的信息传递到数控机床上。通过提供这些完整的数据模型，可以避免在信息 转化的不同阶段里的信息流失。与n c 机床向对应的特殊的后处理器也不再需要。丰富 的加工信息具有高灵活度，可以更改和校正最后一次的技术值，比如当工具失灵或者需 要更换的时候。因此，使c n c 控制器接口更加方便。 使用s t e p 描述原料和成品零件的几何信息，使得c a d c a m c n c 系统直接进行 信息交换，从而形成了高度的信息过程链。数控加工可以直接引用s t e p 程序中的几何 数据信息。例如在进行2 5 d 几何信息时，加工信息可以直接使用c a d 系统生成的几何 信剧m 1 5 】。这个技术可以成为最终生成文件的部分信息。这个新的标准不需要特定的后 处理器，使得开发，制造产品更加网络化。 从历史角度上看，可以了解到i s 0 6 9 8 3 要升级到i s 0 1 4 6 4 9 的原因。s t e p n c 是从 控制终端上进行处理。i s 0 6 9 8 3 研究的是怎样做，s t e p n c 研究的是做什么。这就意味 着机器和操作者可以更灵活的处理更换刀具以及甚至突然关机等问题。 s t e p n c 不仅可以灵活应对不同的生产条件，而且可以创新工艺如电火花( e d m ) ， 这些在生产过程产生关键作用。我们只需要一个独立的c a m 系统进行产品程序的微调， 而不需要一个新的设备。新型工艺发展和传统的c a m 系统之间存在时间滞后。s t e p n c 使传统的开发和控制与工艺相互适应【l6 】。例如：i s 0 1 4 6 4 9 第1 3 部分连接第l o 部分定 义了s t e p n c 数控线切割数据模型。几何信息清楚地同技术特征区分开。图形的几何 特征可以通过b 样条曲线和曲线定义的方式实现。因为其具有普遍性和通用数学形式， 对刀具路径生成有更多的帮助。s t e p - n c 标准的优剧1 7 】： 1 传统方式采用线和圆弧来表述几何体，导致几何信息不一致； 2 明确性方式提供了更完整的几何描述； 第二章s t e p n c 数据类型 3 实现真j 下的3 d 实现法： 4 重参数化，使表面过渡连续化。 2 3 基于s t e p - n c 的数控实现方法 2 3 1s t e p - n c 的数控实现方法 s t e p n c 采用一种特殊的方式实现数据的共享，s t e p - n c 共有三种实现方法： 1 中性文件 中性文件有可称为s t e p - n c 物理文件的实现方法，以纯文本的方式表述，按照 e x p r e s s 数据的语法结构编码，建立起映射关系1 8 】。s t e p - n c 和s t e p 的中性文件结 构类似，但是s t e p - n c 表达信息更加全面，不但含有几何信息，而且含有产品加工的 工艺和制造信息等。 2 s d a i 标准数据存储接口，通过建立在s d a i 的应用软件，通过数据存储接口访问不同的 存储方式下的信息。下面详细说明s d a i 的实现方法，这里就不再重复。 3 x m l x m l 是计算机智能化，网络化的产物，可以实现互联网上的数据传递，可以实现 远程控制【1 9 】。但是x m l 语法不能全面的说明s t e p n c 系统的数据，需要按照e x p r e s s 形式化编程语言编译【2 0 1 。 具体如图2 1 ： 图2 - 1s t e p 的实现方式 目前s t e p n c 数控系统的实现方法大多在研究阶段，s d a i 和x m l 方式研究较少， 中性文件实现方式研究和应用相对多，本课题同样适用中性文件的方法实现s t e p n c 第二苹s t e p n c 数据类型 数控程序。 图2 1 表述的应用活动模型和应用解释模型是属于s t e p 应用协议范畴。s t e p 共包 含四个应用协议，每个协议之间具有相对独立性，同时又存在相关连的部分，主要包括 四个部分。第一部分：应用活动模型，图形化的形式表示的模型，表述研究系统的过程， 功能需求和信息流等信息。应用活动模型被看成一个模式，每个活动被看成实体，活动 输入信息是实体属性。一个活动可以看成活动的父类和各级子类，子类可以继承父类的 属性和与约束：第二部分是应用参考模型，在应用领域中所支持的语言，为工业专家进 一步理解分析提供当便，通过定义数据和数据之间关系和约束来表述的。第三部分是应 用解释模型，这个协议部分可以有计算机处理完成：第四部分是一致性类，两个信息进 行信息交换需要符合两个条件，其中一个是同一应用协议，另一个是满足一致性的要求。 2 3 2s d a i 实现方法 s d a i ( s t a n d a r dd a t aa c c e s si n t e r f a c e ) 是s t e p 的重要组成部分，是产品在设计， 开发时能够实现信息共享的标准数据传输接口。s d a i 工作草案是i s o 组织与1 9 9 2 年 1 0 月颁布的，使s t e p 模型得更加全面和详细。s d a i 同样适用e x p r e s s 作为基本建 模语言来实现各种应用，这些应用不要求数据的组织，管理，存储等结构，只是实现所 需信息间的数据信息交换。它不但实现了数据存取功能、分析了形式化语言e x p r e s s 的建模数据。而且可以通过e x p r e s s 建立起不同程序设计语言和s t e p 之间的桥梁， 使得s t e p 的产品信息得到充分的共享和应用。 s d a i 是建立在e x p r e s s 模型之上的各种应用，这些应用程序是从数据库系统中 存取所需要的信息【2 。程序存取数据信息的时候不会分析数据的存取模式，管理结构以 组织方法等信息。它不仅提供了针对e x p r e s s 数据模型结构的数据进行交换的服务， 而且为e x p r e s s 语言模型，e x p r e s s 描述了s d a i 的三种数据模型分别是数据字典模 型，抽象数据模型以及对话模型。针对三种模型进行s d a i 的操作可以分为以下几种具 体操作：环境操作实体实例操作存储库操作聚合操作模型操作模式 操作类型操作对话操作应用实例操作s d a i 模型操作等田j 。 s d a i 标准使应用系统可移植性提高了，它不仅可以访问e x p r e s s 数据模式，而 且提供一个共享的、集成的应用环境，所以s d a i 比中性文件的交换方式具有更高水平 的信息共享和集成。 1 、s d a i 与中性文件的比较 s t e p 实现的两种基本方式是中性文件和s d a i 。从标准定义上说，中性文件方式采 用数据存储方式，s d a i 方式采用数据访问方式；从实现重点看，中性文件方式采用文 件交换器实现，s d a i 方式采用从e x p r e s s 语言到数据的存储系统的转化以及语言数 据结构设计和产品数据访问；从应用系统访问方式上看，中性文件采用基于本系统的模 型数据，s d a i 采用基于e x p r e s s 语言的数据模型；从提供应用环境上看，中性文件 方式中各系统独立运行，不相干扰，s d a i 构造出一个既分布又集成的数据库，并提供 各个系统访问。具体类如下表2 2 ： 第二章s t e p n c 数据类型 表2 2s d a i 方式与中性文件交换方式比较 p 标准定义瑟次+实现重点。童嘎系袭访溺数据1应罨环境。t 孛性文件方式i数据存罐墓一支绎交接器。以本系统篷息嫫型各个系统独立 为基乏窭彦鲁数李暑。 运行p s d a i 方式一数据访惩墓一实现语言数据以e x p r e s s 数藿漂可以形或一个 结构设计和产式为基础的数据p集嚷的声品数 品数提访阍p据毒并提供访 阍一 2 、s d a i 工作原理 s d a i 是实现的重要方法之一，它提供了访问e x p r e s s 语言定义的数据界面，定 义了e x p r e s s 实体实例的编程接口，使得设计者能够按照e x p r e s s 语言规律进行操 作1 2 3 。s d a i 应用使得程序的存取独立于c a d 应用系统，并且为c a d c a m 应用系统 提供一致性，规范性的操作环境【2 4 】。s d a i 为计算机应用系统之间提供了操作平台，解 决了应用系统信息交换的缺点。 s d a i 模型是s d a i 的数据单元，s d a i 环境模型包括数据字典模型和对话服务模型， 数据字典模型主要用来存储以e x p r e s s 语言模式描述的s d a i 数据，对话服务模型用 来定义s d a i 运行中的若干实体【2 5 】。s d a i 的抽象数据模型提供了s d a i 操作中所需的 抽象数据描述1 2 6 1 。s d a i 操作规范主要提供了接e l 内容。s d a i 错误规定定义了s d a i 出线的各种错误的标准规范。s d a i 语言联编是针对e x p r e s s 语言结构的数据模型进 行存取操作的接口。 s d a i 的实现可以分为四个层浏2 1 卫 ( 1 ) 内存工作区：s d a i 数据存储具有可共享的内存的功能，可共享内存中的数据信 息以e x p r e s s 语言数据结构方式存储的，应用程序通过访问s d a i 的内存数据的数据 信息，实现信息共享。 ( 2 ) 文件读取方式：与s t e p 的中性文件不同的是，s d a i 的文件读取方式是通过 s d a i 来读取中性文件，将中性文件读入内存中，在内存工作区中进行读取。而s t e p 中性文件交换方式是通过文件交换器来实现的。 ( 3 ) 数据库读取方式：数据库存储模式是一种集成化的数据模式，用户可以利用数 据库进行数据查询。 ( 4 ) 知识库的方式：这种方式具有数据库的所有特点，通过用语义网络，结构等方 式表示e x p r e s s 中的规律，但目前研究较少。 3 、s d a i 语言联编 s d a i 在联编方式，实现语言，数据存储等方面灵活性很强，目前针对s d a i 的研 究已经趋于灵活性，主要集中在两个方向【2 8 】： e x p r e s s 语言到数据的存储系统的转化： 语言数据结构设计和函数的最终实现。 s d a i 可以通过编程语言来实现，即s d a i 语言联编，其中应用最广的语言是c ， c + + 等，联编方式分为两种，一种是早联编，两一种是晚联编。晚联编是建立在数据字 第二二章s t e p n c 数据类型 典的基础上，应用较广。早联编则是建立在某一种具体的模式之上。早联编可以使用编 译器编译的检查功能，然后很快的确认程序中的错误信息，同时可以对程序进行优化， 使代码可使用性提高，最终提高了程序开发的效率。但是早联编也存在缺陷，在程序运 行过程中不可以改变程序中的变量，所以降低了程序的灵活性。晚联编在程序运行的过 程中确定了实体类型，属性和类都是可以通用的，因为不需要涉及具体的数据类型，所 以实体类型处理起来更方便灵活。但同时晚联编也存在缺点，程序运行过程中类型信息 一直存储在s d a i 数据字典中，所以不能直接对属性进行操作，需要具体操作时相对早 联编方法存在滞后性。 通过上述分析可知，早联编和晚联编在实体创建和信息读取时不同的。早联编在程 序运行开始已经确定了实例e n t i t yd e s c r i p t o r ，晚联编在程序运行过程中建立起程序对应 的e n t i t y d e s c r i p o r 。如图2 2 ： 致琚早兵仔储买体买明 e n t | t ys t e p ls t e pl a b n b u t e s d a l 的i f 境臂皇i管理 系统管理d e s c r i n t o te n t i wla t t r i b u t eid i s c r i o t o r 读取实唪类型 根据实体类型名创建耍体实例 根据名韵确认实锌实例并i l 用 创建乓体实例 创建；体中包 的全都月i 性 创重对应属1 1 图2 - 2 实体创建，实体信息读取 4 、晚联编 由于零件实例的数据模型结构具有多层次的特点。所以建立在这样数据模型结构 上的零件实例可以采用分层式树状的数据结构。整个零件实例根据程序中的项目 ( p r o j e c t ) 确定的。是分层式树状结构的根节点，下面一层式工作计划( w o r k p l a n ) ，再 下一层是工步( w o r k s t e p ) ，工步中包含零件加工工艺，操作，刀具信息，公差信息等 内容。以这样的方式建立起树状结构。树状结构的层数是在读取程序之后确定的，根据 s t e p n c 程序的具体内容，最终决定树状结构的结构和层数。具体如图2 3 ： 第二章s t e p n c 数据类型 l p r o j e + t | l 毒l iw r k p l a n l | u y t , ，r k p l a n f l ll il w o r k s t e p i l w o r k s l e p1 2 1 v k or k + l c pt ， ll ； il i t s 纯a l l i r c ) p c r a l i o n l 嬲警豹l j 扫f e | 一i t ”p c r a t i o n l l c a t l h c i 图2 - 3s t e p - n c 树状结构 上图表述了零件实例数据的树状结构， 实体实例必须通过其他的实体实例来描述， 性中不包含其他实体实例。 根节点是项目，中间节点是实体实例，这些 叶节点同样是实体实例，这些实体实例的属 以晚联编为例，通过c 抖编程语言说明s d a i 环境下实体创建以及实体信息存取过 程。因为在程序运行过程中简历了实体类型，所以实体类型建立和实体实例确定是在时 空上是一致的。 s d a i 定义了实体实例的模式和操作，但是没有直接给出s d a i 和c + + 对应的数据 结构【2 9 】。所以为了实现程序信息的存取，需要先建立起实体实例结构，建立起s t e p n c 数控加工程序到c + + 程序的映射关系【3 0 1 。实体实例分为三部分，第一部分是s d a i 接口， 第二部分是实体属性，第三部分是数据字典