（机械制造及其自动化专业论文）基于stepnc的特征建模及工艺设计系统研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 随着step-nc在数控机床接口标准逐步完善，数控技术将得到迅速发展，成 为当今国内外研究热点之一。 欧美发达工业国已在此领域上投入大量资源并取得 一定的成果。我国虽然从上世纪70年代开始研究数控技术并获得一定的成功，但 是与国际先进数控技术仍有很大的差距。 本文从熟悉step与step-nc标准开始， 在step标准的原理及方法学基础上建 立基于step-nc的特征建模及工艺设计系统，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，为计算机集成制造系统提供一定的借鉴意义。 为了实现制造特征自动生成及其工艺信息设计， 研究了iso14649、 step ap238 应用协议，剖析了step和step-nc标准，掌握了express对实体的定义以及 express对实体的关系与继承性，从而熟悉了标准中加工特征、工艺信息等数据 的描述。 根据 iso14649-10 标准制造特征的定义， 在 ug 环境下利用户定义特征功能构 建自定义特征库。在设计零件时，按照零件规格直接从特征库调用特征模型并输 入特征尺寸参数建立特征，为基于 step-nc 的工艺设计系统针对零件上各个特征 进行工艺规划奠定基础。 按照 step-nc 协议的内容，在基于 step-nc 的特征建模系统中，针对已设 计的零件中各个特征提取特征尺寸信息，并对其进行工艺参数设计。在 step-nc 数据库中储存上述的特征尺寸信息与工艺信息，为 step-nc 文件生成提供数据支 持。 本文在 ug 6.0、vc#2005 和 access2003 集成环境下，开发了基于 step-nc 的特征建模及工艺设计系统，实现了从特征库调用相关特征设计零件，并可交互 式输入工艺信息，将上述数据存入数据库中。 关键字：step， step-nc，特征，特征尺寸信息，工艺信息 沈阳理工大学硕士学位论文 abstract with the gradual perfection of step-nc in cnc machine interface standards, cnc technology will be developed rapidly, which becomes one hotspot of the current researches at home and aboard. euramerican developed industrial countries have already invested massive resources in this field and obtained certain results. although china has started the study of nc technology and accesses to certain success since the end of 1970s, there is still a big gap between our country and the international advanced nc technology. this article started with familiarizing with the standards of step and step-nc.a feature-based modeling and process design system which could make the realistic and reasonable evaluation mechanism and the overall plan from a technical perspective was established based on step-nc with the principle and methodology of step standard,which would provide a certain significance for cims. in order to achieve automatic generation and the technics information design of the manufacture features, iso14649 and ap238 application protocol were studied and the standards of step and step-nc were analyzed while definitions of the substantiality in express and the relationship and heritage between the substantiality and express were mastered,and the data(such as manufacturing features and process information ) description in the standard of step-nc was familiared,too. according to the definition of manufacturing features in the iso14649-10 standard, a customized feature library was built used in ug with user defined feature.the features were established by transferring feature model directly from the feature libraries and inputting feature dimension parameters according to parts specifications in the design of parts,which layed the foundation for process planning for the various features of parts by the process design system based on step-nc. 沈阳理工大学硕士学位论文 according to step-nc standard, the feature dimension information for each feature in the parts having been designed was extracted and the design on the process parameters was carried out in the feature modeling system based on step - nc.and the the feature dimensions information and process information was stored in step-nc database, which provided data support for the generation of step-nc files. a feature modeling and process design system was established based on step-nc in the integration environment of ug 6.0, vc# 2005 and access2003, which achieved the transfer of related parts from feature libraries and inputted the process information into a database by interactive inputting. keywords: step, step-nc, feature,feature dimensions information, process information 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 课题研究的背景与意义 1.1.1 课题来源 本课题题目是:基于 step-nc 的特征建模及工艺设计系统研究,是沈阳市科学 技术计划项目(f10-205-1-39)。 1.1.2 课题研究的背景 1952 年世界第一台三坐标数控立铣床在美国 parsons 公司与麻省理工学院 合作下试制成功。 1954 年第一台工业用数控机床由美国 bendix-cooperalion 公司生 产。当时机床由电子管控制，随后经历了用晶体管控制、集成电路控制(nc)、计 算机控制(cnc)、直到用微处理控制(mnc)。数控技术到目前为止已经为第六代， 先后经历了电子管时代、晶体管时代、小规模集成电路时代，小型计算机时代、 大规模集成电路时代和基于 pc 时代。现代数控机床的发展除了传统数控体系结 构，追求高生产率、高精度和网络化外，计算机集成制造逐渐成为数控技术发展 的主流。而我国从 1958 年开始研制数控机床，20 世纪 70 年代初广泛发展，数控 技术在车、铣、钻、镗、磨、电加工等方面得到应用，并制造出加工中心。经过 三十几年的发展，我国数控机床的发展已经进入了成熟阶段，成为当代机械制造 业的主流装备1-3。但是，我国数控技术与国际先进数控技术还有很大的差距，这 种差距也随着现代数控技术的发展越来越大。 随着数控技术的不断发展，数控加工问题越来越突出，主要由于不同设备传 递产品信息标准仍是 iso6983，这种基于低级代码（g/m 代码）的接口形式已成 为数控系统集成的瓶颈，严重阻碍了数控技术以及制造业的发展。概括起来， iso6983 主要有以下缺点4-11： 1.不能完成比较复杂的加工任务，只能提供一些简单的直线和圆弧插补功能， 例如无法完成样条曲线插补功能。 沈阳理工大学硕士学位论文 -2- 2.g/m 码编程根据刀具中心点进行编程，而不是针对工件上具体加工特征进 行编程。 3.iso6983 编写数控程序仅仅包含 cad/cam 中的一部分信息， 一些信息如工 件的几何信息、工件材料信息和精度等信息在传递和交换中丢失，以至于数控机 床简单执行 g/m 码编程轨迹。 4.由于 g/m 代码从 cad/cam 系统到 cnc 系统传递是单向的， 制造系统中下 游信息难以反馈给上游，无法实现 cad/cam 和 cnc 系统的集成。 5.由于厂商和最终用户开发的许多扩展功能未能标准化， g/m 码编写的程序在 不同数控系统之间不具备可交换性。 6.机床上不能实现实时刀具路径自动生成、碰撞检验、图形加工可视化和复杂 nc 程序修改等功能。 为了克服iso6983的缺点， 1997年欧共体通过optimal(optimised preparation of manufacturing information with multi-level cam-cnc coupling, esprit iii 8643,1994-1997)12计划， 首次提出了 “step-nc(standard for the exchange of product model data) 13概念，以取代 iso6983, 于 2001 年底形成了国际标准草案 iso-dis-1464914-19。 step-nc 提供统一的标准数据模型来规范 cad、 capp、 cam 与 cnc 之间传递与交换数据信息， 可实现 cax 与 cnc 之间双向信息传递与交换 20。本课题基于 step-nc 技术，提出在 vc#2005、st-developer 和 ug6.0 集成环 境下，开发一个 step-nc 平台，实现 step-nc 制造特征的自动生成、特征信息 提取、 工艺信息设计和 step-nc 文件生成等功能， 并以此为基础,对基于 step-nc 的特征建模及工艺设计系统方面做了一定的研究。 1.1.3 课题研究的意义 随着先进的数控技术的迅速发展，传统数控接口标准 iso6983 出现不少问题， 已经不适合计算机集成制造系统的发展。1997 年，欧共体提出了一种新的数控接 口标准 step-nc，将给 cad/capp/cam/cnc 集成带来新的变革，欧美各国都开 始对 step-nc 标准进行研究并取得一些成果。虽然我国数控机床技术已经取得不 少的成就，但是与发达工业国家相比，仍有很大的差距。step-nc 研究对我国国 产数控产业甚至制造业发展有着积极的意义，可大大缩短与工业发达国家之间的 差距，因抓住千载难逢发展机遇。 第 1 章 绪论 3 step-nc 是一种逐步完善的数控加工技术接口标准，使得 cax 与 cnc 之间 进行双向无缝连接，数控加工系统发展更具智能化，将引发数控技术领域一次变 革，对数控技术乃至制造业的发展产生重大的影响。主要体现如下21-22： （1）step-nc 促进网络制造的发展，可在全球任何的地方通过互联网可与其 他地方的机床进行交换与共享数据。 （2） 只要满足 step-nc 要求的条件， cnc 机床就可直接使用 step-nc 文件 进行加工零件，不需要进行后处理。 （3）step-nc 可实现零件设计阶段和制造阶段的数据进行双向交换与共享， 可将下游的修改的信息反馈到上游的设计部门并保存到数据库中，以免出现代码 重复。 （4）step-nc 可大大减少了零件设计与加工时间，cad 阶段设计模型可减 少 75%，capp 阶段工艺规划时间减少 35%，cnc 阶段加工时间减少 50%。 本课题是实现基于 step-nc 的 cad/capp 集成问题，分析了 iso14649-1015 的制造特征标准定义和 step-nc 的数据模型与数据结构，在特征自动生成方面， 建立自定义特征库，采用选取合适的毛坯（圆形，长方形等） ，并从特征库中选取 制造特征，设计其特征信息，按照机械加工切削原理，特征定位于工件上与工件 进行布尔减运算，以制造特征为桥梁实现 cax 之间无缝连接。在特征信息提取方 面，直接在 cad 用户界面中提取各特征信息，为工艺信息模块中几何体信息提供 参考，从而避免了先生成 step 文件再从其提取几何信息，简化几何信息提取步骤 并节省一些时间。在工艺设计方面，按照 step-nc 协议建立 step-nc 数据库， 设计工艺设计信息并储存在 step-nc 数据库中，为 step-nc 文件生成准备完备 的数据。在 step-nc 文件生成方面，调用 step-nc 数据库中几何信息和工艺信 息生成 step-nc 文件，从而为下游数控加工提供几何体信息和工艺设计信息以方 便根据实际加工环境修改加工程序，并反馈给上游 cad 建模，实现信息数据双向 传递。本课题研究中的所有数据都是符合 step 标准（工艺部分采用 step-nc 标 准，而 step-nc 是 step 向数控技术领域延伸与拓展） 。在 cad 中基于 step 特 征建模，以制造特征为主线对零件进行 capp 工艺信息设计，再生成 step-nc 文 件，step-nc 文件将作为数控机床接口直接输入，将为数控技术提供广阔的发展 空间，也将实现 cad、capp、cam 与 cnc 之间传递和交换信息不丢失，并且 沈阳理工大学硕士学位论文 4 双向传递数据信息。 制造特征自动生成和面向特征的工艺设计是基于step-nc数控编程首要解决 的问题，为生成 step-nc 数控加工程序提供必要条件。生成 step-nc 数控加工 程序是 cax 与 cnc 之间无缝连接关键技术之一。因此本课题研究的以特征为主 线，对生成 step-nc 数控加工程序有着极其重要的意义。 1.2 国内外研究现状 随着欧共体提出 step-nc 标准后，各国，特别是欧美发达工业国，投入大量 的物力、 人力和财力进行 step-nc 的研究并取得了一些成果， 我国也在 stpe-nc 研究上取得一些进展。本节介绍了基于 step-nc 的特征建模系统和基于特征的工 艺设计系统的国内外研究的现状。 1.2.1 基于 step-nc 的特征建模系统的国内外研究现状 目前特征技术被认为是解决 cad/cam 和 cnc 集成的一种重要的方法。 特征 技术主要包括特征识别和特征设计两种。特征识别主要是在现有 cad 的基础上， 通过人工或自动识别特征并加入工艺信息。目前在特征自动识别系统方面的研究 取得一定的成就，但对复杂模型的形状特征识别很难处理，只能通过交互式进行， 如相交特征及包含特征23。特征设计则是从设计一开始， 在零件模型中特征提供丰 富的零件信息，并实现与后续过程信息共享和集成。它先建立用户自定义特征库， 将各种特征的定义放在特征库中，使用时从库中调出，并给出它的尺寸，位置参 数和各种非几何信息。基于特征建模实际上是特征实例化的过程，以实例特征为 基本单位构建零件信息模型，设计效率高。它的建立符合 capp/cam 需要的特征 模型，实现了 cad/cam 无缝链接，自动化程度高24。目前在特征建模方面也有 一定的研究，如下25-35： 美国亚利桑那大学的 j.j.shaha 和 m.t.rogersa 在 1988 年介绍了一个集成设计 和制造的系统。它是一个用于零件的设计，记录和评价的系统，并形成了零件设 计的框架和映射与应用的规则。系统使用这种方法自定义一个库，再用这个库设 计设计者所需的特征。一旦自定义库建立，设计者可以使用库来定义零件。本系 统包括三个模块，每一个模块分别定义一类特征。这些模块分别是预定义特征模 块，精度特征模块，材料特征模块。在一个设计特征模型中，每一种模型都被用 第 1 章 绪论 5 于设计特征和特征信息。人工智能技术也已应用于特征建模中，使特征建模可设 计更复杂特征，并整合 cad 成为下一代有效的 cad 工具。 liang-chyau sheu 和 james t. lin 在 1993 年 提 出 一 个 设 计 模 型 feature-dependency graph（fdg）,适用于定义和操作特征。由 5 个基本成分组成： 边界表示法构造实体、测量实体、尺寸大小、位置和约束,是用来描述一个单一特 征。在 fdg 模型中,尺寸用于确定特征的尺寸大小和位置。这个属性使得操纵特征 更符合设计者的意图。 t. n. wong 和 k. w. wong 在 1995 年介绍了面向对象的基于特征设计系统,用 于集成计算机辅助设计(cad)和计算机辅助工艺设计（capp） 。该系统中提供了在 一个 csg（构造实体几何法）-基于几何建模和工艺设计一个交互式界面。在这个 项目中使用几何建模是常用的 autocad 的更高模式延伸 ame(advanced modelling extension)。面向对象的概念提出了集成的概念。基于特征设计系统的输 入是工件的对象属性值。 基于 ame 几何建模实际上是基于 csg 实体建模,这将确 保输入的几何特征有效性。根据在基于特征映射系统中描述信息，设计信息将会 被转换成适当的工艺设计和加工工步。 广西大学的苗剑在目前特征建模技术的基础上，在 1999 年设计开发了基于特 征的箱体类零件植入特征建模子系统，具有特征建模参数化、工艺信息集成、面 向对象模块化以及直观等优点。此系统以特征为基础包括箱体零件总体信息、制 造特征造型、方位面选择、特征定位和特征修改等模块。建立了特征数据库并完 成了接口设计，为后续 capp 信息集成、工艺规程提供了良好的基础。 哈尔滨工程大学的许国玉等对零件基于成组技术和并行工程的基本原理在 2002 年进行回转体特征建模方法研究，它采用基于特征设计的特征建模方法，其 工作步骤大致如下：用户直接用特征实例化设计零件，即将用特征库实例化特征 后，以实例特征为单位构建特征模型。结果表明在生成零件图时提取 capp 所需 的几何信息和工艺信息，解决了 cad/capp/cam 系统中信息共享与交换问题， 对先进制造技术的发展有着工程实用价值。 辽宁工程技术大学的秦洁和唐玉采用面向对象分析方法在 2003 年建立了基于 特征的产品信息模型，从系统框架、功能实现和应用实例方面阐述了系统构成原 理，引入特征数据库的概念，将产品特征设计与产品特征数据管理有机的结合， 沈阳理工大学硕士学位论文 6 形成共享产品信息数据库。实践证明该产品信息模型能为设计、加工等提供完备 的信息。苏猛和魏永乐于 2006 年在辽宁工程技术大学使用 autocad2004 软件研 发了基于特征设计的零件特征建模系统。系统主要包括特征设计模块、特征管理 模块和数据库模块。该系统中形状特征不仅包括了设计阶段的几何信息，而且还 包括了中下游的 capp、cam 所需的工艺信息和制造信息。它的实现证明利用在 现有 cad 系统的实体造型的基础上， 开发特征建模系统是实现 cad/cam 集成的 一种简单而有效地方法。 s. m. amaitik 和 s. e. kilic 在 2005 年提出了针对长方体的基于 step 特征 建模，高级别实体特征在零件设计时可被使用。本系统由三个步骤组成。第一步， 选择工件形状和尺寸。第二步，选择特征并与工件进行布尔加或布尔减。下一步， 设置信息定义特征尺寸，特征定位，特征方向和其它属性（如表面粗糙度，公差 等。 ）上述数据以 step xml 格式导出一个文件。这文件在不使用复杂特征识别情 况下进行 cad/cam 集成。这是一种在产品建模的设计和应用中面向对象方法。 兰州理工大学的张勋在 2006 年提出参数化特征建模技术，它能提供零件以特 征为载体的几何信息和非几何信息（工艺信息） ，在 cad/capp/cam 各个系统间 实现信息共享与交换。由于特征本身可参数化，在特征建模时，通过尺寸驱动方 便地修改各个形状特征的位置和尺寸，其附属的属性（非形状特征，如精度特征、 材料与技术特征和管理特征）也可随之修改，设计人员可根据自己的设计意图， 动态地、创造性地进行开发并设计新产品。李田田于 2007 年在兰州理工大学提出 构建一个不依赖于具体系统的特征映射机制，实现设计特征转变到制造特征，并 设计基于特证设计的 cad 系统。该系统具体步骤如下：用户利用设计特征库中的 参数化特征元素及特征操作功能设计产品特征模型，用户在设计界面输入的信息 和操作自动生成产品的特征模型。特征库不仅包含足够的形状特征和完备的产品 信息，还有特征库的组成方式，便于操作。 北京化工大学的周巧玲等于 2007 年设计了基于 step-nc 的 cad 特征建模系 统。 此系统提出制造特征异于一般 cad 中的设计特征， 即某一工步所去除的材料。 这类制造特征与工艺信息联系更加机紧密，如工步，可直接用于中下游的 capp/cam 中。一个零件的特征建模的过程就是一次次加工的过程，首先选择需 要的毛坯形状，在选择不同的制造特征与毛坯进行布尔减运算，生成最终的工件 第 1 章 绪论 7 模型。 综上所述，基于特征建模虽然在 autocad、ug、pro/e 等软件进行二次开发 有一定发展，但是仍然有一些不足之处。如 autocad 需要从二维图设计进行转换 形成三维的特征模型，过程比较繁琐；ug、pro/e 等软件虽然对基于特征建模进 行自定义特征库建立，直接生成三维特征，生成特征过程更加简单，但是自定义 特征库只包括一些简单的特征，直接制约了基于特征建模的发展。本课题采用 ug 三维软件，按照 iso14649-10 标准中特征定义建立更加完善的特征库，促进了基 于特征建模的开发。 1.2.2 基于特征的工艺设计系统的国内外研究现状 1.2.2.1 国外研究现状 目前，世界各国都对 step-nc 领域进行大量的研究。主要项目有欧共体的 optimal 项目，美国的 super model 项目,ims 组织 step-nc 项目以及韩国 step-nc 技术国家实验室等12,36-49。 欧共体于 1994 年开始进行 espritiii 项 目对 step-nc 研究。德国亚探工业 大学(aachen university of technology)机床与制造工程实验室（wzl）与欧洲的一 些著名大企业联合开展了 optimal 研究， 该项目定义了 step-nc 铣削接口标准。 optimal 项目之后，欧洲开发了针对 siemens840d 控制器以及 catiav5 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。 他们将 step-nc 解释器和人机界面加装在 simens840d 控制器上，设计了第一台 step-nc 控制器原型机。该控制器能自动识别 step-nc 数据并将“工作步骤”及 其它必要信息显示在屏幕上，用户确认后五轴数控铣床被自动控制进行加工简单 特征。在 2001 年 10 月成功地完成了槽、圆孔、型腔以及螺纹的加工切削实验。 第二阶段除了完善现有成果以外，将侧重研究 step-nc 的反馈机制(检测模 型)。除了大学、研究所等科研机构外,该项目的研究成员还包括 cad/cam、cnc 及机床制造商等。这部分的研究计划一直持续到了现在。 美国 step tools 公司一直致力于 step 技术的研发工作。1999 年该公司在 nist（national institute of standards and technology）atp(advanced technilogy program)计划的资助下开展了 step-nc 研究项目叫做“super model”项目，研究 目标是基于 step-nc 标准及其他标准设计一个开放式数据库，而这个数据库中将 沈阳理工大学硕士学位论文 8 包含完整的产品设计和制造信息。 从 2000 年开始，这个项目历时三年。第一年的主要目的是演示了在铣床上切 削的三种加工特征；第二年研究目标主要是演示一个完整产品的铣削加工过程； 第三年主要任务是在模型上添加一些信息如尺寸精度、表面精度等；在 2000 年 11 月 30 日和 2002 年的 2 月 20 日前两个阶段分别得到了阶段性成果的演示。并在第 三届 irb(industrial review board)会议上利用“super model”完成具有某种加工特 性的加工对象铣削全过程的演示。此外，他们还开发了一些 step 和 step-nc 应 用开发工具，如 st-developer,st-machine,st-plan 等。2002 年 12 月 boing 公司 使用 catia 软件生成了一个 step-nc 标准零件程序， 之后在 siemens 公司的一 台装 step-nc 标准系统的机床上运行并获得成功，证明了 step-nc 标准可用于 多种不依赖于 g/m 码的机床。 ims(intelligent manufacturing systems)是一个面向工业界的、以开发新一代制 造技术为目标的国际研发合作组织，2001 年 ims 启动了 step-nc 项目，这项研 究将设计一个基于 step 标准的 cnc 接口并准备使此接口成为国际标准，研究将 以optimal项目为基础已开发出的与step兼容的铣削数据接口并将其扩展至相 关的加工工艺过程， 新的数据接口将完全取代 iso6983； 参加这个项目的国家和组 织主要有欧共体、美国、韩国以及瑞士等一些公司及研究机构，在这个项目中， 几个国家和地区都有明确的分工，其中欧盟则主要研究车削加工，美国主要研究 铣削应用解释模型以及车削部分内容，韩国负责的任务是快速原型部分以及部分 车削加工的研究，瑞士主要研究放电加工部分。于 2003 年在德国的亚深(aachen) 市开始实施了一个 ims step-nc 车间进行 step-nc 数控加工系统的研究。ims 的 step-nc 计划除了项目本身的研究任务之外，还要协调各国的 step-nc 研究 工作。 韩国的 step-nc 研究是韩国的许多大学和研究机构如 seoul national university、honik university、inha university 等在 ims 的统一组织下参加了这项 研究。韩国为推动 step-nc 研究，科技部于 2000 年 6 月在 pohang university of science and technology 成立了 step-nc 技术国家实验室，专门负责 step-nc 的 研发工作。 该实验室的 s.h.suh 和 b.e.le 等人于 2006 年已成功研制出了 step-nc 数控铣削加工系统的原型机，建立了 step-nc 数控车削数据模型。目前，该实验 第 1 章 绪论 9 室正在进行开发 step-nc 数控车削加工系统。 除了上述国家和组织进行了 step-nc 的研究工作之外，美国的 omac 组织 (open modular architecture controller) 专门成立了 step-nc 工作组，希望结合 step-nc 研究与开放式数控系统研究，因为必须有先进的编程规范支撑开放式数 控的研发；新西兰奥克兰大学徐旬教授领导的 step-nc 研究小组在以 step-nc 为基础 cad/cam/capp/cnc 集成和在线检测等研究领域也取得了一些进展。 1.2.2.2 国内研究现状 随着世界各国对 step-nc 展开研究并取得一些进展， 我国也开始对 step-nc 进行探索与研究。河北理工学院、南京航空航天大学、山东大学、华南理工大学、 清华大学、合肥工业大学等多所大学都在进行 setp-nc 的研究，并在特征建模、 cad/cam 集成、step-nc 控制器等 step-nc 关键技术上取得一些进展50-60。 河北理工学院的冯立艳和王志江在 2001 年设计了一个实用性强的基于实例和 知识的 cad/capp 集成系统。 基于 step 标准， 该系统直接提取 cad 中的零件设 计信息，实现 cad/capp 的数据集成。在零件工作图设计时，就可产生此零件的 加工工艺过程，缩短了零件设计加工周期。零件的加工工艺既可对已存在的实例 零件变异设计，也可用专家系统创成设计。该系统中 capp 所需的全部加工信息 均可从 cad 系统通过数据转换接口转化而来，不需人工输入，省去了复杂的输入 过程，可实现 cad/capp 一体化。 南京航空航天大学的张永康于 2003 年开发了 jdcapp 系统。该系统除了具有 特殊符号处理、图形功能集成、典型工艺维护及基于 acl 的用户权限管理等多项 重要功能之外，还通过零件特征信息的提取，且采用带属性的特征图存结构，建 立零件特征信息模型。在关系数据库支持下，采用一定的数据变换和传递机制， 提供了工艺决策模块所需的零件特征信息，并对零件的工艺路线决策方法进行了 一定的探索。 四川大学的李永胜也于2003年利用特征映射方法设计了基于step的特征 cad/capp集成系统，借助pro/e软件进行特征cad建模，加入工艺特征，生成零 件特征模型，实现了设计特征映射成制造特征，描述了从制造特征文件中提取工 艺文件的方法，并以阶梯轴为例，完成了零件特征设计及设计与制造特征中性文 件的生成， 为cad/capp的集成取得了一些进展。 李双跃等于2007年在四川大学为 沈阳理工大学硕士学位论文 10 了表达制造工艺资源特征分类结构、层次结构以及资源对象关系，采用面向对象 与特征建模技术构建制造工艺资源特征模型，用特征映射描述零件结构特征与加 工特征、加工特征与加工方法特征、加工方法与制造工艺资源特征的映射关系和 模糊决策方法。设计了工艺设计过程对应的资源特征由工序特征来描述，并表示 形式化，提出从制造工艺资源数据库中检索工序资源特征，以特征参数的相似性 计算来检索与工序匹配的资源特征的检索算法，并应与工艺设计中制造工艺资源 特征与工序特征的匹配。资源特征检索方法和制造工艺资源特征模型的分类结构、 层次性、形式化描述为工艺规划的形成、工艺设计和生产规划调度提供统一的数 据模式和数据库结构。 山东大学的刘日良等分析了step-nc数据模型及step-nc对数控系统的影 响，在2004年根据step-nc的数据结构将数控加工中的工艺规划分为三个模块： 离线规划、在线规划和实时规划，侧重分析了基于step-nc控制器的在线规划问 题。为了减少加工时间的占用，提出了按工步级规划，特征级规划和零件级规划 的在线规划模式，并对其分别给出了工步级铣削用量的优化模型、特征级工艺路 线的筛选方法以及基于启发式算法的工步排序方法。 华南理工大学的李伟光等也于2004年探讨了基于step-nc的数控图形编程技 术，并分析了基于step-nc的数控图形编程系统三个步骤：特征提取、工艺流程 设计和零件程序生成零件，研究了基于step-nc的图形编程系统程序生成模块结 构模型。基于step-nc的数控技术将成为数控开发新的研究方向，并会引起重新 划分cax/cnc之间功能，对数字制造模式进行一次巨大变革。 清华大学的陈涛在2004年9月比较了数控编程的两种标准iso6983与iso14649 （step-nc） ， 分析iso6983 （step-nc） 的不足和iso14649的优点， 设计了step-nc 面向对象的数据模型结构。step-nc编写的数控加工程序不需要进行后置处理就 可直接驱动机床加工，也可在加工现场通过图形界面进行修改，并将其直接反馈 给设计和工艺部门。 合肥工业大学的仓公林在开放式、 模块化思想下， 于2006年提出基于step-nc 铣削数控系统的功能结构模型，并将step-nc数控系统的主要功能分为四个模块， 分别为数控程序解释器、微观工艺规划、刀具路径生成器和运动控制器等模块。 step-nc数控程序解释器模块提出基于内存的step-nc数控程序解释方法，以加 第 1 章 绪论 11 工工步为基本单位，总结出工步序列树的生成算法。微观工艺规划模块根据 step-nc数控程序中主要实体数据之间的逻辑关系，实现了工艺参数信息、机床 功能信息的获取、修改和更新。虽在 step-nc数控系统取得一些进展，但要达到 实用化，仍需提高与完善，例如工件三维几何图形显示、自由曲面加工、数控系 统的智能性等。 浙江大学的黄国祥于2006年进行了基于加工特征和ug的nc代码自动生成研 究。该系统步骤如下：先输入一个零件模型并对其进行特征识别，规划出装夹序 列和加工操作序列，选出合适的刀具并生成一个工艺文件；对这个工艺文件进行 处理生成刀轨路径，并将其进行后置处理生成nc代码；加工人员根据实际需要只 修改nc代码的头部和尾部把零件加工了，极大地提高了工厂的加工效率。 华中科技大学的陈文贵基于step-nc基本思想，在2007年提出了将工艺规划 划分为离线规划、在线规划、实时规划三个模块，并且数控系统内的在线规划问 题由工艺路线验证与优化、工步工艺参数优化、刀轨规划与仿真三部分组成。他 们建立了面向step-nc车削数据模型的工艺在线规划，讨论了工艺路线验证与优 化方案。该系统也适合于离线规划的基于特征的工艺设计，对基于step-nc的数 控系统的研究有一定实用价值，为数控系统向集成化、智能化方向发展的研究奠 定了基础。 北京化工大学的王殿学基于cad/capp/cam一体化的思想，在2008年提出基 于制造特征建模，在加工工艺及制造资源的限制的情况下，制造特征来自于具体 的制造过程。据此提出了以特征驱动来设计计算机辅助工艺设计的框架结构，并 研究了工艺决策的规则及利用操作矩阵进行工艺决策的算法。此系统建立了加工 方法库、制造资源库、加工方法库，能够直接读取制造特征模型，进行工艺设计， 最终生成工艺文件。也提出一种工艺决策算法-操作矩阵，使得在数控加工步骤缩 短至最少并在工艺上更加合理。 相对于国外的研究成果，我国还是处于step-nc研究的初级阶段，与发达工 业国仍然存在一定的差距，如使用特征识别提取特征信息虽在加工效率有所提高， 但其过程比较繁琐；在特征设计基础上只对一些简单特征提取信息并进行一些简 单的工艺规划，工艺规划内容不符合step-nc文件的要求。随着我国不断投入人、 财、物对其研究，将进一步接近国际先进研究水平。本文直接采用制造特征建模 沈阳理工大学硕士学位论文 12 并提取其特征尺寸参数信息且按照step-nc标准针对各个特征进行工艺信息设置 并生成step-nc文件，将会促进我国在step-nc领域上有一定的发展。 1.3 课题研究的主要工作 本课题研究的对象是 iso14649-10 标准制定的制造特征， 根据 step-nc 标准， 进行了基于step-nc的特征建模系统的加工特征自动生成和基于特征的工艺设计 系统的工艺信息设计的研究，最终生成 step-nc 文件。本课题研究的主要工作如 下： 1.本文将对iso14649、step ap238应用协议进行研究，并对step和step-nc 标准进行剖析，也将掌握express语言中实体的定义以及实体间关系与继承性， 并将熟悉标准中对于加工特征、工艺信息等数据的描述，为实现制造特征自动生 成及其工艺信息设计奠定基础。 2.本文将按照 iso14649-10 制造特征标准定义， 在 ug 平台上建立自定义特征 库，实现特征自动生成，为基于 step-nc 的工艺设计系统针对各个特征进行工艺 规划做好准备。 3.根据 step-nc 协议，在 ug 环境下将提取零件中各个特征的特征信息，并 对其进行工艺信息设计，再储存上述的特征信息和工艺信息于 step-nc 数据库， 为 step-nc 文件生成提供数据支持。 4.以 ug 6.0、vc#2005 和 access2003 为平台，本文将提出基于 step-nc 的 特征建模及工艺设计系统，实现特征自动生成并可交互式输入工艺信息，将上述 数据存入数据库中。 1.4 本章小结 本章首先介绍了课题来源和课题研究的背景与意义，分析了 step-nc 对数控 技术的发展起着极其重要的作用，阐述了传统 iso6983 标准严重制约了数控技术 乃至整个制造业的发展，无法实现 cax 和 cnc 之间数据进行双向交换与共享， 大大延缓了计算机集成制造系统的发展。接着论述了目前国内外在基于 step-nc 建模和工艺设计的发展现状与研究成果，最后阐述了本课题研究的主要工作。 第 2 章 step 与 step-nc 标准概述 13 第 2 章 step 与 step-nc 标准概述 2.1 step 标准概述 随着计算机集成制造系统的迅速发展，cax系统之间信息交换必须有统一的 产品数据交换标准。尽管出现了产品教书技术如iges、set等标准，但是它们只 是传递和交换简单几何模型，无法实现更高级别信息传递与交换，如公差、表面 粗糙度等61。1983年，step标准由国际标准化组织(iso)工业自动化与集成技术委 员会(tc184)下属的第四分委会(sc4)制定的，全称是产品模型数据交换标准 （standard for the exchange product model data） ，代号为iso10303。它的目的是提 供一种不依赖于任何一个cax系统的计算机可理解的中性机制，用于构建产品在 产品全生命周期内交换与共享并保持数据完整性和语义一致性的数据模型，从而 满足产品生命周期内各时期对产品信息的不同需要，并保持对产品信息描述的一 致性。产品生产周期包括产品的设计、制造、维护、报废等整个过程。step不仅 描述几何信息，还描述特征信息，如公差，表面粗糙度等。它还将扩展至包括设 计规化和加工计划等高层次的工艺信息。这种产品数据的描述，不仅可用于中性 文件交换，而且可实现和共享产品数据库及产品数据的长期存档的基础62-64。 近年来，step 标准在工业中应用的日益普及与发展，它已引起了国内外制造 业的十分重视。目前 step 标准在国内也得到充分的发展，主要有两个方面：一是 产品开发和发放部门的应用33。 2.2 step 标准的体系结构 step 是一种用于不同 cad/capp/cam 系统之间信息交换与共享的国际产品 数据交换标准,它对产品整个生命周期内的产品信息提供计算机可理解的一致性与 完整性的描述。 step 标准独立于任何应用系统，其具体目标包括：所有的数据能交换； 功能扩展和变更时，可进行检验；保证产品数据描述的完整性与协调性；提 高数据交换的效率；尽可能减少实体类型；支持不同的领域；与其他标准 沈阳理工大学硕士学位论文 14 兼容。 step 标准的基本功能：一是产品信息的表达；二是产品信息的交换，包括存 取、转换和归档。这两个功能都是靠 step 标准的三层体系结构实现的，其体系结 构如图 2-1 所示33,62。 应用层 应用协议抽象测试集 逻辑层 应用集成资源通