（机械制造及其自动化专业论文）基于stepnc数控铣削加工若干关键技术研究.pdf

摘要 摘要 传统的数控机床程序编制是基于i s o6 9 8 3 ，传递到数控系统的数控程序中并不包含高 层信息，如被加工零件的三维几何信息、公差信息等，使数控系统与上游的c a d c a p p c a m 系统之间不能实现完整的信息传递。s t e p - n c ( s t e p - c o m p l i a n td a t ai n t e r f a c ef o rn u m e r i c c o n t r o l s ) 是s t e p ( s t a n d a r df o re x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 在制造领域的延伸，作 为新的数控系统数据接口的规范( i s o1 4 6 4 9 ) ，它与s t e p 具有相同的几何信息描述形式。 因此，基于s t e p - n c 的数控程序不仅使得零件的三维几何信息能够直接传递到c n c 控制 器，而且还包含了工艺信息和加工信息，从而克服了传统的基于i s o6 9 8 3 标准的数控程序 的诸多缺点，如因几何图形文件和数控程序数据格式不一致而导致的信息损失、程序修改 困难且修改后的结果很难及时有效地反馈到规划部门、不同数控系统之间数控程序的互换 性差等。 与传统数控程序相比，本质上的区别是s t e p - n c 数控程序是中性的，并不针对特定的 数控系统。论文以新型数控程序接口s t e p - n c 为基础，对基于s t e p - n c 的数控铣削加丁 关键技术进行研究，主要研究内容如下： 1 针对传统数控编程数据接口i s o6 9 8 3 的局限性，分析了产品数据交换标准的发展 历程，指出s t e p 在制造领域的扩展s t e p n c 取代i s o6 9 8 3 的历史必然性，同时对国 外几种经典数控系统模式进行对比研究，总结了数控系统的发展趋势。 2 分析s t e p - n c 的基本原理、结构体系，阐述s t e p - n c 与s t e p 的联系与区别。 研究了s t e p - n c 的应用参考模型i s o1 4 6 4 9 与应用解释模型a p2 3 8 的本质区别，以及实 现的难易程度。 3 研究s t e p - n c 的三种实现方法。并重点研究i s o1 0 3 0 3p a r t2 1 格式s t e p - n c 数 控程序的生成过程，包括特征识别、宏观工艺规划和向p a r t 2 1 物理文件的映射。s t e p n c 制造特征的识别是从输入的只包含零件几何和拓扑信息的s t e p 文件中识别出工件上所具 有的s t e p - n c 制造特征，将特征识别的结果即s t e p - n c 制造特征作为宏观工艺规划的基 础。研究了宏观工艺规划的过程，并将宏观工艺规划的结果按照i s o1 0 3 0 3p a r t2 1 规范映 射为s t e p n c 数控程序。 4 基于开放式、模块化思想，提出基于s t e p n c 铣削数控系统的功能结构模型，将 s t e p - n c 数控系统的主要功能模块分为数控程序解释器、微观工艺规划、刀具路径生成器 和运动控制器等模块。研究微观工艺规划模块，分析了s t e p - n c 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。最后分析了 运动控制卡p m a c 的加工指令格式，研究了由刀具路径信息、工艺参数和机床功能等信息 生成p m a c 加工指令的方法。 台肥工业大学博士学位论文 5 研究开发s t e p - n c 数控程序解释器，其中包括e x p r e s s 向c + + 的映射、对数控 程序的语法分析以及几何信息和工艺信息等信息的添加存储。提出了基于内存的s t e p - n c 数控程序解释方法。井以加工工步为基本单位，研究了工步序列树的生成算法。 6 以s t e p - n c 数据模型中二轴半制造特征的平面、型腔特征为对象，研究在不同加 工策略下的刀具路径生成算法。首先，研究了s t e p - n c 加工特征信息的提取方法；其次， 研究了根据数控机床刀库中现有的刀具对铣削刀具进行匹配的算法，以上两步为刀具路径 的生成准备了必要的信息：最后研究了平面和型腔特征的刀具路径生成方法，包括进退 刀路线的生成、加工刀位点的生成和相邻刀具路径的连接方法等。并开发了数控系统软件 原型。 s t e p - n c 的出现将使机床数控系统发生重大的技术变革，基于s t e p - n c 的开放式数 控系统是机床数控系统的未来发展趋势，它将引起c a d 、c a m 和c n c 功能和格局的重新 划分，对设计、制造信息的真正集成产生巨大的推动作用。 关键词：产品数据交换标准 数控编程数据接口 基于特征的制造 s t e p - n c 开放式数控系统 a b s t r a c t c o n v e n t i o n a lp r o g r a m m i n go fn u m e r i c a lc o n t r o l l e dm a c h i n et o o l si sb a s e do ng - c o d e s ( 1 s o6 9 8 3 ) n oh i g hl e v e li n f o r m a t i o n ( s u c ha s3 dg e o m e t r y , p r o c e s st e c h n o l o g y , a n ds oo n ) h a s b e e ni n c l u d e di nt h en cp r o g r a mw h i c hw i l lb et r a n s f e r r e dt ot h ec n c a n dn oi n f o r m a t i o nc a n b ef e e db a c kt ot h ec a d i c a m c a p p , s ot h a tt h ee m p i r i c a lk n o w l e d g eo ft h ew o r k e r sc a l l tb e u s e d i s o1 4 6 4 9 ( s t e p n c ) e x t e n d st h ec u r r e n ts t e ps t a n d a r di n t ot h ea p p l i c a t i o na r e ao f m a n u f a c t u r i n g s t e p - n c ，w h i c hi s b a s e do nt h es t e ps t a n d a r da n du s e st h es a m eg e o m e t r y d e s c r i p t i o nm e t h o d ，i n c r e a s e st h ee f f i c i e n c ya n df l e x i b i l i t yo fn cp r o g r a m m i n gb ym e a n so f a s t r u c t u r e d ，o b j e c t o r i e n t e dm a c h i n i n gd e s c r i p t i o n t h e r e f o r e ，s t e p - n c b a s e dn cp r o g r a mw i l l n o to n l yt r a n s f e rt h e3 dg e o m e t r yo ft h em a c h i n e dw o r k p i e c ei n t oc n c ，b u ta l s ot h ep r o c e s s t e c h n o l o g ya n dm a c h i n i n gi n f o r m a t i o n ，w h i c hw i l lo v e r c o m e l o t so fd i s a d v a n t a g eo ft h e c o n v e n t i o n a li s o6 9 8 3 - b a s e dn cp r o g r a m t h eo u t s t a n d i n ge h a r a z t e r i s t i eo fs t e p - n c b a s e dn cp r o g r a mi st h a ti ti sn e u t r a la n dn o t s p e c i f i ct oa n yc n cs y s t e m b a s e do nt h en e w e s ti n t e r n a t i o n a ls t d a r d s t i 三p - n c 。t h e a u t h o rs t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g yo fn cm i l lm a c h i n i n g ，t h em a i nc o n t e n t sa r ed e s c r i b e da s f o l l o w s ： 1 t h es h o r t c o m i n g so fc o n v e n t i o n a ln cp r o g r a m m i n gd a t ai m e r f k e i s o6 9 8 3w a s p o i n t e do u t 。t h ed e v e l o pc o u r s eo fp r o d u c td a t ae x c h a n g eh a sb e e na n a l y z e d , a n di tw a sp o i n t e d o u tt h a ts t e p - n cw o u l db eu s e da sn e wn cp r o g r a m m i n gd a t ai n t e r f a c er e p l a c i n gi s o6 9 8 3 ， w h i c hh a sb e e nu s e dm o r et h a n5 0y e a r s 2 t h er a t i o n a l ea n df r a m e w o r ko fs t e p - n cd a t am o d e lw a si n t r o d u c e d a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t e p n ca n ds t e pw a sa n a l y z e d t h ep r i n c i p l ed i f f e r e n c eo fs t e p - n c ， w h i c hw a su s e da sa p p l i c a t i o nr e f e r e n c em o d e l ，a n da p2 3 8 w h i c hw a su s e da sa p p l i c a t i o n i n t e r p r e tm o d e l ，w a sp o i n t e d o u t a n dt h ed i f f i c u l t yo fu s i n gs t e p - n co ra p2 3 8a s i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d w a ss t u d i e d t h r e ek i n do fd i f f e r e n ti m p l e m e n t a t i o nm e t h o dw e r e i n t r o d u c e da n dc o m p a r e d a n di s op a r t2 1p h y s i c a lf i l ef o r m a tw a sa d o p t e da si m p l e m e n t a t i o n m e t h o di nt h i sp a p e r 3 t h eg e n e r a t i n gp r o c e s so fs t e p - n cp a r t2 1 p h y s i c a lf i l ew a ss t u d i e d ，w h i c hw a s c o m p o s e do ft h r e ep a r t s ：f e a t u r er e c o g n i t i o n ，m a c r op r o c e s sp l a n n i n ga n dm a p p i n gi n t op a r t2 1 p h y s i c a lf i l e s t e p n cm a n u f a c t u r ef e a t u r ew a sr e c o g n i z e df r o mt h ei n p u ta p2 0 3p h y s i c a lf i l e ， a n dw a su s e da st h ei n p u to f m a c r op r o c e s sp l a n n i n g 4 b a s e do no p e na r c h i t e c t u r ea n dm o d u l a ri d e a , f u n c t i o n a lf r a m e w o r ko fs t e p - n cm i l l i n g 合肥工业大学博士学位论文 c n cs y s t e mw a sp r o p o s e d t h em a i nf u n c t i o n a lp a r t si n c l u d e dn cp r o g r a mi n t e r p r e t e r , m i c r o p r o c e s sp l a n n i n g ，t o o lp a t hg e n e r a t i o na n dm o t i o nc o n t r o lc a r d i nt h em i c r op r o c e s sp l a n n i n g m o d u l e ，a f t e ra n a l y z i n gt h el o g i c a lr e l a t i o n s h i po f t h em a i ne n t i t i e si nt h es t e p - n cn cp r o g r a m ， a r i t h m e t i co fe x t r a c t i n gm a du p d a t i n gm i l l _ t e c h n o l o g ya n dm i l l _ m a c h i n e _ f u n c t i o nw e r e p r o p o s e d 5 s t e p - n cn u m e r i c a lc o n t r o l l e dp r o g r a mi n t e r p r e t e rw a ss t u d i e d ，i n c l u d i n gm a p p i n gf r o m e x p r e s st oc + + ，g r a m m a ra n ds y n t a xa n a l y s i s ，e t c ak i n do fm e m o r y b a s e dn cp r o g r a m i n t e r p r e t i n gm e t h o dw a sp r o p o s e d w o r k i n g s t e pw a su s e da sb a s i cu n i t ，a r i t h m e t i co fg e n e r a t i n g p r o c e s ss e q u e n c et r e ew a ss t u d i e d 6 ，t w ok i n d so ft w 0 5 d _ m a n u f a c t u r i n g _ f e a t u r e ：p l a n a r _ f a c ea n do p e n - p o c k e tw e r es t u d i e d a n dm e t h o d so f t o o lp a t hg e n e r a t i n gw e r ep r o p o s e dw h e nd i f f e r e n tm a c h i n i n gs t r a t e g yw e r eu s e d f i r s t l y , t h em e t h o do fe x t r a c t i n gt h eu s e f u li n f o r m a t i o no fs t e p - n cm a n u f a c t u r ef e a t u r ew a s p r o p o s e d ；s e c o n d l y , a r i t h m e t i co fm a t c h i n gm i l lt o o lw h i c hw a sr e c o m m e n d e di nt h es t e p n c n cp r o g r a mw i t ht h et o o l st h a ta l ee x i s ti nt h ec u r r e n tt o o ll i b r a r y ；f i n a l l y , m e t h o d so f g e n e r a t i n g t o o lp a t hf o rp l a n a r _ f a c ea n do p e n _ p o c k e tw e r es t u d i e d ，i n c l u d i n ga p p r o a c ha n dr e t r a c tr o u t e , c o o r d i n a t e so f c u t t e rl o c a t i o n ，a n dc o n n e c t i o nm e t h o do f t w ow o r k i n g s t e p t h ee m e r g e n c eo fs t e p - n ca san e wt e c h n o l o g yw i l lb r i n gw e i g h t yi n f l u e n c eo nt h ec n c s y s t e m s t e p - n c o r i e n t e do p e na r c h i t e c t u r ec n cw i l lb et h et r e n do f c n cd e v e l o p m e n t ，i tw i l l l e a dt or e p a r t i t i o no ff u n c t i o na n df r a m e w o r ko fc a d ，c a ma n dc h i c ，a n dt h i sw i l lp r o m o t et h e i n t e g r a t i o no f d a s i g na n dm a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：s t e p ； f e a t u r e b a s e dm a n u f a c t u r i n g ； s t e p - n c d a t ai n t e r f a c ef o rn cp r o g r a m m i n g ； o p e na r c h i t e c t u r ec n c 合肥工业大学博士学位论文 插图清单 图1 1 螺旋转子齿轮几何图形及g 、m 代码表示的数控加工程序 图1 2 开放式控制系统的分类 图1 3o s a c a 系统体系结构 图1 - 4o s e c 三层功能结构 图1 - 5 产品数据交换标准的发展过程 图1 - 6 美国“s u p e r m o d e l ”项目 图1 7s t e p - n c 向i s 0 6 9 8 3 转换的用户界面， 圈2 】s t e p 的组成部分 图2 2s t e p 标准的三层次结构 图2 - 3e x p r e s s g 中的图形符号 图2 4 通用资源在s t e p 应用解释过程中的重用 图2 - 5s t e p - n c 数据模型的信息内容 图2 - 6 s t e p - n c 与s t e p 相关应用协议的关系 图3 1s t e p - n c 的三种实现方法 图3 - 2s t e p n c 的文件结构 图3 - 3s t e p n c 的p a r t 2 1 物理文件 图3 4 基于s d a i 的数据库实现方式 图3 - 5x m l 格式的s t e p - n c 文件 图3 - 6 i d e f 0 表示的s t e p - n c 数控程序生成流程图， 图3 7s t e p - n c 中的制造特征 图3 - 8 平面特征 图3 - 9 型腔特征 图3 - 1 0 孔底状况 图3 - 1 】a p2 0 3 中的实体结构 图3 1 2 a p2 0 3 物理文件的特征识别过程 图3 1 3 加工操作的e x p r e s s g 图表示， 图3 - 1 4 铣削加工操作的e x p r e s s g 图表示 图3 1 5 两轴半铣削加工策略 图3 - 1 6 空行程进退刀策略 图3 一1 7 下刀策略 图3 - 1 8s t e p - n c 数据模型中刀具的e x p r e s s g 表示 图3 - 1 9 铣削刀具的几何模型 5 ，9 9 1 0 1 2 1 5 1 8 2 1 2 2 2 6 2 7 3 7 ，4 2 4 3 4 4 4 4 4 5 ，4 7 4 8 4 9 5 0 5 0 5 0 5 1 5 2 5 3 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 7 合肥工业大学博士学位论文 图4 1s t e p - n c 数控系统功能结构 图4 - 2 各主要实体数据的逻辑关系 图4 - 3 刀具路径等信息转化为运动控制代码的两条路径 图5 1s t e p n c 数控程序解释器的结构一 图5 2 单一继承实体实例化的c + + 类关系图 图5 - 3 快速运动的e x p r e s s g 图 图5 - 4 多重继承实体实例化的c + + 类关系图 图5 5 用w i n s t e p 生成s t e p n c 对应的c + + 类 图5 - 6s t e p n c 数控程序解释流程 图5 7 工步序列树的生成算法流程 图5 - 8 安装坐标系、工件坐标系和特征坐标系之间的关系 图6 - 1 平面特征几何信息提取的过程 图6 - 2 开口型腔几何信息的提取过程 图6 - 3 不同刀具直径铣削型腔的刀具路径比较 图6 - 4 铣削刀具的匹配过程 图6 - 5 平面特征刀具路径生成示意图 图6 - 6 开口型腔刀具路径生成示意图， 图7 - 1 工件的二维和三维工程图 图7 - 2 打开s t e p n c 数控程序的对话框， 图7 - 3s t e p n c 数控程序的显示和编辑 图7 - 4 工艺序列树 图7 - 5 加工工步信息对话框 图7 - 6 加工特征信息显示对话框 图7 7 加工操作信息显示对话框 图7 - 8 加工刀具信息显示对话框 图7 - 9 铣刀参数信息显示对话框 图7 1 0 刀具的替代和匹配显示对话框 图7 - 1 l 刀具匹配成功提示信息 图7 1 2 刀具匹配失败提示信息 图7 - 1 3 工艺参数信息显示对话框 图7 1 4 机床功能信息显示对话框 圈7 - 1 5 进退刀策略信息显示对话框 图7 1 6 加工策略信息显示对话框 朋足；珊册册舵粥嬲舯舛粥舱嘶盯吣m m m 坦 i | | | j o o j o j j j j 川 j j 0 j 川 台肥工业大学博士学位论文 表格清单 表1 - 1 主流c a d 软件对s t e p a p 2 0 3 应用协议的支持情况 表1 - 2s t e p n c 的研究方向和内容 表1 3 1 m ss t e p - n c 项目的参加机构和各自负责的技术领域 表2 1e x p r e s s 语言中的说明 表2 - 2 映射表格式 表2 3 交换结构的维尔斯语法表示 表2 - 4i s o1 0 3 0 3a p 2 3 8 与i s o1 4 6 4 9 的比较 表2 - 5 a p 2 0 3 中的形状表达模型及萁所属的一致性类 表3 1e x p r e s s 向x m l 映射的语法规则 表4 1p m a c 加工指令格式 表5 - 1 简单数据类型向c + + 的映射 表5 - 2s c l 主要组件及其功能 表6 一l 特征加工与实体加工的比较 表6 - 2 刀具数据库中端铣刀 表6 - 3 刀具数据库中钻削刀具 ； 舶 烈 加 胛 鸸 佗 舯 瞄 肌 肼 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得盒鲤至些盍堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：0 叼“签字日期：o ( 年苫月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 空国堂垄期到( 造盘题2 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权生且堂盎期型( 当垂题2 直王盈盍挂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、索引或扫描等复制手段保存、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：肿辛牛一 签字日期；p 年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通信地址 翩繇牲安生 签字日期：衫年多月么乡日 电话： 邮编： 致谢 致谢 论文是在导师桂贵生教授的精心指导与关怀卜完成的，在此向导师表示最衷心的感谢 和诚挚的敬意! 在我攻读博士学位期间，在学业与生活上都得到了桂教授热心的关怀。桂 教授为我的每一进步与成绩倾注了大量的精力与汗水。桂教授渊博的学识，开阔的思维， 严谨的治学态度，忘我的工作精神，为我树立了为人和治学的榜样，激励着我不断地开拓 进取。 衷心感谢山东大学张承瑞教授、刘日良教授对我的指导、帮助。两位教授毫不保留地 将他们的知识和经验传授给我，使我对研究的领域有了更加深刻的理解，对课题的进展有 很大的推动作用。 衷心感谢柯尊忠老师、王健强老师、江吉彬老师、刘志峰老师、朱华炳老师等对我的 关心、指导和帮助。 衷心感谢浙江大学机械与能源工程学院王乾廷博士后、上海交通大学机械与动力工程 学院的杜世昌博士在学习上对我的支持和帮助。他们象兄长一样关心、帮助我，使我不断 地得到进步。 衷心感谢何庆博士、何芝仙博士、吕垫硕士、贾庭会硕士、王艳琴硕士、赵汝海硕士、 朱颖斌硕士、高雷硕士、张大勇硕士、张艳硕士、陈恩伟博士、蒋克荣博士、熊青春硕士、 李令斌硕士、唐建胜学士对我的帮助。 衷心感谢中国科技大学计算机系刘海波硕士在软件调试方面对我的帮助，感谢他在生 活上对我的关心和支持。衷心感谢中国科技大学精密仪器系汪敏博士在繁忙的学业中帮我 搜集重要的资料。衷心感谢西安理工大学王华硕士、东南大学机械系黄鹏博士对我的帮助。 感谢本科、硕士、博士时期的同学们，与他们的交流中，我不断得到进步和提高。 感谢论文中引用文献的所有作者们。 跪谢父母大人对我的养育之恩! 由衷地感谢我的哥哥仓公群，正是他多年来在经济上 给予我极大的支持，精神上不断地鼓励，使我得以专，1 1 , 完成学业。感谢我的姐姐以及所有 关心、支持和帮助过我的亲人和朋友。 仓公林 2 0 0 6 - 3 5 绪论 1 。1 引言 第一章绪论 制造业是国民经济和综合国力的支柱产业。在决定制造业发展的社会、政治、经济等 诸多因素中，最主要的是技术的革新。先进制造技术( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y , a m t ) 是制造业不断吸收机械、电子、信息( 计算机与通信、控制理论、人工智能) 、材料、 能源及现代系统管理等方面的新成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、 销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产， 达到理想的技术经济效益和社会效益，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力 的制造技术的总称i i - oj 。数控加工技术是先进制造技术中的一个重要分支，它集传统的机械 制造技术与计算机技术、现代控制、传感检测、信息处理、网络通讯、液压气动等技术于 一体，是机械制造业的共性和基础技术。数控加工技术把传统制造业推进到了信息化制造 时代，是现代工业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。 1 9 5 2 年，麻省理r t 学院( m i t ) 与p a r s o n s 公司合作研制成功世界上第一台数控机床 三坐标立式铣床，控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工的序幕i 7 4j 。数控程 序是数控加工信息的集合，是联系工艺规划部门和生产车间的桥梁和纽带。从第一台数控 机床问世到现在的半个多世纪中，数控编程技术经历了最初的手工编程，以批处理命令方 式为主的各种类型的a p t 语言自动编程，发展至今天的以c a d 软件为基础的图形交互式 自动编程。基于特征的图形交互式自动编程是现在最流行的效率很高的一种编程方法。然 而，基于特征的程序编制方法虽然克服了传统编程面向低层对象的缺点，使得人们可以从 宏观的角度规划零件上不同特征的加工，但最后生成的依然是低层次的运动指令，导致几 何信息和工艺信息不能传递到下游车间。 在加工车间，数控程序经数控系统处理后生成驱动机床各坐标轴运动的指令。数控系 统指数控加工机床的数字控制装备，是各类数控枧床的核心。2 0 世纪9 0 年代，国外的数 控系统完成了从1 6 位机向3 2 位机和伺服驱动从直流式向交流全数字式的转变，数控系统 体系结构从封闭转向开放，从而使数控系统可充分利用计算机技术的丰富资源，能根据控 制对象的要求迅速、灵活地更换软硬件，并能及时吸收新技术，使得数控技术发展步伐加 快，开发周期缩短。开放式数控系统虽然有了一定程度的发展，但是数控加工的程序是根 据i s o6 9 8 3 ”编制的它是针对刀具和机床坐标轴进行编程，将以特征表示的高层信息处 理成以点、线表示的低层几何信息，数控系统只是一个执行机构，并不具备任何柔性的乃 至智能的功能，这严重限制了数控系统的开放式、智能化、网络化发展进程。 另一方面，产品数据交换的标准正随着计算机技术的快速发展而得到不断进步，s t e p ( s t a n d a r df o re x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 作为c a d 和c a m 之间信息传递的标准，已 2 合肥工业大学博士学位论文 被国际社会认可，得到了极为广泛的应用。s t e p 的出现，方便了几何信息的传递，但是加 工信息仍然不能传递到下游的生产车间，因为加工信息还无法表示成s t e p 格式。然而， 可喜的是，s t e p 体系结构是可扩展的，这为人们将其扩展到制造领域提供了可行性。在 s t e p 成为国际标准后不久，欧洲的一些研究机构就开始探索将其用作数控加工程序的数据 格式，提出了s t e p - n c ( s t e p c o m p l i a n t d a t a i n t e r f a c e f o r n u m e r i c c o n t r o l s ) 的概念和相 关的数据模型，推动了s t e p 在制造领域的应用。 自从s t e p - n c 的概念被提出以后，研究与开发适应s t e p - n c 的开放式数控系统就被 提到议事日程上来。各国的数控系统生产商、高等院校、研究所都在积极地从事相关的研 究工作。我国多年来一直重视和发展数控系统，取得了很大的成果，但和先进国家相比仍 有较大差距。我国的数控技术相对落后，关键设备主要靠进口为主，缺乏具有自主知识产 权的产品。因此，发展我国的数控技术，以推动制造业的发展，提升综合国力是科研工作 者和工程技术人员刻不容缓的使命。s t e p - n c 的提出为我国数控产业追赶世界领先水平， 提升民族产业提供了一个很好的契机。我们定要抓住这个机会，努力钻研，掌握核心技 术，为装备制造业乃至中华民族的复兴贡献自己的力量。 1 2 基于i s o6 9 8 3 的数控编程方法和数控系统 1 2 1 数控编程方法的发展 按照零件的加工工艺，把刀具的运动轨迹、切削参数( 主轴转速、进给量、切削深度 等) 以及辅助功能( 换刀，主轴正反转，切削液开、关等) 遵照数控机床规定的指令代码 及程序格式编写成加工程序单。这一过程被称为数控程序的编制。将数控程序输入到数控 机床的数控装置中，从而控制机床加工零件。数控编程是目前c a d c a p p c a m 系统中最 能明显发挥效益的环节之一，它在实现加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品 研制周期等方面发挥着重要作用。 数控编程经历了下面几个发展阶段i 1 0 - 1 2 ： ( 】) 手工编程手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图样分析、 工艺处理、确定加工路线和工艺参数、几何计算、编写零件的数控加工程序单直至程序的 检验，均由人工来完成。数控机床刚投入使用时，由于当时的软硬件条件的限制，采用手 工编程方法。对于点位加工和几何形状不太复杂的零件，数控编程计算较简单，程序段不 多，手工编程能够胜任；但对于复杂轮廓形状的零件，特别是空间复杂曲面零件，以及几 何形状虽不复杂。但程序量很大的零件，计算及编写程序则相当繁琐，工作量大，容易出 错，且很难校对。采用手工编程难以完成。 ( 2 ) 联机编程通常，脱机编程是由手工或计算机系统完成程序编制，然后再由输入 装置将程序输入到数控装置中。现代的c n c 系统具有很强的运算能力、很高的运算速度和 较大的存储容量，可以将自动编程的很多功能植入到数控装置里，在数控机床上在线编制 绪论 3 n c 程序。例如f a n u c 公司的s y m b o l i cf a p t 就是采用这样的编程方法。该方法就是联机 编程，也称为图形人机对话编程。联机编程过程中不仅可以处理几何信息，还可以处理工 艺信息，数控装置内设有与该机床加工工艺相关的小型工艺数据库或专家系统，可阻自动 选择合理的工艺参数。但总的说来，联机编程多用于几何形状较简单的零件编程，对于复 杂曲面零件，常采用自动编程方法。 ( 3 ) 自动编程零件形状比较简单时，可以采用手工编程方法编制n c 程序。但是，随 着零件复杂程度的增加，数学计算量、程序段数目也将大大增加，这时如果单纯依靠手t 编程将极其困难，甚至是不可能完成的。丁是人们发明了一种软件系统，它可以代替人来 完成数控加工程序的编制，这就是自动编程。它具有编程速度快、周期短、质量高、使用 方便等一系列优点。 a ) a p t 语言自动编程2 0 世纪5 0 年代m i t 设计了一种专门用于机械零件数控加工程 序编制的语言，称为a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 。采用a p t 语言编制数控程 序具有程序简练、走刀控制灵活等优点，使数控加工编程面向机床指令的“汇编语言”级， 上升到面向几何元素的高级语言。日本富士通的f a p t 、美国通用电气公司的n c p t s 和联 邦德国的e x a p t 等都是a p t 语言自动编程系统。但a p t 仍有许多不便之处：采用语言定 义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何赢观性；缺少对零件形状、刀具运 动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和c a d 数据库有效联接；不容易做到 高度的自动化和集成化。 b ) c a d c a m 一体化自动编程针对a p t 语言的缺点，1 9 7 8 年，法国d a s s a u l t 飞机公 司开始开发集三维设计、分析、n c 加工一体化的系统，称为c a t i a 。随后很快出现了e u c l i d 、 u n i g r a p h i c s 、p m e n g i n e e r 、m a s t e r c a m 及n p u g n c p 等系统，这些系统都有效地解决了几 何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、 验证等问题，推动了c a d 和c a m 向一体化方向发展。 从以上的数控编程发展过程看，数控编程的自动化程度在不断提高，编程的对象由以 前的线、体发展到具有一定语义的特征。 1 2 2 传统数控加工数据接口i s o6 9 8 3 数控程序是加工信息的集合。传统的数控加工零件程序采用基于i s o6 9 8 3 标准( 机床 数字控制程序格式和地址字定义) 的g 、m 代码。它在数控机床诞生早期就开始使 用，并在后来得到了世界范围内的广泛认可。i s o6 9 8 3 描述的是主轴和机床坐标轴的运动 指令。 1 2 2 1 基于i s o6 9 8 3 的数控程序指令、程序结构 1 数控程序指令1 1 ，2 1 基于i s o6 9 8 3 数控程序的指令功能包括准备功能、进给功能、主轴功能、刀具功能及 各种辅助功能。部分数控系统还提供给用户宏程序和自动编程等高级功能。 4 台肥工业大学博士学位论文 ( 1 ) 准备功能也称g 功能，用来指令机床的动作方式，包括插补功能、平面选择、 坐标设定、刀具补偿、固定循环等。其中，插补功能是数控系统的轨迹控制功能，它控制 机床坐标轴按给定的轨迹规律运动。此外，刀具补偿也是重要功能，它可使加工直接按零 件轮廓尺寸编程而不必计算刀具中心轨迹，从而简化编程工作。准备功能指令由字母“g ” 和其后的2 位数字组成，从g 0 0 到g 9 9 可有1 0 0 种。 ( 2 ) 进给功能也称f 功能，用f 和其后的数字指定机床进给速度。一般使用刀具中 心相对于工件每分钟的移动距离来表示进给速度。 ( 3 ) 主轴功能也称s 功能，用s 和其后的数字来指定机床主轴转速或速度，单位为 r r a i n 或者m m m i n 。对于有恒线速度控制功能的机床，还要用g 9 6 或g 9 7 指令配合s 代码 来指定主轴的速度。g 9 6 为恒线速控制指令，如g 9 6 s 3 0 0 表示切削速度3 0 0 m r a i n