（机械制造及其自动化专业论文）基于stepnc标准的数控编程技术研究.pdf

摘要 s t e p n c ( i s 0 1 4 6 4 9 ) ，是由国际标准化组织i s o 第1 8 4 技术委员会第一分技术委员 会( i s o t c l 8 4 s c l ) 为计算机数字控传i j ( c n c ) 系统制定一种新的数控编程标准。它是 s t e p 标准的扩展，将加工操作组织成系列的加工步骤，每一个操作步骤都能在c n c 机 床上执行。s t e p n c 中加工步骤就相当于g 代码一样代表的是加工指令。然而不同于 g 代码的是，s t e p n c 中的加工步骤所包含的是三维几何信息，刀具需求，特征定义等 信息，机床则根据这些可利用资源动态规划加工操作以及智能重组加工操作。 本文首先回顾了数控技术的发展，特别是数控编程技术和数控系统的发展进化历 程。在分析i s 0 6 9 8 3 标准的局限性的基础上，引入新一代数控标准s t e p n c 的概念。 介绍了s t e p ( i s 0 1 0 3 0 3 ) 标准的组成部分和体系结构，给出了s t e p 的结构模型图和层 次划分图，并对描述方法、实现方法、集成资源和应用协议等做了说明，概括了s t e p n c 的形式化描述语言e x p r e s s 的语法结构，详细说明了s t e p n c 的主要特点、内容、体 系结构，并介绍了i s 0 1 4 6 4 9 各部分的内容。进而分析了s t e p n c 转换器的功能结构。 本课题采用v i s u a lc + + 作为开发工具，充分发挥c + + 强大的编程功能，并结合v i s u a lc + + 的图形显示功能，编写转换程序实现从s t e p n c 到g 代码的转换。转换程序分四个功 能模块，分别为：信息提取、特征识别、轨迹生成与g 代码文件生成。另外，本课题采 用m f c 编程方法中的对话框编程技术开发了系统界面。用户可以通过系统界面查看 s t e p n c 文件和转换后的g 代码文件。最后用c a x a m e 软件对生成的g 代码进行仿 真，验证s t e p n c 转换器的正确性。 关键词：数控标准s t e ps t e p 。n ci s 0 1 0 3 0 3i s 0 1 4 6 4 9 a b s t r a c t s t e p - n co s o1 4 6 4 9 ) ，t h ed a t am o d e ls t a n d a r do ft h ec o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l w a sc o n s t i t u t e db yi s o 厂】1 8 4 s c l s t e p n ci sa ne x t e n s i o no fs t e pt h a t o r g a n i z e s m a n u f a c t u r i n go p e r a t i o n si n t o “w o r k i n gs t e p s e a c hs t e pd e f i n e sa no p e r a t i o nt h a tc a nb e p e r f o r m e do nac n cm a c h i n et 0 0 1 t h ew o r k i n gs t e p sd e f i n e db ys t e p - n ca r er o u g h l y e q u i v a l e n tt ot h em a c h i n i n gc o m m a n d sr e p r e s e n t e db yt r a d i t i o n a lgc o d e s h o w e v e r , u n l i k eg c o d e s ，t h ew o r k i n gs t e p sa r el i n k e dt ot h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r y , t o o lr e q u i r e m e n t sa n d f e a t u r ed e f i n i t i o n ss ot h a tt h em a c h i n et o o lc a nd y n a m i c a l l yp l a na no p e r a t i o nu s i n gt h e a v a i l a b l er e s o u r c e sa n di n t e l l i g e n t l yr e p l a na no p e r a t i o nw h e nn e c e s s a r y 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 df i r s t l y , e s p e c i a l l yt h e e v o l u t i o no fn cp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya n dn cs y s t e m a f t e rt h e a n a l y s i so ft h e d i s a d v a n t a g e so fi s 0 6 9 8 3 ，t h i sa r t i c l eb r o u g h tt h ec o n c e p to f s t e p - n c ，w h i c hi st h en e w s t a n d a r do fn u m e r i cc o n t r 0 1 t h em a i nf e a t u r e s ，t h ec o n t e n t sa n ds t r u c t u r e ，f i l ef o r m a t sa n d t h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to fs t e pa r es u m m a r i z e d a l ld a t at y p e sd e f i n e di nt h e d e s c r i p t i o nl a n g u a g ee x p r e s so fs t e p - n ca r es u m m e du p a n dt h e n ，t h em a i nf e a t u r e s ， t h ec o n t e n t sa n ds t r u c t u r e ，f i l ef o r m a t sa n dt h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to fs t e p - n ca r e s u m m a r i z e dr e s p e c t i v e l y t h ec o n t e n t so fi s 0 1 4 6 4 9a r e g i v e nt o o t h e nf u n c t i o n a l a r c h i t e c t u r eo fs t e p n ct r a n s l a t e r si sa n a l y z e d t h i s t o p i ca d o p t e d v i s u a lc + + a st h e d e v e l o p i n gt o o l ，a n df u l l y e x e r t i v et h e p r o g r a m m i n gf u n c t i o no fc + + a n dt h ef u n c t i o no fs k e t c hs h o w i n g ，t or e a l i z et h et r a n s l a t i o n g o fs t e p n cf i l e st ogc o d e s t h ep r o c e d u r ei sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ，c o l l e c t i n gi n f o r m a t i o n a n d i d e n t i f y i n gf e a t u r e s ，g e n e r a t i n gt o o lt r a v e l p a t h sa n dgc o d e s a l s o ，t h r o u g ht h e p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yo fm f c ，t h es t e p n cf i l e sa n dgc o d e sc a nb es e e ni nt h e i n t e r f a c e f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t yo ft h es t e p n ct r a n s l a t o rw a se x a m i n e d ，a n dt h ec o d e sw e r e s i m u l a t e dt h r o u g hc a x a m es o f t w a r e k e yw o r d s ： n cs t a n d a r d ，s t e p ,s t e p n c ， i s 0 1 0 3 0 3 ， i s 0 1 4 6 4 9 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和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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 墨盗墨兰盘至 或 其他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了谢意。 学位论文作者签名：王援签字日期：2 0 0 留年月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡墨太鲎 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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王援 导师签名：牛茜罕 签字日期：如g 年 f 月侈日 签字日期：2 g 年月侈日 第一章绪论 1 1 数控编程方法 1 1 1 数控编程技术的发展 第一章绪论 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、进给速度等) 以及 辅助动作( 换刀，主轴正反转，切削液丌、关等) 遵照数控系统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编程。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 x 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、缩短产品制造周期等方面发挥着重要 作用。 数控编程经历了以下几个发展阶段n 3 1 ： 1 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、数值计算、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，特别是复杂空间曲面零件，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 自动编程形状比较简单时，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 工编程将极其困难，甚至是不可能完成的。于是人们研究自动化的编程方法，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、质量高、使用方便 等一系列优点。 ( 1 ) a p t 系统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 编制的系统，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 系统编制数控 程序具有程序简练、走刀控制灵活等优点。r 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 等都是基于a p t 系统的自动编程系统。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，缺乏几何直观性； 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。 ( 2 ) 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 】t 匕 机公司开始丌发集三维设计、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 li d 、u n i g r a p h i c s 、p r o e n g in e e r 、m a s t e r c a m 和n p u g n c p 等编程系统，这螳 第一章绪论 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、面、体发展到具有一定语义的特征。 1 - 1 2i s o6 9 8 3 标准及存在的问题 目前应用的数控加工程序由基于i s o6 9 8 3 标准的g 、m 代码组成。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 描述的是机床坐 标轴的运动指令。图1 - 1 所示的零件加工过程中，c a d 完成产品的设计，c a p p 根据设计 信息进行加工方法和加工工艺的设计，c a m 指数控程序编制，包括刀具路径规划、刀位 文件生成、刀具轨迹仿真及n c 代码生成。c n c 机床根据数控程序完成零件的加工制造。 目前c a d c a p p c a m 阶段，可以采用i s 0 1 0 3 0 3 标准( s t e p ) 实现了产品数据的统一描述， 但c n c 阶段采用i s 0 6 9 8 3 标准，使信息的流动遇到了瓶颈。 i s 0 1 0 3 0 3i s 0 1 0 3 0 3i s 0 6 9 8 3 图1 - 1 零件加工过程 i s 0 6 9 8 3 标准局限于定义刀具运动轨迹和简单的开关操作，其本质特征是面向加工 过程。这导致数据在c a d c a m 系统矛h c n c 系统间传递过程中大量有用信息丢失。概括起来， i s 0 6 9 8 3 的局限性具体表现在以下几个方面h ： 1 i s 0 6 9 8 3 标准中的g 代码，只定义了机床的运动和开关动作，不包含产品的其它数 据信息，因此c n c 系统根本不可能获得完整的产品信息，也就不可能真正实现智能化。 2 现场编程和修改非常困难，对于稍微复杂的加工对象，加工程序一般需要事先由 后处理程序生成，这样增加了信息丢失和出错的可能性。 + 3 从c a d c a m 系统至i j c n c 系统的传输过程是单向的，不能进行双向数据交换，因而难 以支持先进制造模式。 4 各控制系统都有各自的扩充指令和专有指令，因而系统之间互不兼容，零件程序 在不同数控系统间不具有互换性。 5 生产准备时间长，生产率低。 6 基于i s 0 6 9 8 3 的数控程序仅包含t c a d c a m 系统中的一部分信息，一些信息在传递 过程中丢失了。 7 i s o6 9 8 3 根据机床各个坐标轴对刀具中心进行编程，而不是根据被加工零件的制 造特征来编程。 第一章绪论 1 2s t e p n c 的出现及发展 1 2 1 产品数据交换标准的发展及s t e p 标准 二十世纪8 0 年代中期，随着计算机技术的不断发展，计算机辅助技术( c a d 、c a e 、 c a p p 、c a m 等) 逐渐在机械制造业得到广泛的应用，在不同系统之间交换产品数据的需求 变得越来越迫切。因此，建立一个统一的、支持不同应用系统的产品信息描述和交换标 准就被提上了议事同程。 2 0 世纪8 0 年代初，美国国家标准局和工业界共同制定了初始化图形交换规范 i g e s ( t h ei 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 ) 1 o 版，它是一个中性数据文件 交换的格式规范，目的是制定美国国内各种c a d c a m 系统间交换几何信息的统一标准。 此后，i g e s 得到了不断地完善和扩充，先后实现了对曲面和三维线框造型技术、实体几 何造型技术及边界表达造型技术的支持。i g e s 虽然应用广泛，但存在着各种问题：首先， i g e s 中定义的实体主要是几何图形方面的信息，而不是产品定义的全面信息，所以不能 满足c a d c a m 集成的要求；其次，i g e s 的另一缺点是数据传输不可靠，往往一个c a d 系统只有一部分数据能转换成i g e s 数据，在读入i g e s 数据时也经常有部分数据被忽略； i g e s 的第三个缺点是它的交换文件所占的存储空间太大，该缺点也影响了数据文件的处 理速度，使得数据的传输效率不高。 与此同时，出现了许多其它的数据交换规范，如s e t ，v d a f s 、p d e s 等，以及各 种专用系统格式，如a u t o d e s k 公司的d x f 、i n t e r g r a p h 公司的i s i f 等。这些规范有着 各自不同的目的和使用范围，同时也存在不同的问题。为了防止出现更多局部的、片面 的数据交换问题的解决方案，国际标准化组织i s o 在1 9 8 4 年设立了一个新的技术委员 会，以制定一个产品数据交换的统一的国际标准。这个技术委员会就是t c1 8 4 s c 4 ( t e c h n i c a lc o m m i t t e e1 8 4 ，s u b c o m m i t t e e4 ) 。同样是在二十世纪8 0 年代中期， i g e s p d e s 组织( i p o ) 开始开发一个称为产品数据交换规范( p r o d u c td a t ae x c h a n g e s p e c i f i c a t i o n ) 的标准。1 9 8 8 年，该规范被提交到t c1 8 4 s c 4 评估，被采纳为a n s i 标准并重新命名为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 tm o d e ld a t a ) 。 i s o 最终采用s t e p 作为产品数据交换的国际标准，正式代号为i s o1 0 3 0 3 。图卜2 说明 了产品数据交换标准的发展过程旧1 。 1 2 2s t e p 在c a d 、c a p p 、c a m 领域的发展 虽然s t e p 的设计目标是产品整个生命周期中产品数据的表达和交换，但这是一个 及其庞大的工程，不可能一次实现，所以s t e p 的体系结构中采用了可扩展的结构。事 实上，在s t e p 出现的早期，只能交换产品的几何数据。s t e p 标准的a p 2 0 3 应用协议是 针对有配置管理的产品三维设计交换数据而制定的应用协议，于1 9 9 4 年底由i s o 正式 发行其国际标准版，是最早成为国际标准的s t e p 应用协议。s t e pa p 2 0 3 根据各个c a d 造型系统实现上的需要，在实现途径上共划为六个一致性测试分类集( c o n f o r m a n c e c l a s s ，c c ) ，它们都可以相对独立地分别实现( s t e pp a r t 2 0 3 ) 。刚际上著名的c a d c a m 第一章绪论 软件( p r o e ，u g c a t i a 等) 都在不同程度上支持s t e p 标准的a p 2 0 3 应用协议，提供s t e p 物理文件前后处理器。下表卜l 给出了主流c a d 软件对s t e pa p 2 0 3 协议的支持情况。 图1 - 2 产品数据交换标准的发展过程 表卜1 主流c a d 软件对s t e pa p 2 0 3 应用协议的支持情况 c a d 软件 a p 2 0 3 i s c c lc c 2c c 3c c 4c c 5c c 6 c a t i a ( v 4 2 2 ) 部分支持支持部分支持支持支持支持 u g ( v 16 部分支持支持支持支持支持 p r o e ( 2 0 0 0 i 2 ) 部分支持支持支持支持 s d r c ( v 8 0 ) 部分支持支持支持支持 c a d d s 5 1 ( r 1 0 ) 部分支持 支持支持支持 在各主流c a d 系统纷纷支持采用s t e p 标准实现产品几何数据的交换的同时，人们 并没有满足于s t e p 仅在c a d 领域的应用，丌始研究将其拓展到c a p p 和c a m 领域。g u p t a 3 等人遵循s t e p 开发了一个高层工艺规划系统，s t e p 被用于定义材料移除形状元素体积 的库，称为m r s e v ( m a t e r i a lr e m o v a ls h a p ee l e m e n tv o l u m e s ) 。l s c ( 1 e a d i n gc o n s u l a n t c o m p a n y ) 研究小组研究了使用最新的工具和技术并且使用与s t e pa p 2 2 4 完全一致的加 工特征开发新一代工艺规划系统。所丌发的原型系统一一s t e p 使制造规划系统 ( s t e p e n a b l e dm a n u f a c t u r i n gp l a n n i n gs y s t e m ，s m p s ) 能够不需用户交互就可以自动 第一章绪论 生成工艺规划。 m u j i nk a n g 研究了公差信息的中性描述方法，提出了使用s t e p 方法论以中性格式 表达制造信息的一种模式，使得下游用户如工艺规划人员、检测规划人员能够作出正确 的决策。研究表明，使用s t e pa p 2 2 4 制造信息( 包含制造特征、表面粗糙度、几何标 注和公差) 能够与零件几何一起被完整地表达，有利于实现计算机集成制造。m l i a n g 等人研究了基于s t e p 的平面粗加工刀具路径生成方法，主要研究从s t e p 中性文件提取 数据，到产生刀具路径的过程3 。 1 2 3s t e p - n c 的产生及其影响 s t e p n c 是1 9 9 6 年由国际标准化组织为计算机数字控制系统制定的，2 0 0 1 年成 为国际标准草案( d r a f t i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dd i s ) 。已颁布的i s 0 1 4 6 4 9 标准中共包括 九大功能模块：工程( p r o j e c t ) 、工件( w o r k p i e c e ) 、加工特征( m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e s ) 、 加工方法( o p e r a t i o n s ) 、可执行结构( e x e c u t a b l e ) 、刀具轨迹( t o o l p a t h ) 、测量( m e a s u r e s ) 、 铣削工艺方法( m i l l i n gp r o c e s so p e r a t i o n s ) 和铣削切削刀具( m i l l i n gc u t t i n gt o o l s ) 。 s t e p n c ( i s 0 1 4 6 4 9 ) 是将s t e p 扩展至c n c 领域，重新规定了c a x 与c n c 之 间的接口1 ，在s t e p 的基础上以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起 来，消除c a x 与数控系统之间信息流瓶颈，将传统的面向运动和开关控制的数控程序 改变为直接面向加工对象的数控程序n 圳。s t e p n c 的实质就是使产品模型数据用作 c n c 机床的直接输入文档，不存在单独的刀具路径文档，没有g 代码，没有后处理器n 。 其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一 数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。s t e p - n c 的 出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深 远的影响。 s t e p n c 的发展使得s t e p 标准延伸到了自动化加工的底层设备，建立了一条制造 网的高速公路i l 引。可以预见，将来c n c 系统将从结构和功能上使制造系统中的各方面 发生根本的变化，同时这种变化必然会影响到相关的c a x 技术、刀具、机床本体和夹 具等的发展以及先进生产模式的实施等。仅就目前的研究成果而言，可以预见的比较直 接的影响主要有以下几个方面： 1 数控编程界面以i s 0 1 4 6 4 9 取代i s 0 6 9 8 3 使得编程界面大为改观，现场编程 方便而且易于取代再利用。当被加工工件某些特征略有改变时，只需改变有关特征的几 何描述，其它元素无需改变。另外，统一程序可以直接在不同系统的机床上运行【1 3 】。 2 数控系统的开放性 目前由于i s 0 6 9 8 3 的覆盖面太窄，c n c 厂家不得不开发自 己的扩展指令。对于s t e p n c 控制器而言，其数据格式完全一样，它告诉c n c “要加 工什么”而不是具体动作，因而不需要后置处理程序，具体的动作由c n c 确定，程序 具有良好的互操作性和可移植性l l 4 。 3 数控系统的智能化 基于s t e p n c 的数控程序包含了加工产品所需的所有信 息，为c n c 系统在全面了解产品的基础上进ij 二自主加工提供了基本条件。 4 c a m c n c 之间功能的重新划分c n c 比c a m 或c a p p 系统更了解机床的运 第一章绪论 行情况，在c n c 内进行的具体的工艺处理( 如刀具的选择、补偿、走刀路线的确定等) 更有可能得到最优的j j n - f 效果。因此，将来的c n c 将完成c a m 系统的一部分功能， 并在此基础上将有可能安装嵌入式c a m 系统，直接根据c a d 数据模型进行加工。 5 加工质量和效率s t e p n c 的提出改变了目前c n c 系统作为加工任务的被动 执行者的地位。c n c 功能的加强还能提高其上游环节的效率。s t e p n c 使用系统和人 都能解释的生产模型来代替图形描述，据估计，企业因此减少了7 5 的画图量，而在加 工工艺规划c a p p 时间上减少3 5 i 巧j 。详见图1 4 。 相同几何定义 图1 4s t e p n c 定义的c a m 与c n c 的接口 6 数据共享与网络制造s t e p n c 的发展使得基于s t e p n c 的c n c 系统与基于 s t e p 的所有c a d ( 系统之间实现了双向无缝连接例如c a d 系统可以直接从c n c 系统 读取s t e p n c 数据中的几何信息，为基于网路的制造模式和技术创造了条件【1 6 】。 1 3s t e p - n c 标准的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 s t e p - n c 的研究始于欧洲的工业界和大学，并得到美国、亚洲的日本和韩国的积极响 应n 7 。1 8 1 。s t e p n c 由欧洲多家企业和研究机构共同开发，该编程接口总称为“计算机控制 数据模型”( d a t am o d e lf o rc o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l l e r s ) 。它包括1 3 个部 分，分3 个阶段发布。目前已发布有：基本概念和原理规则( p a r t1 ) 、通用标准( p a r t1 0 ) 、 数控铣削加工工艺( p a r t1 1 ) 、铣削刀具( p a r t1 1 1 ) 等几个部分。j 下在制订的s t e p n c 标 准有：数控车削加工( p a r t1 2 ) 、放电加工( p a r t1 3 ) 、木材和玻璃加工( p a r t1 4 ) 、 检测( p a r t1 5 ) 等1 心1 。 近几年，欧美已经启动了几个有关s t e p n c 的研究项目，! z l j o p t i m a l 、m a t r a s 、s t e p - n c ，s u p e rm o d e lp r o j e c t 等。其中欧洲的s t e p n c 项目由欧洲委员会和瑞士资助研究， 旨在实现和测试铣削加工数据接口，共有2 0 多个c a d c a m 、c n c 幂h 数控机床领域的企业和 研究机构参与了该项目的研究工作瞳旷2 。2 0 0 1 年，符合s t e p - n c 标准的二维半和三维数控 铣削加工过程已经在德国s i e m e n s 、意大禾i j f i d i a 公司以及欧洲丌放式体系结构( o s a c a ： o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o n ) 的c n c 原型系统中得以实 第一章绪论 现，其性能己在实验室环境中得到验证1 2 2 1 。目前原型系统已在第一个用户德国的 d a i m l e rc h r y s l e r 公司进行评价，主要测试多面体零件的钻孔加工和二维半数控铣削加 工过程，下一步将测试三维数控铣削加工过程啦引。 从2 0 0 0 年开始，美国s t e pt o o l s 公司在国家标准技术协会n i s t 的资助下启动了为期3 年的“超级模型”( s u p e rm o d e l ) 项目( 全称为m o d e ld r i v e ni n t e l l i g e n tc o n t r o lo f m a n u f a c t u r i n g ) 。该项目的主要目标是建立一个适合于铣、车削的数据库和软件工具， 验证c n c 机床能否直接读取3 d 设计和制造数据，进行快速、安全和智能化的零件制造。为 了使c a d c a m 系统与c n c 控制器能随时交换数据，s t e pt o o l s 公司建立了s t e p - n c 数据库 的操作规范体系和自维护与管理体系。2 0 0 0 年底，该公司完成了第一阶段的目标，在第三 次i r b ( i n d u s t r i a lr e v i e wb o a r d ) 会议上，演示了利用“超级模型”完成的具有某种 加工特性的加工对象的铣削全过程。另外，该公司还与l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室 合作，在0 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 ) 的基础上开发出了s t e p - n c 接 口。最近几年美国的h o n e y w e l l 公司推出了一个基于s t e p n c 的工艺过程设计工具f b m a c h l 2 们。 2 0 0 0 年6 月，韩国p o h a n g 科技大学的s t e p n c 技术国家研究实验室n r l - s n t c n a t i o n a lr e s e a r c hl a bf o rs t e pn c t e c h n o l o g y ) 开始了为期5 年的s t e p n c 研究计划， 重点开展车削s t e p n c 从数据模型到智能化加工相关技术的研刭2 7 l 。 欧共体在s i e m e n s8 4 0 d 的基础上开发了一个原型机，验证了s t e p n c 控制器的可行 性。美国在验证了“s u p e rm o d e l ”的有效性后，与s t e pt o o l s 公司合作的e m i ( e l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t o r s ) 目前正在研制能直接读取”s u p e rm o d e l 数据库的机床控 制器的软件部分，目标是建立一套实时解释产品模型信息的c n c 协议和相应的软件。 1 3 2 国内研究现状 国内在2 0 世纪9 0 年代初就有许多高校和研究所在国家有关资金的资助下开展关于 s t e p 的研究，如浙江大学、北京航天航空大学、哈尔滨工程大学等【2 8 2 引，开发了具有 自主知识产权的s t e p 前后处理器，如浙江大学的g s c a d 具有s t e p a p 2 0 3 适配器功 能。但是他们研究的是产品的几何数据交换领域，如a p 2 0 3 、a p 2 2 4 等应用协议，与 s t e p n c 数据模型有很大的差别。 随着s t e p n c 在欧美的提出，世界上很多国家积极展开这方面的研究工作。我国 自进入2 1 世纪以来，就逐渐有高校和研究所开始从事s t e p n c 的研究和相关软件系统 的开发，主要研究单位有山东大学，哈尔滨工程大学，清华大学，西北工业大学，华南 理工大学，和合肥工业大学等。山东大学张承瑞教授等人基于美国s t e p t o o l s 公司的 s td e v e l o p e r 软件平台，研究了s t e p n c 数控程序的信息提取方法，以及基于s t e p n c 控制器的在线规划问题，提出按工步级规划特征级规划零件级规划的在线规划 模式，并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 启发式的工步排序方法1 76 | 。哈尔滨工程大学张家泰教授、薛开教授等人在u g 平台上， 通过二次开发，研究了s t e p n c 数控程序的生成方法【2 。清华大学陈凯云、叶佩清等 人研究了s t e p n c 数控系统的组成，提出s o f t 型丌发式s t e p n c 控制器的概念及实 第一章绪论 现原理。西北工业大学田锡天、杨海成等人分析了s t e p c n c 的体系结构，研究了基于 s t e p n c 的c a d c a m c n c 的集成方法以及在基于s t e p n c 的数控系统中样条插补 技术的应用方法。合肥工业大学桂贵生等人论述了适合新型数控编程数据接口s t e p n c 的数控系统应具有的功能，采用m i c r o s t a t i o nm o d e l e r 作为软件平台，m d l ( m i c r o s t a t i o n d e v e l o p m e n tl a n g u a g e ) 作为开发工具，建立了高速加工数控编程系统软件原型系统，实 现了高速加工数控程序的生成i z 8 。 1 4 课题的主要研究内容及意义 i 4 1 课题研究内容 1 研究s t e p n c 标准及其应用 ( 1 ) s t e p 标准及e x p r e s s 语言的研究； ( 2 ) g 代码文件结构及应用研究： ( 3 ) 掌握s t e p n c 标准文件的结构及内容。 2 s t e p n c 文件转换器的研究与开发 实现从s t e p n c 到g 代码的转换。 3 验证s t e p n c 文件转换器的可行性 通过转换器的系统界面调入一具体零件的s t e p n c 数控程序，转换器经后台操作 将显示转换后的i s 0 6 9 8 3 数控代码即g 代码。并采用c a x a - - m e 软件对转换后的指 令进行仿真。 1 4 2 课题要达到的目标 本课题的预期研究成果是，开发一个s t e p n c 文件转换器，并实现转换器的如下 功能： i 1 能j 下确识别标准s t e p n c 文件，并从中提取出目标信息供以后采用。 2 可以在s t e p n c 标准文件中正确识别每个工步所对应的加工特征( 由于本课题目 标不是对s t e p n c 标准的完全转化，所以课题只对加工过程中的一些典型特征进 行识别、l 。 3 通过对特征的识别和其他加工信息的逻辑判断，转换器可在其内部生成刀具的走 刀路径。 4 转换器结合g 代码的编程方法，将走刀路径、机床信息、一些辅助功能统一编写 成底层数控系统可识别的g 代码。 1 4 3 课题研究意义 使用s t e p n c 标准，可以很大程度地提高加工生产率，使企业获得商业利润，因 此对s t e p n c 标准进行研究是机械制造业的必然要求，对于基于s t e p n c 的c n c 系 第一章绪论 统的研究更是世界各个数控设备生产企业的当务之急。本课题在现有的数控系统的基础 上，本着实用的原则，考虑到s t e p n c 的研究现状和g 代码在短期内不会消失的现实， 对新型s t e p n c 标准进行实用性分析，通过转换成g 代码来实现用新型标准s t e p n c 来完成对零件的加工。本课题可以说是s t e p n c 标准在现行的数控系统中应用性的一 次探索性研究。此次研究在理论上将对s t e p n c 标准取代g 代码的过程起到积极的推 动作用，为s t e p n c 的普遍应用打下基础，探索相关方法和技术，为国内外数控加工 行业的需求提供参考。 第二章s t e p n c 数据标准 第二章s t e p n o 数据标准 s t e p 是一套关于产品整个生命周期中产品数据的表达和交换的国际标准，目的是 提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述整个生命周期中的产品数据，同时保 持数据的一致性和完整性。产品数据的这种描述，不仅适合于物理文件交换，而且是实 现和共享产品数据库及产品数据的长期存档的基础。 s t e p n c 是s t e p 标准向c n c 的扩展，是s t e p 具有可扩展性的具体体现，它在 s t e p 的基础上以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，s t e p n c 与 s t e p 使用相同的结构体系和方法论，所以，要成功地实现s t e p n c ，就必须深刻理解 s t e p 的方法论和结构体系。 2 1s t e p 标准的构成 s t e p 是一个体系十分庞大的标准系列，由很多部分组成。它涉及机械、电气、船 舶、建筑等多个学科。在s t e p 系列标准中的每一个标准被称为一个“部分( p a r t ) ”，并 单独发表。从s t e p 的组成来看，s t e p 标准主要分为三大部分【2 9 j ：基础结构；集成资 源；应用协议。基础结构又分为描述方法和实现方法两部分。 s t e p 标准从结构上可分为以下8 个类别：描述方法、实现方法、集成资源、应用 协议、抽象测试套件、一致性测试方法与框架、应用集成构造和应用模块l 孙3 2 j 。这些类 及相应部分的编号见图2 1 。 集成资源 通川集成资源：p a r t4 1 5 9 应用集成资源：p a r t1 0 1 1 1 2 图2 1s t e p 标准的基础结构模型图 第一二章s t e p n c 数据标准 1 描述方法 s t e p 标准第1 1 1 9 部分是关于描述方法的。其中第1 1 部分是关于e x p r e s s 语言 的。e x p r e s s 语言是s t e p 标准使用的正式的规范语言，由该语言来详细描述所要表 达的产品信息。这种正式的语言保证了产品信息表达的准确性和一致性，并且推动了实 现方法的发展。后面章节中将对e x p r e s s 描述语言作详细介绍。 2 实现方法 s t e p 标准第2 1 到第2 9 部分是关于实现方法的。s t e p 标准的实现方法是一种数据 交换的方法，是指用什么方法或格式在具体领域实现数据交换。s t e p 的各种实现方法， 是将描述方法映射为相应的形式语言，这种映射不依赖于应用协议。映射结果以一种形 式化的符号来描述。s t e p 至少有交换文件结构、标准数据访问接口、x m l 这三种实现 方法。在这三种方法中，使用最为广泛的是交换文件结构。本论文研究的重点也在于交 换文件结构。为了传递由e x p r e s s 语言所表达的信息，s t e p 标准通常采用的是中性 文件的实现方法。i s o1 0 3 0 3 2 1 就是关于交换文件结构的实现方法。该标准规定了一种 把e x p r e s s 语言中确立的概念模型用于产品数据纯正文编码交换文件结构的格式。这 一文件格式适合于在计算机系统之间进行产品数据的传输。该标准中对e x p r e s s 语言 向交换文件结构语法的映射做了规定。 3 集成资源 每一集成资源是一个由e x p r e s s 描述的产品数据的集合，这些数据描述称