（机械电子工程专业论文）面向stepnc的数控系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文研究了s t e p n c 标准在开放式数控系统中的实现问题，并通过实验验证了研 究结果的可行性。 整个数控系统由上位p c 机和下位d s p ( d i g i t a ls i 昏mp r o c e s s o r ) 模板两部分组成。p c 机主要负责将s t e p n c 代码转换到g 代码以及通过u s b 2 0 接口向d s p 传送数控指令； 下位t m sf 2 8 1 2 型d s p 芯片则主要用于实现复杂的插补及控制算法，并以西门子伺服 驱动放大器和交流伺服电机作为驱动单元，对改造后的数控铣床各轴进行位置控制。 论文重点研究了s t e p _ n c 代码向g 代码的转换方法，主要包括：s t e p n c 标准的 文件架构及内容分析：s t e p - n c 文件中重要加工信息的提取方法及原则；工件某些典 型特征的识别方法；具体走刀路径的形成原理；以及最后向g 代码的转换的方法。之后， 研究了以u s b 2 o 标准作为数控系统中数据传输接口的方法，通过编写p c 端w i n d o w s 驱动程序和d s p 端的固件程序，实现了上下位机之间的数据传输。最后，在v c + + 编程 环境中利用m f c 类库开发了用于数据传送及机床当前坐标实时显示等功能的用户接口 界面。 实验结果表明s t e p - n c 转换成g 代码后可传送至改造后的数控机床上运行；u s b 驱动程序运行正常，用户接口界面美观实用，达到了课题的要求，并为下一步的研究工 作奠定了良好的基础。 关键词：s t e p n c 标准；g 代码；u s b 2 o 通信协议；开放式数控系统 面向s t e p _ n c 的数控系统研究 r e s e a r c ho nt h es t e p n c 出a s e dc n cs y s t e m a b s t r a c t t h i sc o n t r i b u t i o nh a si n v e s t i g a t e d 印p l y i n gs t e p n cs t a i l d a r d st o0 p e nc n cs y s t e m ， a n dt h e nd e m o n s 也如dm ef e a s i b i i i t yo f m er c s e a r c ht u m o u t s t h eo p e nc n cs y s t e mc o n s i s t so fa nu p p e rp ca n da1 0 w e rd s p ( d 碴t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) t h ep ct a k e sc h a r g eo ft 1 1 ec o n v e 硝n gs t e p n ci n t ogc o d ea n d 舰n s f e 耐n gg c o d et od s pm o d u l en l r o u 吐u s b 2 0i m e r f b e t h el o w e rd s p ( t m sf 2 8 1 2 ) i su s e dt o r e a l i z et h ei n t e j 甲0 1 a t i o n 衄dc o n 在do fm r e ea 】( e sf o rt 1 1 er e 怕丘弛dc n cm i l i i l l gm a c h i n c e q u i p p e d 淅t hs i e m e n ss e r v o “v ca 1 p l i 丘e r sa n da cs e n ，0m o t o r s t h em a i 工1f o c u so fm ew o r ki sn l em e n l o do fc o n v e r t i n gs t e p n cc o d ei n t 0gc o d e ， w h i c hi n c l u d e st h ea 工1 a l y s i so fs t e p n cs t a n d a r df i l e ss t r u c t u r ea 1 1 dc o n t c m ，也er u l e so f e x m a c t i o no fi m p o n a n tm a c h i n i n gj n f o m l a t i o n ，t h er e c o g n i t i o no fc 】8 s sf e 矗t u r e s ，如em 】e so f t o o lp a 血sg e n e r a t i o n 眦d 也em e 血o do ff i n a lc o n v e m n gt ogc o d e t h es e c o n dp a no fm e r e s e a r c hi sm em e t h o do fd a t at r 戤1 s f e 喇n gb a s e do nu s b 2 0i nc n c s ”t e m u s bl i n k st h e u p p e rp ca n d 廿1 el o 、v e rd s pb yp m 伊a m m i n gt h ew i n d o w sd r i v e ro np ca l l df i 咖w a r eo n d s p f i n a l l yt h ee n d u s e ri n t e 墒c ej sd e v e l o p e dw i t l lm f ci nv c + 十e 工1 、哇r o m n e n t ，w 1 1 i c hc a z l t r a n s f b fd a t aa n dd i s 口l a v 廿l ea x e sl o 硎o n so n - l i n e t 】1 ee x p e m e n t a lr e s u l t sh a v ed 呦o n s 妞童t e dt h a tt l l ec o n v e r t e dgc o d e 矗o ms t e p n c c a l lb ef u l l y 船m s 触e dt ot h er e t r o f i t t e dc n c m i l l i n gm a c h i n ef o re x e c u t i o n t h ed e v e l o p e d u s bd r i v e rw o r k sw e l la 1 1 dt 1 1 eh 啪a n _ m a c h i n ei n t 耐h c ei sc a r e a m ya 黝n g e d 锄dt h u si s 舳e n d l y a l lw o r ki n 也ep 印e rf o r m sas o u n db a s ef o rt h ec o m i n gr e s e a r c ha c t i 、 i t i e s t l l e r e a 矗e r k e y w o r d ：s t e p n c ；gc o d e ；u s b 2 。oc o m m u n j c a “o np r o t o c o l ； o p e nc n cs y s t e m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谓 意。 作者签名：日期：竺! ! 生墅 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 军篁物 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 数控系统的发展 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本的变革，各工业发达国家投 入巨资，对现代化制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中， 数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技 术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成 化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭 式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。 自从1 9 5 2 年美国第一台数控铣床问世至今已经历了5 0 余年。数控设备包括：车、 铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成了庞大的数控制造设备家族， 每年全世界的产量有1 0 万2 0 万台，产值上亿美元。其主要经过2 个阶段和6 代的发 展历程： 第一阶段是硬件控制( n c ) ，第一代：1 9 5 2 年的电子管；第二代：1 9 5 9 年晶体管 分离元件；第三代：1 9 6 5 年的小规模集成电路； 第二阶段是软件控制( c n c ) ，第四代：1 9 7 0 年的小型计算机；第五代：1 9 7 4 年 的微处理器；第六代：基于p c 的开放式数控系统，如p c 机内嵌入数控专用模板，p c 机内嵌入运动控制器等【l 】。 所谓的开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂 家的最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( 数控功能) ，形成系列化，并可方便 地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开 放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品【2 】。目前开放式数控系统的体系结构规范、 通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是 当今研究的核心。目前比较流行的开放式数控主要有三种结构： f i ) p c 机内嵌入数控专用模板 这种数控系统是在p c 机内置数控专用模板。一般是以p c 机为硬件平台， d o s ，w i n d o w 几i n u x 等通用操作系统为软件平台的开放式体系结构。p c 机作为图形显示 和常用逻辑处理的接口，数控专用模块实现插补和控制。这种方案实现了初步的开放性。 面向s 1 e p _ n c 的数控系统研究 ( 2 1p c 机内嵌入运动控制器 这种数控系统一般将可编程的运动控制器作为p c 机的板卡，通过标准总线( 例如 p c i 总线、插入p c 机。p c 机作为用户接口，实现命令控制、加工代码编辑、状态检测 等功能，而下位机实现插补和位置控制，下位机具有可编程、可配置。 ( 3 ) 全软件的实现 随着现代处理器技术的飞速发展、各种实时多任务操作系统的出现和普及，将传统 数控系统的硬件部分由软件来代替成为一种设想，但目前尚处于理论研究中。 这几种开放式数控系统实现方案的优点与缺点比较如表1 1 所示【3 】。 表1 1 开放式数控系统几种实现方法的比较 t a b 。1 ，l1 1 1 e d i 艉r e n t i m p i e m e n t 8 t i o n f o r o p e n c n cs y s t e m 优点缺点 p c 机内嵌入数利用p c 机软、硬件资源，向开放性体系结有限的开放、有不少专用系统的痕迹、 控模板构迈出了一大步。 开发环境和支持手段也不足 p c 税嵌八连明控制与逻辑分离、模块化、可编程、可扩 核心算法仍然封闭、对控制卡的依赖性 控制器 展强、成本较高 全软件实现可重复利_ ；f j 、模块化、可扩展 上作量大、尚处于理论研究中 由表1 1 可知，方案( 1 ) 的开放性比较有限，开发环境和支持的手段亦不多；方案( 3 ) 工作量大，尚处于研究阶段。可见现阶段，方案( 2 ) 是三者中最好的实现方式，但是由于 这种方案对控制卡的依赖性强、成本很高、特别是核心算法封闭，从这个角度来说其软 件的开放性有限。针对这种情况，本文以方案( 2 ) 为基础，采用一种基于高速数字信号处 理器( d s p ) 和实时多任务操作系统的开放式数控系统作为研究平台，进行s t e p _ n c 标准 和u s b 2 o 通信规范在此数控系统中应用的可行性研究。 1 1 2g 代码的发展及其局限 数控技术诞生后的5 0 多年间的信息交换都是基于i s 0 6 9 8 3 标准，即采用g 代码描 述如何加工。g 代码伴随着数控技术的发展，自身也得到了相应的扩展和充实，从开始 阶段的简单加工程序，到如今成熟复杂的加工方案，其编程的编程能力，使c a m 都自 叹不如。以铣削为例，根据零件的形状和加工方法，可分为孔( 包括螺纹孔) ，轮廓及 挖腔、曲面的加工。其中孔的加工数控系统就提供了1 2 种固定循环，包括钻孔，攻螺 纹，镗孔等。除了单个孔加工之外，系统还提供了诸如螺栓孔，矩阵孔群的宏指令功能。 轮廓加工中，系统一般提供直线和圆弧插补器。在对用整体料的工件进行的粗加工中， 挖腔占据了较大的编程工作量，为此，系统开发了挖腔宏指令。对规则的型腔，用宏指 大连理工大学硕士研究生学位论文 令只需一个程序段，便可多刀多层地将型腔加工出来。此外，数控系统还提供了丰富的 图形显示功能和程序试验调试功能，以检查程序的正确性。总之，数控系统的功能非常 丰富。 但是，现代化的生产对c n c 的要求越来越高，系统之间不兼容、编程困难、智能化程 度低等诸多问题大大限制了现代化生产以及数控技术本身的发展。与此同时，人们逐渐意 识到数控系统一直采用的g 、m 代码( i s 0 6 9 8 3 ) 已不能适应现代化生产和技术发展的需 要。这种面向运动和开关控制的数控程序限制了c n c 系统的开放性和智能化发展，同时 也使得c n c 与c a x 技术之间形成了瓶颈，严重阻碍了机械制造业的发展。具体表现在 以下几个方面【4 j ： ( 1 ) g 代码只定义了机床的运动和开关动作，不包含产品的其他数据信息，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，g 代码一般需要事先由后 置处理程序生成，这样增加了信息流失和出错的可能性。仅包含了c a d c a m 系统中 的部分信息，还有其它信息在传递和交换中丢失。 ( 3 ) 从c a d c a m 系统到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，因而系统之间不兼容，零件程序在 不同数控系统中不具有互换性。 ( 5 ) 生产准备时间长，生产效率低。 ( 6 ) 不支持基于样条数据的五轴铣削和曲线加工的高速切削。 由此可知，尽管现行的g 代码在数控系统中仍广泛使用，但在将来，其被替代的趋 势将是不可避免的。 1 1 3s t e p _ n c 标准的提出及其意义 为了克服i s 0 6 9 8 3 的诸多缺点，一种新的数控标准i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p 埘c ) 应运而 生。s t e p n c 是c a m 和c n c 之间新的数据接口标准，是s t e p 在n c 领域的扩展，其本 质特征是面向对象，描述加工什么。s t e p - n c 采用工作步骤( w o r k i n g s t e p s ) 指定加工过程， 工作步骤将加工特征和具体操作联系起来，由c n c 将其转化为轴的运动和刀具操作。 面向s t e p _ n c 的数控系统研究 目前s t e p - n c 标准仅完成了一部分，国内外对基于s t e p - n c 的数控技术研究处于 起步阶段，但其发展势头强劲。已获得的研究成果表明，该技术将对数控技术乃至机械 制造业带来深远的影响，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) s t e p - n c 是一个中性数据描述接口。c a m 系统、数控装置、数控机床等相对独 立，这显著提高了信息的可交换性和柔性。 ( 2 ) 实现双向数据交换。 ( 3 ) 提供新的加工工步概念。 ( 4 ) 加工车间获得了高层次的加工信息。 ( 5 ) 在一个结构化程序中实现几何信息和工艺信息的集成。 ( 6 ) 数字化产品模型数据库。 ( 7 ) 使网络化成为现实。 虽然i s o l 4 6 4 9 标准克服了i s 0 6 9 8 3 标准的局限，是s t e p 向c n c 领域的扩展，但 是由于该标准的制定非常困难，该标准目前仍处于研究阶段，尚未达到普及应用的程度， 尤其在国内对s t e p - n c 的研究更是落后。尽管如此，基于其先进的设计理念，s t e p n c 最终取代传统的数控编程接口的趋势是无法阻挡的 5 1 。 1 1 4u s b 2 0 协议的概况 通用串行总线( u s b ) ，是最近几年针对多媒体传输的需要而新出现的连接系统，它 提供了标准化的接口，可进行实时的数据传输。u s b2 0 将设备之间的数据传输速度增 加到了4 8 0 m b p s ，比u s b1 1 标准快4 0 倍左右，从而克服了u s b l 1 传送数据时易发生 瓶颈效应的情况，为上下位机之间数据的实时传送开辟了通道【6 l 。 1 2 课题的研究内容和意义 本文主要研究s t e p n c 标准在基于d s p 平台上的开放式数控系统中的如何实 现以及以u s b 2 o 标准作为数控系统中数据传输接口的方法。整个数控系统的总体框图 如图1 1 所示： 大连理工大学硕士研究生学位论文 p r 0 ，e + + s t e p t o o l 一l s t e p n c 文件| l - - 、，- j 一一一j ， i s t e p n c 一川、m 托再转换 上位机 6 、m 代码触面董 一厂面秀嚣霉f 丽 。 j 时坐标轴位置的啊后化显示 图1 1 系统数据流图 f i g 1 1s y s t m d a t a n o w 系统在图中竖线左边上位机部分采用的是s t e p - n c 标准，上位机将s t e p - n c 标准 文件转换为g 代码之后，经由u s b 2 o 通道将g 代码高速传送到下位机；下位机负责接 收g 代码，通过编程，解释代码，并通过伺服模块控制机床各轴运动。同时下位机也可 将各轴的位置坐标再通过u s b 端口传回到上位机，并由上位机用户接口软件的绘图功 能实时显示出来，从而达到对坐标实际位置的监控。 1 2 1 课题研究内容 本人主要负责系统上位机s t e p n c 的应用研究部分以及在上位机与下位机之间通 信的u s b 驱动编程。主要内容如下： ( i ) 研究s t e p n c 标准及其应用。 s t e p 标准及e x p i 也s s 语言的研究； g 代码文件结构及应用研究； 掌握s t e p n c 标准文件的结构及内容： s t e p _ n c 标准文件中重要加工信息的提取方法及原则： 加工工件的某些典型特征的识别； 具体走刀路径的形成原理； 面向s t e p n c 的数控系统研究 实现从s t e p n c 到g 代码的转换。 ( 2 1 用户接口界面的设计。 学习v c + + 中的m f c 编程环境； 运用a p i 函数与u s b 驱动通信，传送接收数据： 编写g 代码控制面板； 图形化显示d s p 传送的机床坐标轴运动轨迹。 ( 3 ) u s b 2 0 驱动程序的开发。 u s b 2 o 规范研究。 上位机驱动程序的开发：采用w d m 方法，在v c _ 斗环境下开发调试。 下位机固件程序开发：在c c s 仿真系统下，采用c 语言对u s b 的各个寄存器进 行配置，并负责对数据的整理和移动。最后被下位机的主m a i n 函数实时调用。 1 2 2 课题意义 本课题考虑s t e p n c 标准广阔的发展空间，并结合我国现阶段的c n c 系统发展现 状，提出了一种过渡模型的概念，其含义可概括为t 以标准s t e p - n c 文件为基础，通 过对其内容的提取及识别，形成刀具的走刀路径，然后将其转换为g 代码进行加工。并 可透过d s p 扩展通用的g 代码，以发挥d s p 运算速度快、精度高等特性，从而为开放 式数控系统更好的服务。提出此模型主要依据以下几个原因： ( 1 ) 目前国际上对s t e p - n c 标准的研究正在逐步展开，但由于其标准的指定非常繁 杂，所以，到目前为止，s t e p - n c 标准还没有完全制定出来。另外，虽然国外的几个 研究机构已经在数控车床、数控铣床等的基础上研究开发出了完全基于s t e p n c 的数 控系统，但其还处于试验阶段，并且也只是原型上的开发，所以，在数控技术方面并不 发达的国内，进行完全基于s t e p n c 系统的开发既不经济，也不现实。 ( 2 ) 由于g 代码已经在数控加工领域应用了近半个世纪，目前的数控机床几乎都是 遵循g 代码进行加工切削，所以想一次性彻底的将它替换成s t e p _ n c 标准是不太可能 的。那么如何在现有的基础上对s t e p n c 标准的可行性和应用特点进行考察和分析 呢? 为此，本课题提出的将s t e p - n c 代码转换成g 代码的思想正好可以解决这个问题。 一方面，通过本课题的研究，可以进一步了解s t e p - n c 标准的结构和文件格式；另一 方面，通过与传统g 代码的功能对比，可以比较清晰的掌握s t e p n c 标准中与g 代码 相兼容的信息，从而为数控系统的升级换代打下良好的基础。 ( 3 ) 由于本课题的下位机采用的是自主编程的数控模块，可以对标准的g 代码进行 解释执行。在此基础上，还可以在这个平台上，依据s t e p - n c 其他的加工信息，根据 大连理工大学硕士研究生学位论文 需要开发出新的数控加工代码，执行一些传统g 代码所不能完成的任务，如为了避免加 工中外界干扰过大，根据s t e p - n c 标准的相关信息，对切削力的大小的进行控制，一 旦超过要求，立即将信息传送至上位机显示报警等。这样，本课题在传统数控加工的基 础上，根据s t e p n c 标准的加工信息完整这个特点，迸一步扩展了数控机床的功能， 从而不仅为s e t p 制c 标准优于g 代码这一观点进行了实际的证明，也为g 代码向 s t e p - n c 过渡做了必须的理论及实验的铺垫。 基于以上原因，本课题采用将s t e p - n c 转换成g 代码的思想，本着实用的原则， 充分吸收国内外在此领域的研究成果，开发出一套真实可行的研究平台，为对s t e p n c 标准进行进一步深入研究，打下了坚实的基础。 本课题的另一特点就是在数控系统中数据传送方面并没有采用传统的r s 2 3 2 串行 口，而是采用了在普通p c 机领域应用相当广泛的u s b 2 o 通信方式，其送数据速度可 达4 8 0 m b p s ，完全可以满足系统对数据传送实时性的要求。另外，u s b 2 0 的其他一些 特性，如可热插拔，可级联，成本低，高带宽，错误检测和处理机制等优点也很符合本 系统的要求。由此可知，采用u s b 2 o 作为数控系统的数据传送接口具有广阔的应用前 景。 综上所述，本文在以d s p 为核心的开放式数控加工系统的基础上，对新型s t e p - n c 标准进行实用性分析，通过转换成的g 代码来实现对数控机床的具体加工。本课题可以 说是s 砸强_ n c 标准在现行的数控系统中的应用性的次探索性研究。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辅助和推动作用。在实际的数控加 工系统中，u s b 2 0 传输标准的采用不仅可以提高数据的传送速度，更重要的是为新一 代的数控系统数据传送方式提供了一个可行、经济的发展方向。 本课题来源于国家自然科学基金资助项目基于特征结构配置的高速加工数控伺服 控制技术与方法( 5 0 2 7 5 0 2 2 ) 。 面向s t e p _ n c 的数控系统研究 2s t e p n c 标准概述及其内容结构 s t e p n c 标准是s t e p 标准向数字化制造领域的扩展，而s t e p 则是产品生命周期 中产品数据的表达和交换的国际标准，由此可知，s t e p _ n c 的目的是将完整的产品数 据信息贯串至整个产品的设计，生产，加工过程中。以此来改变g 代码所造成的产品数 据传输链断掉的现状。但是，由于s t e p n c 标准的制定还没有完全完成，所以在现阶 段如何验证s t e p n c 标准的可行性以及对s t e p - n c 在数控领域的应用价值的研究就成 为现今急待解决的问题。为此，本文在基于开放式数控系统的基础上，对s t e p n c 标 准在开放式数控系统中的实现进行了一次尝试，提出了一种新的思想，将s t e p n c 标 准文件转换成数控机床能够识别的g 代码，从而既验证了s n 强n c 标准的可行性，又 在研究的过程中为s t e p - n c 标准在今后的实际应用提供了一些有价值的建议和设想。 本章主要介绍s t e p - n c 标准概况并对s t e p - n c 标准的内容及结构进行分析。 2 1s t e p n c 标准概况 2 1 1 数控加工的现状与弊端 图2 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 方法和制造过程的设计；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 制造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 阶段采用i s 0 1 0 3 0 3 ( s t e p ) 实现了产品数据描述的统一，但c n c 阶段采 用i s 0 6 9 8 3 ，使信息的流动遇到了瓶颈n s t e p 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数据， 实现各个工业领域产品信息的标准化。c a d 圮a p p c a m 信息集成的核心是产品模型的 表达和交换，即s t e p 标准的发展和完善。随着s t e p 在工业应用中的日益普及和推广， 它已引起国内外制造业的高度重视。i s 0 6 9 8 3 采用g 代码指定机床轴的运动，其本质特 征是面向过程，描述如何加工。这种始用于半个世纪前穿孔纸带时期的数控标准，已远不 能满足数控技术高速发展的需要。 图2 1 零件加工过程 f i g r 2 1p a r tm a c l l i n i n gp r o c e s s 大连理上大学硕士研究生学位论文 2 1 ，2s t e p n c 的出现及其发展趋势 为了克服i s 0 6 9 8 3 【8 】的诸多缺点，一种新的数控标准i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p - n c ) 应运而 生。s t e p _ n c 是c a m 和c n c 之间新的数据接口标准，是s h 弹在n c 领域的扩展，其本 质特征是面向对象，描述加工什么。s t e p n c 采用工作步骤( w o r h n g s t e p s ) 指定加工过程， 工作步骤将加工特征和具体操作联系起来，由c n c 将其转化为轴的运动和刀具操作。 a p 2 3 8 是s t e p n c 的技术定义，其几何定义与s t e p a p 2 0 3 、s t e p a p 2 1 4 相同，加工特 征与s t e pa p 2 2 4 一致，公差定义与s t e pa p 2 1 9 相同，因此可以直接使用相关模型。 s t e p - n c 的发展设计使得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 贯通整个制造网的高速公路凹。可以预见，将来c n c 系统将从结构、功能、在制造系 统中的地位各方面发生了根本的变化，同时这种变化必然会影响到相关的c a x 技术( 如 c a d 、c a p p 、c a m 、c a e 、p e d 、e r p 等) 、刀具、机床本体和夹具等的发展以及先 进生产模式的事实等。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由以 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，其他元素无须改变。另外，统一程序可以直接在不同型号的机床上运行。 ( 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，a q c 厂家不得不开发 自己的扩展指令。所以c a m 和c n c 必须使用同一套代码，否则必须选用特定的后置 处理程序。对于s t e p - n c 控制器而言，其数据格式( a p 2 3 8 ) 完全一样，他告诉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。 ( 3 ) 数控系统的智能化：作为目前c a m 与c n c 之间的接口，0 代码的形成过程造 成大量有用信息的流失，这也是目前的c n c 智能程度低的一个主要原因。与此相反， s t e p - n c 数控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 进行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行 情况，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 有可能得到最优的加工效果。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。 面向s t e p - n c 的数控系统研究 ( 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 pt o o l s 公司的研究表 明，s t e p 与s t e p n c 的应用可使c a d 阶段的生产数据准备减少7 5 ，加工工艺规划 ( c a m ) 时间减少3 5 ，加工时间( c n c 五轴高速铣) 减少5 0 。 ( 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 x 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) ，为基于网络的制造模式和技术创造了条件。 近几年，欧美已经启动了几个有关s t e p - n c 的项目，如o p t i m a l 、m a t r a s 、 s t e p - n c 和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 、n c 和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。2 0 0 1 年，符合s t e p 埘c 标准的二维半和三维数控铣削加工过程已经 在s i e m e n s 、f i d i a 公司以及欧洲开放式体系结构o s a c a 的c n c 原型系统中得以实现， 其性能在实验室环境中已得到验证。目前原型系统已在第一个用户_ d a i m l e r c l l r v s l e r 公司进行评价。已测试了多面体零件的钻孔加工和二维半数控铣削加工过程，现开始测 试三维数控铣削加工过程【“。”。 目前，国内对s t b p i n c 的研究只是限于理论阶段，提出过一些建设性的意见，但 是由于目前部分s t e p n c 标准尚未完成，国外s t e p n c 技术的研究也尚在起步阶段所 以想近期在国内普及s t e p - n c 标准几乎是不可能的。但目前的研究成果显示，它必将会 对目前的自动化制造技术乃至制造业带来深远的影响。在不久的将来机械制造业将会发 生革命性的变化。 2 。2s 丁e p n c 标准的内容及结构 2 2 1s t e p n c 与s t e p 的关系 s t e p - n c 是s t e p 向加工领域扩展的结果，主要作为c a m 与c n c 之间数据交换的 接口。事实上。s t e p n c 本身也是基于s t e p 建立的。图2 2 所示为s t e p n c 的基本 框架结构及其与s t e p 的关系，其中箭头表示参考或引用关系，例如i s 0 1 4 6 4 9 中的制 造特征就是参考i s o l 0 3 0 3 中的a p 2 2 4 定义的。s t e p n c 本身也可看作是s t e p 应用协 议，i s o t c l 8 4 s c 4 将其命名为s t e pa p 2 38 i5 1 。a p 2 3 8 几乎涵盖了产品从概念到成品 所需的所有信息。如三维几何信息( a p 2 0 3 ，a p 2 1 4 ) 、特征信息( a p 2 2 4 ) 、工艺信 息( 如铣、车、放电加工等) 、检验信息( a p 2 2 9 ) 等。如通用数据的一个简化模型， 包括工件和工作计划两部分。其中工件指最终的成品，工件上需要去除材料的区域由一 系列加工特征定义。工作计划包括若干工作步骤( 如平面、复杂曲面、孔等) 与具体操 大连理工大学硕士研究生学位论文 作联系起来。这里操作本身也是i s o 1 4 6 4 9 中定义的概念，包括设计加工方法、刀具、 导轨、工艺策略等。 般规范 p a n l ：总则1 p a 吨：语言联 编 p a n 9 ：术语 s 1 e p 州c ( i s 01 4 6 4 9 】 铣削模型【i 车削模型1 i 放电加工【1 其他加工1 p 叭1 li i p a n l 2p 耐1 3 p a n l x 一- 】l 一l 一一_ i 上一 通用模型i s o1 4 6 4 9 一1 0 s t e p ( i s 01 0 3 0 3 ) 图2 2s t e p - n c 与s t e p 之间的关系 f 唔2 2t h er e l a t i o n s h pb e r w ns t e p - n ca i l ds t e p 2 2 2s t e p n c 标准内容结构 图2 3 概括了i s o l 4 6 4 9 中有关钱削部分的数据模型。文中也是以铣削为重点进行 研究。图中左上部分表示了数控程序的基本架构。整个数据程序被称作为一个工程，基 本单位称为工步( w o r k i n g s t e p ) ，按一定顺序执行的若干工步构成工作方案( w o r k p l a n ) 。 工步分为机加工工步( m a c h i n i n gw o r k i n g s t 印) 、快速移动限a p i dm o v e m e n t ) 和探测( t o u c h p r o b i r l g ) 三种类型。机加工工步( 以下简称工步) 是对某一具体加工目标及其方法的概 括性描述，必须是一个具体的特征( 如孔、型腔、轮廓等) 。在本文所讨论的特征中，包 括了一些典型的特征，但并非针对所有的加工特征。加工方法则通过操作( o p e r a t i o n ) 描 述，包括具体的工艺方法、刀具( m a 幽n 址“0 0 1 ) 、走刀策略( s 扛a t e g y ) 、工艺参数 ( t e c h n o l o g y ) 、机床辅助功能( m a c h i n e 缸1 c t i o n j ) 等。 面向s t e p - n c 的数控系统研究 冀马i 一一一冀竺! 竺一 4 | | 阿俐仆 i j 二艺参数 机床辅助功能 1 n d o 口m k h ”t f i ，i l c n 佣5 陌；淘而幻隘 o p e n d 蛐 工艺方法 o 一 m i l i j 。g j n 础i l l i “b _ o 弘r 丑c l 。n 一扪c j n m 旧 l( s m t 月m 哪 |! 怵m n s 图2 3s t e p n c 铣削模型 f i g 2 3m - l l i n gm o d e lo fs t e p - n c 表示包含芙系 工艺方法通常是指具体的切削方法，如端铣、钻削、轮廓铣削等。刀具实际上是指 完成该工步所需要的刀具种类、型号和参数等。走刀策略则包括进退刀方式和切削方式， 如环切、行切以及较复杂的切削方式等。工艺参数指加工时的切削用量，其中包括进给 速度，主轴转速等重要加工信息等。机床辅助功能则大致对应传统数控程序中由m 代 码所实现的功能，如切削液的开关等。值德一提的是，在操作描述中还包括一项t o o l p a m ， 其主要功能是在s t e p n c 与g 代码之间通过对具体走刀路径的描述搭起了一个由 s t e p n c 向g 代码简单转换的平台，其局限性就是不能有效的利用s t e p 二n c 其他的一 些有用信息，其转换后的0 代码也只是描述加工过程的并不是完整的可在数控机床上 执行的完整的g 代码。 2 2 3s t e p n c 标准文件结构 s t e p - n c 程序本身采用i s o 1 0 3 0 3 - 2 1 规定的文件格式【1 6 】，由此体现了其与s t e p 标准兼容盼特性。文件以“i s o 一1 0 3 0 3 - 2 l ：”开始，以“e n d i s o 1 0 3 0 3 2 l ：”结束。整个 大连理工大学硕士研究生学位论文 文件可分为两部分：文件头和数据段。文件头以“髓a d e r ，为标记，主要说明该文件的 文件名、编程者、日期以及注释等。数据段以“d a t a ”开始，按“实体标识= 实体名( 属 性值) ；”的格式列出。实体标识以字符“# ”与一个整数组成。实体名来源于e ，r e s s 定义，代表特定意义的保留字( 如m a c h i n i n g _ w o r n g s t e p ) 。属性值可以是一 个简单的数值或结构类型数据，也可以是嵌入式的实体( 用对应的实体标识号表示) ， 取决于实体的e x p r e s s 定义和映射规则。属性出现的顺序和e x p r e s s 说明中的顺序 相一致镬承属性必须在显式属性之前。多个属性之间用逗号分割。对于那些在i s 0 1 4 6 4 9 中被定义为o p t i o n a l 的属性，在文件中可以给出属性值也可以不给出，不给出时以“$ ” 表示。下面给出一段具体的s t e p - n c 文件，由此可以看出其具体的构成及其与内容结 构是相对应的。 i s 0 1 0 3 0 3 2 1 ： h e a d e r ： f i l e d e s c r i p t i o n ( ( as t e p n ct e s t i r 培f i l e ) ，1 ) ； f i l e n a m e ( s a i n p l e _ p a n l s t p ，$ ，( a u m s ) ，( ) ，p m t ( ) 咖em i l l ，”， ) ； f i l e _ s c h e m a ( ( s t e p - n cm i l i i n gs c h e m a ) ) ； e n d s e c ： d a t a ： ，p r o j e c ta i l dw o r 印l a l l 捍1 = p r o j e c t ( c o n t 0 砒，拌2 ，( 拌3 ) ) ； 尥= w o r j o l a n ( w o r kp l a n ，( 料) ，$ ，# 5 ) ； # 3 = w o r j ( p i e c e ( w o r k p i e c e ，群6 ，o 0 1 ，$ ，$ ，样8 ，( ) ) ； w o r k i n g s t e p s # 4 = m a c h i n i n g w o r k i n g s t e p ( r o u g hc o n t o l l r ，捍1 3 ，群1 6 ， ! f 1 7 ) ； 群6 = m a t e 鼬a l ( s t 一5 0 ，s t e e l ，( 捍7 ) ) ； 捍8 = b l o c k ( b l o c k ，群9 ，2 6 0 0 0 0 ，2 1 0 0 0 0 ，l1 0 0 0 0 ) ； ，g e o m 剧丑cd a t a 拌9 = a x i s 2 p l a c e m e t 岖3 d ( b l o c k ，群l o ，撑1l ，撑1 2 x ，m a n u f a c t u r i n gf 色a m r e s 撑1 6 = g e n e r a i j o u t s i d e p r o f i l e ( p m f i l e ，拌3 ，( 捍1 7