（机械设计及理论专业论文）stepnc车削系统的数据处理与工艺规划技术研究.pdf

摘要 摘要 数控技术是现代制造最重要的制造方式之一，在其诞生后的半个多世纪里取 得了长足的进步。但是，数控编程的标准却没有随着数控技术的发展而发生根本 的变化，仍然是基于i s 0 6 9 8 3 标准，即采用g ，m 代码描述如何加工，其本质特 征是面向加工过程。近年来的研究和实践表明，随着人们对加工质量和加工效率 要求的不断提高，计算机辅助设计和制造( c a d c a m ) 技术在数控编程和加工领 域的广泛应用，g ，m 代码已成为阻碍制造系统信息集成的瓶颈，严重制约着数 控系统乃至制造业的发展。为此，西方国家提出了一种面向现代计算机数控系统 的新型数据接口s t e p n c ，旨在取代现行的i s 0 6 9 8 3 。s t e p n c 遵从s t e p ( i s o 1 0 3 0 3 ) 中对几何信息的描述规则，同时又加入了与数控加工有关的工艺信息， 并以面向对象的方式通过一系列特征和工步来描述整个数控加工任务，从而将产 品数据交换s t e p 标准( i s o1 0 3 0 3 ) 延伸到数控加工领域，建立起一条贯穿产品 设计与制造过程的信息高速公路。以s t e p - n c 取代i s 0 6 9 8 3 对于数控系统乃至数 字化制造都有着深远的影响，它使得数控系统不仅知道如何加工，还知道加工内 容、加工要求等，有利于实现数控系统的智能化。 本研究是基于s t e p - n c 的智能化车削数控系统开发的一部分，着重讨论 s t e p n c 程序的解析、工艺规划和刀具路径规划，为实现s t e p - n c 车削数控系统 的智能化提供依据。 对于s t e p - n c 数控系统而言，首要的也是最基本的功能就是程序的识别与翻 译。s t e p - n c 程序废弃了传统数控程序中直接对坐标轴和刀具动作进行编码的做 法，采用了s t e p 数据格式和面向特征的编程原则，遵循i s 0 1 3 0 3 0 - 2 1 的文件格 式，使得零件加工程序( 数控程序) 无论在格式还是内容方面都发生了重大变化。 通常情况下s t e p n c 的程序都比较复杂冗长，人工处理难度大。文中提出了用编 程语言开发翻译器的基本方案。首先，将s t e p - n c 标准的描述语言e x p r e s s 与现 今流行的面向对象语言j a v a 进行了映射，将s t e p n c 中的实体及其属性翻译成 j a v a 类。然后，把s t e p n c 的程序读进所开发的翻译系统，将其中的信息转化 l 1 1 东大学硕士学位论文 为类对象进行操作，将读取到的信息通过三维显示模块和特征树等方式进行校 验。实践验证这种方法是可行的。 除了程序的翻译，s t e p n c 数控系统的另一个重要任务就是工艺规划和刀具 路径规划。传统方式下，工艺规划和刀轨规划都属于外部c a m 系统的范畴， s t e p n c 的提出彻底改变了这种功能分离的模式。本文提出了以工步作为工艺规 划和刀具规划的基本单元的思想。文中首先分析了s t e p - n c 程序中工艺数据模型 和加工工步与特征与操作之间的关系；然后针对工艺规划主要介绍了工艺参数的 优化以及工步的调整的原则和方法。针对刀具路径规划，根据s t e p n c 程序的组 织形式，提出了一般路径规划的基本步骤；最后，利用s t e p n c 标准中的示例程 序，验证了路径规划方案的正确性。 关键词：s t e p - n c ；数控；车削；工艺规划 a b s t r a c t a b s t r a c t i nm o d e mm a n u f a c t u r i n g ，t h en ct e c h n o l o g yi sam a j o rc o n t r i b u t o rt ot h e p r o d u c t i o nc a p a b i l i t y o fe n t e r p r i s e s a l o n gw i t ht h ee n h a n c e m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g y , n ct e c h n o l o g yh a su n d e r g o n eas i g n i f i c a n td e v e l o p m e n t h o w e v e r , n c m a c h i n e sa r es t i l lp r o g r a m m e db a s e do nt h ei s 0 6 9 8 3 ，k n o w na sg & mc o d e s ，w h i c h d e s c r i b e st h et r a v e lp a t ho ft h ec u r e r r e c e n tr e s e a r c hs h o w st h a tt h e r ea r em a n y p r o b l e m sw i t ht h ei n t e r f a c eo fi s 0 6 9 8 3 w i t ht h ee n d l e s sp e r s u i tf o rt h eq u a i l i t ya n d e f f i c i e n c ya n dt h ew i d e l yu s a g eo fc a d c a mi nn cp r o g r a m m i n ga n dm a c h i n i n g a r e a , g & mc o d e sb o t t l e n e c kt h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts y s t e m s a n dt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fn ct e c h n o l o g y , e v e nt h ew h o l em a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y t h e r e f o r e ，an e wd a t ai n t e r f a c ec a l l e ds t e p - n cw a sp r o p o s e db yw e s t e r n c o u n t r i e st oi n s t e a dt h ec u r r e n ti n t e r f a c e h a r m o n i z e dw i t hi s o10 30 3 ，s t e p - n c e x t e n d ss t e pi n t on cm a n u f a c t u r i n ga n db r i d g e st h eg a p sb e t w e e nc a d ，c a ma n d c n c s t e p - n co r g n i z e st h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gd a t ai na no b j e c t - o r i e n t e d w a yt h r o u g has e r i e so f f e a t u r e sa n dw o r k i n g s t e p s t h e r e f o r e ，t h r o u g ht h ei n f o r m a t i o n d e r i v e df r o ms t e p - n cp r o g r a mt h ec n cc o n t r o l l e rc a nb ea w a r eo fn o to n l y h o w - t o m a k e b u ta l s o w h a t - t o - m a k e i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e a l i z ei n t e l l i g e n t c n c s y s t e m s s t e p - n cw i l lb r i n gp r o f o u n di n f l u e n c eo nt h en ct e c h n o l o g ya n dt h e e - m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h i sr e s e a r c h , a sap a r to fs t e p - n cb a s e di n t e l l i g e n tt u r n i n gs y s t e m ， e m p h a s i z e so np r o g r a mp a r s i n g ，p r o c e s sp l a n n i n ga n dt o o l p a t hp l a n n i n g i tw i l lb e h e l p f u lt or e a l i z et h ef o r t h c o m i n gi n t e l l i g e n tc n c c o n t r o l l e r f o ras t e p - n cb a s e dc n cc o n t r o l l e r , t h ep r i n c i p a la n da l s ot h eb a s i cf u n c t i o n i st op a r s ea n dt r a n s l a t et h en cp r o g r a m s t e p - n cd i s c a r d st h et r a d i t i o n a lw a yo f p r o g r a m m i n gt h ec u r e rp a t h ，f o l l o w st h es t y l eo ft h ei s o1 0 3 0 3 - 2 1f i l e ，h a r m o n i z e s t h es t e ps t a n d a r d a n dt h es t e p - n cp r o g r a md i f f e r sal o tf r o mt h eg & mp r o g r a m c o n s e q u e n t l y i ng e n e r a l ，ap i e c eo fs t e p n cp r o g r a mi sv e r yp r o l i xa n dc o m p l e x i n t h i sr e s e a r c h , as c h e m eo fas i m p l ep a r s e rf o rs t e p - n ct u r n i n gp r o g r a mi sp r o p o s e d i 山东大学硕士学位论文 f i r s t l y , m a pt h es t e p n cd e s c r i p t i o nl a n g u a g ee x p r e s sw i t hj a v ap r o g r a m m i n g l a n g u a g ea n dt r a n s l a t et h ee x p r e s se n t i t i e si n t oj a v ac l a s s e s t h e n , t h ep a r s e r c o n v e r t st h ep r o g r a mi n f o r m a t i o ni n t oo b j e c t so fj a v ac l a s s e sa n ds a v e st h e mi nt h e m e m o r i e s t h e s eo b j e c t sc a nb eu s e dt od i s t i l lt h en e e d e di n f o r m a t i o n a d d i t i o n a l l y , a 3 dv i e w e ri sd e v e l o p e dt ov a l i d a t et h ef i n a lp a r ts h a p e w i t ht h ee x p e r i m e n t so f s e v e r a lp i e c e so fs t e p n cp r o g r a m ，t h i sm e t h o di sp r o v e df e a s i b l e b e s i d e s ，p r o c e s sp l a n n i n ga n dt h et o o lp a t hp l a n n i n ga r ea l s ot h ev i t a lt a s k so f c n c c o n t r o l l e r t r a d i t i o n a l l y , t h ep r o c e s sp l a n n i n ga n dt h et o o lp a t hp l a n n i n gb e l o n g t oc a ms y s t e m b u ts t e p - n cb r e a k st h eo l d f a s h i o n e dp a r e m i nt h i sr e s a e r c h , w o r k i n g s t e pi ss e l e c t e da st h eb a s i cu n i to fp l a n n i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n w o r k i n g s t e p ，o p e r a t i o na n df e a t u r ei ss t u d i e df i r s t l y t h e n ，t h em e t h o da n dp r i n c i p l e o fp r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fs t e p n c p r o g r a m ，t h es i m p l es t e p so ft o o lp a t hp l a n n i n ga r ep r o p o s e d f i n a l l y , u s i n gt h e e x a m p l ep r o g r a m ，t h et o o lp a t h p l a n n i n gt e c h n i q u ei sv a l i d a t e d k e y w o r d s ：s t e p - n c ；c n c ；t u r n i n g ；p r o c e s sp l a n n i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 拯堑芝 e t期： 2 竺：2 坦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本 人授权山东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， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 熟生生导师签名爱咝 日 期：丛：! ! 丝 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 数控( n c ) 是数字制造的起源，是先进制造的核心技术之一，对于国民经 济的发展和国防现代化建设具有重要意义和战略作用。随着计算机技术的发展， 数控系统逐渐由硬件数控向软件化，由封闭式向开放式发展。现代的计算机数控 ( c n c ) 机床在注重单机高速、高效、高精度、高可靠性的同时更是向着开放性、 智能化、网络化等方向发展【1 】。因此，我国在十一五规划中将发展大型、精密、 高速数控装备和数控系统及功能部件作为提高重要技术装备国产化水平的重要 内容，改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状，满足机械、航空航天 等工业发展需求 2 j 。 经过半个多世纪的发展，数控技术取得了长足的进步，数控标准也已经成为 国际化标准( i s 0 6 9 8 3 ) ，即常说的g 、m 代码。世界各国依据该标准都开发了 自己的数控系统，极大提高了数控机床的生产力和加工质量。但是，从早期的数 控( n c ) 机床到现在的计算机数控( c n c ) 系统，数控编程的规范基本没有发 生根本的变化。尽管不同厂商提供的指令不尽相同，甚至某些系统还提供了图形 化编程界面，但其基本标准仍然是i s o6 9 8 3 ，即通常所说的g 、m 代码。随着 人们对加工质量和加工效率要求的不断提高，以及计算机辅助设计和制造 ( c 削d c a m ) 技术在数控编程和加工领域的广泛应用，依照i s 0 6 9 8 3 开发的数 控系统也日益暴露出其在结构、功能、人机交互等方面的诸多缺陷【3 】，一定程度 上制约着生产力的发展和数控技术的进步。现有的数控系统主要存在以下问题 【4 】【5 】【6 】： ( 1 )g 、m 代码只是定义了机床的运动和开关动作，这种具体的动作与具 体的机床有密切关系，故很难实现代码的移植； ( 2 )g 、m 代码所表示的产品信息不全，c n c 系统不可能全面了解产品， 不可能真正实现加工过程的智能化控制； ( 3 )从c a x 系统到c n c 系统的传输过程是单向的，加工中出现的问题 不能及时和有效地反馈到设计阶段，难以支持先进制造模式； 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 现场编程困难或者修改非常困难，对于稍具复杂性的加工对象， g 、 m 代码由后处理程序生成，增加了信息流失或者出错的可能性； ( 5 )g 、m 代码覆盖面窄，生产厂商不得不开发各自的扩充功能和专有指 令，使得不同控制系统之间互不兼容； ( 6 )生产的准备时间很长，生产效率低。 在这种情况下，1 9 9 7 年欧共体的o p t i m a l ( o p t i m i z e dp r e p a r a t i o no f m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n 谢mm u l t i l e v e lc a m c n cc o u p l i n g ) 计划定义了一套 面向数控铣削的数据接口，第一次提出了s t e p - n c 的概念。s t e p - n c 是s t e p 向制造领域的扩展，其基本的思想是使数控系统直接以基于s t e p 标准的三维 c a d 模型加上加工工艺数据作为数控程序，取代传统的g 、m 代码。相对于传 统的数控标准来讲，主要有其明显的优势。 ( 1 )s t e p - n c 不依赖于具体的c a m 系统或数控系统，这不仅利于数控 编程，而且也提高了数控程序的可移植性。 ( 2 )s t e p - n c 利用s t e p 统一表征的c a d 设计数据，把制造信息加到设 计信息里面，形成s t e p - n c 数控程序，无需传统上的后处理。这样 就避免了数据转换过程中加工信息的丢失，使c n c 与c a d c a m 系 统之间实现双向数据流动，实现了他们之间的无缝集成。 ( 3 )由于s t e p - n c 不是直接指定机床的具体动作，只是描述了个加工 任务，为控制器的智能化提供了平台。控制器可以根据具体加工任 务选择最优的加工参数和走刀路径，智能分析程序，避免加工过程 中出现碰撞干涉等意外情况，从而减少加工时间、提高生产效率。 ( 4 )另外，s t e p - n c 是由e x p r e s s 语言来描述的，可以很容易地用x m l 语言来表达，从而有利于实现网络化制造。 s t e p - n c 的这些特点使得c n c 系统不仅知道如何加工，还知道加工的是什 么，从而为研究数控系统的开放性，智能化和网络化奠定基础，使得产品的设计 和制造可以摆脱系统平台和物理位置的束缚，实现异地设计、异地规划和异地制 造的目标，为并行工程、敏捷制造等先进生产模式提供了技术基础。 2 第1 章绪论 1 2s t e p - n c 概述 1 2 1s t e p - n c 标准 1 9 9 4 年，在欧共体e s p r i ti i i 项目的支持下，德国a a c h e n 工业大学( a a c h e n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 机床与制造工程实验室( w z l ) 与欧洲的一些著名大 企业( s i e m e m ，f i d i a , s t r a s s l e ，g r u n e w a l d ，f r a n c i ，p r o g e t t i 等) 联合开展了 o p t i m a l ( o p t i m i s e dp r e p a r a t i o no fm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o nw i t hm u l t i l e v e l c a m c n cc o u p l i n g ，e s p r i ti i i8 6 4 3 ，1 9 9 4 1 9 9 7 ) 研究【7 1 。1 9 9 7 年，该项目定义 了第一版s t e p - n c 铣削接口标准。此后，欧美韩等纷纷启动了s t e p - n c 研究项 目，希望在o p t i m a l 研究成果的基础上研发一个适合于铣、车、磨、放电加工、 快速成型、木材和玻璃加工等的标准接口，用于全面取代i s o6 9 8 3 t 引。 在国际标准化组织和欧美等国家研究机构的努力下，s t e p - n c 已被确定为 国际标准，称为i s o 1 4 6 4 9 ( i s o t c l 8 4 s c l w g 7 ) 【9 】【1 0 1 【1 1 】【1 2 】【1 3 】【1 4 1 其对应的s t e p 应用协议称为a p2 3 8 ( i s o1 0 3 0 3 2 3 8 ，i s o t c l 8 4 s c 4 ) 。s t e p - n c 标准为一项 总的标准，不同的工艺模型在这个标准中都有其相应部分( 表1 1 ) ，如其中p a r t l 为总则，p a r t l 0 为通用数据，p a r t l l 为铣削，p a r t l 2 为车削，p a r t l l l 为铣削刀具， p a r t l 2 1 为车削刀具，p a r t l 3 为e d m ( 放电加工) ，p a r t l 6 为在线检测。 在p a r t l 中，主要介绍了s t e p - n c 的数据模型以及它的优点和基本原理。 p a r t l 0 通用加工数据部分描述了各种加工方式的数控编程通常需要的加工数据。 如i s 0 1 4 6 4 9 1 0 中定义的加工模式( m a c h i n i n g包含了适合不同加工方schema) 式( 如铣削、车削、磨削等) 的数据模型。包括了工件定义、特征目录、通用执 行单元及操作定义的基本原理。i s 0 1 4 6 4 9 1 0 并不是孤立的，他的应用必须和某 一个具体的加工方式( 如车削的i s 0 1 4 6 4 9 1 2 ) 结合起来。 p a r t l l 介绍了铣削加工数据，这部分和通用部分p a r t l 0 一起描述了针对铣削 的c n c 控制器和编程系统之间的接口，适用于所有类型机床的铣削操作。p a r t lll 服务于p a r t l l ，是关于铣削加工刀具的描述。包含的刀具信息比较全面，有刀具 类型、几何参数、预计寿命等。 3 山东大学硕士学位论文 表卜li s 01 4 6 4 9 部分内容 标准号题目 i s 01 4 6 4 9 - 1 o v e r v i e wa n df u n d a m e n t a lp r i n c i p l e s i s 01 4 6 4 9 - 2 l a n g u a g eb i n d i n g s ，f u n d a m e n t a l s i s 01 4 6 4 9 - 3 l a n g u a g eb i n d i n gi nj a v a i s 01 4 6 4 9 9 g l o s s a r y i s 01 4 6 4 9 - 1 0 g e n e r a lp r o c e s sd a t a i s 01 4 6 4 9 11 p r o c e s sd a t af o rm i l l i n g i s 01 4 6 4 9 - 1 1 1t o o l sf o rm i l l i n g i s 01 4 6 4 9 - 1 2p r o c e s sd a t af o rt u r n i n g i s 01 4 6 4 9 - 1 2 1 t o o l sf o rt u r n i n g i s 01 4 6 4 9 - 1 3p r o c e s sd a t af o re d m i s 01 4 6 4 9 - 1 3 l t o o l sf o re d m i s 01 4 6 4 9 - 1 6d a t af o rt o u c hp r o b i n gb a s e di n s p e c t i o n p a r t l 2 详细介绍了车削加工的专用数据，同样要和i s 0 1 4 6 4 9 1 0 结合在一起， 描述车削系统与编程系统之间的接口，适用于所有机床的车削操作。 i s 0 1 4 6 4 9 1 2 1 为车削刀具描述标准。 1 2 2s t e p - n 0 核心概念 s t e p - n c 是一种旨在全面描述零件几何信息和数控加工工艺信息的数据模 型。它将面向对象的方法引入到了数控编程领域，通过特征、工步等一系列特有 的概念为零件的数控加工提供对整个加工任务的描述。 特征是工件上具有特定几何形状的一部分。s t e p - n c 中的特征专指制造特 征( m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e ) ，与c a d 中的特征概念之间没有一一对应的关系。其 制造特征分为域特征( r e g i o n ) 、2 5 轴制造特征( t w 0 5 dm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e ) 和过渡特征( t r a n s i t i o nf e a t u r e ) 。 零件的加工是通过对工件上一系列特征的加工来实现的，具体方法称为操 作。i s o1 4 6 4 9 中，操作可以是对工件某一部分进行加工处理的过程即机加工操 4 第1 蕈绪论 作( m a c h i n i n g _ o p e r a t i o n ) ，也可以是一次快速移动( r a p i d _ m o v e m e n t ) 或探测 ( t o u c hp r o b i n g ) 。根据加工工艺的不同，机加工操作可以是铣削操作 ( m i l l i n g _ m a c h i n i n g _ o p e r a t i o n ) ，也可以是车削( t u r n i n g _ m a c h i n i n g _ o p e r a t i o n ) 或其它操作。通常一个机加工操作中不能有刀具或工艺参数( t e c l u l o l o g y ) 的变 动。具体操作信息通常包括工艺方法、刀具( m a c h i n i n g _ t 0 0 1 ) 、走刀策略 ( s t r a t e g y ) 、工艺参数、机床辅助功能( m a c h i n e f u n c t i o n s ) 等。 s t e p - n c 程序的执行顺序是通过一系列可执行体( e x e c u t a b l e ) 来体现的。 值得一提的是，操作虽然是特征的具体实现方法，但它本身不是可执行体。可执 行体包括工作计划( w o r k p l a n ) 、n c 功能( n cf u n c t i o n ) 和工步( w o r k i n g s t e p ) 。 其中工步是对工件制造过程中机床具体动作的概括性描述，即运用一定的操作 ( o p e r a t i o n ) 完成某一任务，被认为是s t e p - n c 数控程序的基本单位。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内外研究机构 欧洲最早进行了s t e p - n c 研究，19 9 7 年，欧洲e s p r i ti i i 计划的o p t i m a l 和m a t r a s 项目定义了第一个基于s t e p 面向对象的数据模型和应用于铣削的 c n c 接口，导致i s o1 4 6 4 9d i s 的诞生f 1 5 】。 接下来又启动了为期3 年的s t e p - n c 项目( 1 9 9 9 年1 月2 0 0 1 年1 2 月) ， 主要是完善和实施o p t i m a l 计划的成果并逐步向其它加工领域拓展。期间，他 们进行了世界上s t e p - n c 项目的演示。d a i m l e r c h r y s l e r 公司、s i e m e n s 公司以 及一些著名大学和公司联合开发了一个s t e p - n c 控制器原型机。他们通过在 s i e m e n s 8 4 0 d 控制器上加装了s t e p - n c 翻译器和用户界面组成的s t e p - n c 控制 器能自动识别s t e p - n c 数据，在屏幕上显示“工作步骤 及其它必要信息，得 到确认后自动控制五轴数控铣床进行了简单特征的加工【1 6 】，为发展车、磨、快速 原型加工、木材和玻璃切削等新的数据接口奠定了基础。 1 9 9 9 年1 0 月，美国的s t e p - n c 研究获得了n i s t ( t h en a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n dt e c l l n o l o g ) ，) 的a t p ( a d v a n c e dt e c h n o l o g yp r o g r a m ) 计划支持。 s t e pt o o l s 公司于2 0 0 0 年开始的为期3 年的“超级模型”( s u p e rm o d a l ) 项目。 5 山东大学硕十学位论文 该项目的全称为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 fm a n u f a c t u r i n g ，目标是利用 s t e p n c 建立一个集成设计信息和制造信息的数据库，其中包含零件所有制造 特征、可直接驱动数控铣床。项目开始阶段主要针对铣削，然后再向数控车削、 p d m 等扩展。2 0 0 0 年末，他们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 l r e v i e wb o a r d ) 会议上演示了利用“超级模型 进行铣削特定特征对象的全过程： “超级模型 从一个f bm a t hc a m 系统( 由h o n e y w e l l 公司开发) 读取三维模 型( 包含孔、槽、型腔三种特征) 数据，然后一台经e m i ( e l e c t r o m e c h a n i c a l i n t e g r a t o r s ) 公司改造过的b r i d g e p o r tc n c 控制器通过“超级模型”的智能接口 读取s t e p - n c 数据后直接控制铣床进行加工。2 0 0 2 年2 月他们进行了第二次演 示( 进行完整零件的铣削) 。另外他们还开发了一些s t e p - n c 插件【1 7 1 ，供数据 转换和测试用。 韩国1 9 9 9 年开始研究s t e p n c ，主要集中在铣削加工和车削加工。韩国的 p o h a n g 科技大学等也在积极进行控制器的研究。该大学的s t e p - n c 国家研究实 验室( n r l - s n t , n a t i o n a lr e s e a r c hl a bf o rs t e pn ct e c h n o l o g y ) 从2 0 0 0 年6 月 启动了为期5 年的研究计划，主要进行从车削数据模型到智能化加工( 车削控制 器) 的研究。于2 0 0 2 年提出了车削数据的建议模型及相应的c n c 功能框架【1 8 1 。 目前s t e p o n c 被作为i m s ( 智能制造系统) 计划的重要内容。m s 是一个 以新一代制造技术为目标的国际合作研发计划，1 9 8 9 年由日本提议，成员有澳 大利亚、加拿大、欧盟、挪威、日本、韩国、瑞士、美国等。s i e m e n s 公司获得 了该计划的一个s t e p - n c 项卧1 9 1 。o m a c 专门成立了一个s t e p - n c 组1 2 0 。他 们认为，开发o m a c 控制器决不能无视s t e p - n c 的发展【2 1 1 。著名的c a d c a m 开发商、c n c 开发商等也正在开发支持s t e p - n c 的技术。 国内学者也开展了大量的研究工作。其中本课题组在基于s t e p - n c 的数字 制造基本理论和技术方面进行了一定的前期研究，并在国家基金的资助下对 s t e p - n c 控制器进行了较为系统的研究和探索。国内其他科研单位如清华大学、 西北工业大学、合肥工业大学、华南理工大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、 沈阳建筑大学、哈尔滨工程大学、浙江大学等的科研人员也都进行了大量的相 关研究。 6 第1 章绪论 1 3 2 最新研究进展 近年来，随着数据模型和验证系统的研发进展，s t e p - n c 的研究重点正逐 渐向着s t e p 兼容式数字制造的理论、实现方法和技术转移，这方面的主要研究 和阶段性成果如下： 在工艺规划、数控编程及实现技术方面，s u h t 2 2 j 提出将非线性规划技术引入 加工现场的基本方案，希望通过数控系统的智能化实现数控加工的动态规划和控 制。a l l e n 2 3 1 提出一种叫做m a s c a p p 的原型系统，将a g e n t 技术应用到了工 艺规划中，通过m f a ( m a n u f a c t u r i n gf e a t u r ea g e n t ) 实现基于特征的工艺规划 和编程。x i e 等【2 4 】针对钣金零件研发了一个s t e p 兼容式c a p p 原型系统，旨在 采用s t e p 数据模型实现几何信息和工艺信息的集成。德国h e u s i n g e r 等【2 5 】研究 了s t e p - n c 车铣工艺数据的集成问题，主要侧重于车削零件上非回转特征的加 工。 国内多个研究机构也在工艺规划和数控程序生成方面做了很多研究，冯嵩等 【2 6 】开发了一个集a p 2 0 3 特征识别、工艺规划和i s 0 1 4 6 4 9 文件的生成为一体的 c a m 系统。刘日良等【2 7 1 基于s t e p - n c 的基本思想将数控加工中的工艺规划划 分为离线规划、在线规划和实时规划。提出了按工步级规划一特征级规划一零件 级规划的在线规划模式，并据此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。 在智能加工、数控系统技术及数据处理方面，x u 2 8 1 利用s t i x 提取s t e p - n c 文件的加工信息，开发了一个s t e p c n c 作为s t e p - n c 文件和c n c 机床之间的 接口，实现了由s t e p - n c 文件到机床内部指令的转换。基本实现了由s t e p - n c 文件到加工出最终零件的一个完整的过程。l e e 等口9 1 开发了直接由x m l 格式的 s t e p n c 程序文件驱动的数控铣床。c h o i l 3 0 1 设计了一个s t e p 兼容式车削数控系统 ( t u m s t e p ) 并重点研究了基于x m l 的数据处理技术 在s t e p n c 控制器方面，s u b 等【3 l 】开发了一个s t e p - n c 车削数控系统 ( t u 【n l s t e p ) 。t u m s t e p 包括代码生成、代码编辑、自治控制等模块，实际上 相当于一个c a m c n c 集成系统。t u r n s t e p 原型机的开发展示了s t e p - n c 控 制器的巨大潜力和优势。n a s s e h i 3 2 1 研究了基于制造特征( i s o1 4 6 4 9 ) 的零件建 7 山东大学硕士学位论文 模、工艺规划及数控编程技术集成技术，并重点探讨了多智能体技术在工艺规划 方面的应用，用j a v a 语言实现了原型系统m a s c a p p 。它直接利用s t e p - n c 的 制造特征进行零件( 仅包含简单铣削特征) 建模，然后生成西门子8 4 0 d 控制器 的数控程序。 在信息获取、系统集成和网络化制造方面，越i 给出了一个基于 s t e p s t e p - n c 在线检测基本框架【3 3 1 。b r e c h e r 则进一步提出利用检测数据进行 动态规划，从而形成一个闭环的规划和加工流程 3 4 】。w o s n i k 则探讨了低层数据 ( 数字伺服驱动信息) 的回馈方法【3 5 】。f i c h n e r 研究了获取数控加工单元信息以 实现对分布式数控加工系统的集成和控制的基本方法【3 6 1 。b o r s e l i n o 则针对远程 协同问题研究了s t e p o n c 应用系统的x m l 接口方法【3 7 1 。n a s s e h i 则进一步展望 了移动a g e n t 在s t e p n c 制造环境中的应用前景3 羽。 1 3 3 存在的不足 s t e p - n c 的研究取得了可喜的阶段性成果，但也存在很多问题： 1 总体上还处于早期研究阶段。目前的研究大多停留在s t e p - n c 接口技术 和功能结构框架上，还没有深入研究与数据模型相适应的新方法、新技 术。 2 研究工作的不平衡。目前针对铣削加工方式的研究较多，而车削的方式 很少。 3 目前研究多集中于模型、框架、概念、数据处理等方面，在s t e p - n c 与 实际加工的结合方面尤其是涉及到底层的刀轨规划的研究比较少，而且 都处于起步阶段。 1 4 课题的研究内容及意义 1 4 1 内容安排 s t e p - n c 作为一种新型的数控接口标准，克服了传统标准i s 0 6 9 8 3 的诸多 缺点，代表着先进数控技术的发展方向。山东大学数控技术中心是国内较早开展 s t e p - n c 研究的科研单位之一，参与完成了多项s t e p - n c 基金项目的研究，目 8 第1 章绪论 前承担着国家自然科学基金项目“基于s t e p n c 的智能化数控理论和关键技术 研究”的研究。 本研究是s t e p - n c 智能化车削数控系统研究的重要部分，主要研究 s t e p - n c 车削控制器的基本框架，以及s t e p n c 条件下数控加工和数控系统的 开发必须首先解决的问题，包括s t e p - n c 程序的翻译处理、工艺规划、刀轨规 划等，开发一个包含三维几何信息显示、刀轨路径校验、s t e p n c 程序重生成、 工艺参数交互等模块的基本的车削数据处理的原型系统。本文研究内容分为七 章，后面各章内容安排如下。 第二章分析了s t e p - n c 车削数据模型和提出了车削系统框架。介绍了 s t e p - n c 车削数据模型，介绍了s t e p - n c 的基本概念和组织结构；提出了s t e p n c 车削系统框架以及本研究在其中的地位；介绍了本研究原型系统开发思路。 第三章研究了s t e p - n c 程序的读取翻译方法。分析了s t e p n c 数控程序结构， 依照具体程序，解析程序内容与组织形式；研究了e x p r e s s 语言与j a v a 编程语 言之间的映射关系，提出了利用j a v a 语言进行信息读取的具体技术。 第四章车削数控系统中三维显示模块的开发。对比了主流的三维显示接口的 优劣，选定了j a v a 3 d 三维开发工具；研究了s t e p n c 条件下产品几何信息的提 取方法，介绍了三维显示系统的工作流程。 第五章介绍s t e p - n c 工艺规划模式和程序的再生成。分析了s t e p n c 工艺数 据模型，介绍了本研究工艺规划模块的开发；研究了工艺规划后s t e p n c 程序的 再生成方法。 第六章