（机械制造及其自动化专业论文）基于stepnc应用参考模型文件自动生成技术的基础研究.pdf

摘要 捅妻 s t e p - n c0 s 0 1 4 是s t e p 标准在c n c 领域的新扩展，重新规定了c a x 与c n c 之间的接口，将产品的设计信息与制造信息完整联系起来，消除c a m 的后处理系统，实现了c a x 与c n c 之间双向无缝信息流通，极大地方便了系统 闯的信息交换和共享。根据s t e p t o o l 公司的预测，s t e p - n c 将在未来十年内 逐渐成为数控技术的最终标准。 论文在详细研究s t e p n c 体系原理的基础上，针对一个具体的c a d 文件， 开发了“s t e p - n c 程序生成器v 1 0 ”。目的在于从程序的层面，用软件方式来实 现c a d 文件的特征自动提取，最终生成s t e p n c 程序源代码。 程序生成器v 1 0 采用面向对象的软件开发思想，基于v t s u a lc + 斗6 0 中m f c 的d i a l o g 形式建立，利用m f c 类库的软件资源，实现系统预定的功能。系统 主要部分有2 个功能模块，第一模块是特征提取，利用d x f 图形交换文件进行二 次开发，对c a d 文件进行基于s t e p - n c 制造特征的提取，并生成与之相应的 e x p r e s s 实体语句第二模块是i s 0 1 4 6 4 9 源代码自动生成，在v l s u a la 娟o 下，实现由零件特征e x p r e s s 语句生成相应程序源代码，以及零件完整的 i s 0 1 4 6 4 9 源代码生成 论文重点分析了s t e p - n c 体系结构特点、建模语言e x p r e s s 、数据模型及 加工程序文件，构造利于加工信息表述的系统核心数据库，建立了s t e p - n c 的 形式化描述语言e x p r e s s 到c + + 语言的映射。为“s t e p - n c 程序生成器v 1 0 ” 的进一步研究和开发工作，做了必要的基础性的研究工作。 图【3 1 】表【1 2 】参 6 5 】 关键词：产品数据交换标准；i s 0 1 4 6 4 9 ；制造特征；s t e p - n c ：v c 卜 分类号：( t h l 6 4 ) ： 室堕墨三奎量鎏主堂垡堡奎 a b s t r a c t s t e p ( i s 0 1 4 6 4 9 ) e x p e n d ss t e ps t a n d a r d si n t ot h ea r e ao fc n ca n dr e d e f i n i t i o n t h ed a t ai n t e r f a c eb e t w e e nc n ca n dc a xa n di n t e g r a t e st h ed a t ai n f o r m a t i o no f p r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gw e l l i te l i m i n a t e sp o s tp r o c e s s o rs y s t e mo fc a m a n dr e a l i z e st h es e a m l e s sb i r - d i r e c t i o n a li n f o r m a t i o ns t r e a mb e t w e e nc a m s y s t e ma n d c h i c i tm a k e si n f o r m a t i o ne x c h a n g i n ga n ds h a r i n ga m o n gs y s t e m sc o n v e n i e n t l y a c c o r d i n gt o s t e pt o o l sf o r e c a s t , s t e pw i l lb e c o m et h eu l t i m a t es t a n d a r do f n c t e c h n o l o g yg r a d u a l l yi nt h en e x td e c a d e o nt h eb a s eo fs t u d y i n gp r i c e p l e so fs t e ps y s t e m , a i m i n ga ts p e c i f i cc a d f i l e ， s t e p - n cp r o g r a mg e n e r a t o rv 1 旷i si n v e n t e d , w h i c hi n t e n d st ou s es o , w a r e m e t h o di nt h ep r o g r a ml e v e lt or e a l i z ea u t o m a t i ce x t r a c t i o no ff e a t u r e s , a n dg e n e r a t e s t e p - n cs o u l c ec o d ee v e n t u a l l y b a s e do nm f c d i m o gf o r mo fv i s u a lc + + 6 0a n du t i l i t i y i n go b j e c t - o r i e n t e d t l l i n k i n go fs o f t w a r e a n dm f cs o r w a r er e s o u i v 七，t h ep r o g r a mg e n e r a t o rv 1 0i s e s t a b l i s h e dt or e a l i z ea n t i c i p a t e df u n c t i o no fp r o g r a ms y s t e m t h es y s t e mh a st w o f u n c t i o n a lm o d u l e sm a i n l y t h et h ef i r s tm o d u l ei saf e a t u r ee x t r a c t i o nw h i c hu s e s d x fd r a w i n ge x c h a n g i n gf i l e st od e v e l o ps e c o n d a r yt oe x u a e tf e a t u r e so fc a df i l e b a s e do ns t e p - n cf e a t u r ea n dg e n e r a t e s c o r r e s p o n d i n ge n t i t ye x p r e s s s t a t e m e n lt h es e c o n df u n c t i o n a lm o d u l ei sa b o u ta u t o m a t i cg e n e r a t i o no fs o u r c ec o d e o f i s o1 4 6 4 9 u n d e rv i s u a lc 十佰0d e v e l o p i n ge n v i r i o n m e n l g e n e r a i n gc o r r e s p o n d i n g r e s o u r eo fp a r tf e a t u r ef r o ma p a r tf e a t u r ee x p r e s ss t a t e m e n ta n dg e n e r a t i n g c o m p l e t ei s o l 4 6 4 9s o u i v ec o d e p a p e r sf o c u s e so ns t e pa r c h i t e c t u r ef e a t u r e s ，m o d e l i n gl a n g u a g ee x p r e s s ， d a t a - m o d e la n dc o n s t m c t sc o r ed a t a b a s ew h i c h 啪e x p r e s si n f o r m a t i o nw e l l a n d m a p p i n gf r o mf o r m a ld e s c r i p t i o no ft h ec + + l a n g u a g et oe x p r e s sl a n g u a g ei s e s t a b l i s h e d d o i n gt h en e c e s s a r yb a s i cr e s e a r c hf o r 。s t e p n cp r o g r a m eg e n e r a w r v 1 0 ”f n r t h e rr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gw o r k f i g u r e 3 1 】t a b l e 【1 2 】r e f e r e n c e 6 5 】 k e yw o r d s ：s t e p ；i s 0 1 4 6 4 9 ；m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e ：s t e p - n c ：v c + + c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h l 6 4 ， 一 插图或附附表清单 注释说明清单 a i m a p p l i c a t i o ni n t e r p r e t e dm o d e l 应用解释模型 a m t a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y 先进制造技术 a p i a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e 应用编程接口 a p s a p p l i c a t i o np r o t o c o l s 应用协议 a r m a p p l i c a t i o nr e f e r a n c em o d e l 应用参考模型协议模式 c t e c l e a r - t e x te n c o d i n g 正文编码 d a id a t a a c c e s si n t e r f a c e 数据访问接口 1 s 0 d i sd r a f ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d 国际标准草案 s d a is t a n d a r dd a t a a c c e s si n t e r f a c e 标准数据存取界面 s t e p s t a n d a r d f o r t h e e x c h a n g e p r o d u c t m o d e l d a t a 产品数据模型交换标准 s t e p - n cd a t am o d e lf o rc o m p m e r i z e d n u m e r i c a lc o n t r o l l e r si s 0 1 4 6 4 9 计算机 数字控制器数据模型 v n 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以外， 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 塞筮堡王太堂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 表示谢意 学位论文作者签名：盔鼙丑3 ：日期：型墅年f 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮翌王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀垄王太堂学校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安徽理工大学 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) 学雠缈者张柙诹签字呲叩年6 月歹日 导师签名： 签字日期：研年月7 日 ， j 安徽理工大学硕士论文 引言 制造业是国民经济和综合国力的支柱产业决定制造业最主要的因素足技术 的创新和领先。先进制造技术( a d v m t c e dm a n a f a c t u r i a gt e 凼1 0 l o 盱 m i ) 是制造业 不断吸收机械、电子、计算机与通信、控制理论、人工智能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、制造全过程，实现优质、高效、灵活 生产，达到理想的技术经济效益和社会效益，提高对产品市场的适应能力和竞争 能力的制造技术的总称i 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、信息处理、网络技术等于一体，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，柔性化生产的基础。 1 9 5 2 年美国把计算机技术应用到了机床上，全世界第一台数控机床诞生在 其后的5 0 年甸数控系统的信息交换都是基于i s 0 6 9 8 3 标准，采用g ，m 代码描 述如何( h o w ) 加工，其本质特征是面向加工过程，目前是越来越不能满足现代 数控技术高速发展的需要p i 为此，国际上正在研究和制定一种新的c n c 系统标 准s t e p - n c 产品信息的标准化是当前制造业信息化发展的一种趋势，s t e p - n c 是采用 s t e p 规范的数控领域数据接1 2 标准。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模型信息的标准化 s t e p - n c 的控制器将不再使用g 、m 代码来编程，而使用s t e p 标准的三维 产品数据模型加上工艺和刀具信息直接产生加工程序田。 s t e p - n c 采用符台s t e p ( i s o1 0 3 0 3 ) 的三维几何模型，加上工艺信息后直接 作为数控系统的编程语言( a p 2 3 8 ) ，消除c a m 与数控系统之问的信息流瓶颈，并 基于s t e p 建立起支持产品全生命周期的数据标准。不仅可以解决目前数字制造 系统中信息模型不统一、系统不兼容等问题，更重要的是，它使从设计到制造阶 段的信息双向流动，为真正实现制造业信息化提供基础条件1 9 】。 - - 1 绪论 1 1s t e p 标准简介 1 1 1 传统g ，m 代码不足 1 绪论 传统数控系统一直沿用从c a m 到c n c 控制器的i s 0 6 9 8 3 数据标准( 也称为 r s 2 7 4 d ) 。i s 0 6 9 8 3 的本质特征是面向过程，描述如何加工。文件包含一系列机床 主轴控制指令：g 代码定义刀具运动；m 代码定义辅助操作。首先r s 2 7 4 d 的代码 没有给c n c 指明加工对象和加工原理信息，也无法在控制器上进行优化。机床销 售商为了控制各自机床的新特性，将专用代码添加到各自版本的r s 2 7 4 d 中，导致 许多程序的互不兼容，最大的c a m 软件支持后置处理器多达4 5 0 0 种左右【i o 】。其次 是现在的c a d c a m 系统以及c n c 控锘l 器虽然已经能处理3 d 数据，但从设计到制 造过程仍然没有充分使用3 d 信息。最后，目前的c n c 与c a d c a m 之间的数据交 换为单向传输，落后的i s 0 6 9 8 3 接口远不能满足数控技术高速发展的需要，其主要 缺陷见表1 1 。 表1 - 1i s 0 6 9 8 3 主要问题 1 曲i c l 1m a i ni s s a eo f i s 0 6 9 8 3 一 缺陷 “ 影响 一 现场编程，修改非常困难，对于稍复杂的加工对象。需要事先由增加了信息流失或出错的 后处理程序生成可能性 g 、m 代码只定义了机床的运动和开关动作，不包含产品数据的 无法获得完整的产品信息， 其它信息不能实现智能化 从c a d c a m 到c n c 的传输过程是单向的不能支持先进制造模式 覆盖面太窄，厂商需要开发各自的扩充功能和专有指令不同控制系统之间不兼容 生产准备时间长生产效率低 不支持基于样条数据的五轴铣和高速加工不适应数控技术高速发展 由于目前i s 0 6 9 8 3 数据标准不能使c n c 系统获得完整的产品数据信息，并 且造成控制系统之间互不兼容。随着c a x 技术的快速发展和越来越普遍的应用， 大量的越来越复杂的3 d 设计数据在制造过程中造成了越来越多的信息误解和识 别错误。据报道，由于各个企业采用不同系统、不同数据格式而造成产品数据之 闯相互不兼容给全球制造业造成的损失己多达9 0 0 亿美元，并且这个闯题仍然困 扰着人们【l “。因此产品数据模型的统一和共享对制造业变得越来越重要! 安徽理工大学硕士论文 1 1 2s t e p 的产生与现状 1 s t e p 的产生 s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g ep r o d u c tm o d e ld a t a ) 标准是国际标准化组织 ( i s o ) t 业与自动化与集成技术委员会( 1 1 8 4 ) 下属的第四分委员会( s c 4 ) 开发的，目的是为了使产品信息在不同的应用系统之间的交换保持完整性和一致 性以实现产品数据能在全球范围内共享，标准号i s 0 1 0 3 0 3 s t e p 提供了一个独 立于任何一个c a x 系统的中性机制来描述整个产品生命周期的产品数据，是一 个关于产品数据计算机可理解的表示和交换的国际标准。 s t e p 的一整套标准称为应用协议( a p p l i c a t i o np r o t o c o l s ) ，用以在不同的应用 环境中描述产品信息，使之能够共享代码和数据，因此新增协议能够继承原有协 议的定义。在s t e p 的相关协议中，a p 2 0 1 和a p 2 0 3 等面向几何、拓扑的应用协 议应用最为广泛，而对于全局产品数据模型，则还需要a p 2 2 4 和a p 2 1 4 的支持。 s t e p 应用协议a p 2 1 4 与a p 2 2 4 分别定义了面向c a d 与c a p p 的形状特征模型， 为特征建模的标准化提供了依据任意c a x 系统的特征模型只要与s t e p 特 征模型兼容，就可以通过s t e p 工具共享特征信息f 翻 s t e p 标准的核心是一系列可以拿来重复使用的工程定义目录多项应用议定 书( a v s ) 。简单地说；s t e p 为c a d 产品数据标准提出了定义，其内容包括：几 何、拓扑、公差、关系、属性、构件、结构及其他内容 s t e p 能描述产品整个生命周期的信息数据，保证产品数据的完整和致， 保证信息理解的一致性3 1 不仅适合于中性文件交换，而且是实现和共享产品数 据库以及产品数据长期存档的基础【1 4 1 。 1 1 3s t e p 标准的体系结构及特点 1 核心思想 s t e p 的核心思想包括：层次结构概念( 应用层、逻辑层、物理层) 、e x p r e s s 信息建模语言定义产品数据模型、多种信息交换途径等【1 5 】 2 体系结构组成 ( 1 ) s t e p 的组成1 1 6 1 s t e p 标准包括五个方面的内容，见表1 2 。 - 2 - l 绪论 表l - 2s t e p 标准主要方面的内容 t a b l e l - 2m a i nc o n t e mo fs n 沪s t a n d a r d 序号 内容 p a r t - i 描述方法e s 两p t i o nm e t h o d s ) p a r t - 2 集成资源( i n t e g r a t e dr e s o u r c e s ) p a r t - 3 应用协议似p p l i c a t i o np r o t o c o l s p a r t - 4 实现方法o m p l e “斌i o nm e t h o d s ) p a r t - 5 一致性测试( c o n f o r m a n c et e s t i n g ) 和抽象测试集( a b s w a c ft e s ts u i t e s ) 这五个方面的内容又被分成七个系列文件：0 、1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、1 0 0 和2 0 0 系列，表l - 3 列出了各系列文件。 表1 3s t e p 的7 个系列文件 1 曲l e l - 3s e v e ns e r i e so fs 狙d o c u m e n l s 0 系列 1 0 系列：描述方法 2 0 系列：实现方法 2 1 p h y s i c a lf i l ef o r m a t 物理文件格式 2 2 s t e p a c c e s si n t c r f a c e e s t 晡取接口 3 0 系列：一致性测试方法 3 1c o n f o r m a n c et e s t i n gm e t h o da n df r a m e w o r k - g e n e r a lc o n c e p t s - - 致性测试方法与框架概念 3 2 r e x i u i r e m e n to nt e s tc o n f a s s e a m e n tp r o c e s s s - - 致性测试要求 3 3a b s t r a c tt e s ts u i t es p e a 抽象测试成套规范 ， 3 4a b s t r a c tt e s tm e t h o df o re a c hi m p l e m e n t a t i o nm e t h o d 尉每个实现方法的抽象测试 4 0 系列通用产品模型 4 1 g e n e r i cp r o d u c td a t am o d e f 基本产品数据模型 4 2 s h a p er e p r e s e n t a t i o n 形状表示 4 3 s h a p ei n t e i 饥c ，形状接口 3 - 安徽理工大学硕士论文 续上表1 - 3 4 4 p r o d u c ts 缸u c m r ec o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e m 产品结构管理 4 5 m a t e r i a l d i ：j 料 4 6 p r e s e n t a t i o n 显示 4 7 t o l e r a n c e r 公差 4 8f o r mf t 形状特征 4 9p r o d u c tl i f ec y c l es u p p o w 产品生命周期支持 1 0 0 系列：应用资源 1 0 0 d r a f t i n gr c 珊c e s ，绘图资源 1 0 2 s h i ps t r u c m r e s 船舶结构 、 1 0 3e l e c t r i c a lf u n c t i o n a l 电子功能 1 0 4f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s - 有限元分析 1 0 5k i n e m a t i c s ：运_ 动学 2 0 0 系列：应用协议 2 0 1 e x p l i c i td r a u g h t i n g - 维图协议 2 0 2 d m u g h t i n g w i t h3 - i ) g e o m e t r y f 2 _ - 维几何图协议 2 0 3 c o n f i g u r 址i o n c u n t r o l l c d3 - d p m d u c t d 娟n i b 伽，三维产品定义设置j 2 0 4 b o u n d a r yr e p r e s e n 能i o ns o l i dm 0 d e l sa p 边界表示实体模型协议 2 0 5s c u l p t u r e ds u r f a c e s a p ，雕塑曲面应用协议 p f o d i 姒c o 匝到r a 主i c h g e m a n a g e m e n t 产品设置和更改管理 ( 2 ) s t e p 体系结构 s t e p 采用全新的设计思想，将七个系列文件构成如图l 一1 所示的三个层次结 构：应用层、逻辑层、物理层。 应用层：是面向具体应用的层次，包括应用协议及对象抽象测试集，用专门 术语( i d e f i ) ( ) 描述的某种应用信息模型； 逻辑层：包括通用资源和应用资源以及由这些资源组成的产品模型，产品模 型是由通用形式化语言e x p r e s s 描述的； 物理层：包括具体的数据交换实现实现方法，它是通道一定规则，将e x p r e s s 描述的产品模型转变成易懂的正文编码( c l e a r - t e x te n c o d i n g ) 形式。s t e p 的这种 结构的优点是将产品的信息描述与为进行数据交换而采用的实现方法分开处理 集成资源：是用e x p r e s s 描述的集成产品模型，它分为通用资源和应用资 4 1 + 绪论 源。通用资源( 4 0 系列) 是不依赖具体应用的通用产品信息描述；应用资源( 1 0 0 系 列) 是通用资源的引用和延伸，是为多种应用服务的信息需求，如绘图、电子、有 限元分析等；e x p r e s s 语言是定义对象、描述概念模式的形式化建模语言利 用这种形式化语言，能够保证描述的难确性、一致性和可读性它不仅提供了对 集成资源中产品模型的描述机制，而且它也支持各种应用协议中的产品信息描述 应用协议：是支持s t e p 在广泛应用领域的基础，它以文件方式说明如何用 标准s t e p 的集成资源来解释不同应用系统的信息需求，即根据不同应用领域的 实际需要，对集成资源进行选取、修改、补充特殊的约束、关系、属性，形成应 用解释模型( a i m ) 。 图1 - 1s t e p - n c 的三层结构 f i g 1 1t h r e es m m t u r e so f s t e p - n c ( 3 ) 数据交换实现方法 s t e p 有三种实现方法：文件交换，应用编程接口( a p i ) 和数据库。 文件交换：是最常用的一种交换方法，它是通过w s n 语言( w - m hs y n t a x n o t a t i o n ) 将e x p r e s s 语言描述的产品数据模则转换成易读的正文编码含有 标题段和数据段顺序文件。 应用编程接口法：也称标准数据访问技术( s d a i ) ，应用程序利用s t e p 的 s d a i 来获取和操作数据，不必关心原有应用软件及其数据结构的定义形式。 数据库交换：通过共享数据库实现的，数据库的内部格式与应用解释模型的 格式一致，应用系统可以直接向数据库进行查询、存储数据。 ( 4 ) 产品模型描述 5 - 安徽理工大学硕士论文 s t e p 采用面向对象的信息建模方法，它所描述的产品信息分成基本模型和 应用模型两部分。基本模型是各种应用模型的基础，与产品应用领域无关。它包 括下述部分信息模型：几何模型( g e o m e t r y ) ，拓扑模型( t o p o l o g y ) 形状模型 ( m a c r o g e o m e t r y ) ，形状特征模型( f o r mf e a t u r e ) ，公差模型( t o l e r a n c i n g ) ，表面状 况模型( s u r f a c ec o n d i t i o n ) ，材料模型( m a t e r i a l ) ，显示模型( p r e s e n t a t i o n ) 。应用模 型是这些基本模型上的附加信息这些附加信息对产品的应用领域是必不可少的。 s t e p 产品数据规范涉及机械、电子、航空，航天、造船、汽车、建筑等多项有 关工业领域，为许多应用领域提供了统一产品信息描述方法。 2 s 旺沪特点及其优势 s t e p 是由许多个分部组成它的基本分部己经完成并公布，其它部分多数 正在制定和发展中。这部分标准除了专门的工业信息外，还包括了一些通用领域 如：测试过程、文件格式和编程接口s t e p 主要部分见表l 4 ： 表1 _ 4s t e p 内容组成及完成情况 t a b l e l - 4 c o n t e n t a n da c c o m p l i s h m e n t o f s t e p 名称 内容制定完成情况 基层结构主要规定了测量、文件格式、编程界面大部分已完成 等共性问题i ， 信息模型 定义与行业有关的应用协议及资源信已制定或正在制定的有关工程设计 息其中应用协议是s t e p 的主要内容，与制造方面的s t e p 应用协议共3 8 是s t e p 数据交换的基础 个( a p 2 0 1 - a p 2 3 8 ) s t e p 把产品信息的表达和用于数据交换的实现方法区分开来。它把所有分标 准分成六类，每一类包含若干p a r t ，这些类及相应包含的部分编号如表1 - 5 1 1 7 2 ”。 表1 - 5 六类s t e p 产品信息 t a b l e l - 5s i xs o r t so f s t e pp r o d u c t i o ni n f o r m a t i o n 。 类别编号备注 描述方法类p a r t l l p a r t l 9， 集成资源类一般资源应用资源 ， p a r t 4 1 - p a r t 9 9p a r t1 0 1 p a r t1 9 9 应用协议类 p a r t2 0 l p a r t1 1 9 9， 致性测试方法论和框架类 p a r t 3 1 p a r t 3 9， 抽象测试集类p a r t1 2 0 1 p a r t2 1 9 9 对应与应用协议的 6 1 绪论 p a r t2 0 1 11 9 9 实现方法类p a r t 2 1 - p a r t2 9 0| s t e p 的主要优点主要见表1 6 圆。 表1 6s t e p 优点 t a b l e l - 6 a d v a n t a g e so f s t e p 优点具体表现 现状 可扩展性描述三维实体复杂性语言e x p r e s s 可以将s t e p在数控领域的新 向任意工业领域扩展标准s t e p - n c 描述数据结构， 支持三维产品数据、包括设计、分析、制造、测试、 | 定义约束关系， 检验零部件或机构所需的几何、拓扑、公差、关系、 防止二义性属性和性能等数据的表达与交换 国际性标准 从应用需要角度出笈，按照用户的总体需要，由用 新版本c a d 增加 户的群体制订，功能性较好，不会轻易被修改口3 】了s t e p 接口 1 2 产品数据交换标准s t e p - n c s t e p - n c 是一个新的n c 编程数据接口国际标准( i s o1 4 6 4 9 ) 。s t e p - n c 最 初起源于欧洲和美国共同开发的一套面向对象的n c 编程接口，这套接口总称为 ? 计算机数字控制数据模型”( 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 l c 仃o n e 伟) 。1 9 9 7 年欧盟通过o p t i m a l ( 0 p f n n 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 g i n f o r m a t i o nw i t hm u l t il e v e l c a m - c n cc o u p l i n g ) ，计划开发一个遵从s t e p 标 准、面向对象的数据模型，重新定义了铣削加工属性，提出了s t e p - n c 的概念。 在2 0 0 1 年成为国际标准草案i s o - d i s 1 4 6 4 9 ( d r a f ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ) 。将产 品数据转化标准由s t e p 扩展至c n c 领域，重新定义了c a d c a m 与c n c 之间 的接口，它要求c n c 系统直接使用符合s t e p 标准的c a d 三维产品数据模型( 包 括几何数据、设计和制造特征) ，加上工艺信息和刀具信息，直接产生n c 程序来 控制机床加工图1 2 是传统数据接口i s 0 6 9 8 3 和s t e p n c 数据接口的比较。 s t e p - n c 标准是s t e p 的延伸，是基于s t e p ( 1 s 0 1 0 3 0 3 ) 建立的一对新的 c a m c n c 数据交换接口标准，进一步说明产品的设计信息与生产信息，它既 包括原料信息、加工特征、检查质量公差、刀具要求和加工工艺顺序1 2 4 1 。还包括 工具、库存材料、生产特点和工艺流程。以自由曲面为例，s t e p - n c 继承了s t e p 7 - 安徽理工大学硕士论文 资源的情况，见图l - 3 。 s t e p - n c 已将数据定义为“加工步骤”，它是可以在c n c 机床上进行特殊操 作的数据库。s t e p - n c 机床可以接收s t e p - n c 数据，“懂得”其含义，在没有任 何更多的指令条件下就可以开始铣削加工 图1 - 2 两种数据接口的比较 f i g 1 - 2c o m p a r i s o no f t w ok i n d so f d a t ai n t e r f a c e s 图1 - 3s t e p - n c 继承s t e p 资源 f i g i - 3s t e p - n ci n h e r i tr e s o t n v eo f s t e p s t e p - n c 主要作为二种接口界面或计算机化数字控制( c n c ) 系统数据输入标 准，是一条贯穿产品全生命周期的数据模型高速公路。对于目前的数字制造技术 和系统而言，意味着一场重大的变革1 2 5 1 s t e p - n c 的基本框架结构及其与s t e p 的关系如图l - 4 所示，其中箭头表示 参考或引用关系，如i s 0 1 4 6 4 9 中的2 5 轴制造特征就是参考i s 0 1 0 3 0 3 中的a p 2 2 4 、 a p 2 0 3 和s t e p 的逻辑资源来定义的嘲。 1 绪论 图l - 4s t e p - n c 与s t e p 的结构关系 f i g 1 - 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t e pa n ds t e p - n c 1 2 2s t e p - n c 研究现状及展望 1 s t e p n c 研究现状 与i s o6 9 8 3 相比，s t e p - n c 实现了c n c 与c a x 系统的双向无缝连接，消 除了后置处理器，为网络化、智能化制造提供了更大的发展空间，可以大幅度提 高加工效率、降低加工成本它代表了未来数控发展的趋势。采用s t e p - n c 和 一种工艺计划制定系统或集成c a d c a m 系统可以创建用于制造机床上一个零件 的指令，并通过d n c ，i b a n ：w a n 和互联网将这些指令发送到一台内置c a m 系 统的c n c 数控铣床。生产工艺是流水线式的。 目前欧洲、美国( s u p e r m o d e l 项目) 、韩国、日本( d i g i t a ls a t e r 项目) 都在 积极的进行，并且已取得了实质性的进展。例如实现了样机直接读取s t e p - n c 程序进行加工。美国的s t e p t o o l s 公司已在美军的威特利亚特( w a t e r v l i e t ) 的兵工 厂成立了一个s t e p - n c 制造中心，其已经实现了s t e p - n c 制造从试验性到实际 生产的关键性突破鲫。 9 - 安徽理工大学硕士论文 据报道世界著名的数控系统公司如法那科、西门子都宣布将执行s t e p - n c 标 准伫埘。 由欧洲和日韩等国发起的i m s ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 项目中包含 了s p - n c 的内容。其目标是开发基于s t e p 的c n c 接口，并为实现国际标准 化作准备1 9 9 9 年1 0 月由n i s t 委托美国的s t e pt o o l s 公司负责研究“模型驱 动制造智能控制”( 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 gp r o j e c t ) 目标 是利用s 1 1 冲n c 和其他标准，建立一种新的c n c 机床数据输入标准。大型c a d c a m 系统( 例如u n i g r a p h i c s 、c a t i a 和p r o e n g i n e e r ) 准备增加s t e p - n c a p - 2 3 8 接口s i e m e n s 、f i d i a 和欧洲开放结构o s a c a 的n c 控制器采用新的数 据交换格式，进行了2 5 轴和3 轴加工的原型试验。 在欧洲实行的s t e p - n c 项目则是要实现和测试铣削加工数据接口，共有2 0 个在c a d c a m 、数控装置和数控机床领域的企业和研究机构参与了这个项目的 研究工作【2 9 】s t e p o n c 标准的2 5 d 和3 d 加工已在s i e m e n s f i d i a 以及欧洲开放 式体系结构( o s a c a ) c h i c 原型系统中实现，其性能在实验室环境中得到验证 目前原型系统已在第一个用户咖e r c h 巧s l e f 公司进行评价，主要测试多面体零 件的钻孔和2 5 d 铣加工，下一步将测试3 d 铣加工其中s t e p - n c 程序由c a t i a v 5 和o p c n m i n d 的c a m 系统产生 3 0 1 美国h o n e y w e l l 公司开发了一个高级的基 于s p - n c 的工艺过程设计工具f bm a c h 【3 1 。2 0 0 1 年德国在s i e m e n s 实现了开 放式2 5 轴铣削实验，最终用户对d a s s a u l t 系统进行了测试和评估。 目前欧洲主要发展成形铣，终端用户是d a i m l e r c h r y s l e r , v o l v o ，o s a l ，f r a n c y , p r o g e t t i 等；它的机床制造商是c m s ：c a m 制造商是o p e nm i n dd a s s a u l t ：研究 机构有w z l ，i s w 和k t h ；合作者是c e c m i o 瑞士主要研究电火花加工方面， 终端用户是d e r e n d i n g e rw y s s ；机床制造商是a g i e ：c a m 制造商是 c a d c a m m a t i o n ；它的研究机构是e p f l e i gi - t e c h ：合作者是a m t 美国在快 速成型方面进展迅速，c n c 制造商是t u r b o t e k ：c a m 制造商是c u b i e t e k ；研究 机构有r e c - a c i , k i s t n r l - s n t 等亚洲的韩国重点发展车削；它的c a m 制造 商是s t e pt o o l s 。开发出来的原型系统都证明了s 1 e p - n c 具有许多优点和内 在潜力 2 s 1 1 p - n c 对c n c 系统的影响 s t e p - n c 为c n c 提供了新发展空间将来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将影响相关 的c a x 技术、刀具、机床本体、夹具、生产模式等。仅就目前的研究成果而言， l 绪论 可以预见的比较直接的影响主要有以下几方面： ( 1 ) 编程界面 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 有改变时，只需改变相关特征的几何描述，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 s t e p - n c 控制器的数据格式完全一样，它告诉c n c 加工任务一“要加工 什么”，而不是机器的具体动作，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。