（机械制造及其自动化专业论文）stepnc控制器的研究.pdf

哈尔滨工业人学丁学硕士学位论文 摘要 随着现代制造业的迅速发展，目前使用的数控编程接口( i s 0 6 9 8 3 ) 逐 渐显露出它的各种弊端。在这种形势下，迫切需要将一种中性的、无歧义 的、可扩展的、可被计算机识别的产品数据交换标准s t e p ( t h es t a n d a r d f o r t h e e x c h a n g e o fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 扩展到c n c 领域，形成s t e p n c ( 1 s o l 4 6 4 9 ) 标准，作为新的数控机床接口标准。 因为s t e p 标准已经在c a d c a m 阶段实现，所以s t e p n c 使c n c 与其它c a x 系统之| 、日j 实现了信息的双向流通，丰富了数控程序的信息含 量，提高了c n c 的智能化水平。 本文首先在分析评价数控标准( i s 0 6 9 8 3 ) 的基础上，详细阐述s t e p n c 的主要特点、内容、体系结构、文件格式以及发展前景。概括s t e p n c 的形式化描述语言e x p r e s s 的语法结构及e x p r e s s 语言到c + + 语言的映 射规则。着重分析s t e p n c 控制器的功能结构及主要特征。 然后，构建以s t e p - n c 文件为入口的控制器软件体系，规划其体系结 构，以加工中常见的平面、孔、型腔三个特征为基础，详细论述s t e p n c 控制器设计过程。分析控制器各模块实现的关键技术，给出模块的实施细 节，程序算法、部分程序代码及相关流程图。 最后，介绍所设计的控制器的运行界面，利用系统提供的相关菜单项读 入s t e p n c 文件，生成相应的n c 程序，并在三轴铣床上成功地进行加工 实验，验证了s t e p n c 控制器的可行性。 采用m f c 的d o c u m e n t v i e w 结构，利用m f c 类库的软件资源，实现 控制器的各功能。采用面向对象的软件开发思想建立s t e p n c 控制器，使 软件具有可重用性及可扩展性，便于后续研究与开发。 关键词s t e p n c ；控制器；数控加工 哈尔滨工业大学t ：芋l 磺士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e s ，a tp r e s e n t t h ed e f e c t so fn c ( n u m e r i c c o n t r 0 1 ) p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ( i s 0 6 9 8 3 ) a r e g r a d u a l l y u n c o v e r e d u n d e rt h e b a c k g r o u n d ， a n e u t r a l ，u n a m b i g u o u s ， e x t e n s i b l ea n dc o m p u t e r - i n t e r p r e t e ds t a n d a r d ，s t e p ( t h es t a n d a r df o re x c h a n g e o fp r o d u c tm o d e ld a t a ) i se x t e n s i o nf o rt h ec n c - - s t e p - n c ( i s 0 14 6 4 9 ) h a s d e v e l o p e d i n t oa ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ，s ot h a ti tc a nb eu s e dt on e wd e f i n ed a t a f o rn cm a c h i n e s s t e ph a sb e e na p p l i e db e t w e e nc a d c a ms y s t e m s ，s os t e p - n cm a k e s i n f o r m a t i o nb i d i r e c t i o n a lb e t w e e nc n ca n do t h e rc a xs y s t e m s 。t h er i c h e r i n f o r m a t i o ni nt h ep r o g r a mf i l er a i s et h el e v e lo f i n t e l l i g e n tf u n c t i o n so f c n c 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 n o fd e v e l o p m e n to fs t e p - n ca r es u m m a r i z e dr e s p e c t i v e l yo nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h es h o r t c o m i n g so f i s 0 6 9 8 3 a l ld a t at y p e sd e f i n e di nt h ed e s c r i p t i o n l a n g u a g ee x p r e s so f s t e p n ca r es u m m e du pa n dt h em a p p i n gr u l e sf r o m e x p r e s st oc + + l a n g u a g ea r eg i v e n f o l l o w e db yf u n c t i o n a la r c h i t e c t u r ea n d m a i nf e a t u r e so ft h r e es t e p - n cc o n t r o l l e r o t h e r w i s e as o f t w a r es y s t e mb a s e ds t e p n ca n di t sf r a m e w o r k i sd e s i g n e d a n d l a y o u to nt h eb a s i so ff a m i l i a rt h r e ec h a r a c t e r , i n c l u d i n gp l a n a r f a c e ，h o l ea n d p o c k e t ，f o l l o w e db y t h e s p e c i f i c a t i o n s o fas t e p - n cc o n t r o l l e r t h e k e y t e c h n o l o g yo ft h ei m p l e m e n t a t i o no fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l ei n v o l v e sa 1 0 to f t h i n g s ，i n c l u d i n gc o d e o fp r o g r a ma n d t h ea l g o r i t h m sa n dt h ef l o wc h a r t s i nt h el a s t ，t h es o f t w a r ea p p e a r a n c ei ss h o w n t h er e s u l to f p r o g r a mp r o v e s s t e p - n c sg o o dp e r f o r m a n c eo nt h eb a s i so fs u c c e s s f u lm a c h i n i n ge x p e r i m e n t ， u s i n gn cp r o g r a m m e ，t h i s i sb u i l t b ys t e p n c c o n t r o l l e ri n 3 d m i l l i n g m a c h i n e t h a n k st ot h er e s o u r c e so ft h ed o c u m e n t v i e wf r a m e w o r ko fm f c ，t h e i m p l e m e n t a t i o no f f u n c t i o n so ft h es y s t e mi sc o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y t h eo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o dm a k et h es o f t w a r er e u s e da n de x t e n s i b l e w h i c hi sc o n v e n i e n t f o rt h ef u t u r es t u d y k e y w o r d ss t e p n c ，c o n t r o l l e r , n c - m a c h i n i n g i i 哈尔滨工业大学t 学硕十学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 制造业是国民经济的基础，是衡量国家工业化水平的重要标志，先进制 造技术的核心是数控技术”。自1 9 5 2 年麻省理工大学研制成功了世界上第 一台数控机床以来，数控系统经历了有电子管、晶体管、小规模集成电路组 成的硬件连接的数字控制和由小型计算机、微处理机、基于p c 的计算机数 字控制( c n c ) 两个阶段六代的发展过程口1 。 1 1 1s t e p - n c 的产生 数控技术诞生后的5 0 多年间的信息交换都是基于1 s 0 6 9 8 3 数控标准， 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【3 】。但是随着 制造技术与计算机信息技术的迅速发展，人们发现这一标准存在许多不足， 已经不能满足现代生产力的发展要求。总结起来，g 代码的缺陷主要表现在 以下几个方面： ( 1 ) 信息低级、量少g 代码的信息功能主要就是指定刀具的运动与简单 的机床功能，而对工件材料、尺寸与形状公差、表面光洁度等许多有用的信 息却无法指定。因此，数控系统不可能具有任何自我规划、自我检测和自我 决策的智能化行为，堵塞了其进一步发展的道路i 4 , s 】。 ( 2 ) 影响产品信息交换c n c 系统仍然采用g 代码这一面向过程、只能 描述低级信息的标准接口，导致产品数据只能自上而下而不能自下而上传 递。因此在制造阶段所作的任何数据修改与完善都不能传给上游的系统，造 成了技术与实践经验的流失【6 , 7 1 。 ( 3 ) 需要后置处理器由于i s 0 6 9 8 3 标准的不少地方存在歧义，而且也 存在许多不完善的地方，各数控厂商都对其做了自己的扩展，所以必须安装 相应的后置处理器，将c a m 系统生成的刀具轨迹转换到数控系统可识别的 g 代码数控程序峭1 。 ( 4 ) 对制造工程师及机床操作者的要求相对较高这些人员必须熟悉所 用的数控系统的g 代码定义及机床性能，因此技术培训必不可少，而且成 本较高9 1 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 f 5 ) 没有对应样条曲线的表述不能实现复杂的高速加工与五轴切削， 影响了生产效率的进一步提高【l 。 为了解决1 s 0 6 9 8 3 带来的一系列难题，各发达国家纷纷启动了新的数 控标准研究项目，试图将s t e p ( t h es t a n d a r d f o rt h e e x c h a n g e o fp r o d u c t m o d e ld a t a ) 标准( 即i s 0 1 0 3 0 3 标准) 扩展到制造领域。1 9 9 7 年欧共体通过 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 e 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 lc a m c n cc o u p l i n g ) 计划开发了一种遵从s t e p 标准、面向对象的数 据模型，重新定义了面向铣削加工的编程界面，提出了s t e p n c 的概念 l 。s t e p n c 与i s 0 6 9 8 3 最大的区别在于，前者面向对象，着眼于加工什 么 后者面向过程，着眼于如何加工i l “， 1 1 2s t e p n c 的特点 通过s t e p n c ，c n c 系统能够得到零件及其制造过程的完整描述i i 。 作为新的n c 编程数据接口s t e p n c 具有如下主要特点 1 4 , 1 5 】： ( 1 ) 提高了信息的可交换性、柔性s t e p n c 是一个中性数据描述数据 接口，c a m 系统、数控装置、数控机床等都相对独立，显著地提高了信息 的可交换性和柔性。因此s t e p - n c 具有如下一些优点：1 ) 和传统的n c 接 口相比，s t e p n c 第一次提供了完整的加工任务描述模型，以前只有 c a d c a m 系统中才能获得的信息，现在c n c 系统能轻易获得；2 ) 使用传 统编程接口，有关复杂运动的数据容易丢失，而使用s t e p n c 可以避免了 这种情况的发生；3 ) 在加工车间，当机床运动的时候甚至刀具在实时运行 的时候，数控装置也能生成各种转换指令；4 ) 进一步优化了c n c 机床控制 功能，不仅简化了n c 代码，也简化了一些复杂的加工任务，比c a d c a m 系统离线处理更加有效；5 ) 以传统的数据接口为基础的n c 程序，仅能修改 进给速率和切削速度等这些工艺参数，而现在使用s t e p n c 可以有效地修 改各种工艺参数。 f 2 ) 实现双向数据交换为了优化生产过程和提高成品质量，经常需要 对n c 程序加以修改。但采用i s 0 6 9 8 3 这些改动无法反馈到c a m 系统，因 为生成n c 程序时记录最初加工需求的信息已经丢失了，而使用s t e p n c 就会减少信息丢失的问题。同时c a m 系统和数控系统既能重新解释这些最 终用户和供应商定义的代码扩展部分，也能通过数据库存储这些信息以避免 在加工车间再进行多余的代码测试。使用双向数据流动，能够保存所作的修 哈；j 滨t 业大学工学硕士学位论文 改，使零件程序和优化的加工描述及时地反馈到规划部门，规划部门用反馈 的数据来更新原来的规划部分，这样完整的连贯的加工描述就被保存起来。 ( 3 ) 使用s t e p n c 能直接进行信息交换由于使用s t e p 标准对零件毛 坯和成品进行几何信息的描述，在c a i ) 、c a m 和c n c 系统之间就能实现 信息的直接交换。几何数据和制造特征能够从基于特征的c a d 系统中输 入，再加入工艺信息就能生成零件加工程序。 ( 4 ) 加工车间获得了高层次的加工信息用数据模型描述加工任务，零 件程序给加工车间提供更高层次的信息。通过提供完整的结构化数据模型， 在整个生产的每个阶段都避免了信息丢失，不再需要为机床设计专用后置处 理器。 1 i 3s t e p n c 的发展前景 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 立了一条贯穿整个制造网络的高速公路。它不仅影响数控系统本身，而且还 会影响其它相关的c a x 技术( 如c a d 、c a p p 、c a m 、c a e 、p d m 、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实施等t m 】。仅就 目前的研究成果而言，可以预见的影响主要有以下几方面： ( 1 ) 简化数控编程，易于修改s t e p c n c 编程界面简单，现场编程方便 而且代码易于再利用。产品数据统一管理，任何阶段的数据修改都能够实时 进行并被存储，程序代码修改更加便捷。 ( 2 ) c a x 系统分工重新分配采用s t e p n c 作为接口后，c n c 具备了 更强的自我规划、自我检测与自我决策功能。新的s t e p c n c 控制器可以 将现有的c a m 与c n c 功能集于一身，直接读取c a d 生成的工件几何信 息，完成工艺规划，生成刀具轨迹i ”j 。 ( 3 ) 提高加工质量和效率s t e p - n c 的提出改变了目前c n c 系统被动执 行者的地位。c n c 功能的加强不仅有利于产品质量和加工效率的提高，而 且还能提高其上游环节的效率。据美国s t e pt o o l s 公司统计，s t e p n c 能 够节省3 5 的加工工艺准备( c a m ) 时问，节省7 5 的生产数据准备 ( c a d ) 时间，减少5 0 的实际加工时间( c n c ) 。 ( 4 ) 实现数据共享与网络化制造s t e p n c 使得c n c 系统不仅是一个数 据接收者，同时也是一个数据提供者【1 9 1 。c n c 中的信息修改可以实时地反 馈到其上游环节，实现了数据的双向流通，为基于网络的制造模式和技术创 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 造了条件。 1 2 国内外研究动态 s t e p n c 产生之后，工业界特别是数控系统用户对其表现出了极大的 兴趣。许多大公司都参与了s t e p n c 相关研究项目，如西门子、克莱斯 勒、m a s t e r c a m 等。本节对各国的s t e p n c 项目进行分析与探讨。 1 2 1 欧洲的研究动态 欧盟是世界上最早研究s t e p n c 数据模型的组织，现在的s t e p n c 标准就是在他们的研究成果上完善得到的。他们在充分收集了相关实际需求 的数据之后，提出了新的数据模型的基本框架和详细内容，并且验证了此数 据模型的实际可操作性。 早在1 9 9 4 年，欧盟o p t i m a l 计划就开始了对s t e p 数据模型的研 究，但是真正的s t e p - n c 研究项目1 9 9 9 年1 月正式启动，为期3 年。这 一研究项目由欧盟委员会( e u r o p e a nc o m m i s s i o n ) 和瑞士资助，包括2 0 多 个t 业界及学术界团体成员，主要来自德国与瑞士。 欧盟s t e p n c 项目的主要研究目的是为c n c 接口开发出一个适用于 铣削、车削、轮廓加工及电火花加工的数据模型【2 0 i 。截止到2 0 0 1 年末，这 一数据模型已经在多台c n c 样机上试验成功。 表1 - 1 欧洲s t e p - n c 样机的系统配置 t a b 。1 - it h ec o n f i g u r a t i o no fs t e p - n c p r o t o t y p e s o f e u r o p e 试验切削方法c a m 系统 c n c 和机床 铣削、钻削d a s s a u l t 、s i e m e n s8 4 0 d 试验l ( 2 5 维)o p e n m i n d h e r m l e ，c h i r o n 铣削、钻削 试验2 o p e n m i n d s e l c a f r a n c i ( 3 维) 试验3木料轮廓加r i =c m so s a i c m s 试验4线切割 a g i e ( e p f l )a g i e a g i e 项目组共设计了4 个不同的系统( c a m 、c n c ) 组合，分别对上述的4 种加工方法进行验证，表1 1 列出了4 次试验的加工系统配置。c a m 系统 读取工件的几何特征数据，加入切削参数、工步顺序等信息后形成s t e p 哈尔滨工业大学t 学烦上学位论文 n c 数控程序。c n c 通过译码器获取程序信息发出指令，控制机床加工。 所有的数据交换与共享基于个对象数据库( o r i e n t e d o b j e c td a t a b a s e 简称o o d b ) ，所有的s t e p n c 实例被处理成单独的记录，可被存入或读 出此数据库。由w z l 大学开发的s t e p n c 译码器可以读写要执行的 s t e p - n c 数控程序，将信息存入数据库；反之，译码器也可以从数据库中 读取信息修改数控程序。数据库与用户之间的接口利用m f c 和j a v aa p p l e t 编程实现，用户可以通过网络读取s t e p n c 信息并改写数据库。整个系统 的软件运行环境如图1 1 所示。 图1 - 1 欧洲s t e p n c 项目软件运行环境 f i g 1 - 1t h es o f t w a r ee n v i r o n m e n to f e u r o p e a ns t e p - n c p r o j e c t 新的接口模式得到国际社会的一致看好，拉开了国际社会研究s t e p n c 的序幕。2 0 0 2 年，专门成立了一个国际性计划i m s ( i n t e l l i g e n t m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) ，美国、瑞士、韩国与日本先后加入了此类项目的 研究中【2 “。 1 2 2 美国的研究动态 美国的“超级模型( s u p e rm o d e l ) ”计划开始于1 9 9 9 年，也为期三 年，由美国资深的s t e p 工具软件开发商s t e pt o o l s 牵头实施。此s t e p 哈尔滨工业人学工学硕士学位论立 n c 项目由美国国家标准技术局( n a t i o n a li n s t i t u t e o fs t a n d a r da n d t e c h n o l o g y 简称n i s t ) 提供资金支持，其官方名称是“模型驱动智能化控 制制造( 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 ) ”。 与欧洲的项目略微不同，“超级模型”主要致力于s t e p n c 解释模型 的开发与研究。他们的目标是逐步建立一个超级数据库，用于产品所有阶段 的所有数据的存储，使c a d c a m c n c 系统都可以读取与修改数据库中的 信息，从而实现数据的统一与共享。 为了使传统机床用户既能够接受a p 2 3 8 文件，又不必更换当前使用的 数控设备，此项目在2 0 0 2 年之前公布的所有样机输出指令全部为g 代码形 式。通过插件程序将a p 2 3 8 的数据模型转换成c a m 系统( 目前仅支持 g i b b s c a m 和m a s t e r c a m ) 内部的数据结构，在c a m 系统中生成刀具轨迹 和g 代码程序输出，图1 2 给出了示意图。 i c a d a p 2 0 3 + | c a m + ( 二j s t e p 制c 数据库l 舯2 7 lj 艘3 8 、 译码器 厂1 菊i r 二 一 m a s t e r c a m l 函s c a m i + g 代码g 代码+ m d s i 控制器 图1 - 2 美国s u p e rm o d e l 样机系统框幽 f i g 1 2t h e a r c h i t e c t u r eo f t h e p r o t o t y p eo f a m e r i c a ns u p e rm o d e l 1 2 3 其它国家的研究动态 除了欧盟与美国，韩国和日本也是世界上较早开展s t e p n c 项目研究 哈尔滨工业人学工学硕十学位论义 的国家之一。 韩国有两个不同的项目参与了国际i m s 项目：浦项( p o h a n g ) 大学的 n r l s n t 实验室和汉城国立大学的一个附属机构。他们主要致力于车削数 据模型和s t e p c n c 总体框架的研究与开发。由于缺少工业界的参与，他 们的研究仍然处于理论阶段，尚未出现s t e p c n c 样机实物。 日本于2 0 0 1 年启动了一个叫做“数字化控制( d i g i t a lm a s t e r ) ”的研究 计划。这一研究项目并未包含到i m s 项目中，也没有更加详细的研究情况 报道。 我国现在只有山东大学等几所院校启动了s t e p l n c 项目研究，而且大 部分不是针对s t e p n c 数据模型的基层实现，而是在美国s t e pt o o l s 公司 提供的软件上进行的二次开发1 2 2 , 2 3 l 。 1 3 本课题研究内容及意义 1 3 1 课题研究内容 本课题以s t e p n c 控制器的研究为目标，系统地分析相关技术的实 现，包括s t e p n c 文件的读取、信息的提取。特征的识别、加工的规划， n c 程序的生成与输出等，主要研究内容如下： ( 1 ) 分析s t e p n c 数控标准，掌握e x p r e s s 描述语言及它到c + + 语言 的映射和详细研究s t e p n c 程序文件结构； ( 2 ) 采用面向对象技术实现控制器各模块的设计，所设计的控制器可以 读取s t e p n c 程序文件，通过信息提取和特征识别子模块获取工件的加工 特征，实现工件各特征加工轨迹的规划，输出n c 程序； ( 3 ) 实现控制器运行窗e l 的拆分，分别显示整个s t e p n c 数控程序的 层次结构和生成的n c 程序； ( 4 ) 应用通过s t e p n c 控制器生成n c 程序进行实际加工实验，验证 其可行性。 1 3 2 课题研究意义 我国的加工制造水平与发达国家存在很大的差距。目前世界各国对 s t e p 及s t e p n c 的研究都处于起步阶段。尽管各国相关项目都已经取得 堕玺鎏三些查兰! ；：! 堡圭耋竺丝兰 了一定的成果，但是仍然有许多问题需要解决。s t e p - n c 相关技术的成熟 尚需时日，全球仅有数家数控装置供应商参与了s t e p - n c 的研发项目。从 当前的发展来看，真正成熟的s t e p n c 数控装置的出现还需要很长一段时 间。 s t e p n c 为制造行业提供了广阔的发展前景。我国已经加入世界贸易 组织( w t o ) ，制造行业将面临更大的挑战、更激烈的竞争。因此，我国的 制造业如果不能抓住这一发展契机迎头赶上，将进一步拉大与先进国家的差 距，对我国经济和科技造成不可估量的损失。 本课题通过对s t e p n c 数控标准文件结构的深入分析，研究了s t e p n c 数控器实现的关键技术，奠定了以后相关课题的研究基础。目前国内的 研究仅是在美国s t e p t o o l s 公司软件的基础上展开的，对s t e p c n c 内部实 现机制涉及很少，所以本课题对将来自主研发s t e p n c 数控系统具有一定 的参考价值。 哈织演t 业大学工学硕上学位论文 第2 章s t e p n c 标准及其控制器概述 2 1s t e p n c 数据结构 s t e p n c 是为c n c 系统重新定义的数据标准，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，开创了s t e p 数据 模型应用于数字化制造的新起点。 2 1 1s t e p n c 应用协议 s t e p - n c 定义了一个新的在制造方面的应用协议a p 一2 3 8 作为c a m 与 c n c 之间的数据交换规范。 s t e p 中定义了三大模型：应用活动模型( a a m ) 、应用参考模型 ( a r m ) 、应用解释模型( a i m ) 。应用协议( a p ) 为一个特定的应用规定 满足范围和信息要求的应用解释模型。 应用参考模型是描述一个特定应用相关环境的信息要求和约束条件的信 息模型，应用解释模型是一个应用协议中，为满足应用参考模型的信息要求 和约束条件所必须使用的集成资源的信息模型。两者一一对应，但着重点不 同：应用参考模型面向工程应用层，应用解释模型面向数据交流层，二者之 间通过一个映射表相互呼应。将产品数据模型分为两个不同的层次来描述的 主要目的是为了让工程人员可以清楚地描述本应用领域的信息模型，而采用 另外的描述方法使此信息模型可扩展、可与描述产品其它方面的信息模型结 合，从而使产品在整个生命周期中涉及到的所有信息都采用统一的数据模型 描述 2 4 】。 s t e p n c 是应用参考模型，i s 0 1 0 3 0 3 a p 2 3 8 是它的应用协议。s t e p n c 是s t e p 的扩展标准，其应用协议a p 2 3 8 却是s t e p 标准的一部分。 a p 2 3 8 的优点是便于数据的统一管理，所有协议均采用集成资源来表述， 采用统一的实现规则，而且可以记录整个过程中的所有改动；其缺点是大大 增加了相关的文档说明，特征的结构不够直观，实时性要求更高。 a p 2 3 8 包括产品从概念到成品( 零件) 全过程所需的全部信息。其中 有：三维几何信息a p 一2 0 3 a p 2 1 4 ；特征信息a p 2 2 4 ；2 1 2 艺信息( 如车、 铣、放电加工等) a p 2 1 9 ；检测信息a p 2 1 9 等等。目前s t e p n c 草案 彗奎鎏三兰垒兰三! ! 堡耋兰竺尘三 ( i s o d i s - - 1 4 6 4 9 ) 已经形成，有关基本规则与铣削加工的标准( 草案) 已完成，包括：基本概念和规则( p a r t1 ) ；通用数据( p a r t1 0 ) ：数控铣削 加工工艺( p a n1 1 ) ；刀具铣削刀具( p a r t1 1 1 ) 等。 2 1 2 s t e p n c 功畿模块 s t e p n c 标准采用s t e p 的描述语言及实现方法，表述制造过程中出 现的各种概念，比如工步、制造特征、刀具、加工方法等。已颁布的 i s o l 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 g f 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 ) 、铣削切削刀具 ( m i l l i n gc u t t i n gt o o l s ) 。下面内容详细介绍这几个功能模块1 2 。”j 。 ( 1 ) 工程s t e p n c 程序的入口，包括所有的工作计划( w o r k p l a n ) 和 工件信息。一个数控程序只能存在一个：亡程。 ( 2 ) 工件包括工件材料、表面粗糙度、夹具位置、毛坯及最终几何形 状等信息，是加工特征的一个属性项，从而建立了其与加工特征之间的关 系。 ( 3 ) 加工特征包括制造阶段涉及到的所有加工对象，分为2 5 轴加工特 征( t w 0 5 dm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e ) 、过渡特征( t r a n s i t i o nf e a t u r e ) 和曲面特 征( r e g i o n ) 。加工特征的详细内容如图2 1 所示。 f 4 ) 加工方法告诉c n c 应该采用何种策略、刀具和切削参数，以及加 工机床状态( 冷却液、切屑等) 。此外，为了与i s 0 6 9 8 3 数控标准兼容，此 实体结构还给出了一个可选的刀具轨迹属性，可以将c a m 系统计算出的刀 具轨迹直接赋给这一属性。 ( 5 ) 可执行结构是s t e p n c 的核心，包括工步( w o r k i n g s t e p ) 、机床 功能( n cf u n c t i o n ) 和程序结构( p r o g r a ms t r u c t u r e ) 。工步是指需要机床各 轴运动来实现的功能；机床功能则指除去轴运动，机床的其它功能；程序结 构用以表述工步执行顺序。可执行结构的具体情况如图2 2 所示。现行的 s t e p n c 仅支持工作计划这一程序执行顺序。工作计划表示计划中的所有 工步按直线顺序执行，包含工程的所有 ：步。工步指定了加工特征与要采用 的加工方法。之所以将加工特征与加工方法分开，是因为这样就可以消除一 个特征与多个加工方法相联系的模糊现象，从而可以明确地指定机床指令。 堕尘堡三些查兰三! ：堡圭兰竺鲨兰 塑! 坠j 匹蓝砸蔓 壶 匪剪匦固医麴 臣亟 一卜1 圈 垂叵卜h 笙堕l 蔓匦口一卜一 垂 厂下面_ 1 卜_ _ | 型壁 匝蕊丽 _ 一_ 刁妇 圈2 - 1 加工特征组成框图 f i g 2 - it h ef r a m e w o r k o f t h em a n u f a c t u r i n gf e a t u r e s 图2 - 2 可执行结构组成框图 f i g 2 2t h e a r c h i t e c t u r eo ft h ee x e c t u t a b l e s ( 6 ) 刀具轨迹通过它程序可以明确弛给出刀具移动轨迹，但这也降低 了工作计划执行的灵活性。其具体内容如图2 - 3 所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 3 刀具轨迹组成框图 f i g 2 - 3t h ea r c h i t e c t u r eo f t h et o o l p a t h s 卜一攻丝i l 】叵 图2 - 4 铣削工艺方法组成框图 f i g 2 - 4t h e a r c h i t e c t u r eo f t h e m i l l i n gp r o c e s so p e r a i o n s 曲线轨迹通过一条曲线指定刀具上某点或机床各轴的运动轨迹：参数化 刀具轨迹用于描述那些无实际路径的辅助运动轨迹( 如进刀与退刀运动轨 迹) ；进给停止就是指刀具以某个特定姿态停在某个特定位置上。 ( 7 ) 测量指定了工程中的尺寸误差、度量单位等与量度有关的数据模 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 型。 ( 8 ) 铣削工艺方法和铣削刀具分别描述了铣削( 包括铣削类与钻削 类) 加工方法和刀具，图2 - 4 给出了铣削工艺方法的构成框图。常用的平面 铣、侧铣等铣削方法由2 5 轴加工实体派生。 2 2s t e p n c 程序结构 基于s t e p n c 的数控程序摒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，而是以工作步骤为加工流程的基本单位，将特征与技 术信息联系到一起，每个工作步骤只定义一个具体操作( 干什么、如何干、 只能用一种刀具和一种策略) 。 s t e p n c 文件采用s t e p 交换文件数据格式和面向特征的编程原则。 s t e p n c 的数控程序遵从i s 0 1 0 3 0 3 2 l 中规定的文件格式，以关键字 “i s o 1 0 3 0 3 2 1 ”开始，以关键字“e n d i s o 一1 0 3 0 3 2 l ”结束1 3 3 j 。 从结构功能上看，s t e p - n c 文件可分为两部分：头段( h e a d e r ) 和 数据段( d a t a ) 。头段以关键字“h e a d e r ”开始，以关键字“e n d s e c ” 结束，主要说明文件名、编程者、日期以及文件是否通过测试等基本信息： 数掘段以关键字“d a l 阪”开始，也以关键字“e n d s e c ”结束，包含了加 工零件所需的所有信息和操作任务，它是整个程序的核心。 数据段由若干个实体程序段组成，每个程序段以分号“：”结束，其基 本格式如下： 存数字标识符= 关键字( 属性l ，属性2 ，) ； 其中，数字标识符必须是位数小于9 的整数；关键字就是s t e p - n c 及 其引用模块中定义的实体名称，一个程序段代表一个实体实例；实体的各个 属性以逗号隔开，列在圆括号内，可以是已定义过的任何数据类型，也可以 是另一个实体程序段。若属性类型是聚合类型，那么这个属性要用圆括号扩 起，其各元素之间同样采用逗号作为分割符。此外，若缺省属性取缺省值， 用符号$ 代替它。 从内容上看，s t e p n c 文件在数据段必须含有一个唯一的 “p r o j e c t ”语句，其后的内容可分为三部分：工作计划与可执行语句、 刀具及切削参数、几何信息。下面的一段代码摘自i s o f d i s l 4 6 4 9 ，包括了 上面提到的所有格式规范。 i s o 1 0 3 0 3 2 l ： 坠尘堡三些尘兰三兰堡士兰垒篁兰 头文件 h e a d e r ； e n d s e c ； 数据段 d a t a ； 程序的入口，主要指明工作计划、工件等 撑1 = p r o j e c t ( e x e c u t a b l e e x a m p l e l ，# 2 ，( # 4 ) ，$ ，$ ，$ ) ； s e 作计划，指定工步序列、总体装夹要求等 # 2 = w o r k p l a n ( m a i nw o r k p l a n , ( 群1 0 ，社1 1 ，撑1 2 ，拌1 3 ，# 1 4 ) ，) ； t 件，包括材料、夹持点等 # 4 = w o r k p i e c e ( ) ； i 步( 精铣平面) ，指明安全面、待加工特征、所需的操作等 # 1 0 = m a c h i n i n g _ w o r k s t e p ( w s f i n i s hp l a n a r f a c e , # 6 2 ，# 16 ，# 1 9 ，$ ) ； 平面特征，涉及特征位置、深度轮廓线等 社16 = p l a n a r _ f a c e ( p l a n a rf a c e , # 4 ，( 井19 ) ，) ； 操作，涉及刀具、加工工艺、机床功能等 群19 - p l a n e f i n i s h _ m i l l i n g ( $ ，$ ，f i n i s h p l a n a r f a c e ，# 3 9 ，# 4 0 ，# 4 1 ) ； 刀具，铣刀型号、切削刃、长度等 弹3 9 = m i l l i n gc u t t i n gt o o l ( ) ： 铣削技术，切削速度、主轴转速等 群4 0 = m i l l i n gt e c h n o l o g y ( ) ； 机床辅助功能，如冷却液的开关等 样4 l = m i l l i n gm a c h i n ef u n c t i o n s ( ) ； 安全面 社6 2 = e l e m e n t a r ys u r f a c e ( ) ； e n d s e c ； e n d 1 s 0 1 0 3 0 3 - 2 1 1 4 - 哈尔滨t 业大学工学硕十学位论文 2 3s t e p n c 描述语言 2 3 1e x p r e s s 语言简介 s t e p n c 仍然采用s t e p 提供的描述产品数据模型的方法e x p r e s s 语言作为其描述语言。e x p r e s s 语言是一种面向对象的、形式化的描述语 言，是s t e p 标准委员会为了描述标准中各种数据模型而专门开发的1 3 4 】。 此语言不能用于程序编制，不能用于规定数据库格式、文件格式和转换格 式，也不能用于过程控制、信息处理和异常处理。但是，它既能被计算机 识别，又易于人工分析，而且是基于双向通讯及划分，其主要是实体定义 及其性质，强调了动态方面的重要性。 e x p r e s s 语言常用术语和概念定义如下： 模式( s c h e m a ) ：是一个信息集合，定义了所有相关实体及数据类型， 例如，几何模式中就可以包含点、曲线、面和其它相关的数据类型的定义与 说明。模式类似于c + + 中的名字空间( n a m e s p a c e ) ，一个模式可以通过引用 规则完全引用或部分引用其它模式中声明的定义； 实体( e n t i t y ) ：具有共同性质的一类对象，类似于c + + 的类； 复合实体数据类型( c o m p l e xe 埘t yd a t at y p e ) ：在特定的子类型超类型 图中所许可的实体数据类型组合； 子类型，超类型图( s u b t y p e s u p e r t y p eg r a p h ) ：通过集成与派生建立的实 体数据类型集合，一个子类型超类型图定义一个或多个复合实体数据类 型： 引例( i n s t a n c e ) ：对象的表示，分为简单实体引