（机械制造及其自动化专业论文）基于stepnc的cnc系统及其关键技术研究.pdf

西北 业大学博士学位论文 摘要 摘要 数控技术诞生5 0 年来，它已取得了很大的发展，c n c 系统已成为现代制造系 统中的核心组成部分。然而，一直以来，数控系统主要采用国际标准i s o6 9 8 3 作 为n c 编程的数据接口，这种数据接口使得当前c n c 系统存在着许多不足之处。 当前，国际标准化组织i s o t c l 8 4 s c l 正在制定能够满足c a c ，c a m 与c n c 系统 进行数据交换的标准一一s t e p n c ( i s 01 4 “9 ) 。伴随着s t e p n c 标准的制定，一 种基于s t e p n c 的c n c ( s t e p c n c ) 系统引起了世界范围内的广泛重视。 s t e p n c 数据接口的出现，不但为实现智能化、柔性化和开放式的c n c 系统奠定 了基础，而且也为c n c 系统与其它系统间的信息交流和共享提供了可能。本文首 次对s t e p n c 及其在零件整个制造过程中的应用技术进行了全面而深入的研究。 在深入分析和研究s t e p n c 数据模型的基础上，对其在c n c 系统、工艺设计以 及c a p p c n c 系统集成方面等的应用技术分别进行了深入的研究。主要研究 内容如下： ( 1 ) 研究了基于s t e p n c 的烈c 系统。构建了具有智能性的开放式 s t e p c n c 系统功能体系框架以及基于“通用p c 机+ p m a c 运动控制器”的双c p u 控制的硬件体系结构。新型的s t e p c n c 系统不但包含了传统c n c 系统的全部功 能，而且与当前所研究和开发的s t e p c n c 系统相比较，具有以下特点：1 1 具有 良好的可扩充性、可移植性和可操作性：2 ) 具有智能性功能；3 ) 支持网络化的制造。 ( 2 ) 在深入研究s t e p n c 程序结构的基础上，开发了一个s t e p n c 程序解 释器。研究了s 1 匝p c n c 系统中刀具路径的自动生成方法和过程，提出了以制造 特征为对象，以加工工步为设计单位的一种面向对象的刀具路径规划方法。 ( 3 ) 以n u r b s 曲面加工为示例，研究了s t e p c n c 系统中自由曲面加工的 刀具路径自动生成方法以及插补技术。提出了基于等参数变化的刀触轨迹生成方 法以及能够实现恒速加工的等弧长变化的样条插补技术，并通过一个实例的加工 仿真对上述算法的正确性和有效性进行了验证。 ( 4 ) 开发了一个简单且有效的能够适合任何曲面加工的干涉判断和处理算 法。 ( 5 ) 在深入分析s t e p n c 数据模型的基础上，认为s t e p o 廿p 中的工艺设 计是一种能够满足柔性化加工的非线性工艺设计过程。文中论述了s t e p - o 廿p 系 统中工艺设计的特点，并对基于s t e p n c 的非线性工艺i 殳计原理和方法进行了详 细而深入的研究。 西北丁业大学博士学位论文 摘要 ( 6 ) 研究了基于精英选择遗传算法的加工工步序列优化技术。传统的加工工 艺路线是以工序为制造单元，而在基于s t e p n c 的加工中，是以加工工步为制造 单元，并且面向数控加工( 中心) 的一种加工过程。本文以由加工工步变换所带 来的零件转位、刀具更换等所消耗的辅助加工时间为最短作为优化目标，来进行 加工工步序列的优化。针对上述的研究，作者开发了一个简单的s t e p c a p p 原型 系统，演示了非线性工艺设计的方法和过程，并在此基础上对加工工步序列的优 化算法进行了验证。 ( 7 ) 研究了基于s t e p - n a x m l 的c a d c a 即c n c 系统集成技术。构建了 一个能够支持网络化制造的c a d c a p p c n c 系统集成框架，并对一些关键的集成 技术，如基于s t e p n c 的工艺信息建模、制造特征信息建模、以及基于x m l 的 信息表达和信息交换等技术进行了详细而深入的研究。 关键词：s t e p n c ：s t e p c n c ；刀具路径规划；非线性工艺设计；工步序列优化 c a d ，a 廿p ，c n c 系统集成；信息交换和共享 2 西北丁业大学博十学侥论文a b s l l 认c t a b s t r a c t s i n c et h en u m e r i c a lc o n t m lt e c h n i q u ew a sd e v e l o p e di n1 9 5 0 st h e h a v eb e e n m a n yd e v e l o p m e n 协，t h ec n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e c a l n t m l ) s y s t e mh 勰b e 朗t l l e c o r ep a r to ft l l em o d e mm 加u f a c t u r i n gs y s t e m s h o w e v e r ，c o n t e m p o m r ym o s tc n c m a c h i n e sa r es t i l ip r o 伊a m m c dj nt i i ei s o6 9 8 3 “g 锄dmc o d e ”l 柚g i l a g c ，w h i c hm a k c s m a n yl i m i t a t i o n si nc u e n tc n cm a c h i n e s t o d a yan e wm o d e lo fd a t at m n s 缸b e 咐e e n c a d c a ms y s t e m s 卸dc n cm a c h i n e s ，c a l l e di s 01 4 6 4 9 ( i n f o n a l l yl 【n o 、v i i 勰 s t e p n c ) i s b e j n gd e v e l o p c du n d c r t h ei s ot c c h n i c a lc o m m i t t c t c l 8 4 s u b m m i t t e e ss c l 姐ds c 4b 簦e d0 nt h ei s o1 0 3 0 3l ( n o w n 硒s t e p - w i t ht h en e w s t 卸d a r da d v 如t ，an c wc n cc o n t r o l l c rc a n e ds t e p c n c ( s t e p n cb 笛c dc n q r e c e i v e sw o r l d w i d ea t t e n t i o n t 1 l cs 1 r i 弹n cn o to n l yi st h eb 弱i sf o rd e v c l o p m e n t0 f t l l en e x tg c n e r a t i o fc n cc o n t r o l l 盯t h a tp o s s c s s e sj n t c i l i g e 吐n e x i b i c 蛳do p e n c h a r a c t c 幅，b u ta l 百v e sc a ma n dc n cv e n d o 陪t h eo p p o r t u n i t yt oi n t e 孕et l l e c a i ) c a ms y s t e mw i t han e wb f e a do fi n t e l l i g e n tc n c n t i d l l e 巧t 1 l i sp a p e rp r e s e n t s ac a r e f i l l 卸dd e t a i l e d 佗s c a r c h s t e p n c 姐di t s 印p l i c a t j f o rc a p p ，c a m ，c n c 卸dt h ei n t e 伊a t i o nb e 眦e nc a xs y s t e m s 姐dc n cs y s t e m n ek e yi s s u e s 肌d i m n a n tc o n c l u s i o n sd e d u c e di nt h ed i s s e n a t i o na r ea sf b l l o w s ： ( 1 ) t 1 i cs t e p - n i 、- _ b a s e dc n cs y s t e mw a ss t u d i e d a ni l l t e l i i g e n t a n do p e n s t e p c n cs y s t e mf i i n c t i o n 仃锄ew 勰p m p o s e d 卸di t sh a r d w a r es t m c t u r eb a s c do n i p c p m a cw i t hd o u b l ec p u sw 笛a l d e s i g n e d ( = o m p 盯e dw i t ht h ec i i r r c n t d “e l o p c ds t e p c n cs y s t c n 堪，t l l i sn c wc n cs y s t c mn o t0 n i yi n c i u d c sa l lf u i 吼i 0 弧o f t h e n v e n t i o n a lc n cs y s t c m ，b u ta l s op 0 稻e s s e st l l r e ed i s t i n c ta d v 卸t a g c s 蹈f o l l o w s ：1 ) w e l l e x p a n s i b i l i t y ， c o n v e n i e n tt 枷s p l 卸t a b l i t ya n dm a n c u v e r a b i l i t y ， 2 )i n t e i i j g e n t f i l n c t i o n s ，3 ) s u p p o n st h ew e bb 硒e dm 肌u f a c t u r i n g ( 2 ) n es t e p n cp m g r 锄s t m d u r ew 髂s t u d j e da n das t e p n cp r o g 姗 i n t e r p r e t e fw 越d e v e l o p e d s i n c ct h et 0 0 lp a t hd e s i g n s h o u l d b ec o m p l e t e db y s t e p c n cs y s t e m ，t h et o o lp a t ha u t o m a t j cg e n e r a t i o nt e c h n i q u ew 鹞i n v e s l i g a t e d 1 1 l e f i l n d a m e n t a lp r i c i p l eo ft h et o o ip a t hd e s i g ni so b j e c t o r i e n t e dv i e wi nt e 册so f m 卸u f a c t u r i n gf e a t u r e s ，a n dt h eo b j e d si nt h i sc 勰ea r em 卸u f a c t u r i n gf e a t u r c sa n dt h e i r a s s o c j a t e dw o r k j n gs t e p s ( 3 ) i a k i n gt h en u r b sa sa ne x a m p l eo ff 把es u r f h c em a c h i n ej nt h es t e p c n c 3 西北_ ：业火学博十学位论文a b s r r a c i s y s t e m ， am e t h o do ff i x e d p a f a m e t e r f o rt o o l p a t h 卸t o m a t i cg e n e m t i o n 卸d i n t e r p o l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e d0 d n s t a n ta r cj n c r e m e n tw e r cd i s c u s s e di n d e t a i l c 0 仃e d j o na n dv a l i d i t yo fa l g o r i t h m sw e r cv e r i f i e dt h r o u g ht h er c a le x a m p l em a c h i n e s i i i l u l a t i o n ( 4 ) as i m p l ea n de f f c c t i v em e t h o do fi n t e r v e n t j o nd e t e c t i o na n dd i s p o s a lw a s s t u d i e d t l t i i sm e t h o dc 孤b e 印p l i e di n t 0a n yc o m p l e xs u r f a c cm a c h i n j n g ( 5 ) t h ed a t am o d e lf c a t u r 龉o fs t e p - n c d e c j d et h a tt l l ep r o c c 鲻p l a n n j n gj nt l l e s 1 e p c ”p ( c 一pb a s e do ns 1 e p n c ) s y s t e mi sn o n l i n e a rp r o c c s sp l a n n i n g ，w h j c h ng c n c r a t em u l t i p r o c e s sm u t e sa tt h es 啪et i i i l c i i lt h i sp 印e rt h e u r s e 卸dm e t h o d s o fn o n l i n e a rp r o c e s sp l a 肋i n gi ns t e p - c n cs y s t e ma r cp r e s e n t e d ( 6 ) g e n e t i ca l g o r i t h mb 鸹c do ne l i t ec h o i c cf o ft h co p t j m i z a t i 叩o fw o r k j n gs t e p s s e q u e n c cw 弱d c v e l o p e d i nt h ec o n v e m i o n a lm a n u f a c t u r j n gt h ew o r i 【i n gp r o c c d u r ci s u s e da sm a c h i n i n gu n i t ，w h i l eu n d e rt h ea p p l i c a t j o n0 fs t e p n ct h ew o r k i n gs t e pi s 鸥 m a c h i n i n gu n i t 锄dt h em a c h i n i n gi sn u m c r i lc o n t r o lm a c h i n i n g n t e r 一鲥e n t e d t h e o p t i m i z a t i o ng o a li s t 0f i n dt h eb e s tw o r k j n gs t e p ss c q u e n c ea c r d i n gt ot h cl e 踮t 弱s i s t 卸tm a c h i i l i n gt i m cc o n s u m e db yt h ep a nl o c a t i o nt r 姐s f 0 咖柚d 啪lr e p l a c i i l g a s t e p c a p pp r o t o t y p es y s t c mw 硒d e s i g i l c d 卸dt h ec o u r s e dm e t h o d so fn o n l i n e a r p r o c e s sp i a 曲i n gw e 佗d e m o n s t f a t e d ，柚dt h ea l g o r i t h mf b r0 p t j m i z a t j o n0 fw o r k j n g s t e p ss c q u e n c ew 觚t e s t e di nt l i i sp r o t o t y p es y s t e m ( 7 ) am e t h o do f i n f o r l l l a t i o ni n t c g 阳t i o ni sp r o p o s e db 硒e do ns t e p n ca n dx m l 卸dac a d ，c p p c n ci n t e 伊a t c ds y s t e mm o d e lw a se s t a b l i s h e d f u r u h e 肿。化，t h ek e y i n t c g r a l i t e c h n o l o g i e sj n c l u d i n gm 柚u f 弛r i n gf c a t i i r c sm o d e “n 岛m a n u f a c t u r i n g p r o c e s si n f 0 衄a t i o nm o d e n gb a s e d0 ns t e p n c ，卸d 眈p r c s s i o na n de x c h 卸g c t c c h n i q u eo fi n f 0 咖a t i o nb yt h ex m l 缸e d e t a i l e dd i s c u s s e dj nf l l i sp a p e r k e y w o r d s ：s t e p - n c ，s t e p c n c ，1 的lp a t l ip l a i u l j n g ，n 0 n l i n e a rp r o c e s sp l 锄i n g ， 0 p t i m j z a t i o n o f w o r i 【i n g s t e p ss e q u e n c c ， c a d 忙a p p 刚cs y s t e mi n t e g r a t i o n ， i i l f b 册a t i o ne x c h 柚g e 柚ds h a r e 4 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，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西北工业大学。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电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：盔兰苎嚣 ) 台形扭#p 月弓 日 指导教师签名：垂幽 盆红乎月引日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明；所呈交 的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽 我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。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。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：盈边 即眸阴引日 西北工业大学博十学位论文第一章绪论 第一章绪论 自从2 0 世纪5 0 年代第一台数控机床诞生以来，数控技术已经取得了日新月 异的发展，特别是与今天迅速发展的电子工业和计算机技术相结合，更显示出其 优越的性能，数控机床已经成为航空、航天、造船、汽车等工业部门中必不可少 的加工设备。然而，一直以来，数控系统主要采用国际标准i s o6 9 8 3 作为n c 编 程的数据接口，这种数据接口使得当前c n c 系统存在着许多不足之处。今天，国 际标准化组织l s ot c l 8 4 s c l 正在制定能够满足c a d ，c a m 与c n c 系统进行数据 交换的标准一一s t e p n c ( i s o1 4 “9 ) i ”。伴随着s t e p n c 的制定，一种基于 s 1 1 三p n c 的c n c 系统引起了世界范围内的广泛重视。s t e p n c 数据接口的出现， 不但为实现c a d c a m 与c n c 系统之间的信息交流和共享提供了可能，而且也为 实现智能化的c n c 系统奠定了基础。下面将着重对s t e p n c 及其目前对它的应 用研究和发展进行概述和分析。 1 1 当前c n c 系统存在的问题 1 9 5 2 年美国p a r s 0 n s 公司与麻省理工学院合作试制了世界上第一台三坐标 数控立式铣床，5 4 年美国b e n d i x c 0 0 p e m t i o n 公司生产出第一台工业用数控机床。 数控机床先是经历了电子管控制，随后经历了晶体管控制、集成电路控制( n c ) 、 计算机控制( c n c ) ，直到现在的微处理器控制( m n c ) 。 目前，随着世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的 应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术 提出了更高的要求。当今数控机床正在朝着高速度、高精度化，以及柔性化、集 成化和智能化的方面发展。同时，数控程序编程的自动化程度也随着计算机应用 技术的发展而得到进一步提高。目前c a d o 州图形交互式自动编程已得到较多 的应用，它是利用c a d 绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行 计算和后置处理，从而自动生成n c 零件加工程序，以实现c a d 与c a m 的集成。 随着c i m s 技术的发展，当前又出现了c a p p c a m 集成的全自动编程方式， 它与c a d c 舢“系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参 与，直接从系统内的c a p p 数据库获得。 然而到目前为止，虽然数控技术石：很多方面都得到了很大的发展，但其依然 还是采用国际标准i s o6 9 8 3 作为n c 编程的数据接口，这种数据接口造成了当前 西北工业大学博十学位论文第一章绪论 c n c 系统存在许多不足之处： ( 1 ) 柔性化和智能化程度不高。由于该接口主要是采用g 代码和m 代码来 描述零件的加工，它提供给c n c 系统的主要是刀具中心运动轨迹和速度等低层次 的信息，而不包括零件的几何和工艺信息，所以在c n c 系统中难以实现三维刀具 形状尺寸及加工余量的补偿，当实际工作情况有所不符时( 如刀具尺寸变化1 ，原有 程序无法使用，操作者无法在线进行干预。另外，由于n c 程序中缺乏对被加工零 件的几何和工艺等高层次信息的描述，所以造成了c n c 系统在一定程度上仅仅是 一个被动的执行机构，缺乏一定的柔性和智能性。 ( 2 ) 产品信息从c a d c a m 到c n c 是单向流动，难以实现信息的共享和集 成。零件程序一旦生成便无法更改，当车间层的加工条件发生变化时，变化信息 难以反馈给上游的设计部门；另外，由于不同类型数控系统、不同厂家生产的机 床编程的方法都不尽相同，因此在传统的n c 编程时不但要了解所选用的数控机床 的规格型号、性能，系统所具有的功能，还要详细了解数控系统的编程说明书及 指令格式，这种强烈依赖于具体数控系统的特点使得n c 程序不具有可交换性。因 此，不但c n c 系统和上游的c a d c a p p c a m 系统间难以实现信息的集成和共享， 而且不同的c n c 系统之间也难以实现信息的交换和共享。 ( 3 ) 不支持样条插补功能。由于受传统c n c 系统插补( 直线、圆弧插补，在 三坐标以上加工时仅采用空间直线插补) 能力的限制，在实际生产中，自由曲面 零件的数控加工一般都采用c a m 软件进行n c 编程。c a l 软件的工作过程如下： 首先对自由曲面进行刀具轨迹规划与生成，然后通过大量的微小直线段逼近刀具 轨迹曲线，生成刀位数据文件和n c 程序。采用这种方法有以下缺点：第一，势必 产生大量的n c 程序( g 0 1 ) 和相对较大的逼近误差；第二，会导致刀具轨迹曲线 各g 0 1 段连接处几何上一阶、二阶导数的不连续，使本来光滑的轨迹曲线不在光 滑。在加工中，由于刀具轨迹曲线的不连续会引起进给速度和加速度的不连续， 将导致刀具运动方向和受力情况的突然变化，从而不可避免地引起机床振动，产 生较差的表面质量，并加快刀具的磨损；第三，在c n c 系统内由于频繁的程序段 处理会导致较长的运算时间，也会限制进给速度的提高；第四，在复杂的精密零 件加工中，n c 代码段定义的位移极小，在高速加工时会出现过切或欠切的可能性 因此，传统的c n c 系统的插补技术严重影响了曲面加工的插补精度和加工效率。 ( 4 ) i s o6 9 8 3 数据接口存在语义歧义，不能保证数据被数控系统正确识别和 理解。 ( 5 ) 传统的n c 程序范转化成加工指令之前必须进行后置处理。 2 西北t 业大学博十学位论文第一章绪论 1 2s t e p n c 及其特点 智能化和集成化是现代制造系统未来的发展趋势之一。虽然通过产品数据交 换标准( s t a n d a r df o r t h ee x c h 卸g eo f p r o d u dm o d e ld a t a ，s t e p ) 以及计算机技术和 信息通信技术，可以在一定程度和范围内实现o c a p p c a m 系统之间的信息集 成和共享，但是与作为现代制造系统核心基础的数控加工的集成问题多年来却很 少得到重视，c a d c a m 系统一直采用i s 06 9 8 3 向c n c 系统传送n c 程序。可见， 为了在计算机辅助系统( c o m p u t e r d e ds y s i e m ，c a x ) 与c n c 系统之间实现数据 共享与交换，现代c n c 系统还需要进一步完善和发展，以满足基于信息的现代制 造系统如智能化与网络化制造的需要。因此，目前国际标准化组织正在制定能满 足。极系统与c n c 系统进行数据交换的标准s 1 1 讲n c ( i s o1 4 6 4 9 ) ，其目的 是取代目前普遍使用的n c 编程接口标准i s 06 9 8 3 ，提供一种不依赖任何具体系统 的中性机制。 s t e p n c 本质上是s t e p 标准在n c 领域的扩展。s 1 e p 定义了c a d 设计数 据标准，s t e p n c 基于s t e p 并包含了制造信息，它详细说明了各种n c 工艺方 法的信息内容和语意。它用制造信息注释产品零件设计信息，制造信息包括材料、 制造特征、工具需求、工步等信息。 s t e p n c 定义了一个新的s t e p 应用协议( a p 2 3 8 ) 作为c a m 与c n c 之间 的数据交换规范。a p 2 3 8 涵盖了产品从设计到成品全过程的所需的全部信息，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 ) 、制造信息和检测信息( a p 2 1 9 ) 等。 。 s t e p n c 是欧盟e s p l u t 2 9 7 0 8 计划( 1 9 9 9 2 0 0 1 ) 的s t e p n c 项目的名称。 1 9 9 4 年至1 9 9 6 年，德国阿亨工业大学在欧盟项目o p l l m a u e s p r l l r 8 6 4 3 ) 中 就开始研究这种数据模型。在这个项目中，基于s t e p 的三维铣削模型数据模型首 次用作c a m 和c n c 的接口。在后续的项目e s p r r r 2 9 7 0 8 中，研究范围扩大到 2 5 d 铣削和其它加工方法如车削和电火花加工( e j e c t m nd i s c h a r g cm a c h i n i n g e d m ) 。s t e p n c 已经得到世界范围内广泛认同，2 0 0 2 年初，由欧美、美国、瑞 士和韩国组成的联盟在国际性项hl m ss t e p n c 中继续对其进行完善。目前，i s o 1 4 6 4 9 的总体框架和铣削数据模型已经于2 0 0 1 年发布了国际标准草案( d r 世 i n t e m a t i o n a is t 卸d a r d ，d i s ) ，其它加工方法的数据模型定义很快将会发布。 到目前，s t e p n c 国际标准，茸案( i s 0d i s1 4 6 4 9 ) 已经形成。有关的基本规 则与铣削加工的标准( 草案) 已先成，包括概述与基本原理( p a r t1 ：o v e r v i e wa n d f i i n d a m e n t a lp r i n c i p l e s ) 、通用的二1 艺数据( p a n1 0 ：g c n e r a lp r o c e s sd a t a ) 、铣削工 艺数据( p a n1 1 ：p r o c e s sd a t af o rm i l l i n g ) 和铣削刀具( p a n1 1 1 ：t o o l sf o rm i n g ) 1 西北工业大学博十学位论文 第一章绪论 等。正在制定的s t e p n c 标准有：车削加工数据( p a n1 2 ：p r o c e s sd a t af o r i u m j n g ) 、 电火花加工( p a n1 3 ：p r o c c s sd a t af o re d m ) 、木材和玻璃加工( p a n1 4 ) 、检测( p a n 1 5 1 等。 s t e p n c 标准在世界范围内不断获得越来越多的支持。随着s t e p n c 标准的 建立，人们越来越重视基于s t e p n c 的c n c - s t e p c n c 系统的研究和开发。 由于s t e p n c 提供各种“加工什么”( 即产品信息) 和“怎样加工”( 工艺过程) 的信息，所以s t e p - c n c 能够支持各种智能化功能，而基于i s o6 9 8 3 的传统的 c n c 系统则无法实现。 s t e p - n c 作为一个c a d c a m 和c n c 系统之间进行信息交换的数据接口， 相比于传统的i s 06 9 8 3 具有以下的特点和优点【2 l ： ( 1 ) s t e p n c 与s t e p 兼容。c n c 系统不需要转换就可直接使用三维c a d 数据控制机床。 ( 2 ) 在i s 06 9 8 3 中，信息流自顶向下( 从a 经c a m 到c n c 系统) ，缺 少协同支持。而采用s t e p n c 能够在c a d c a m 与c n c 系统之间实现双向数据 传送，这样可直接将在机床上修改的信息反馈给上游的c a d c a m 系统或工艺规 划部门，在系统之间实现信息和知识共享，同时也为不同部门实现协同工作提供 了一种机制。 ( 3 ) s t e p n c 采用特征技术，容易实现c a d c a m ，c a p p c n c 的信息集成。 ( 4 ) 基于s t e p n c 的c n c 系统能够直接读取自由曲线曲面信息，因此能够 使用样条插补技术，以改善加工表面质量。 ( 5 ) s t e p n c 提供了一种中性机制，与c d c a m 系统、机床或c n c 系统 制造商无关，程序具有良好的互操作性和可移植性。 ( 6 ) 采用s t e p n c 能够使c n c 系统的功能更加丰富和实现智能化。基于 s t e p n c 的c n c 系统可以输入完整的零件信息和加工过程信息，这样c n c 系统 就可以实现刀具路径自动生成、刀具自动选择、工艺支持、自动进刀和退刀、安 全性检查以及加工过程优化等功能，为c n c 系统进行自主加工提供了基础。 ( 7 ) s t e p n c 使c n c 系统更可靠、更安全、更容易使用。据s u p e rm o d e l 项目估算，在中小批量生产中，使用s t e p n c 可以减少零件编程时间3 5 、减少 生产准备时间7 5 、减少零件加工时间5 0 ，以及取消4 5 0 0 多个后置处理程序。 ( 8 ) s t e p n c 采用面向对象的方法和特征技术，他n c 程序具有很高的结构 化程度。 ( 9 ) 基于s t e p - n c 的c n c 系统使用图像接口( g u l ) ，编程界面好，使现场 编程和程序修改方便、容易。 可见，s t e p n c 着眼于全生命周期产品数据的无绗i 圭接，为c n c 系统的开放 4 西北1 = 业大学博士学位论文第一章绪论 性和智能化提供了广阔的发展空f 刚，同时也解决了c n c 系统与c a x 系统之问的 双向信息交换问题，为真正实现开放式c n c 系统和网络化制造奠定了坚实的基础， 必将对现代自动化制造技术的发展产生巨大而深远的影响。 1 3 国内外技术研究现状和趋势 随着s t e p n c 标准的制定，一种基于s t e p n c 的新型c n c 系统( 简称 s t e p c n c 系统) 引起了世界范围内的广泛重视。在欧美已经启动几个有关的 s t e p n c 的项目，如o p l l m a i ，m a t r a s ，s 1 陋p n c ，s u p e rm o d e l 等。欧盟的 s t e p n c 项目的目的是实现和广泛测试铣加工数据接口，共有2 0 个在c a d c a m 系 统、c n c 系统和数控机床领域的企业和研究机构参加了这个项目的研究工作。 s 1 1 p 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o s a c a c n c 原型系统中实 现。 目前，s t e p c n c 系统一般采用在传统c n c 系统基础上添加一个c a m 系统和 s t e p n c 解释器的方式实现。世界上第一个s t e p c n c 系统是欧盟的s t e p c n c 原 型系统【3 1 ，它是在西门子8 4 0 dc n c 的内核的基础上，增添了一个s t e p n c 解释器， 并重新设计了一个基于s t e p n c 的人机接口模块，如图1 1 所示。为了能够生成 s 1 1 弹n c 程序，c 衄a v 5 和o p e nm i n d 分别扩展了一个s t e p n c 文件输出模块。 该原型系统能够理解新的数据格式，并在控制面板上显示加工工步信息。如果必 要的话，还可对加工工步的所有信息进行编辑、调整加工工步顺序和增添、删除 加工工步。修改后的数据可以直接生成一个新的文件和传回到数据库中。 ；c n c 网i 阿羔司i 哥 s t e p n c 解释器 s i e m c 8 4 0 di 图l l 欧盟的s t e p c n c 系统 此外，s t e p n c 铣削技术研究已延伸到c n c 车削加工领域，一个s t e p c n c 5 西北工业大学博十学位论文第一章绪论 的车削原型系统被斯图加特的i s w 研究小组开发出来，该系统是在b o e h r i n g e r n g 2 0 0 车床上嵌入西门子8 4 0 控制卡来实现的。该车削软件具有导入c a d 数据文 件、特征识别，工艺设计和输出s t e p n c 文件等功能。西门子控制卡接收系统输 出s 1 匝p n c 文件并把它转换为加工控制指令通过输出接口设备传送给车削加工现 场。当前l s o 研究小组正和韩国的研究者们联手建立一个新的车铣削的s t e p n c 标准。 韩国的s h s u h 和b e k e 等人开发和研制了“新一代的s t e p c n c 原型系统” ( m 。在该系统中，它将一个计算机辅助零件编程系统( s f p s ) 移植到c n c 系统 内。s f p s 系统可以直接读取从a 软件输出的s t e p 几何数据文件格式，然后通过 特征识别、工艺设计模块，系统能够自动生成s t e p n c ( i s 01 4 6 4 9 ) 格式的n c 程序。在该c n c 系统中还有一个刀具路径生成器，当s t e p n c 格式的n c 程序经解 释器解释后，通过该刀具路径生成器可以自动生成刀具轨迹数据文件，并通过仿 真模块进行验证。与传统的c n c 系统相比较，零件程序不需要进行后置处理，系 统直接读入s t e p n c 程序，进行数据处理和刀具路径生成，忠实地执行s t e p n c 程序指定的功能或过程。目前，该系统已成功地得到了铣削实例的验证。 尽管对于s t e p c n c 系统进行了一些研究并取得了一定的成果，但这些新型的 c n c 系统都缺乏智能性功能，所以智能型c n c 系统将是未来c n c 系统发展的主要 方向。智能型c n c 系统能够根据加工的实际状况，智能地( i n t e l l i g c n t l y ) 和自主 地( a u t o n y m o u s l y ) 做出一些决策和处理。具体来说，智能性主要包括： ( 1 ) 刀具路径的自动生成和优化； ( 2 ) 刀具的自动选择； ( 3 ) 切削参数的选择和优化； ( 4 ) 加工状态的自动检测和监测； ( 5 ) 突发事件的自行处理。 除了对s t e p c n c 系统进行研究外，国外学者还对s 1 限p n c 数据模型的特点及 其在未来制造系统中的应用前景进行了论述1 1 1 1 2 垤1 6 1 。s t e p n c 数据模型的出现 不但为实现智能化的c n c 系统奠定了基础，也为实现a 址i c a p p c a m 和c n c 系统 的集成提供了重要途径，因此，x w x u i l 3 】和s tn e w m 柚【1 4 】等人在分析和论述了 s t e p n c 模型的基础上设计了一个简单的c a d c a p p c a m c n c 集成框架，此外， s tn c w m a n l l 4 j 还对s t e p n c 目前存在的问题和将要面临的挑战进行了分析和研 究。 在国内，对于s t e p n c 的研究还处于剐刚起步阶段，大部分还是仅限于对 s t e p n c 的概念介绍以及对它应用前景的论述【1 7 。捌。陈涛、叶佩青珏驯等人认为 利用s t e p n c 模型是实现3 c 集成的一种有效方法，并且还设计了3 c 集成的结构框 6 西北t 业大学博士学位论文第一章绪论 架；刘亚东【驯和胡革非陋j 等人分别研究了基于s t e p n c 的适应用高速切削技术的 3 c 集成以及基于制造特征的高速加工的3 c 集成，分别设计了各自的集成框架模型， 但是对于集成的实现技术并没有进行深入的研究。山东大学的刘日良博士【2 蚓对 s t e p n c 控制器的工作原理、s t e p n c 程序中工艺信息的提取方法、以及基于 s t e p n c 控制器的工艺在线规划等问题进行了研究。此外，西北工业大学的田锡 天博士在其博士论文中，也对基于s t e p n c 的c n c 系统进行了研究，并提出了一 种新型的c n c 系统体系结构。从功能上来看，该新型c n c 系统不但包含了现代c n c 系统的全部功能，而且还包含了工艺规划、刀具路径生成等多种功能【3 7 1 。 当前，伴随着s t e p n c 标准的逐步制定和完善，人们对它的研究也日趋广泛 和深入【”4 j ，如基于s t e p n c 程序的加工实现、多a g e n t s 系统在s t e p n c 计算机 辅助工艺设计中的应用等等。近年来，s 1 匝p t 0 0 1 公司针对s 1 1 强n c 的应用，还开 发了一些相关的辅助软件工具，如s t - p l 锄、s t m a c h i n e 和s t 等【删，这些软件工 具不但为s 1 匝p n c 应用程序的开发提供了技术支持，而且极大地提高了应用软件 的开发效率。 随着信息技术的发展和全球化市场的形成，制造业竞争日趋激烈，产品需求 朝着多元化方向发展，柔性制造系统己成为自动化生产模式的主流，而加工中心 则成为执行加工的主体【4 9 j 。在数控加工中心上进行的零件加工是一种典型的“工 序集中”式的加工方式，它是指在零件一次装夹情况下要完成多道工步的加工， 因此加工工步排序的合理与优劣直接