（机械制造及其自动化专业论文）基于step及stepnc的capp系统的开发.pdf

摘要 基于s t e p 及s t e p - n c 的c a p p 系统的开发 研究生姓名：蒋晶磊 导师姓名：仇晓黎 学校名称：东南大学 摘要 介绍了s t e p 和s t e p - n c 标准，研究了一种基于s t e p 及s t e p - n c 的c a p p 系统的实现方法， 系统读取s t e p ( a p 2 0 3 ) 文件，经过工艺规划后，生成s t e p - n c ( a p 2 3 8 ) 工艺文件，为 c a d ，c a p p c a m c n c 系统无缝集成打下了基础。 首先介绍了s t e p 与s t e p n c 标准及文件具体结构，分析了s t e p ( a p 2 0 3 ) 文件对零件几何模型实 体的描述方法。 在此基础上进行了系统的总体设计，研究了系统的实现方式、数据流程图、系统程序实现流程， 分析了系统中的五个子模块及其功能、系统实现的难点。 介绍了s t e p 对几何实体的描述语言e x p r e s s ，研究t e x p r e s s 数据类型与s q ls e r v e r 数据类型 映射关系，主要包括简单、聚合、命名、构造等数据类型。基于此，设计出s t e p 几何信息数据库， 建立了与s 下e p 几何实体对应的c + + 类，实现了将s t e p 文件几何信息保存到数据库中的功能。 研究了s t e p 文件信息提取的其体实现流程，主要研究了s t e p 文件的词法分析方法，解析s t e p 文件的流程和s t e p 文件几何信息存储到数据库的流程。 研究了生成s t e p - n c 文件的实现过程，主要包含两部分： 一是生成几何信息部分。该功能实现了从几何信息数据库中提取有用信息，并写入s t e p - n c 文 件。 二是生成工艺信息部分，该功能是论文的一个难点。首先研究了基本特征的识别方法，实现了 加工信息与几何信息的对应，然后在分析了s e t p n c 文件工艺信息的描述方法的基础上，实现了基 于人机交互方式输入工艺参数，并生成s t e p n c 文件的功能。 最后给出了系统整个过程实现的一个实例，从而证明了上述研究的可行性和正确性。 关键字：s t e p ，s t e p - n c ，特征识别，工艺规划 a b s t r a c t d e v e l o p m e n t o fc a p p s y s t e mb a s e do ns t e p a n ds t e p n c c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：j 1 a n gj i n g l c i a d v i s e r ：q i ux i a o l i s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t f i r s t , t h es t a n d a r do fs t e pa n ds t e p - n ci si n t r o d u c e d t h e nac a p ps y s t e mb a s e do ns r e pa n d s t e p - n ci sd e v e l o p e d t h i sc a p ps y s t e me a nr e a da n dp r o c e s ss t e p ( a p 2 0 3 ) d o c u m e n t ，a f t e rt e c h n i c s p l a n n i n go ft h ep r o d u c t , t h ec a p ps y s t e mw i l lo u t p u ts t e p - n c ( a p 2 3 8 ) t e c h n i c sd o c u m e n t t h a tb u i l d s t h ef o u n d a t i o no f t h ei n t e g r a t i o no f c a d c a p p c a m c n c t h e l l t h es t e pa n ds t e p n cs t a n d a r da n dt h e i rd o c u m e n ts t r u c t u r ea l ei n t r o d u c e d ，t h em e t h o d w h i c hs t e p ( a p 2 0 3 ) d o c u m e n td e s c r i b e st h ep r o d u c t s g e o m e t r i cm o d e le n t i t yi sa n a l y z e d a f t e rt h eo v e r a l ld e s i g no ft h ec a p ps y s t e mi s g i v e d ，t h em e t h o do ft h ec a p ps y s t e m si m - p l e m e n t a t i o n ，t h ed a t a sf l o wc h a r ta n dt h ep r o g r a m m e si m p l e m e n t a t i o np r o c e s si sd e v e l o p e d t h e n t h ef i v em o d u l e so ft h ec a p ps y s t e ma n dt h ed i f f i c u l t i e so ft h es y s t e m si m p l e m e n t a t i o ni sa n a l y s i s e d t h el a n g u a g ee x p r e s sw h i c hd e s c r i b e st h eg e o m e t r ye n t i t yi si n t r o d u c e d a f t e rg i v e nt h em a p p i n g r e l a t i o nb e t w e e ne x p r e s sd a t a t y p ea n ds q ld a t at y p e ，i n c l u d i n gd a t at y p es u c h a ss i m p l e ， p o l y m e r i z a t i o n ，n a m i n g , c o n f o r m a t i o na n ds oo n ，t h es t e pg e o m e t r y i n f o r m a t i o nd a t a b a s ei s d e s i g n e d t h e nt h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg e o m e t r ye n t i t l e sw h i c hs t e p r a p 2 0 3 ) d e s c r i b e sa n d t h ec + + c l a s si sb u i l t s ot h ec o m p l e t eg e o m e t r yi n f o r m a t i o nw h i c ht h es t e p f a p 2 0 3 ) d o c u m e n td e s c r i b e s c a l lb e s a v e di nt h ed a t a b a s e a f t e rt h eg e o m e t r yi n f o r m a t i o nd a t a b a s ei sb u i l t , t h es p e c i f i cp r o c e s so fi n f o r m a t i o ne x t r a c t i o nf r o m s t e p ( a p 2 0 3 ) d o c u m e n ti sg i v e d ，m a i n l yi n c l u d i n gl e x i c a la n a l y s i so fs t e pd o c u m e n t ，t h ep r o c e s so f a n a l y s i s i n gs t e pd o c u m e n ta n dt h ep r o c e s so f i n s e r t i n gg e o m e t r yi n f o r m a t i o ni n t od a t a b a s e n e x t ，t h ep r o c e s so fo u t p u t t i n gs t e p - n ci si n t r o d u c e do nd e t a i l s t h a ti n c l u d et w op a r t s ：g e n e r a t i n g g e o m e t r yi n f o r m a t i o na n dg e n e r a t i n gt e c h n i c si n f o r m a t i o n i nt h ep a r to fg e n e r a t i n gg e o m e t r yi n f o r m a t i o n ， e x t r a c t i n gu s e f u lg e o m e t r yi n f o r m a t i o nf r o md a t a b a s ea n dw r i t i n gi ti n t os t e p n cd o c u m e n ti sr e a l i z e d t h ep r o c e s so fg e n e r a t i n gt e c h n i c si n f o r m a t i o ni si n t r o d u e e do nd e t a i l s f i r s te a c he s s e n t i a lf e a t u r e s r e c o g n i t i o nm e t h o di sg i v e d t h e nt h em e t h o dw h i c hs t e p - n cd e s c r i b e st h ep r o d u c t s t e c h n i c s i n f o r m a t i o ni sa n a l y s i s e d , i n c l u d i n gs t e p - n c se a c ht e c h n i c se n t i t ya n dt h e i rd e s c r i p t i o nm e t h o d s e a c h t e c h n i c sp a r a m e t e r si n p u ti su s i n gt h ew a yo fm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n ，f i n a l l yt h em e t h o dh o wt oo u t p u t s t e p - n c st e c h n i c si n f o r m a t i o ni sg i v e d a tl a s t a ne x a m p l ew h i c hs h o wt h es y s t e m se n t i r er e a l i z a t i o np r o c e s si sg i v e d t h a tp r o v e st h e f e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo f a b o v es t u d y k e yw o r d s ：s t e p , s t e p - n c ，f e a t u r er e c o g n i t i o n ，t e c h n i c sp l a n n i n g i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 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 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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 并表示了谢意。 研究生签名：叠盛丕日期：竺竖旦劈研究生签名：叠盔叁日期：竺竖旦劈 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名盏盛趸导师签名 研究生签名：逸盛盆导师签名：丝垡笙日期；丛挈帆 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 自1 9 5 2 年世界上的第一台数控机床在美国m i t 诞生以来，数控技术得到迅猛的发展。随着科学 技术的进步，现代化的制造过程对c n c 的要求越来越高，因而促进了c n c 技术的进一步发展。尽管 近年来硬件技术和软件技术的飞速发展给c n c 的高速和高精度加工提供了保证但由于目前在工业 化应用中的n c 所采用的编程方式还是基于5 0 多年前所开发的i s 0 6 9 8 3 ( g m 代码) 标准。这种代码仅 仅包括一些简单的运动指令和辅助指令，而不包含零件几何形状、刀具路径生成、刀具选择等信息， 因此需人工干预，以确定这些数据，因而导致编程效率低等问题的出现。随着计算机辅助系统c a x 技术、系统集成技术等的飞速发展和广泛应用，该标准已越来越不能满足现代n c 系统的要求，成为 制约数控技术乃至自动化制造发展过程中的瓶颈问题。 自从上个世纪8 0 年代以来，人们己开始通过采用统一的数据模型s t e p ( 1 s 0 1 0 3 0 3 ) 标准来实现 c a d c a m 系统间的集成。s t e p 标准中的应用协议a p 2 0 3 通过边界描述来定义零件实体模型，c a m 系统通过读取c a d 系统生成的a p 2 0 3 文件获取零件的信息内容，运用工艺设计知识，设计合理的加 工工艺，选择优化的加工参数和加工设备，自动生成零件的n c 加工程序。 虽然采用s t e p 标准实现了c a d c a m 问的产品数据拭享，但是产品信息从c a d c a m 到c n c 仍然是单向流动，制造过程中下游的信息不能反馈给上游，难以实现c a d c a m 和c h i c 间的无缝 集成。c a d c a p p ( 烈c 集成的关键在于实现各子系统问的数据交换和共享，建立正确和统一的零件 全信息模型，覆盖产品整个生命周期的全信息集成是c a d c a p p c n c 子系统实现全信息模型交换和 共享的基础，而s t e p - n c 的出现和基于s t e p - n c s t e p 的全零件信息建模为系统集成提供了一条 有效的途径。由于s t e p - n c 是对s t e p 标准的进一步扩展，因此它完全兼容s t e p 标准。s t e p - n c 是一个面向对象的新型n c 编程数据接口国际标准( i s o1 4 6 4 9 ) ，它于1 9 9 6 年初开始制定，在2 0 0 1 年底成为国际标准草案( d r a f t i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ，d i s ) ，由国际标准化组织i s o t c1 8 4 工业数 据技术委员会正式命名为i s o1 4 6 4 9 ，其目的旨在取代在数控机床中广泛使用的i s o6 9 8 3 标准”“。 s t e p - n c 是正在完善中的c n c 接口标准，尽管目前的研究还处于初级阶段，其前景十分看好而 且发展非常迅速。另外，s t e p n c 在理论上解决了制造系统集成的核心问题，对于未来制造业有着 深远的影响。美国s t e p t o o l s 公司研究表明，s t e p s t e p - n c 的运用将使日前的加工工艺规划( c a m ) 时间减少3 5 ，生产数据准备( c a d ) i t 寸间减少7 5 ，加工( c n c ) 时间减少5 0 i z 。 由于c a d 与c a m 之间链接的桥梁是c a p p ，所以开发基于s t e p 及s t e p - n c 的c a p p 系统对 实现计算机集成制造具有重要的意义，它为实现c a d c a m c n c 之间的无缝连接，进而实现真正意 义上的完全开放式数控系统奠定了基础。 1 2 基于s t e p 及s t e p n c 的c a p p 系统概述 1 2 1 传统的c a p p 系统概述 计算机辅助工艺设计( c a p p ) 是指机械产品制造工艺的计算机辅助设计与文档编制。随着集成技 术的发展c a p p 被认为是c a d c a m 真正集成的关键，是许多先进制造系统的技术基础之一。c a p p 系统的主要任务是通过计算机辅助工艺过程设计完成产品设计信息向制造信息的传递，是连接c a d 与c a m 的桥梁，也是c i m s 系统的重要组成部分，对产品质量和制造成本有极为重要的影响。应用 c a p p 技术，可以使工艺人员从繁琐复杂的事务中解放出来，迅速编制出完整而详尽的工艺文件，缩 短生产准备周期，提高产品制造质量，进而缩短整个产品的生命周期。由于工艺本身是门经验性、 针对性很强的应用科学，除了在工艺理论上相同外，不同的制造环境，不同的工艺习惯等多对工艺 1 查堕查兰堡主兰鱼堡兰 的编制有较大影响。c a p p 从根本上改变工艺设计过程中的劳动性质，提高工艺设计质量，并为制定 合理的工时定额，为企业管理提供了充分的科学依据】。 1 2 2 基于s t e p 及s t e p n c 的c a p p 系统 本课题所研究的基于s 1 e p 与s t e p n c 的c a p p 系统与传统的c a p p 系统在功能上有很大的不同， 传统的c a p p 系统主要侧重于工艺规程的自动编制，而基于s t e p 与s t e p - n c 的c a p p 系统的侧重点在 于对s t e p 文件信息的读取以及生成适合新一代数控系统的s t e p - n c t 艺文件，工艺的规划以及加工 过程中的各个工艺参数都是由人手动去完成。基于s t e p 与s t e p - n c 的c a p p 系统与传统的c a p p 系统 一样，它们都是从c a d 系统读取产品零件的几何信息，最后生成工艺文件，并且它们都有c a p p 系统 必须拥有的一个功能即特征识别，不同点在于读取的c a d 信息的格式以及最后生成的工艺文件的格 式不一样。 1 3 相关课题的国内外发展现状 1 3 1 国外研究现状 国外对s t e p - n c 的研究起步较早，近几年，欧美己经启动了几个有关s 下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 、s u p e r m o d e lp r o j e c t 等。其中欧洲的s t e p n c 项目共有2 0 多个 c a d c a m e l l 数控机床领域的企业、研究机构参与研究丁作。2 0 0 1 年，符合s t e p n c 标准的二维半 和三维数控铣削加工过程已经在德国s i e m e n s 、意火利f i d i a 公司以及欧洲o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o n ) 的c n c 原型系统中得以实现i “。 从2 0 0 0 年开始，美国s t e p t o o l s 公司在国家标准技术协会n i s t 的资助下启动了为期3 年的“超级 模型”项目( s u p e r m o d e l p r o j e c t ) ，主要目标是建立一个适合于铣、车削的数据库和软件工具，验证c n c 机床直接读取3 d 设计和制造数据，进行快速、安全和智能化零件制造的可能性。为了使c a d c a m 系 统与c n c 控制器能随时交换数据，s t e p t o o l s 公司建立了s t e p - n c 数据库的操作规范体系和管理体 系。2 0 0 0 年底，该公司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 w b o a r d ) 会议上演示了 利用“超级模型”完成d h i 对象的铣削过程，从c a d 系统中读取s t e p 文件，控制器利用其先进的特征 识别能力计算m i 规划，形成s t e p - n c 文件，该文件中含有加工一个零件所需的所有信息。s u p e r m o d e l 读取该文件，并将所获取的信息添加到数据库中，再由被e l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t o r s ( e m i ) 改造过的b r i d g e p o r t 控制器使用智能接口读取加工数据。然后智能接口为加工工件找到必要信息后， 将信息用一种易于被控制器f 基于p c ) 处理的形式给出，最后经控制器处理过的加工数据传递到机床 实现零件的d ! i i i “h 。 s t p i a n 是s t e pt o o l s 公司开发的一个软件，它是一个与s t e p 一致的系统，可用于将c a d 与c a p p 集成。它通过输入s t e p ，输出s t e p n c ( s t e pi n ，s t e p - n co u t ) 的方式创建出独立于机床的c n c 控 制信息。s t - p l a n 具有两个主要模块：f b m a c h ( f e a t u r e b a s e dm a c h i n i n g ，基于特征的a i m ) 和 f b t o l ( f e a t u r e b a s e dt o l e r a n c i n g ，基于特征的公差) 。f b m a c h 被用于识别制造特征，并且允许为这些 特征定义工步。f b t o l 用于公差的定义。f b m a c h 的一个有用的特性就是它的生成“进行中的模型”的 能力，它表达了加工操作之前和加工操作之后的形状瞄j 嘲。这些模型使得工艺规划者可以看到一个 工艺规划或者加工策略是如何一步一步进展的，直至最终零件得以完成。s t p l a n 实现的功能与本课 题所要研究的系统有相似之处，都是从c a d 系统中读入s t e p 数据，完成工艺规划后，输出s t e p - n c 文件。不同之处在于s t p l a n 读入s t e p ( a p 2 0 3 文件) ，完成对各个制造特征的识别后首先生成a p 2 2 4 文件，然后对每个制造特征进行工艺规划最后生成s t e p - n c ( a p 2 3 8 ) 文件，在生成的s t e p - n c ( a p 2 3 8 ) 文件中，特征采用a p 2 2 4 文件中的定义。而本课题研究的系统读a s t e p ( a p 2 0 3 文件) ，直接对每个制 造特征进行工艺规划，将每个工步的工艺文件保存，特征采用直接引用几何信息的显示表达，最后 生成s t e p n c ( a p 2 3 8 ) 文件。 2 第一章绪论 欧洲s t e p - n c 项目的先期项目是o p t i m a l 项目，大量的先期试验已经在o p t i m a l 项目期间 ( 1 9 9 4 - 1 9 9 7 ) 进行。欧洲e s p r i t1 1 1 的项目e p8 6 4 3o p t i m a “o p t i m i s e dp r e p a r a t i o no f m a n u f a c t u d n g l n f o r m 龇i o n w i t h m u l t i l e v e l c a m - c n c c o u p l i n g ) 项目于1 9 9 7 年3 月结束，o p t i m a l 定义了用于铣削 的基于s t e p 的c n c 的接口的第一个版本。o p t i m a l 项目的结果被用于准备i s o1 4 6 4 9 铣削国际标准 的委员会草案( c d ，c o m m i t t e ed r a r ) ，欧洲的e s p r i t s n 弘n c 项目e p 2 9 7 0 8 e s p r i t s t e p - n c 项目于 1 9 9 9 年年初启动，结束于2 0 0 1 年年底。这个项目要对于o p t i m a l 项目开发的已经存在的铣削数据接 口进行实旆，并且由终端使用者进行广泛测试。欧洲工业界和学术界总共2 0 家参与者加入了这个项 目，他们在c a d c a m c n c 领域颇有经验。铣削的原型试验于2 0 0 1 年l o 月在德国亚深进行。这个原 型是建立在来自于s i e m e n s ，o p e nm i n d ，d a s s a u l ts y s t e m s 的商业用系统的基础之上的。来自于o p e n m i n d 的h y p e r f a c t 及来自于d a s s a u l ts y s t e m s 的c a t i av 5 等c a m 模块生成s t e p - n c 程序，包括高层 的c a d 几何数据、操作数据以及加工顺序信息。生成的这个程序然后被送到车间，在车间通过对使 用s h o p m i l l 软件的s i e m e n s8 4 0 d 控制器进行改动来处理这个程序p “j 。 2 0 0 2 年欧洲的s t e p - n c 项目进入了它的第二个阶段。为了进一步增强在第一个阶段规划和开发 的系统，第二个阶段集中于研究s t e p - n c 的反馈机制。目的是评估在车间的加工得到了充分和准确 的执行。为了完成这个任务，需要收集检查数据，并且需要定义s t e p - n c 程序内检查数据的处理的 数据模型。同时需要对这个数据模型进行检验，评估其作用。 1 3 2 国内研究现状 与国外研究相比较，国内研究起步较晚，而且到目前为止，关于s t e p - n c 的研究还停留在概念 研究和理论研究阶段。其中山东大学数控技术研究中心对s t e p - n c 的研究相对较早，在“基于 s t e p - n c 的数控编程概要”、“s t e p - n c _ 新一代机床控制器”等论文中介绍了s t e p - n c 的基本概 念、研究概况、基于s t e p n c 的数控编程中涉及的编程特点，并开展了s t e p - n c 数控程序的信息提 取方法研究工作。 哈尔滨工程大学在基于s t e p - n c 数控系统的研究中，从分析s t e p - n c 标准入手，根据s t e p 标准 的原理及方法建立了基于s t e p - n c 的数控系统结构模型，从技术角度出发，确定现实可行的数控系 统研究方法和开发总体方案。此外他们还开展了基于s t e p - n c 标准的c a d c a m 集成接口的研究， 针对简单特征零件写出了符合a p 2 3 8 的s t e p - n c 文件，通过后置处理器，在f a n u c 数控机床上验证 了其正确性和优越性。其几何信息通过a p 2 1 4 文件直接得到，而加工信息则利用u g 软件的强大的加 工功能获取，即利用u g 的加工模块对零件进行工艺规划，确定工艺过程及相关的参数，再调用a p i 函数获取存取这些信息的刀具轨迹c l s ff c u t t e r l o c a t i o ns o u r c ef i l e ) 文件，这样就解决了s t e p - n c 数 据米源问题，进而写出了s t e p - n c 文件。其中的数据库设计是基于m i c r o s o f ts q l s e r v e r 数据库进行。 此项研究证明s t e p - n c 标准比i s 06 9 8 3 的g 代码能更好地从零件的整体来表达m 7 操作相关信息，实 现了c a d 与c a m 之问的双向数据流动，采用u g 软件，实现了零件的设计、工艺规划和生成s t e p - n c 文件一体化，亦即实现了c a d c a m 的集成9 j 。 华南理工大学的科研人员研究了基于s t e p n c 的图形编程技术。首先由c a d 图形设计模块产生 的数据表达符合s t e p 规范，它由模型信息( a p 2 0 3 仂设) 、几何信息( a p 2 1 4 协议) 以及特征信息( a p 2 2 4 协议1 等部分组成。设计模块的信息传递到工艺规划模块，按a p 2 1 3 协议工艺信息添加处理后，形成 数控指令所需的a p 2 3 8 文件。输入c n c 控制器生成n c 指令，最后生成刀具轨迹，进行切削仿真和碰 撞检查，形成检测信息( a p 2 1 9 协议) ，如产生碰撞等问题，则机床控制器判断是产品设计问题还是工 艺编程设计问题，分；! ；l | 将检测信息反馈给各个模块进行修改。如无问题则直接将n c 指令传递到机床 进行加工。零件程序生成模块是图形编程系统的核心部分，它读取符合s t e p 格式的设计数据，然后 进行工艺流程设计，晟后生成零件程序。所有活动分为三个主要步骤，即特征提取、符合s t e p - n c 的工艺流程设计和具体零件程序生成。特征提取是用来产生基于特征的零件模型，特征是组成零件 的功能要素，例如孔、套、台阶、槽等，系统将使用a p 2 2 4 特征识别器从不同的c a d 特征树中捕捉 零件的特征信息。工艺流程设计是从特征提取器和工艺参数库中提取有用信息，然后输出符合i s 0 东南大学硕士学位论文 1 4 6 4 9 的详细工艺流程。零件数控加工程序生成器主要输入的是符合s t e p - n c 的工艺流程，为了产生 刀具轨迹和检查碰撞，生成器还需要输入工件的产品模型，然后经工艺规划模块处理后系统直接输 出s t e p - n c 零件程序，为了确保正确性，系统需要仿真每个程序l 。 沈阳建筑大学的研究人员展开了基于s t e p - n c 的铣削制造特征识别的研究，c a d 模型的几何信 息从p r o e 输出的s t e p ( a p 2 0 3 ) 文件中得到，利用美国s t e p t o o l s 公司开发的s t e p 处理软件 s t - d e v e l o p e r 及其所带的r o s e 库几何信息提取，通过基于a p 2 2 4 协议的特征识别方法将几何特征映 射为制造特征，然后通过人机交互的方式进行工艺规划，最后生成s t e p - n c 文件【l 。 比较哈尔滨工程大学、华南理工大学及沈阳建筑大学所做的研究与本课题所做的研究，相似之 处在于所研究开发的系统都是从c a d 系统中读取s t e p 文件，然后进行工艺规划，最后生成s t e p - n c 文件，不同之处在于对制造特征的描述以及工艺规划的方式。哈尔滨工程大学展开的课题是基于对 u g 软件的二次开发，利用u g 软件的c a m 功能进行工艺规划，然后将工艺信息提取存入数据库，晟 后通过读取几何信息数据库及工艺信息数据库中的内容生成s t e p - n c 文件，对于制造特征的表达与 本课题一样，都是采用特征的显示表达，即直接引用几何信息的相关内容，不过本课题的工艺规划 是采用人机交互的方式对每一个工步进行工艺规划之后将该工步的工艺信息保存，最后生成 s t e p - n c 文件。而华南理工大学以及沈阳建筑大学的研究课题中对s t e p - n c 制造特征的表达都是根 据a p 2 2 4 协议，即采用隐式表达，都必须首先将几何特征映射为制造特征。沈阳建筑大学对课题的 研究和展开是利用s t e p t o o l s 公司开发的s t e p 处理软件s t - d e v e l o p e r 及其所带的r o s e 库，将j l 何信 息及工艺信息中的实体分别映射为r o s e 库中的类，最后生成s t e p - n c 文件，而工艺规划同样使用的 人机交互的方式。 此外，清华大学精仪系还展开了基于s t e p - n c 数控系统的研究，主要对s t e p - n c 产品数据模型 的具体组成、文件结构、描述方法和生成途径等进行了分析，提出s o f t 型开放式s t e p - n c 控制器的 概念及实现原理”。 从国外己开展的有关s t e p - n c 研究来看，由于资金与人员投入量大，已在众多国际性合作项目 中取得了研究成果，而国外己经研究出了试验系统，可以预期未来十年内，随着s t e p 标准逐渐成熟， s t e p - n c 的应用也将逐渐广泛和深入。相比之下，国内对s t e p - n c 的研究在起步时间上虽然比国外 只落后4 、5 年，但目前研究还是零星的，远远没有深入。已公布的研究成果也表明我国在对于新一 代数控加工模式s t e p - n c 方面相关理论、技术及应用的研究还是浅层次的，缺乏系统性。正是在这 种情况下，我们开展了关于s t e p n c 的研究。 1 4 本论文的研究内容、研究方法及论文结构 1 4 1 研究内容 本课题的研究内容拟大概包括以下几个方面： 1 了解s t e p 中性文件的结构以及其对模型的几何拓扑信息的描述方法，设计s t e p 后处理器读取 s t e p 文件，识别出模型的几何信息并将其保存在儿何信息数据库中。 2 提供友好的软件人机交互界面，使系统可以对零件三维模型进行显示，可以方便地选择零件 的平面、圆弧面及孔等加工特征并能够使之与几何信息对应；提供工艺设置的界面能够输入加工过 程中各种参数，为生成完整的s t e p - n c 文件做好准备。 3 工艺设计完成后，将模型的几何信息及工艺信息保存为s t e p - n c 文件。 1 4 2 拟采用的研究手段和方法 本课题的研究将主要采用微软公司提供的v i s u a lc + + 6 0 作为软件的开发工具。零件三维模型的 显示将采用a u t o v i e w 控件。数据库管理工具使用微软公司提供的s q ls e r v e r2 0 0 0 。 软件的开发主要分为两个步骤开发两大模块： 4 第一章绪论 1 s t e p 后处理器模块：零件的三维建模采用p m e ，输出为s t e p ( a p 2 0 3 ) 中性文件，本模块负 责读取s t e p 文件，提取模型的几何信息，将s t e p 文件中的点。线，面等各个实体映射成s q l 数 据格式并保存在几何信息数据库中。 2 s t e p n c 程序生成模块：将模型的的加工特征与几何信息对应通过人际交互的方式手动输 入加工过程中需要用到的各种制造工艺参数，最后生成完整的包含了几何信息及加工工艺信息的 s t e p - n c 文件。 1 4 3 论文的结构 论文共分为六章，其组织结构如图i - i 所示 图i - i 论文结构图 东南大学硕士学位论文 第二章s t e p 与s t e p - n c 标准及其文件结构 2 1s t e p 标准及其文件结构 2 1 1s t e p 标准概述“5 1 “1 s t e p 标准从1 9 9 3 年起较成熟部分陆续发表，其正式代号为i s o 一1 0 3 0 3 ，是一个计算机可理解的 关于产品数据表达和交换的国际标准，正式名称为“产品模型的表达与交换”( p r o d u c td a t a r e p r e s e n t a t i o na n d e x c h a n g e ) 。s t e p 标准是由国际标准化组织i s o 第1 8 4 技术委员会第四分技术委员会 的项目管理咨询委员会制定的( 简称为i s o t c l 8 4 s c 4 p m a g ) ，与产品信息基本表达有关的国际系列 标准。 s t e p 标准支持完整的产品数据的表达和交换。从方法学上看，s t e p 标准将集成的产品信息模型 i p i m ( i n t e g r a t e dp r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e i ) l 钓l 表示与具体应用和实现方法从逻辑上分开。实现方法的 独立意味着当实现方法改变时，产品的数据模型不用变化。 s t e p 标准的基本功能：一是产品信息的表达；二是产品信息的交换，包括存取、转换和归档。 这两个功能是靠s t e p - - - 层体系结构实现的，体系结构如图2 1 所示。 应用层 应用协议卜一抽象测试套件l l 逻辑层 l 通用集成资源l 羞雨圃 物理层 匹匿匦 图2 - 1s t e p 体系结构图 应用层：用户在应用层利用s t e p 应用协议，对某个具体的应用需要从逻辑层中选用数据元，通过 附加其它信息，并对它细化，建立所需的产品模型，完成各c a x 系统产品信息的交换。 逻辑层：根据应用层委员会提交的应用需求模型进行分析，找出共同点，协凋冲突，形成统一的、 不矛盾的集成产品信息模型i p i m ，最后用e x p r e s s 语言进行描述，用以建立与物理层的联系。 物理层：主要是完成一种用于数据交换的中性文件结构( s t e p 文件) ，把逻辑层以e x p r e s s 语言 描述的i p i m 用尼克劳斯维尔斯句法符号( w s n ) 来定义具体的结构，实现产品数据的存取、传递和共 享。 s t e p 标准三层次结构的组织方式使得其能够提供应用逻辑上更加完整、语义层次更高且面向各 种应用的资源、信息模型，以保证应用系统数据交换逻辑层次上的正确性。 s t e p 标准按其功能可分为六个类：描述方法、集成资源、应崩协议、实现方法、一致性检测以 及抽象测试套件，其中集成资源又分为通用集成资源和应用集成资源两类，每一大类都由编号数相 同的一个或n 个部分组成。 描述方法：s t e p 采用形式化的数据规范语言e x p r e s s 来描述产品数据结构，并用图示化表达， 6 第二章s t e p 与s t e p n c 标准及其文件结构 来进一步说明标准数据定义。s t e p 标准中有四种模型使用了图示化表达，即集成资源中的资源构件， 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 ) 。用到的图示化表达方法有 e x p r e s s g 图，1 d e f o ，i d e f l x 等。 集成资源：提供了s t e p 中每个信息元素的唯一表达，定义了产品数据的全局信息模型，其资源 构件是产品数据描述的基础，被应用协议的各部分所使用，集成资源包括通用资源( 几何拓扑表达、 产品结构配置、材料、形状公差、形状特征等) 和应用资源( 绘图、有限元分析、运动学等) 。 应用协议：应用协议用来描述特定产品实际应用的数学模型。通过在集成资源中选择台适的资源 构件，进一步细化含义，增加必须的约束和关系，从而形成面向具体应用的特定领域的信息模型， 目前已经颁布的s t e p 标准包括下面几组应用协议：现实、联台绘图，配置管理设计，零部件的数控工 艺，汽车设计过程的核心数据和用形状特征进行工艺规划的机械产品定义。 实现方法：s t e p 中每一种实现形式描述了从e x p r e s s 语言到实现方法所用的形式语言的映射， 这种映射与应用协议无关。目前实现方法可分四级：中性文什交换、工作格式交换、数据库交换和知 识库交换。目前中性文件交换已经比较成熟。 一致性测试：提供了实现符合应用协议规定的一致性要求。可以对一个自称是实现了一个s t e p 应用协议的软件产品的一致性测试提供一般性的方法论和要求，以保证可重复性、可比较性和可审 核性。 抽象测试套件：包含了支持一致性要求的应用协议的一组抽象测试件。对于每个应用协议，都有 对应的抽象测试集测试协议的实现是否满足协议的一致性要求。每一个抽象测试件提供了评测一个 或多个一致性要求是否满足所需的动作，这些动作的描述与具体实现无关。一个应川协议的所有抽 象测试件构成了抽象测试套件。 2 1 2 信息建模语言e x p r e s s “” s t e p 所规定的产品信息模型均采用e x p r e s s 语言进行描述。e x p r e s s 是形式化信息需求描述 语言的名称。它用来定义这一国际标准其它部分的信息需求。 e x p r e s s 语言的特点： ( 1 ) e x p r e s s 不是一种程序设计语言，而是一种面向对象的形式化信息模型描述语言。它独立 于任何计算机系统和程序设计语言，仅给出数据的定义功能。 ( 2 ) 实体( e n t i t y ) 是e x p r e s s 定义的新类型，可以用米描述客观世界中的具体对象、概念或表 达它们的关系，在信息模型的描述中，实体是主要的操作对象。 ( 3 ) e x p r e s s 具有描述网状数据结构的能力，实体