（航空宇航制造工程专业论文）数控车削加工自动编程系统关键技术的研究与实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 、随着计算机在制造业中的广泛应用，作为计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 技术 的重要组成部分，数控加工自动编程技术成为了现代制造技术印降低生产成本、提高 生产效率的重要环节之一。7 本文以江苏省2 0 0 1 年重大科技攻关计划： 业) 科技计划项目中提出研究高精度 高速机床及其配套软件的课题为背景，研究了在开发一个数控加工车削自动编程系统 过程中所涉及的关键算法和技术。通过对i g e s 和s t e p 等产品数据交换标准的探讨， 尤其是对应用广泛的d x f 的深入分析，建立了与不同c a d 系统实现数据共享的编程 接口；根据零件的不同加工特征提出了相应的走刀路线，并通过机床配置文件，初步 实现了通用后置处理；研究了数控系统和n c 代码的特点，建立了仿真通用接口，并 提出代码翻译地基本思路。 最后，从软件工程的角度出发，采用面向对象的方法设计并实现了该自动编程系 统。在与仿真系统的集成使用中，工作稳定，提高了n c 代码生成的效率。 关键词： 计算机辅助设计与带4 造、数囊氧数据交换标准、走刀路线、面向对象 ； 一- 、 7 拍 j 知k 数控车削加工自动编程系统关键技术的研究与实现 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e ri nm a n u f a c t u r i n g t h en c m a c h i n i n ga u t o p r o g r a m m i n g ，w h i c h i sa l l i m p o r t a n tc o m p o n e n t o f c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n a n d c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ( c a d c a m ) ，h a s b e e nt h ek e y t e c h n o l o g yt oi m p r o v e t h e p r o d u c t i v i t ya n d c r e a t em o r ee c o n o m i cb e n e f i t si nm o d e m m a n u f a c t u r i n g 7 f r o mt h ev i e wo fs u p p o r t i n gt h ep r o j e c to fj i a n g s us c i e n t i f i c t e c h n o l o g y , t h ek e y a l g o r i t h m sa n dt e c h n o l o g i e sa r ed e e p l yi n v e s t i g a t e dd u r i n gd e v e l o p i n gan cm a c h i n i n g a u t op r o g r a m m i n g s y s t e mf o rn cl a t h i n g ，w h i c hi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r b a s e do n t h e s t u d yo fi g e s 、s t e p , e s p e c i a l l yt h es t u d yo fd x f , ap r o g r a mi n t e r f a c ei sd e v e l o p e d ，b y w h i c ht h ed a t ac a nb es h a r e da m o n gd i f f e r e n tc a d s y s t e m s a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t c h a r a c t e r s ，t h er e s p e c t i v et o o lp a t h sa r ed e s i g n e d a n db yam a c h i n ec o n f i g u r ef i l e ，t h e g e n e r a lp o s t p o s i t i o n p r o c e s s i sd e a lw i t h o nt h er e s e a r c ho ft h e g e n e r a l s i m u l a t i o n t e c h n o l o g yt h a ti sb a s e do nt h en cc o d e s b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec n c s y s t e ma n d t h en c c o d e s ，as e to f g e n e m l s i m u l a t i o ni n t e r f a c ei sd e v e l o p e d l a s t ，u n d e rt h ed i r e c t i o no f0 0 s e ，a n a l y z ea n dd e s i g nt h en cm a c h i n i n ga u t o p r o g r a m m i n gs y s t e m t 1 1 es y s t e mh a sd e e p l yi m p r o v e dt h eg e n e r a t i n ge f f i c i e n c yo fn c c o d e k e y w o r d s ：c a d c a m ，n c ，p r o d u c td a t ae x c h a n g es t a n d a r d ，t o o lp a t h ，o b j e c t - o r i e n t e d ， s o f t - e n g i n e e r i n g 南京航空航天人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1c a d c a m 技术的发展与应用 自1 9 4 6 年第一台电子计算机在美国诞生以来人们就不断地将计算机技术引入 机械设计、制造领域。c a d c a m 技术，即计算机辅助设计与制造( c a d c a m ， c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ) ，指的是以人为本，以计算机 为主要辅助手段来进行产品的设计和制造l f j 。c a d 解决的是设计问题，c a m 则是利 用c a d 中建立的零件模型信息，再给予工艺信息和参数，自动生成n c 代码，通过 数控机床加工零件，完成传统机床难以达到的高难度、高精度的加工。c a d 中建立 的模型是c a m 的基础。 c a d c a m 技术起源于2 0 世纪5 0 年代的航空工业，随着计算机技术和计算机图 形学的发展而迅速成长，目前已经广泛地应用于航空、航天、汽车、造船、机械、轻 工及建筑工程设计等领域，现今已成为国家工业现代化和工业现代化水平的重要标 志。作为当代最杰出的十大工程技术成就之一，c a d ，c a m 技术是众多计算机应用技 术中推广应用的最为深入和最为广泛的专业应用领域之一，特别在制造业中的影响力 更为突出【2 】。在c a d c a m 技术本身，已经逐渐在几何设计、数控加工编程和工程分 析等重要方面取得了许多巨大突破。几何设计从二维绘图、三维线架、三维曲面、实 体造型而逐步发展到参数化特征造型；数控加工编程则朝着提高加工效率和精度为目 的、基于复合几何建模并能生成各种粗、精加工方式刀具轨迹的方向发展。伴随着这 些理论和算法的不断创新和成熟，并结合市场应用要求的不断提高，c a d c a m 系统 产品也从单一产品发展到集二维绘图、几何造型、数控j n - r 编程和工程分析等功能于 一体，支持并行工程和基于参数化特征造型的大型集成化软件系统，比较著名的有 u g i i 、p r o e 、c a t i a 、i - d e a s 和c i m a t r o n 等。开发平台也在从通用的机械 c a d c a m 平台朝着能集成专业应用软件的开放式平台方向发展【i 】i 2 】。 1 2 数控加工自动编程技术的发展及应用 1 2 1 数控加工自动编程技术的研究概况 数字控制( n c ，n u m b e rc o n t r 0 1 ) 技术是一种自动控制技术，在制造业中主要是指在 生产过程中采用数字信息实现自动控制和操纵运行机床，实现加工过程【3 1 。到了2 0 世纪7 0 年代，随着计算机技术的发展，就出现了计算机数控( c n c 。c o m p u t e r n u m b e r c o n t r 0 1 ) ，并迅速发展和应用，与计算机辅助制造( c a m ) 系统的其他环节组成一体化。 1 9 5 2 年，美国的p e r s o n 公司与麻省理工学院( m i t ) 合作研制出了的一台三坐标数 控铣床，为了解决了数控机床的编程问题，美国空军与m i t 合作于第二年研制成了 a p t 系统，从此便开始了数控加工和数控编程的发展进程。 数控车削加上自动编程系统关键技术的研究与实现 2 0 世纪6 0 年代着眼于交互式绘图系统和n c 编程语言的开发，美国m i t 的 s u t h e r l a n d 教授发表的“s k e t c h p a d 一人机会话系统”为计算机图形设计系统和 c a d c a m 提供了理论基础。具有多坐标立体曲面自动编程的a p t i i i 的问世，使数 控编程从面向机床指令上升面向几何元素的高层次编程。随后，a p t 几经修改和充 实，又出现了a p t i v ( 改进算法，增加了多坐标编程系统) ，a f t - a c ( 增加了切削数据 库管理系统) 和a p t - s s ( 增加了雕塑曲面编程系统) 等。世界各国以a p t 为基础开发了 具有独自特色、专业性更强的a p t 衍生编程语言，如美国m d s i 公司的c o m p a c t 。 用a p t 语言进行数控编程，具有程序简练、易于控制走刀等优点，但设计和编程之 间只能通过图纸来传递数据，图纸解释，工艺规划靠工艺人员来完成，不能对刀具轨 迹进行验证，易发生人为编程错误和造成重复工作等。 步入2 0 世纪7 0 年代，图形辅助数控编程g n c 得到了迅速的发展和广泛的应用， 推动了c a d c a m 向一体化方向发展，并逐步形成了计算机集成制造系统( c i m s ， c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 概念。g n c 是一种面向制造的技术，它将 零件的几何显示、走刀模拟、交互修改等不足，如1 9 7 2 年美国l o c k h e a d 公司推出的 c a d a m 系统，就融入了最新的g n c 技术。1 9 7 5 年法国的达索飞机公司对引进的 c a d a m 系统进行t - 次开发，研制成功了c a t i a 系统，使其能进行三维设计、分 析和n c 加工。8 0 年代初，该公司成功地将c a t i a 应用于飞机吹风模型地设计和加 工，使生产周期从六个月下降为一个月。 到了2 0 世纪8 0 年代，相继出现了将设计和g n c 成功结合和工程化、商业化 c a d c a m 系统，如b d e a s 、c a d d s 、u g 等。它们广泛地应用于航空航天，造船 、机械、电子，模具等行业。 1 2 2 数控加工自动编程技术的发展趋势 2 0 世纪7 0 年代出现并迅速发展起来的g n c 技术推动了c a d 和c a m 向一体化 方向发展，促使计算机集成制造系统( c i m s ) 兴起。作为现代制造新生产模式的c i m s ， 成为各国竞相发展的高技术，我国“8 6 3 ”已将c i m s 作为重点发展的高技术领域。 作为c i m s 主要内容的数控加工自动编程技术，出现了向集成化、可视化、网络化、 自动化、智能化发展的趋势f 1 1 1 2 1 1 3 1 。 集成化 数控编程系统的集成化指的是数控编程在c a d c a m 系统中的集成 4 】。为了适应 设计与制造自动化的要求，特别是适应计算机集成制造系统( c i m s ) 的要求，必须在下 述几方面进一步改进和提高： 在几何造型方面，实现从曲面造型、实体造型到参数化特征造型的转变，以便建 立完整的产品信息( 包括几何、工艺、加工、管理等信息) 模型，为实现c i m s 的整体 信息奠定基础，以产品信息模型为基础，建立统一的c a d c a m 数据库及其数据库 管理系统。实现不同c a d c a m 系统之问产品信息模型的转换。 南京航空航天人学硕士学位论文 可视化 科学可视化s v ( s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ) 是1 9 8 6 年由美国科学基金会( n s f ) 的科学 计算分组会就图形学、图形处理及工作站等方面的问题召开的讨论会上提出来并得 到发展的- f 新兴技术，2 0 世纪9 0 年代在美国著名国家实验室及大学中已从研究阶 段发展到应用阶段。在数控加工和数控编程中应用科学可视化技术，使得从零件设计 工艺规划、数控代码的生成与仿真验证、生产准备、材料运输到加工都用图形或 图像来表现，最后的结果用具有真实感的动态图形来模拟，可视化技术克服了单纯数 据表示结果的不足，虚拟制造v m ( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 技术就是利用了可视化技术， 在计算机上对整个生产过程进行模拟，以保证加工质量、确定合理的生产流程或进行 员工培训。多媒体技术的迅速发展，为进一步提高和促进数控加工的可视化程度提供 了广阔的前景。 网络化 通过计算机网络将c a d 、c a m 、和c a p p 以及管理决策系统互联起来，实现数 据交换、共享和集成，减少中间数据的重复输入，输出过程，从而提高整个系统从定 单、备料、设计、工艺到生产、供货全过程的效率。尤其是产品数据交换标准 p d e s s t e p 的颁布和i n t e m e t 的成熟和广泛应用，使生产全球化，并促使了敏捷制造 a m ( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 技术的兴起，提高了企业在市场上的竞争力。 智能化 传统的制造自动化系统，把人变成了机械系统的附属，难以适应制造环境的变化。 数控编程系统的智能化是指将人的知识加入集成化的c 觥a m 系统中，并将人的 判断及决策交给计算机来完成，智能制造系统的核心就是通过知识库和专家系统的支 持，借助人工智能技术，将人机交互工作降到最低。实现c a m 中制造信息处理的高 度自动化p j 。因此，必须采用人工智能方法建立各种知识库专家系统，把人的决策作 用变为各种问题的求解过程。1 9 8 9 年由d a b o u r n e 组织完成的首台智能加工工作站 ( i m w ，i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gw o r k s t a t i o n ) 的样机，该机能直接根据零件的定义数 据完成零件的全部加工，具有创成式工艺规程设计、n c 程序自动生成、产品三维实 体建模。加工过程智能检测等一系列智能活动。美国和日本都十分重视智能制造技术 的发展，视之为2 l 世纪的尖端科学，一些专家认为2 l 世纪将进入智能自动化时代。 1 2 3 我国的数控加工和编程技术的研究现状及发展 我国数控加工及编程技术的研究起步较晚，其研究始于航空工业的p c l 数控加 工自动编程系统s k c 1 。在此基础上，以后又发展了s k c 2 、s k c 3 和c a m 2 5 1 数 控加工绘图语言，这些系统没有图形功能，并且以2 坐标和2 5 坐标加工为主。我国 从“七五”开始有计划有组织地研究和应用c a d c a m 技术，引进成套的c a d c a m 系统，首先应用在大型军工企业，航天航空领域也开始应用，虽然这些软件功能很强， 但价格昂贵，难以在我国推广普及。“八血”又引进了大量的c a d c a m 软件，如： 数控车削加i - 自动编程系统关键技术的研究与实现 一 ，j - _ _ 一 一 e u c l i d i s 、u g 、c a d d s 、i - d e a s 、p r o e n g i n e e r 等，以这些软件为基础，进行了 一些二次丌发工作，也取得了一些应用成功，但进展比较缓慢。 我国在引用c a d c a m 系统的同时，也开展了自行研制工作。2 0 世纪8 0 年代以 后，首先在航空工业开始集成化的数控编程系统的研究和开发工作，如西北工业大学 成功研制成功的能进行曲面的3 5 轴加工的p n u g n c 图形编程系统；北京航空航 天大学与第二汽车制造厂合作完成的汽车模具、气道内复杂型腔模具的三轴加工软 件，与3 3 1 厂合作进行了发动机叶轮的加工：华中理工大学1 9 8 9 年在微机上开发完 成的适用于三维n c 加工的软件h z a p t ：中京公司和北京航空航天大学合作研制的 唐龙c a d c a m 系统，以北京机床所为核心的j c s 机床开发的c k t 8 1 5 车削 c a d c a m 一体化系统等1 6 j 。 到了2 0 世纪9 0 年代，响应国家开发自主产权的c a d c a m 的号召，开始了自 行研制c a d c a m 软件的工作，并取得了一些成果，如：由北京由清华大学和广东 科龙( 容声) 集团联合研制的高华c a d 、由北京北航海尔软件有限公司( 原北京航空航 天大学华正软件研究所) 研制的c a x a 电子图板和c a x a m e 制造工程师、由浙江大 天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造型系统g s c a d 9 8 、由广州红地 技术有限公司和北京航空航天大学联合开发的基于s t e p 标准的c a d c a m 系统金银 花( l o n i c e r a ) 。由华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的c a d 和图纸管理软件开目c a d 、南京航空航天大学自行研制开发的超人2 0 0 0c a d c a m 系统等，其中有一些系统已经接近世界水平1 7 j i ”。 虽然我国的数控技术已开展多年，并取得了一定的成效，但始终未取得较大的突 破。从总体来看，先进的是点，落后的是面，我国的数控加工及数控编程与世界先进 水平相比，约有1 0 1 5 年的差距，差距主要包涵以下几个方面： 数控技术的硬件基础落后 主机、图形显示终端、加工的高精度、高速的、多轴联动的数控加工机床。由于 国外的有关战略政策限制了对我国的进口，所以有关的外部设备还处于仿制阶段，部 分关键器件尚需要引进。虽然有些单位在这方面取得了不少成功，但和国际水平相比 还相差很大。 c a d c a m 支撑的软件体系尚未形成 虽然我国有一些专门从事c a d c a m 软件开放的专业化公司，并且取得了一定 的成绩，但和国外的商品化软件相比，在可靠性和功能上还相差很大，大部分开发都 从底层开始，造成了大量的资源浪费，而通用的一些专业化的c a d ，c a m 模块的产 品提供商还没有，如：提供c a d 数据转换的组件化产品、专门负责图形显示的组件 模块等。 c a d c a m 软件关键技术落后 当前国外的先进的c a d c a m 系统已采用了人工智能技术、特征造型产品模型 南京航空航天大学硕士学位论文 等新技术，而我国研究的重点却仍然是几何造型技术、图形数控编程及数据交换、存 储技术，这些国外的技术早已成熟。 因此，发展我国c a d c a m 软件我们还有很长的路要走，但是要时刻记住，开发 c a d c a m 软件的最终目的是应用c a d c a m 技术，提高企业的设计和制造水平1 9 j ， 所以，c a d c a m 软件不仅要水平高，有自己的特色，更要能够市场化，从市场中收 回投入，从而能够根据用户的需求不断地更新发展软件。 1 2 4 数控加工和数控编程中存在的问题和解决方法 自数控机床作为崭新的制造工具获得了应用以来，数控机床的结构和控制系统变 得越来越复杂，加工范围从简单零件的二维轮廓扩展到复杂零件的型腔、型面，数控 编程也逐渐地由手工编程发展到自动编程，使加工复杂零件成为可能，但同时也增加 了编程的复杂性。一方面随着被加工零件复杂程度的增加，所生成的数控程序变得很 长，也很复杂：另一方面，c a d 和c a m 的集成是一中很复杂的工作，由自动编程 系统所生成的数控程序，或多或少会存在一些问题，如图1 1 所示。数控程序主要存 在以下几类问题i lo 】： 刀具轨迹错误 复杂零件的多坐标编程，易于发生这类错误，造成这类错误的主要原因是由于编 程算法不健全。 刀具轨迹的优化 影响刀具寿命的不合理的切削路径的选择，不必要的重复切削，程序中存在过多 的非切削运动等。 碰撞问题 造成这类错误的主要原因是由缺少加工约束，在编程过程中没有考虑到加工环境 对加工的约束或约束考虑不周全。 语法错误 由于不同的数控机床有不同的数控指令格式，加之复杂零件的编程本身就是一个 很复杂的过程，稍有考虑不周，就会产生语法错误。 切削参数的设定问题 由于数控编程过多地考虑了几何因素，而忽略了对切削速度、进给速度等地控制 和优化，可能由于切削参数不合理导致刀具过早破损或效率低下等。 墼丝主型塑墨宴垫堕矍墨竺茎堡垫查塑堕塑兰壅堡 过切，欠切9 图1 1 加工中各种错误率 3 随着n c 程序复杂程度的增加，出错率也随着升高。如果n c 程序中存在错误， 在加工中就可能发生欠切、过切，刀具和工件、夹具、工作台之间的碰撞和干涉，甚 至会造成工件报废、刀具损坏、机床精度降低等危险的后果。所以，在实际加工之前， 通常都要对n c 程序进行可靠性检验。检验n c 程序的方法归纳主要有三种i l 2 】： 手工检验 这种方法不需要任何设备，可以用来检查比较简单、明显的编程错误，对于简单 的n c 程序是可行的，但手工检验是一种繁琐、费时的工作，很难发现诸如刀具和工 件之间的干涉等问题。 试切验证 以蜡模、树脂模、铝模等代替实际零件在数控机床上进行试切。试切的过程就是 对数控程序进行检验的过程。这一过程不但浪费人力物力，而且延长了产品的开发周 期，难以保证较高的精度要求，也影响了机床的正常使用。据统计，美国的制造商每 年用来进行数控程序检验的费用近2 0 亿美元，但用来进行铣削验证的树脂模和铝模 费用就高达1 0 力i 美元p ”。 计算机图形仿真 这种方法具有许多无可比拟的优点，是一条行之有效的最经济的n c 程序验证途 径。它是以计算机为工具，采用可视化技术，将刀具轨迹或加工成型过程形象地在屏 幕上表现给操作者，以检查n c 程序地正确性f i ”。目前在c a d c a m 领域，计算机 图形仿真成为各国地一个研究方面，已取得一定的成绩，并且在一些著名的 c a d c a m 系统中使用。 6 南京航空航天人学硕士学位论文 1 3 论文的选题背景和意义 在我国，c a d c a m 技术的普及势在必行，但又不能完全建立在进口软件的基础 上i 。引进国外著名的c a d c a m 软件，除了很好地应用，还要做好吸收和消化工 作，把丌发国产软件和吸收、消化国外引进的软件结合起来，不断提高国产软件的市 场占有率。 尽管c a d c a m 技术在国内被广泛的应用，但其软件开发的许多核心技术仍掌握 在国外大的开发商手中。为开发商品化的自主版权的c a d c a m 系统，只有依靠自 己的力量去解决这些核心技术问题。 南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心进行c a d c a m 技术研究、软件开发 和推广应用已有二十多年的历史，相继研制开发了“b s u r f 三维c a d 系统”、“计 算机辅助飞机外形设计系统”、“超人( s u p e r m a n ) c a d c a m 集成系统”等具有自主版 权的软件系统，并在航空工业及其他民用工业中推广应用，产生了重大的经济效益， 同时也为民族c a d c a m 产业的振兴和崛起做出了贡献。 本文总结了作者在南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心攻读硕士学位期 间，在江苏省十五重大科技攻关项目课题支持下，为配合v i s u a l c h e c k2 0 0 0 仿真系统 而研究开发的一个数控加工车削自动编程系统过程中所作的工作。具体主要包括以下 几个方面的内容： 与常见c a d 软件数据共享的研究 主要介绍面向不同c a d 系统的产品数据交换标准。通过对i g e s 和s t e p 等产品 数据交换标准的研究，尤其是对应用广泛的d x f 的深入分析，建立与不同c a d 系统 实现数据共享的编程接口。这些算法是实现自动编程系统的基础。 数控加工车削指令自动生成的研究 通过分析数控车削加工的特点，根据零件的不同加工特征提出了相应的走刀路 线。并在此基础上通过机床配置文件，初步实现了通用后置处理。这些算法使实现自 动编程的核心。 通用代码翻译和复合固定循环实现的研究 通过分析数控系统和n c 代码的特点，建立仿真通用接口，并提出代码翻译的基 本思路。并在此基础上通过仿真系统和翻译模块的有机结合，实现基于n c 代码的仿 真的通用性。 自动编程系统的分析与设计 在自动编程算法研究的基础上，作者从面向对象的角度出发，探讨了采用0 0 方 法分析与设计该自动编程系统的技术。 墼丝兰型垫：! ：鱼垫塑些墨竺苤堡垫查堕婴壅量塞婴一 第二章数控加工自动编程基础算法 2 1 引言 数控加工自动编程发展到今天，开始向集成化、可视化、智能化发展。集成化指 的是数控编程在c a d c a m 系统中的集成。由于c a d 平台的多种化，所以制定图形 文件的交换标准，提高数据交换的速度，保证数据传输的完整、可靠和有效，是数控 加工自动编程集成化的基础【1 4 1 。可视化指采用o p e n g l 等图像显示技术使自动编程的 过程( 加工参数选择、刀具选择) 可见，更具真实感。智能化是通过知识库和专家系统 的支持，借助人工智能技术生成走刀路线。 2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代初计算机图形学形成和发展期间，适用于各种不同应用 目的的图形硬件设备和针对具体设备和应用的各种类型的图形软件系统不断地推出。 这些系统由不同的开发者设计开发，其通用性较差，影响了计算机图形学的进一步的 发展，这导致了计算机图形标准的出现。计算机图形软件功能标准化问题的研究早在 2 0 世纪7 0 年代初就已经开始。t 9 7 4 年美国成立了图形标准化规划委员会( g s p c ) ， 其提出了世界上第一个图形标准方案c o r e ，为计算机图形标准化的工作做了有益的 尝试。在此同时，各国也都陆续制订自己的图形标准，其中以德国的g k s 标准最为 著名。 图形标准的研究和制订在2 0 世纪8 0 年代进入了大发展时期。1 9 8 5 年，第一个国 际计算机图形信息标准寮计算机图形核心系统( g k s ) 得以正式颁布。之后，三维图形 核心系统( g k s 3 d ) 、程序员层次交互式图形系统( p h i o s ) 、计算机图形原文件( c g m ) 、 计算机图形接e l ( c g i ) 、初始图形交换规范( i g e s ) 以及产品数据交换标准( s t e p ) 等相 继制订并颁布。 面向不同c a d 系统的数据交换标准i g e s 和s t e p 在c a d c a m 中的应用有着广 阔的前景。而在处理二维图形数据交换时，d x f 数据接口则在目前有着最广泛的应 用。 2 2 数据接口与交换标准 2 2 1 基本图形交换规范标准i g e s 随着c a d c a m 技术的广泛应用，产品的几何模型或产品的完整信息模型以计算 机可以理解的数据结构存贮在计算机内部。企业问、企业内部不同的职能部门间经常 需要进行产品信息的交换由于c a d c a m 系统的不同，产品模型在计算机内部的 表达也不相同，直接影响到设计和制造部门和企业间的产品信息的交换和流动。导致 了产品数据交换标准的制订。1 9 8 0 年，由美国国家标准局( n b s ) 主持成立了由波音公 司和通用电气公司参加的技术委员会，制订了基本图形交换规范i g e s ( 1 n i t i a lg r a p h i c s e x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) ，并于1 9 8 1 年正式成为美国的国家标准1 3 ”。 8 堕室堕窒塾鲞丕堂堡主堂堡笙苎一 允许在c a d c a m 系统之间进行产品数据交换的文件结构至少要支持产品的几 何数据、标注和数据组织方式的通信。i g e s 标准定义的文件格式将产品数据看作元 素f e n t i t y ) 的文件。每个元素是以一种独立于应用的，特定的c a d c a m 系统内部产 品数据格式可以映射的格式来表示。i g e s 作为一种逐渐成熟的标准，在i g e s 中包 含的元素类型始终同步于c a d c a m 技术的发展1 4 。 在i g e s 数据交换文件中表示信息的基本单位就是元素，每种元素都有唯一的元 素类型号与之对应。元素类型号0 0 0 0 到0 5 9 9 和0 7 0 0 到5 0 0 0 由i g e s 标准本身使用： 元素类型号0 6 0 0 到0 6 9 9 和1 0 0 0 0 到9 9 9 9 9 作为宏元素。需要注意的是，元素类型号 目i j 并没有被全部使用，有些号码是空的，不对应任何元素。一些元素包含有形式 f f o r m ) 号作为一个属性，用来在固定的个类型中进一步定义或细分一个元素。元素 集中还包含一些用来表示元素之间相关性和元素性质的特殊元素。相关性元素提供了 在元素间建立联系，以及这种联系所代表的含义的一种机制；特性元素允许指定一个 元素或一些元素特殊的性质，如线宽。 在i g e s 标准中定义了五类元素：曲线和曲面几何元素、构造实体几何c s g 元素、 边界b r e p 实体元素、标注元素和结构元素。元素类型号1 0 0 到1 9 9 一般保留为几何 元素的类型号。 i g e s 文件由五或六段组成： ( 1 ) 标志( f l a g ) 段； ( 2 ) 开始( s t a r t ) 段： ( 3 ) 全局( g l o b a l ) 段； ( 4 1 元素索引( d i r e c t o r ye n t r y ) 段： ( 5 ) 参数数据( p a r a m t e rd a t a ) 段； ( 6 ) 结束( t e r m i n a t e ) 段。 其中，标志段仅出现在二进制或压缩的a s c i i 文件格式中。 一个i g e s 文件可以包含任意类型、任意数量的元素，每个元素在元素索引段和 参数数据段各有一项，索引项提供了一个索引以及包含一些数据的描述性属性：参数 数据项提供了特定元素的定义。元素索引段中的每一项格式是固定的。参数数据段的 每一项是与元素有关的，不同的元素其参数数据项的格式和长度也不同。每个元素的 索引项和参数数据项通过双向指针联系在一起。 文件每行8 0 个字符。每段若干行，每行的第1 7 2 个字符为该段的内容；第7 3 个字符为该段的段码；第7 4 8 0 个字符为该段每行的序号。段码是这样规定的：字符 b 或c 表示标志段：s 表示开始段；g 表示全局段：d 表示元素索引。 作为数据交换的国际标准i g e s 发表以后，成为应用最广泛的数据交互标准。但 应用过程中发现许多缺点。主要表现在以下几个方面：首先，i g e s 中定义的实体主 要是几何图形方面的信息，而不是产品定义的全面信息。它的目的是在屏幕上显示图 形或用绘图机绘出图形、尺寸标注和文字注释。所有这些都是供人理解的，而不是面 9 数控车削加j 二自动编程系统关键技术的研究与实现 向计算机的，所以不能满足c a d c a m 集成的要求。其次，i g e s 对数据传输不可靠， 往往一个c a d 系统只有一部分数据能转换成i g e s 数据，在读入i g e s 数据时，也经 常有部分数据被丢失。此外i g e s 的一些语法结构有二义性，不同的系统会对同一个 i g e s 文件给出不同的解释，这可能导致数据交换的失败。第三个缺点是它的交换文 件所占的存储空间大，影响数据文件的处理速度和传输速度1 3 9 1 4 w 。 2 2 2 产品数据表达与交换标准s t e p i g e s 发表以后，法国航空航天业发现i g e s 由于文件太过于冗长，有些数据也不 能表达，无法传送。因此在i g e s 的基础上自行开发了数据交换规范s e t ( s t a n d a r d d e x c h a n g e e td et r a n s f e r t ) 。s e t 的文件格式与i g e s 完全不同，长度大大小于i g e s 文件长度。s e t 的第一个文本发表于1 9 8 3 年，成功应用在欧洲航空航天业，在一些 汽车制造公司中如雷诺、标致等也得到应用。此外，德国的汽车制造也也在i g e s 的 基础上开发了产品数据交换的德国国家标准v d a f s ( v e r b a n dd e r d e u t s c h e n a u t o m o b i l i n d u s t r i e f l a c h e n n i t t s t e l l e ) 。与其它标准不同的是，v d a f s 只集中于自由 曲面的数据交换，在c a d 的特定领域中应用的很好。 1 9 8 4 年，i g e s 组织设置了一个研究计划，称为p d e s ( p r o d u c td a t ae x c h a n g e s p e c i f i c a t i o n ) 。p d e s 计划的长期目标是为产品数据交换规范的建立开发一种方法论， 并运用这套方法论开发一个新的产品数据交换标准，新标准要求能克服i g e s 中已经 意识到的弱点，这些弱点包括文件过长，处理时间长，一些几何定义影响数值精度， 交换的是数据而不是信息。p d e s 计划与i g e s 相比的一个显著特点是着重于产品模 型信息的交换而不是像i g e s 那样仅传递一些几何和图形数据。另外，p d e s 支持的 产品数据交换方式除了文件交换外，还有共享数据库，这在实现方式上又比以前的数 据交换标准如，i g e s 、s e t 、v d a f s 等前进了一大步。p d e s 的开发方法是个三 层的体系结构和参考模型及形式化语言的运用。体系结构中的三层包括应用层、逻辑 层和物理层。形式化语言如e x p r e s s 语言的使用提高了计算机可实现的程度，消除 了标准定义中的二义性。所以，无论是开发标准的方法论还是标准的结构和内容， p d e s 计划都有重大的突破和创新，为s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c t m o d e ld a t a ) 标准的制定奠定了良好的基础”。1 0 s t e p 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，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中的产品数据。产品 生命周期包括产品的设计、制造、使用、维护、报废等。产品数据的表达和交换，构 成了s t e p 标准，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【1 5 1 。 与p d e s 一样，s t e p 的体系结构也分为三层。最上层是应用层，包括应用协议 及对应的抽象测试集，是面向具体应用，与应用有关的一个层次；第二层是逻辑层， 包括集成资源，是一个完整的产品模型，从实际中抽象出来，并与具体实现无关：最 底层是物理层，包括实现方法，给出具体在计算机上的实现形式。完整的s t e p 产品 0 塑室塾窒堕丕叁堂堡主堂垡堡茎 信息模型如图2 1 所示： 应用层 逻辑层 物理层 图2 1s t e p 文件结构 s t e p 的产品模型数据是覆盖产品整个生命周期的应用而全面定义的产品模型信 息。产品模型信息包括进行设计、分析、制造、测试、检验零件或机构所需的几何、 拓扑、公差、关系、属性和性能等信息，也包括一些和处理有关的信息。s t e p 的产 数控午削加工自动编程系统关键技术的研究与实现 品模型对于生产制造，直接质量控制测试和支持产品新功能的开发提供了全面的信 息。 s t e p 的产品模型的核心是形状特征信息模型，在此基础上进行各种产品模型定 义数据的转换。基于形状特征信息模型，有助于建立完整的产品信息数据模型，而不 仅仅是产品的几何形状和显示信息。 2 2 3d x f 数据接口 2 2 3 1d x f 数据接口概述 每个c a d 系统都有自己的数据文件，数据文件分图形数据文件、几何模型文件 和产品模型文件几种。数据文件的格式与每个c a d 系统自己的内部数据模式密切相 关，而每个c a d 系统自己内部的数据模式一般是不公开的，也是各不相同的。由于 用户使用的需要，就有数据交换文件概念的出现。 d x f 为a u t o c a d 系统的图形数据文件，d x f 虽然不是标准，但由于a u t o c a d 系统的普遍应用，使得d x f 成为事实上的数据交换标准。d x f 是具有专门格式的 a s c i i 码文本文件，它易于被其它程序处理，主要用于实现高级语言编写的程序与 a u t o c a d 系统的连接，或其它c a d 系统与a u t o c a d 系统交换图形文件【4 2 1 。 2 2 - 3 2d x f 文件结构 d x f 文件本质上是由成对的代码和与代码关联的值组成的。这些代码( 即组码) 不 仅指出了其后关联的数( 组值) 的类型，而且与此组值配对。通过使用这些配对的组码 和组值，d x f 文件被组织成区域。在d x f 文件中，每个组码和每个组值都各占 行。组码是一个非零的正整数，相当于数据类型代码，每个组码的含义是由a u t o c a d 系统约定好的，以f o r t r a n 1 3 格式( 即向右对齐并且用三字符字段填满空格的输 出格式) 输出。组的第二行为组值，相当予数据的值，采用的格式取决于组码指定的 组的类型。组码和组值合起来表示一个数据的含义和它的值。 每个区域都是以个其后跟随着字符串s e c t i o n 的组码0 开始，接着是组码 2 和表示区域名称的字符串( 例如h e a d e r ) 。每个区域都是由定义它的元素的组码 和纽值组成。其后跟着字符串e n d s e c 的组码0 表示该区域结束。常用组码表示 的范围见。表2 1 ： 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 1 常用组码范围 纽码范围码值类型 0 9 字符串( e n t i t y ，h e a d e r 等等) 1 0 5 9 浮点数( 实体的点坐标等) 6 0 7 9 捂数 2 1 0 2 3 9 浮点数 3 0 0 3 1 9 字符串 9 9 9注释 1 0 0 0 - 一1 0 0 9 由 1 0 l0 _ 一1 0 5 9 浮点 1 0 6 0 - 一1 0 7 9整数 d x f 文件完整的组织结构说明如下： h e a d e r 区域 此区域包含图形的基本信息，它由个a u t o c a d 数据库版本号和许多系统变量 组成。每个参数包括一个变量名及其组值。 c l a s s e s 区域 此区域包含有关应用程序定义类的信息，这些类的实例包含在b l o c k s 区域、 e n t i t i e s 区域和o b j e c t s 区域的数据库中。类定义在类的层次结构中是固定不变 的。 t a b l e s 区域 此区域包含如下符号表的定义： a p p i d ( 应用程序标识表) b l o c kr e c o r d ( 块引用表1 d i m s t y l e ( 标注样式表) l a y e r ( 层表) l t y p e ( 线型表1 s t y l e ( 文本样式表) u c s ( 用户坐标系表) v i e w ( 视图表】 v p o r t ( 视口配置表) b l o c k s 区域 此区域包括块定义和组成图形中每个块引用的图形图元。 e n t i t i e s 区域 此区域包含图形中的图形对象( 图元) 和块引用( 插入图元) 。 墼丝主! ! 垫：! 鱼垫麴型墨丝茎堡垫查堕婴壅兰塞墨一 o b j e c t s 区域 此区域包含图形中的非图形对象，所有那些非符号表记录的、符号表的和非图元 的对象都储存在此区域中。在o b j e c t s 区域中的条目样例是包含多线和组的字典a t h u m b n a i l i m a g e 区域 此区域包含图形中的预览图像。该区域为可选。如果用户使用了s a v e 和s a v e a s 命令选择对象选项，输出的d x f 文件将只包含的