（机械制造及其自动化专业论文）基于stepnc的数控加工模式及应用研究.pdf

摘要 摘要 数控加工是现代制造过程的关键环节，目前伴随着第一代数控机床发展起来 的数控编程标准i s 0 6 8 9 3 及其编程理念仍然活跃在现代数控加工中。但由于不同 的数控系统之间的加工指令代码和格式的差别使得传统的编程方式已经在兼容 性、互换性及互操作性等方面逐渐显露出其弊端，这极大影响了数控系统的开放 式、网络化、智能化发展。因此，研究数控加工新标准一一s t e p n c ，开发符合 新标准的下一代数控加工系统具有重要的现实意义。 本论文首先对s t e p n c 进行了研究，分析了标准的描述机制、文件格式、 数据模型等，在此基础上对基于s t e p n c 的数控加工新模式进行了研究，详细 分析了这种加工模式中的加工流程，并对现阶段应用s t e p 。n c 实现数控加工的 过渡模式进行探讨，为论文的后续工作提供思路。 其次，根据关系型数据库数据模型和设计原则对s t e p n c 数据库进行详细 设计，包括数据库概念设计以及各种数据表的设计，如零件几何信息、非几何信 息、加工信息以及文件信息等相关数据表等。 然后，针对实现s t e p n c 具体应用的过渡模式，进行了应用系统总体设计， 即从p r o e 中获取描述零件几何信息的s t e p 文件和描述加工信息的n c l 、m i l 等文件，通过读写接口将数据写入s t e p n c 数据库中，然后再通过前处理模块 将数据写入s t e p n c 文件中，加上文件头部信息，最终生成s t e p n c 数控程序。 最后，对系统的前置处理器的结构和各模块功能实现进行了详细设计，主要 给出了实现数据处理模块、写文件头段和数据段几何信息模块和写加工信息模块 功能的核心类的结构和实现，完成了各模块的预定功能。 关键词：s t e p ；s t e p n c ；数据库；前置处理器 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sw e l l k n o w nt h a tc n cm a c h i n i n gi st h em o s ti m p o r t a n ts t e pi nm o d e r n m a n u f a c t u r e a n dn o wi s 0 6 9 8 3t h a tt h ep r o g r a m m es t a n d a r di sg r o w i n gu pw i t ht h e f i r s tn cm a c h i n ea n di t sc o n c e p ta r ea c t i v ei nc n cm a c h i n i n g h o w e v e r , b e c a u s eo f t h ed i f f e r e n c eo ft h eg mc o d e sa n df o r m a t sa m o n gd i f f e r e n tc n cs y s t e m s ，t h e c o m p a t i b i l i t y ，i n t e r c h a n g e a b l e n e s s a n d i n t e r o p e r a t i o n a b u s eo ft h et r a d i t i o n a l p r o g r a m m i n gm o d eh a sa l r e a d yb e e ne x p o s e d ，w h i c hw i l la f f e c tt h ed e v e l o p m e n to f c n cs y s t e mi no p e n i n g ，n e t w o r k i n ga n di n t e l l i g e n t i z a t i o n s oi ti sv e r yi m p o r t a n ti n p r a c t i c ef o ru st od or e s e a r c ho ns t e p n c ，t h en e ws t a n d a r do fc n cm a c h i n i n g ，a n d d e v e l o pt h en e wc n cs y s t e mb a s e do ns t e p - n c f i r s t l y ，i nt h ep a p e rs t e p - n ch a sb e e nr e s e a r c h e do n ，a n dt h ed e s c r i p t i o n m e c h a n i s m ，t h ef i l ef o r m a to fs t e p n ca n dt h ep r o d u c td a t am o d e lg i v e ni nt h e s t a n d a r dh a v eb e e na n a l y z e d a n dt h e nan e wp a t t e r no fc n cm a c h i n i n gb a s e do n s t e p n ci sg i v e n ，a n dt h em a c h i n i gf l o wo ft h ep a t t e r ni ss p e c i f i e d a tt h es a m e t i m e ，t h ea p p l i c a t i o nm o d eo fs t e p - n ci nt h ei n t e r i mi sa l s od i s c u s s e d ，w h i c hg i v e s t h eg i s tf o rt h er e s e a r c h s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ed a t am o d e la n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h er e l a t i o n a l d a t a b a s e ，t h ed e s i g no fs t e p n cd a t a b a s ei sg i v e n ，w h i c hi n c l u d e st h ec o n c e p t d e s i g na n da l lk i n d so fd a t at a b l ed e s i g n ，s u c h a st h e g e o m e t r i c a li n f o r m a t i o n ， n o n g e o m e t r i c a li n f o r m a t i o n ，m a c h i n i n gi n f o r m a t i o na n df i l ei n f o r m a t i o n f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nm o d eo fs t e p - n ci nt h ei n t e r i m ，t h e r ei s a na p p l i c t i o ns y s t e mt ob eg i v e na n dt h ef r a m e w o r ko ft h ef o r e p r o c e s s o ra n dt h e f u n c t i o nr e a l i z a t i o no fi t sm o d u l e sa r es p e c i f i e d ，i nw h i c hs t e pf i l er e p r e s e n t i n gt h e g e o m e t r i c a li n f o r m a t i o na n dn c l ，m i lf i l e sd e s c r i b i n gt h em a c h i n i n gi n f o r m a t i o n w i l lb eo b t a i n e df r o mp r o e n g i n e e r a n dt h e nt h e s ed a t aw i l lb er e a dt os t e p n c d a t a b a s eb yt h er e a d w r i t em o d u l e ，s u b s e q u e n t l yt h e yw i l lb e w r i t t e ni ns t e p n c f i l l eb yf o r e p r o c e s s o ra n dm e a n w h i l et h eh e a d e rs e c t i o ni sg o i n gt ob ea d d e d ，a n d t h u st h es t e p n cp r o g r a mi sa b o u tt ob eg e n e r a t e d k e y w o r d s s t e p ；s t e p - n c ；d a t a b a s e ； f o r e p r o c e s s o r i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 乏及磊镛 埘d 作者签名：张秀娟日期：2 0 0 5 年6 月l o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 狠张 ) o o f 占，。 作者签名：张秀娟日期：2 0 0 5 年6 月1 0 日 导师签名：李伟光日期：2 0 0 5 年6 月1 0 日 乃l 抛 沙i 占、l ， 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着计算机软硬件技术的飞速发展，计算机数字控制技术也得到 了长足的进步。但伴随着第一代数控机床发展起来的数控编程技术和理念仍然活 跃在现代数控加工中，也就是说目前的c n c 系统仍沿用几十年前所开发的 i s 0 6 9 8 3 ( g m 代码) 标准。这种机械语言包含了一套运动指令( g l 、g 2 、g 3 等) 和辅助开关指令( m 3 、m 8 等) ，数控机床通过这些指令的有序组合来控制 刀具、工件和机床辅助装置的运动，从而完成工件的加工。不可否认，它在数控 技术几十年的发展历程中，不断的在自身范围内得到完善，不断的巩固自己在数 控领域无可替代的地位。但是到今天，这种语言面向刀具运动和辅助开关的编程 方式的缺陷逐渐显露，也就是说符合i s 0 6 9 8 3 的数控程序只能控制刀具和工件在 某一时刻该如何运动，而关于加工零件的任何信息一无所知即它在加工中扮演 的是一个被动执行者的角色。造成此种局面一方面是因为这种面向运动的数控编 程理念，另一方面是因为这种加工方式的表达与上层关于零件信息的表达不一 致。为此，欧美各国、日本和韩国等工业国家正致力于研究一种全新的数控编程 方式一一s t e p n c ( 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 o n t r o l l e r s ， i s 0 1 4 6 4 9 ) 来开创数控加工新时代。 1 2 标准介绍及研究现状 1 2 1 s t e p 标准介绍 我们知道，企业产品从设计、制造到使用、维护以及报废的整个过程将会不 断的产生各种信息，这些多且杂的信息分散在不同的部门和地区，为最大限度的 利用这些信息，需要它们在不同的设备和系统间进行传递与交换，这就产生两个 方面的问题：一是信息传递途径的问题，目前使用数字传递标准通过网络传输可 以解决；二是信息的表达与交换问题。目前关于产品信息的表达都依赖于特定的 系统，即系统x 内的信息不能直接通过硬件传输就能为系统y 所用，这是因为 两个系统之间信息表达方式不一致引起的。为此，国际标准化组织第18 4 技术委 员会第四分技术委员会( i s o t c l 8 4 s c 4 ) 负责制定制定了产品数据表达与交换 系列标准一一s t e p ( t h es t a n d a r d f o r t h ee x c h a n g eo f p r o d u c t m o d e l d a t a ) “。该标 华南理工大学硕士学位论文 准是在i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 和p d e s ( p r o d u c td a t a e x c h a n g es p e c i f i c a t i o n l 的基础上，参考其它有关的数据表达和交换标准而形成 的。i s o 于1 9 8 0 年将p d e s 文本作为其建议草案发表，1 9 9 3 年起将s t e p 中较 成熟部分陆续发表，其正式标准号为i s 0 1 0 3 0 3 。该标准旨在提供一种不依赖于 具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中所产生的信息，这些描述方 式不仅适合文件交换，而且是实现和共享产品数据库及产品数据长期存档的基 础。s t e p 标准按其功能分为以下五个部分： ( 1 ) 描述方法( p a r tl l 一1 9 ) ； ( 2 ) 集成资源( p a r t4 l 一9 9 ，通用资源；p a r t1 0 i 1 0 9 ，应用资源) ： ( 3 ) 应用协议( p a r t2 0 1 1 1 9 9 ) ； ( 4 ) 实现方法( p a r t2 1 2 9 ) ； ( 5 ) 一致性测试方法( p a r t3 1 3 9 ) 、抽象测试套件( p a r t1 20 1 2 4 1 9 9 ) 。 应用协议p a r t2 0 i 通用集成资源l 应用集成资源 p a r t 4 l 。lp a r t1 0 1 一 描述语言e x p r e s s p a r ti1 实现方法 p a r t2 l 致性检测 p a n3 】 抽象测试套件p a r t l 2 0 1 图1 - is t e p 标准系列结构图 f i g u r e i 1 t h ef r a m e w o r ko fs t e p 其中描述方法提供支持s t e p 开发所需的方法与工具，它定义了一种形式化 数据规范语言一一e x p r e s s ，利用该语言对全局产品数据模型进行描述，进一步 定义各自的应用协议，并在全局产品数据模型指导下设计各系统的交换界面。目 前e x p r e s s 语言是s t e p 中最基本的描述产品数据信息的方式，随着s t e p 本 身的发展，将来还会出现新的描述语言。 集成资源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，它是用e x p r e s s 语言描述的产品概念模型。 应用协议是对集成资源的细化，它详细说明某个具体应用的信息要求，并定 义信息交换的明确方式，为一致性检测提供致性要求和检测目的。本论文所涉 及到的i s 0 1 0 3 0 3 2 3 8 即属于该部分。 实施方法则指明了产品模型将被用于哪些数据处理任务，提供了不同的产品 第一章绪论 数据交换实现形式。用于产品数据的可供选择的实现形式有：交换文件、数据库、 数据存取、知识库。 一致性测试方法和抽象测试套件是用以检查软件对本标准的符合程度。 s t e p 系列标准结构如图1 一l 所示。 1 2 2s t e p - n c 标准介绍 近年来，随着国际标准化组织发布s t e p 零件特征的相关标准，基于特征的 建模技术研究越来越受到人们的重视。为了与建模技术相配套，就必须建立相应 的加工规范，1 9 9 7 年欧共体提出了o p t i m a l ( o p t i m i z e dp r e p a r a t i o n o f m a n u f a c 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，将s t e p 标准延伸到自动化制造的底层设备，开发了一种遵从s t e p 标准、面向对象、在 c a d c a m 系统和c n c 机床之间进行数据转换的数控加工模型【5s 】一一s t e p n c ， 作为新型数控编程接口国际标准，旨在取代目前在数控机床中广泛使用的 i s 0 6 9 8 3 。它是国际标准化组织第1 8 4 技术委员会第1 分技术委员会 ( i s o t c l8 4 s c l ) 在“工业自动化系统与集成、物理设备控制、数控数据模型” 的总标题下开展制定标准的工作，正式名称为“计算机数字控制数据模型”( d a t a m o d e lf o rc o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l l e r s ，i s ol4 6 4 9 ) 。s t e p n c 标准由以下 几部分组成t ，】： p a r t1 ：总则和基本原理( o v e r v i e wa n df u n d a m e n t a lp r i n c i p l e s ) ； p a r t2 ：语言联编和基本原理( l a n g u a g eb i n d i n g s ，f u n d a m e n t a l s ) ： p a r t3 ：j a v a 语言联编( l a n g u a g eb i n d i n gi nj a v a ) ； p a r t9 ：术语表( g l o s s a r y ) ： p a r t1 0 ：通用工艺数据( g e n e r a lp r o c e s sd a t a ) ； p a r t1 1 ：铣削工艺数据( p r o c e s sd a t af o rm i l l i n g ) ； p a r t1 2 ：车削工艺数据( p r o c e s sd a t af o rt u r n i n g ) ： p a r t1 3 ：电火花加工工艺数据( p r o c e s sd a t af o re d m ) ； p a r t5 0 ：通用工艺数据应用解释模型模式( a i ms c h e m ao f g e n e r a lp r o c e s s d a t a ) ； p a r t5 l ：铣削工艺数据应用解释模型( a i mo f p r o c e s sd a t af o rm i l l i n g ) ； p a r t5 2 ：车削工艺数据应用解释模型( a i mo f p r o c e s sd a t af o rt u r n i n g ) ： p a r t5 3电火花加工工艺数据应用解释模型( a i mo f p r o c e s sd a t af o r e d m ) ： p a r t1 l l ：铣削刀具( t o o l sf o rm i l l i n g ) ； p a r t l 2 1 ：车削刀具( t o o l sf o rt u r n i n g ) 。 华南理上大学硕士学位论文 p a r t 2 、3 是根据i s o l 0 3 0 3 规定的方法所定义的语言联编。p a r t l 0 是i s 0 1 0 3 0 3 对通用加工过程数据的应用参考模型，对具体加工过程的应用参考模型在p a r t l 0 之后。 s t e p n c 是s t e p 标准向c n c 领域的扩展，是其应用的一部分。它在对数 控加工整体资源分析的基础上，为数控加工定义了应用参考模型( a r m ， a p p l i c a t i o nr e n f e r e n c em o d e l ) 和应用解释模型( a i m ，a p p l i c a t i o ni n t e r p r e t e d m o d e l ) 。它是设计模块和制造模块之间基于s t e p 建立的接口标准，要求c n c 系统直接使用符合s t e p 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生成加工程序来控制机床。 s t e p n c 定义了一个基于s t e p 的应用协议( 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 从i s 0 1 4 6 4 9 中提出的信息要求出发，描述了如何在 i s o l 0 3 0 3 相关应用协议定义的产品数据更大的范围内表达这些信息要求。 a p 2 3 8 格式的数据包括c a d 模型( 由s t e p 的a p 2 0 3 定义) 和工艺信息。因此 由c a d 系统生成的a p 2 0 3 数据经c a m 系统添加必要的工艺信息后便形成了 a p 2 3 8 数据直接送c n c 系统。a p 2 0 3 和a p 2 3 8 数据中的几何信息在内容和形式 上都是一致的，因此可实现信息的动态、双向传送。 1 2 3s t e p - n c 研究现状 i s 0 1 4 6 4 9 包括1 3 个部分，分成三个阶段发布【7 】。目前s t e p n c 标准草案 ( i s o d i s 1 4 6 4 9 ) 已经形成，其中总则和基本原理部分以及铣削加工部分草案已经 公布，包括p a r tl 、p a r t1 0 、p a r t1 l 、p a r t1 1 1 等。正在制订的s t e p n c 标准有： 数控车削加t ( p a r t1 2 ) 、放电加( p a r t13 ) 、木材和玻璃加i ( p a r t1 4 ) 、检测( p a r t 1 5 ) 等。 ( 1 )s t e p - n c 的国外研究现状 近几年，欧美已经启动了几个有关s t 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 rm o d e lp r o j e c t 等1 5 6 1 。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 和数控机床领域的企业、研究机构参与研究工作。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 、意大 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 ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i n a u t o m a t i o n ) 的c n c 原型系统中得以实现。 从2 0 0 0 年开始，美国s t e pt 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 rm o d e lp r o j e c t ) ，全称为m o d e ld r i v e n i n t e l l i g e n t c o n t r o lo f m a n u f a c t u r i n g ，主要目标是建立一个适合于铣、车削的数据 第一章绪论 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 pt 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 lr e v i e wb o a r d ) 会议上演示了利用“超级模型”完成加工对象的铣削过程，即f b m a c h ( a c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e md e v e l o p e db yh o n e y w e l lf m & t ) 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加工规划，形成一个新的 s t e p 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 rm 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1 ：3 读取加工数据。然后智能接1 ：3 为 加工工件找到必要信息后，将信息用一种易于被控制器( 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加工。另外，该公 司还在o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 的基础上开发出了s t e p n c 接口。其中m w e c k 及j o c h e nw o l f 从2 0 0 0 年开始专门致力于s t e p n c 的编 程接口的研究嘲，a l b e r t m 提出了s t e p n c 模式将取代g 代码加工模式的观点 o l ， m a t h e w s c h u c k 对s t e p n c 的应用前景作了详尽的论述p i ，s t e p t o o l s ，l n c 公司的 m a r t i nh a r d w i c k 对采用s t e p n c 的数字制造技术进行了深入探讨 t 0 - 12 】。 2 0 0 0 年6 月韩国p o h a n g 科技大学的s t e p n c 技术国家研究实验室 n r l s n t ( n a t i o n a lr e s e a r c hl a bf o rs t e pn ct e c h n o l o g y ) 开展了为期5 年的 s t e p - n c 研究计划，重点进行车削过程中从数据模型到智能化加工技术的研究。 其中s u hs h ，c h u n gd h ，l e eb e ，c h oj h ，c h e o ns u ，h o n gh d ，l e eh s 等人对智能 化的s t e p n c 编译器开展了几年的研究，实现了一个车间级编译系统 13 , 1 4 i 。同时 该实验室对基于s t e p n c 的车削控制器也进行了较为深入地研究。日本于2 0 0 1 年开始了“数字大师”( d i g i t a lm a s t e r ) 项目研究。 ( 2 ) 国内研究s t e p - n c 的现状 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 1 5 - 1 9 ，“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 2 0 1 ，从分析s t e p n c 标准入手，根据s t e p 标准的原理及方法学建立基于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 华南理工大学硕士学位论文 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【2 l i ，主要针 对c a d c a m 一体化软件u n i g r a p h i c s 进行二次开发。 合肥工业大学机械与汽车工程学院与马钢车轮轮箍有限公司合作m i 开展了 基于s t e p n c 的高速加工数控编程的研究，提出了一种基于s t e p - n c 的高速加 工数控编程方法；此外合肥工业大学与巢湖铸造有限公司开展了基于制造特征的 高速加工c a d c a m c n c 的集成研究，提出了基于制造特征的高速加工技术， 分析了目前普通数控加工中c a d c a m c n c 系统信息集成的缺陷，针对高速加 工提出了c a d c a m c n c 集成解决方案m 】。 清华大学精仪系展开了基于s t e p n c 数控系统的研究 2 4 1 ，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。 北京机床研究所也进行了s t e p n c 的相关研究。 从国外已开展的有关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，而国外已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。己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 3 课题研究背景、意义和论文所做的工作 1 3 1 课题研究背景和意义 本课题直接来源于华南理工大学高水平大学建设科技项目“数控信息网络存 储制造平台与数控可重构软硬件模块开发”以及广东省科技攻关项目“开放式可 重构网络数控系统与数控加工信息网络存储智能控制平台研究”。这两个项目主 要研究数控信息网络存储制造平台与数控可重构软硬件模块开发，建立一个数控 设备网络存储制造平台，并以此为依托，开发可重构的网络数控软、硬件模块。 本课题研究成果可作为网络数控软件模块的一部分为下层运动控制提供加工代 码来源。 由上节可知，当前国外关于s t e p n c 的研究已经进行到实验室验证阶段， 而国内研究大部分还处在理论研究和概念研究阶段，当然，现阶段这种研究对于 s t e p n c 理论的丰富和完善是必不可少的，但是如何将s t e p n c 加工理念应用 于现代数控加工中更是研究和发展s t e p n c 标准最直接的目的。因此，本课题 6 第一章绪论 在研究s t e p n c 理论的基础上开展了应用研究：即如何生成s t e p n c 加工代码。 这对于下一步实现s t e p n c 代码g m 的转换进而实现数控加工具有重要的 现实意义。 回顾数控技术的发展，我国在数控机床问世不久就已开展了相关的跟踪研 究，由于各种历史的原因，我们在发展过程中失去了很多次机会，导致现在我国 整体的数控技术及数控产业与国际先进国家存在近十几年的差距。s t e p n c 数控 加工模式的出现为研究新一代数控技术划分了又一条起跑线，为世界范围内数控 技术的腾飞提供了又一次机会。谁抓住了这次机遇，深入开展s t e p n c 理论及 技术的研究，谁就有可能在新一代数控加工领域占据一席之地。错过这个机遇， 就可能受制于人，在新一轮全球制造业的竞争中败下阵来。2 1 世纪是以知识经济 为基础的全球化竞争时代，为了应对世界上s t e p n c 技术迅速发展咄咄逼人态 势，迎接世界数控技术革命的挑战，我们有义务与责任抓住这次历史机遇，深入 开展s t e p n c 理论与技术的研究，参与国际竞争，掌握核心技术，取得有自主 知识产权的源头创新成果，为中国数控技术的发展做出应有的贡献。 1 3 3 论文所做的工作 本论文以分析s t e p 标准的内涵为起点，研究了基于s t e p n c 的新一代数 控加工模式，并对数控加工数据库的构建做了分析，最后在c a d c a m 一一p r o e 软件环境下对s t e p n c 加工程序文件的形成做了详细的研究。 论文工作分以下三个阶段进行： 第一阶段：s t e p 理论研究和学习 1 熟悉s t e p 标准的内容，分析s t e p 标准的方法学，理解s t e p 中性文件 结构和s t e p 中关于工件几何信息的表达的知识： 2 熟悉s t e p n c 标准的内容，分析s t e p n c 文件对零件几何信息和加工 信息的描述，理解它和s t e p 标准的一致性； 3 研究基于s t e p n c 的数控加工新模式：探讨在现有条件下s t e p n c 的 应用途径； 4 学习一般应用软件开发方法、原理和步骤； 第二阶段软件学习和编程准备工作 1 学习c a d c a m 软件p r o e ，熟悉加工模块的功能及使用方法，了解p r o e 的二次开发方法； 2 学习v i s u a lc + + 6 0 ，掌握必要的编程技巧和技能； 3 学习数据库的理论知识，了解数据库的设计原理与方法，掌握s q ls e r v e r 数据库的应用； 华南理1 _ = 大学硕士学位论文 第三阶段：系统设计、编程与调试 1 系统总体方案设计、规划； 2 研究通过e x p r e s s 语言描述的数控加工模型到数据库的映射，建立产品 数据库； 3 对p r o e 进行二次开发，获取s t e p 文件和n c l ( 刀位数据文件) ； 4 s t e p n c 文件生成模块的设计、编程和调试。 第二章基于s t e p n c 的数控加工新模式研究 第二章基于s t e p n c 的数控加工新模式研究 2 1s t e p - n c 标准研究 2 1 1s t e p 标准信息描述机制分析 信息模型是一种关于各种类型概念、事实和过程的形式化描述 2 5 】。早期c a d 相关标准中，都采用非形式化的数据交换标准。s t e p 标准为完整描述产品整个 生命周期的数据模型定义了一种形式化信息建模语言一一e x p r e s sl a n g u a g e 。 1 e x p r e s s 语言 e x p r e s s 通过说明某一论域中的对象( o b j e c t ) 、对象所具有的信息单元以 及对象的限制与许可的操作来对客观对象进行建模。在许多工程活动中用来描述 信息需求。这种描述方法可以表示为： 信息模型= 对象+ 属性+ 联系+ 约束+ 规则【2 6 】 原则上讲，e x p r e s s 语言所引入的机制使我们可以对任何复杂的事物进行 描述，它的优点是人们可以读懂( 英文语义) ，而且计算机可以处理，易于和高 级语言问建立映射关系，有利于计算机应用程序和支撑软件的生成。e x p r e s s 的描述对象是客观现实( 产品) ，并且是只注重问题的形式和结构，而不是问题 的具体意义。它独立于任何计算机系统和程序设计语言，具有强大的描述信息模 型的能力，但不是一种具体的编程语言，它仅给出数据的定义功能，而对如何操 作这些定义数据没有具体的规定，也不具有输入输出语句，但可用具体的语言来 实现。 e x p r e s s 语言为了能够描述客观事物、客观事物的特性、事物之间的关系， 它引入了实体( e n t i t y ) 和模式( s c h e m a ) 的概念。在e x p r e s s 中，把一 般的事物( 或概念) 抽象为实体，若干实体的集合组成模式。这意味着小的概念 可组成大的概念。事物的特性在e x p r e s s 语言中用实体的属性( a t t r i b u t e ) 表示。 实体的属性可以是简单数据类型，如实数数据类型可以描述实体与数字有关或与 几何相关的特性，字符串数据类型可描述实体或属性的名称或需要用文字说明的 特性。当然属性还可以是聚合数据类型或布尔数据类型用以描述相对复杂的产品 特性。 e x p r e s s 所描述的实体可以是独立的，但更多情况下是相关的。建立实体 与实体之间的关系有下列两种方法： 华南理丁大学硕士学位论文 1 将一个实体定义为另一个实体的属性：即在实体中嵌套实体，不仅可以 使用本模式中的实体，还可以使用另一个模式中的实体。 2 将一个实体定义为其它实体的子类( s u b t y p e ) 或超类( s u p e r t y p e ) ， 即超一子实体。当一个超类实体有多个子类实体时，这些超一子类偶对可定义为 共存( a n d ) 或排斥( o n eo f ) ，一个子类实体可以有多个超类实体，即e x p r e s s 支持实体的网状结构 2 7 1 。e x p r e s s 语言还允许定义复杂的函数以描述客观事物 中任何复杂的数量关系或逻辑关系，并进行相应的几何和拓扑等描述。 具体说来，e x p r e s s 语言主要描述的元素： ls c h e m a ( 模式) ，它是e x p r e s s 用于描述信息模型的最外层框架。如 同c 程序是由函数组成一样，e x p r e s s 描述的信息模型由一个或几个模式组成， 模式的定义大致与一个数据库的描述相当，是对论域的描述。模式内又分为实体 ( e n t i y t ) 、类型( t y p e ) 、规则( r u l e ) 、函数( f u n c t i o n ) 、过程 ( p r o c e d u c e ) 以及模式间引用关系的说明。 2t y p e ( 类型) ，说明描述构成实体的数据性质。 3e n t i t y ( 实体) ，表示要处理的对象，它可以是一个具体的事物，也可 以是一个概念、想法、过程或这些事物、概念、想法的关联关系。实体的名字要 有意义，要能充分表达该实体模式中的作用。实体可通过属性( a t t r i b u t e s ) 具体定 义。 4 a l g o r i t h m ( 算法) ，包括函数( f u n c t i o n ) 和过程( p r o c e d u c e ) ，算法规 定了加在实体和属性上的限制，目的是增强对实体及其功能的理解。 5 r u l e ( 规则1 ，说明了信息处理系统加在实体和属性上的限制算法和规则 在具体实现时的运算将成为数据库系统应用程序的一部分。 例如，对于圆，e x p r e s s 语言描述如下 z s l s c h e m ac i r c l ee x a m p l e e n t i t yc i r c l e s u b t y p eo f ( c o n i c ) ； r a d i u s ：p o s i t i v e _ l e n g t h _ m e a s u r e ； e n d _ e n t i t y ；一10 3 0 3 - 4 2 ：g e o m e 廿y s c h e m a e n t i t yc o n i c s u p e r t y p eo f ( o n e o f ( c i r c l e ，e l l i p s e ，h y p e r b o l a ，p a r a b o l a ) ) s u b t y p eo f ( c u r v e ) ； p o s i t i o n ：a x i s 2 _ p l a c e m e n t ； e n d _ e n t i t y ；- 1 0 3 0 3 4 2 ：g e o m e t r y _ s c h e m a e n d _ s c h e m a ； # 4 1 = c a r t e s i a n p o i n t ( r l9 ( - 3 2 e 1 ，0 e 0 ，0 e 0 ) ) ； # 4 2 = d i r e c t i o n ( ”，( 一1 e 0 ，0 e 0 ，0 e 0 ) ) ； # 4 3 = d i r e c t i o n ( ”，( o e 0 ，0 e 0 ，一1 e 0 ) ) ； # 4 4 = a x i s 2p l a c e m e n t3 d ( fr 社41 ，# 4 2 ，社4 3 ) ； 0 第二章基于s t e p n c 的数控加工新模式研究 # 4 5 = c i r c l e ( ”，# 4 4 ，1 1e1 ) ： 2 e x p r e s s g 图 e x p r e s s g 图 2 9 1 是为了对e x p r e s s 语言所定义的数据描述的一种图形化