（机械制造及其自动化专业论文）基于xml的stepnc控制器的设计.pdf

哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 摘要 随着现代制造业的迅速发展，基于网络的数据传输和技术交流越来越广 泛。同时随着新一代数控编码标准s t e p - n c 的不断完善，s t e p n c 标准的 x m l 格式也逐渐成为人们的研究热点之一。 s t e p - n c 标准使c n c 与其它c a x 系统之间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。s t e p - n c 的 x m l 格式更使得数控程序的网络传输成为可能。但是就目前大多数的c n c 系统来讲，还不能直接从x m l 格式s t e p n c 程序中提取加工信息，本文 正是致力于围绕建立支持x m l 格式s t e p n c 程序的c n c 控制器开展研 究。 论文首先针对a p 2 3 8 给出的应用解释模型映射表，详细分析了x m l 格式s t e p - n c 程序的表达方式；接着又在对比x m l 的d o m 解析接口和 s a x 解析接口的基础上，详细分析了x m l 的d o m 接口，并在v c + + 环境 下，运用m s x m l 解析器所提供的d o m 接口的相应方法，实现了程序的节 点处理；然后建立类库，将d o m 信息树中的相关信息提取出来，根据提取 出的信息建立对应类库的对象，并将信息保存到相应的成员变量中去；最 后，根据程序信息进行刀具轨迹规划。 经过上述研究开发的基于x m l 的s t e p n c 控制器，能够实现对x m l 格式s t e p - n c 程序的直接译码，并直接从程序中提取特征信息和工艺信 息，再根据提取出的信息进行刀具轨迹规划。虽然本文只建立了平面、孔和 型腔三种加工特征类库，但可以在此基础上进行添加，为系统功能的后续完 善提供了基础。 关键词：s t e p - n c 标准；x m l ；d o m 接口；s t e p - n c 控制器 哈尔滨i ：科大学硕十学付论文 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 mm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，d a t a t r a n s m i s s i o na n dt e c h n i c a le x c h a n g eb a s e do ni n t e m e ta r eb e c o m i n gm o r ea n d m o r ee x t e n s i v e a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to f t h en e wg e n e r a t i o nn u m e r i c a lc o n t r o l c o d i n g ( n cp r o g r a m i n gs t a n d a r d - s t e p - n c ) ，x m lf o r m a to fs t e p n ch a sb e e no n eo ft h eh o tt o p i c sa tp r e s e n t s t e p n cs t a n d a r dm a k eb i d i r e c t i o n a li n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e n c n ca n dc a xs y s t e m sp o s s i b l ea n da v a i l a b l e ，w h i c he n r i c h e si n f o r m a t i o n c o n t e n to fn cp r o g r a ma n di m p r o v e st h el e v e lo ft h ei n t e l l i g e n to rc n c w h i l ex m lf o r m a to fs t e p - n cm a k e sn e t w o r kt r a n s m i s s i o no fn cp r o g r a m p o s s i b l e b u tt h e c u r r e n tc n cs y s t e m ，i tc a r ln o te x t r a c tm a n u f a c t u r i n g i n f o r m a t i o nf r o ms t e p n cp r o g r a mi nt h ef o r m a to fx m l t h i sp a p e r d e v e l o p e dac n c c o n t r o l l e rw h i c hc a ns u p p o r tt h es t e p n cp r o g r a mi nt h e f o r m a to fx m l t h i sp a p e ra n a l y z e dt h em a p p i n gt a b l ei na p p l i c a t i o ni n t e r p r e t a t i o nm o d e l a c c o r d i n gt oa p - 2 38a n dt h ee x p r e s s i o no fs t e p n cp r o g r a m i nt h ef o r m a to f x m l t h e nt h ed o mi n t e r f a c eo fx m lw a ss t u d i e db a s e do nt h ec o m p a r i s o n o ft w ot y p e so fx m l i n t e p r e t i n gi n t e r f a c e u n d e rt h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t o fv c ，s t e p - n cp r o g r a mw a s si n t e r p r e t e db a s e do nt h em e t h o d so fd o m i n t e r f a c ep r o v i d e db ym s x m l i n t e r p r e t o r m a c h i n i n gf e a t u r e sc l a s sl i b r a r i e s w a s c r e a t e da n dr e l a t e di n f o r m a t i o ni ns t e p n cp r o g r a mw a se x t r a c t e da n d s a v e dt oc o r r e s p o n d i n gf e a t u r e sc l a s sl i b r a r i e s t h ec u r e rp a t hw a sp l a n n e d a n dc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ee x t r a c t e di n f o r m a t i o n t h i sn e wc n cc o n t r o l l e rc a ni n t e r p r e ts t e p n cp r o g r a mi nx m lf o r m a t a n de x t r a c tm a c h i n i n gf e a t u r ei n f o r m a t i o na n dt e c h n o l o g yi n f o r m a t i o nd i r e c t l y a n dc u t t e rp a t hc a nb ep r o g r a m m e da n dp l a n n e da c c o r d i n gt ot h e s ee x t r a c t e d i n f o r m a t i o n t h i sp a p e rc r e a t e df e a t u r e sc l a s sl i b r a r i e si n c l u d i n gp l a n a rf a c e ， 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 h o l ea n dp o c k e t ，w h i c hp a v e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f s t e p n cc o n t r o l l e r k e y w o r d s ：s t e p - n cs t a n d a r d ；x m l ；d o ma p i ；s t e p - n cc o n t r o l l e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已 在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成 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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：修复影耳 日期：纠鹎月，；日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工 程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本 人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库 进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学 位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔 滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 翻在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：膨友的导师( 签字) ：套霄 日期：如卵年月f ；日加订年多月，乡日 j f 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题的研究背景 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。随着科 学技术的飞速发展，制造业正面临着新的挑战与机遇。 ，先进制造技术的核心是数控技术。经过半个多世纪的发展，人们发现数 控系统一直采用的i s o6 9 8 3 标准( g 、m 代码) 已经成为制约数控技术乃至制 造业发展的一个重要因素【l 】。具体而言，主要存在以下问题：现场编程或 修改非常困难，对于稍具复杂性的加工对象，g 、m 代码一般需要事先由后 处理程序生成，增加了信息流失或出错的可能性；g 、m 代码只定义了机 床各个坐标轴对刀具中心的的运动和开关动作，是一种面向过程的编程代 码，而且不包含产品数据的其它信息，因此c n c 系统根本不可能获得完整 的产品信息，更不可能真正实现智能化；从c a d c a m 系统到c n c 系统 的传输过程是单向的，难以支持先进制造模式；由于厂商和最终用户开发 的许多扩展功能未能标准化，因此零件程序在不同的数控系统之间不具有互 换性；只能完成一些简单的直线和圆弧插补，不支持基于样条数据的五轴 铣和高速加工；在机床上不能实现实时刀具路径生成、碰撞、检验、图形 加工可视化和复杂n c 程序修改等功能；i s 06 9 8 3 和它的扩展部分在不同 的数控机床和计算机辅助系统( c a x ) 之间不能进行双向数据交换。 由此可见，尽管i s o6 9 8 3 ( g 、m 代码) 在全世界范围被广泛接受和使 用，但是逐渐成为数控技术进一步发展的瓶颈，需要一种新的数控加工程序 标准来解决上述问题。于是，人们提出了一种与产品模型数据交换标准 ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a , s t e p ) ( i s o1 0 3 0 3 ) 兼容的数 控数据接i ( s t e p c o m p l i a n tn cd a t ai n t e r f a c e ，s t e p n c ) 1 2 1 ，作为新的数控编 程规范来取代目前广泛应用的i s o6 9 8 3 ( g 代码) 。以s t e p n c 取代传统的g 代码编程不但是c a m 与c n c 接口的改变，而且是对现代制造系统及技术的 巨大挑战和发展机遇川。 1 哈自：滨i 程人学硕t 学何论文 s t e p n c 的晟大特点在于它不依赖于具体的c a m 系统或数控系统，因 而既有利于数控编程，又提高了数控程序的可移植性；其次，基于s t e p n c 的数控程序较全面地描述工件的制造信息，为现场检查甚至优化加工方 案阼￥能力t ) 提供了基础条件：再次，s t e p n c 将s t e p 的应用范围延伸到 底层制造领域，从而实现c a d ，c a m ，c n c 之问的无缝连接，减少中m 环 节，使产品设计与制造系统之删的信息流动更加通畅1 4 】。而且呵以基于同一 数据模型实现加工现场数据的回溯，对于加工过程的数据更新、方案优化和 知识获取等有着重要的意义。 另外，为了便丁s t e p n c 程序的网卜传输和对异构系统的集成，可扩 展标记语言( e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ，x m l ) 被用p s t e p n c 程序的描 述，这更进一步扩充了s t e p n c 的优点，使得s t e p n c 对产品的设计和制 造可以摆脱系统、卜台和物理位置的束缚，实现异地设计、异地规划和异地制 造的目标( 如图1 i 所示) ，为并行工程、敏捷制造等先进生产模式提供了技术 皋础。 蕊攀。霪 星糍j 釜- n ：拶蠡一蕊 p 。母黪蕞淤 、n c 。 。= ? 1 ) “罗 ， 倒1i 些jx m l ( i j s t e p n c 网络f 输雨i f j j 、同制造 1 12 课题研究的意义 2 溴一 哈尔滨i ：利大学硕十学何论文 我幽的加工制造水平与发达幽家存在很大的差距。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 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 尚需时同，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。我国己经加入世界贸易 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。 本课题对s t e p - n c 数控标准及其文件结构进行了深入分析，探讨研究 了基于x m l 格式的s t e p - n c 控制器实现的关键技术，奠定了以后相关课 题的研究基础，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。 1 2 国内外研究概况 1 2 1s t e p - n c 实现方法方面的研究 关于s t e p - n c 的实现方法的研究可以分为两大部分：一部分是从数据 模型到数控程序的研究；另一部分是关于应用系统的接口研究。 1 从数据模型到数控程序的研究 这一部分的研究主要体现在数控标准的制定上。目前有关数控方面的标 准可以分为两大派系：派是i s o t c1 8 4 s c i ( 国际标准化组织工业自动化 系统和集成委员会物理装置控制分委员会) 制订的i s o1 4 6 4 9 标准嘲；另一派 系是i s o t c18 4 s c4 ( i 业数据分委员会) 将s t e p n c 作为s t e p 的一部 分，具体地说是其中的一个应用协议，制定了。s t e pa p2 3 8 或i s o1 0 3 0 3 2 3 8 t 6 】。 前者基于应用参考模型( a p p l i c a t i o nr e f e r e n c em o d e l ，a r m ) ，后者基于 应用解释模型( a p p l i c a t i o ni m e r p r e t a t i o nm o d e l ，a i m ) 。两者各有优缺点，通 常a r m 更接近应用领域，便于人类的理解，但没有实现与s t e p 的完全兼 容；而a i m 更抽象、更复杂一些，但真f 体现了与s t e p 的兼容。文献【7 】 3 f i f 尔滨t 群人学硕十学何论文 对此进行了分析，认为在表达f 司一概念时，a i m 数据通常是a r m 数据的3 倍7 倍。文献【8 】认为，舢m 不仅造成了数据量的巨增，而且在某些地方 甚至偏离了i s o1 4 6 4 9 ，从而加大了s t e p o n c 实现的难度。文献【9 】则针对 文件的实时翻译和处理问题，对这两种方案进行了测试，并提供了对舢m 有利的结论。该文献认为，尽管a i m 形式的数据需要较长的处理时间，但 这两种形式的文件都可以直接用作计算机数控机床的实时控制。 2 应用系统的接口方法研究 当前广泛采用的接口方式是通过物理文件( i s o1 0 3 0 3 2 1 ) 实现数据交 换。由于e x p r e s s 本身不是一种实现语言，在实现具体应用时，系统还必 须将s t e p n c 的e x p r e s s 描述( a r m 或a i m ) 映射为程序设计语言( 如 c + + ，j a v a 等) ，然后用程序设计语言实现s t e p - n c 数据的处理。这是目前 国内有关s t e p n c 解释器方面的研究热点，文献 1 0 1 和【1 1 】都是基于这一方 法的研究。 w e c k n 2 1 针对s t e p - n c 铣削工艺的a r m 开发了一套翻译工具，这是应 用参考模型格式物理文件接口方法的代表。它是利用c + + 实现了数控系统 的s t e p n c 接口( 外部文件向内部数据的翻译) 。其基本方法可以概括为： 通过对e x p r e s s 规范的编译，生成基本的c + + 类和方法( 对于兼容性要求 较高的应用系统，二般需要专门的工具) ，然后通过c + + 类和方法实现对 s t e p n c 文件的读写和信息处理，最后转化为数控系统的控制数据。该方 法代表了s t e p - n c ( a r m 格式数控程序) 翻译器的基本实现原理。文献 1 3 】 和 1 4 】分别基于这一方法实现了程序的双向解释。 对于应用解释模型格式物理文件的实现方法，由于a i m 格式的s t e p n c 文件通常非常复杂，所以一般需要借助专门的工具进行处理。从s t e p 的角度，标准数据存取接e l ( s t a n d a r dd a t aa c c e s si n t e r f a c e ，s d a i ) 是一种有 效的方法，它是s t e p 标准中定义的数据存取接口规范( 1 s o1 0 3 0 3 2 2 ) t ”1 ， 目的是使产品数据的存取和管理与应用系统的具体结构相分离。为了降低 s t e p n c 数据处理的复杂性，伴随着a p2 3 8 的研发，美国的s t e p n c 研 发组定义了一些专用类，称为s t i x ( s t e pi n d e xl i b r a r y ) t 1 6 1 。s t i x 是从s t d e v e l o p e r t m 的r o s e 库中扩展出来的一部分c + + 类，专门用于s t e pa p 2 3 8 4 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 ( i n t e g r a t e d数据结构的查寻。基于这一方法，义献【1 7 】利用c n cs c h e m a ) s t i x 实现了从s t e p n c 程序到数控车床内部数据的转换。文献【1 8 】利用 s t i x 开发了一个s t e p n c 铣削程序的解释器。 为了便于s t e p n c 程序的网上传输和对异构系统的集成，可扩展标记 语。言( e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ，x m l ) 被用于s t e p - n c 程序的描述。文献 【1 9 】用m s x m l3 0 作为x m l 翻译器，用v i s u a lc + + 实现了铣削数控系统对 x m l 格式s t e p n c 数据的接口；文献 2 0 贝j j 针对s t e p 兼容式车削数控系 统，重点研究了基于x m l 的数据处理技术；文献 2 1 贝j j 针对远程协同问题 研究了s t e p n c 应用系统的x m l 接口方法。 1 2 2 有关s t e p - n c 应用技术方面的研究 s t e p - n c 的应用是目前研究比较活跃的领域。 目前世界上f 在进行的或者已经结束的关于s t e p - n c 的研究项目很 多，例如国际性的i m ss t e p n c 项目，欧盟的e u r o p e a ne s p r i ts t e p n c 项目，美国的s u p e rm o d e l 项目，美国的s t e pm a n u f a c t u r i n gs u i t e ( s m s ) 项 目，美国和英国的r a p i da c q u i s i t i o no fm a n u f a c t u r e dp a r t s ( r a m p ) 项目等。 下文将介绍其中的一部分项目的情况。 1 i m ss t e p n c 项目 i m s 是指智能制造系统( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。i m ss t e p n c 项目将国家性的以及地区性的关于s t e p n c 的活动联系在一起。i m s s t e p - n c 项目始于2 0 0 1 年，它对在欧盟、瑞士、美国、韩国的s t e p - n c 研究项目进行协调，目标是为了进一步支持s t e p n c 的开发和使用。该联 盟主要由欧盟、韩国、瑞士、美国的c n c 技术主要使用者、c n c 系统的供 应商、研究机构组成，将会在建立工业标准( i s o1 4 6 4 9 ) 和推动其实施方面 具有足够的影响力。i m ss t e p n c 项目除了研究s t e p - n c 铣削模型和车削 模型之外，也研究了e d m 、木材和玻璃切削、以及快速原型制造的数据模 型等。i m s 项目的形成使得不同项目组所实施的地区性的项目的规模达到了 一个顶点 2 2 - 2 4 1 。 5 哈尔滨l ：稃大学硕十学侍论文 2 s u p e rm o d ei 项目 m d | c ma t p ( t h em 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 fm a n u f a c t u r i n g a d v a n c e dt e c h n o l o g yp r o j e c t ，模型驱动智能控制制造先进技术项目) 是美国 国家标准与技术研究所( n i s t ，n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 于1 9 9 9 年1 1 月分配给s t e pt o o l s 公司及其合作者的项目。这个项目被也 称为s u p e rm o d e l 项目。“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。目标是建立一个适合铣、车的数据库和软件工具，验证c n c 机 床能够直接读取3 d 设计和制造数据进行快速、安全和智能化的制造零件。 为了c a d 、c a m 、c n c 控制器能随时提取或写入数据，他们丌发了s t e p n c 数据库的操作规范体系和自身维护与管理体系。2 0 0 0 年末，他们在第三 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 进行铣削特 定特征加工对象的全过程：“超级模型 从一个f b m a c h c a m 系统( 由 h o n e y w e l l 公司丌发) 读取数据，然后一台改造过的b r i d g e p o r tc n c 控制器 通过“超级模型”的智能接口读取s t e p - n c 数据后直接控制铣床进行加 工。目前他们j 下在进行完善和扩展工作，以适用于各种加工。另外他们还与 l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室合作，正在o m a c 的基础上开发s t e p - n c 接口。美国在验证了“超级模型的有效性后，与s t e pt o o l s 公司合作的 e m i ( 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 ) 目前正在研制能直接读取“超级模型” 数据库的机床控制器的软件部分，目标是建立一套实时解释产品模型信息的 c n c 协议和相应的软件【2 5 1 。 3 s t e pt o o i s 公司的研究 s t e pt o o l s 公司是美国的一家专业的基于i s o 标准的s t e p 软件工具集 的供应商，服务于不同工业领域的应用软件丌发者、设计公司和制造企业。 s t e pt o o l s 的代表性产品是s t d e v e l o p e r ，s t m a c h i n e ，s t p a r a s o l i d ，s t v i e w e r ，s t e p n ce x p l o r e r ，s t e p n cw r i t e 等。s t e pt o o l s 至少有1o 种 软件产品，可以带来的优点包括：处理e x p r e s s 建模语言的灵活性；与现 存的工具与数据库系统集成；跨平台的可移植性；便于开发易于使用 2 6 1 。 6 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 例如，s t p l a n 是其中的一个软件，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 h i 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 ，基于特征的加工) 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 模块 具有生成“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。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，直至零件完成。f b m a c h 目前还限于2 5 d 铣削零件 ( p r i s m a t i cp a r t s ) 的加工f 2 2 1 。 在c n c 端，s t e pt o o l s 公司已经开发了一套名称为s t m a c h i n e 的 c a m 插件，分为用于g i b b s c a m 的插件和用于m a s t e r c a m 的插件。这些 插件是在保持机床的v o 结构和伺服系统不变动的前提下，为用户定制的用 于处理s t e p n c 的有效的命令解析器和命令修改器。它们可以读入a p2 3 8 文件，建立c a m 几何信息，指定合适的切削刀具，建立c a m 操作，对机 床命令进行优化、检验，并将其传递给c n c 控制器。 在s t e pt o o l s 公司的主持下，曾在多个地点对s t e p n c 的研究进行了 演示。2 0 0 3 年1 月，在n a s a 的喷射推进实验室演示了g i b b s c a m 的 s t e p n c 插件的有效性，利用输入的a p2 3 8 文件生成了铣削用的n c 代 码。2 0 0 3 年6 月，在n i s t 演示了m a s t e r c a ms t e p - n c 插件的有效性，由 一个a p2 3 8 文件生成了用于表面铣削和探测的n c 代码。该演示包括了对 于参数化表面定义的处理。 4 欧盟s t e p - n c 项目 欧盟是世界上最早研究s t e p - n c 数据模型的组织。1 9 9 7 年，欧盟的 o p t i m a l 计划( o p t i m i z e dp r e p a r a t i o no fm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o nw i t h m u l t i l e v e lc a m c n cc o u p l i n g ) 定义了第一版s t e p - n c 铣削接口标准，为 后续的s t e p - n c 研究项目提供了基础。1 9 9 9 年1 月，欧盟又启动了为期3 年的s t e p n c 研究项目。该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。截止到2 0 0 1 年 7 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 未，这一数钳模型已经在多台c n c 样机上试验成功。实验中c a m 系统渎 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 - n c 数控程序。c h i c 通过译码器获取程序信息发出指令，控制机床加工。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。 2 0 0 2 年欧洲的s t e p n c 项目进入了第二个阶段。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能否得到充分和准确的执行。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t 2 2 l 。 5 德国的s t e p - n c 项目 德国关于s t e p n c 的研究工作关注的是服从于s t e p 的c a p p c a m 系 统和n c 控制器。德国参与到欧洲s t e p n c 项目中的机构有：德国斯图加 特大学的机床控制、制造、管理技术研究所( i s ws t u t t g a r t ) ，德国亚深工业 大学机床及生产工程研究所( w z lr w t h a a c h e n ) ，以及c n c 系统制造 商s i e m e n s 。 i s w 开发出了一种名称为s t e p t u m 的原型系统。这个原型采用了用于 车削的s t e p 和s t e p - n c 标准。从总体上说，s t e p t u r n 是一个连接c a d 与c a m 的桥梁，是一个c a p p 系统。s t e p t u m 首先从一个s t e pa p 2 0 3 的 p a r t 2 1 文件中读入几何数据，然后进行正常的工艺规划任务，例如特征识 别、工步排序( w o r k i n g s t e ps e q u e n c i n g ) ，以便生成s t e p - n c 的物理文件。 i s w 还开发出了一种工步规划方法( w o r k i n g s t e pp l a n n i n gm e t h o d o l o g y ) ，可用 于车削的自动工步优化。工步优化是以s t e p n c 的基本元素特征和加 工操作为基础的。首先为所要进行车削加工的零件的不同的特征指定制造优 先级别。当制造优先级确定之后，就可以生成工作计戈l j ( w o r k p l a n ) 。具体来 说，首先确定特征之间的制造优先级，然后据此确定粗工作计划，最后确定 最终工作计划。最终工作计划和s t e p n c 程序是在粗工作计划、几何信 息、各制造参数的基础上建立起来的。i s w 进行的另外一项研究的目的是 将反馈从c n c 控制器送入使用s t e p n c ( i s o1 4 6 4 9 ) 的c a m 系统i 在这项 8 哈尔滨i ：稃大学硕十学仲论文 研究中，在一个称为“s t e p n c ”的数据库中记录切削过程中的切削力， 通过对所记录数据的调查研究，可以利用对于高速加工下刀具偏差的补偿算 法和模型在离线编程过程中修改n c 程序【2 2 l 。 亚深工业大学重点研究服从s t e p 的c a m 和n c 控制器。他们已经开 发出了第一个服从s t e p 的n c 控制器工业原型，这个原型是基于s i m e n s 8 4 0 d 控制器的。这个原型的图形用户界面( g u i ) 是使用s h o pm i l l ( 一种面向 车间的n c 编程工具) 和s i n u m e r i k8 4 0 dh m l ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，人机 界面) 开发出来的。这个通过界面解析s t e p n c 程序文件。其中对于工步的 执行是基于现有的n c ，或者说是将工步编译成开关指令，经过处理来控制 特定的几何插补格式。 6 瑞士的s t e p - n c 项目 瑞士很多的系统供应商和研究机构参加了s t e p n c 项目的研究，包 括：s t a r r a g ，a g i e ，a m t ，c a d c a m a t i o n ，e l g i t e c h , d e r e n d i n g e r ，e p f l ， w y s s 。主要的工作是在s t e p - n c ( i s o1 4 6 4 9 ) 的第1 3 部分( p 甜1 3 ) 金属 丝放电加工的加工数据，以及用于金属丝放电加工的服从s t e p 的c n c 控 制器。金属丝放电加工的数据模型已经建立。一个服从s t e p 的金属丝放电 机加工系统原型已经被开发出来，使用的是a g i e c h a r m i l l e s 控制器。在这 个原型系统中，采用s o l i d w o r k s 这个c a d 软件建立实体模型。c a m 系统 采用a l p a h c a m ，并且增加一个s t e p - n c 数据生成器。设计数据通过 a l p a h c a m 和s t e p n c 数据生成器被翻译为i s o1 4 6 4 9 文件。在车间层配 置了两个不同的系统。在第一个系统中，s t e p - n c 程序通过一个前端的p c 被翻译为用于a g i ea g i e c u t 的本地( n a t i v e ) c n c 程序。前端的p c 具有一 个s t e p n c 界面和实现的后处理器。a g i ea g i e c u t 是一个传统的c n c 控制器。在第二个系统中，来自于c h a r m i l l e st e c h n o l o g i e s 的r o b o f i l3 4 0 控制器在控制器内部实现了一个s t e p n c 的界面这样它就可以直接接受 s t e p n c 程序【2 2 】。 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。研究内容主要分为：标准接 口的研究、s t e p - n c 数据模型与数据库的研究、s t e p - n c 解释器的研究， o 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 多是在美国s t e p t o o l 公司提供的软件上进行二次j t ：发1 2 7 ，2 8 1 。其中山东人学数 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 p 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的研究工作。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。哈尔滨工 业大学近年来对s t e p - n c 的研究也很多，主要针对s t e p - n c 与x m l 数据 转换系统的研究，以及针对s t e p 标准的c n c 控制器的研究。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，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。 总之，随着数据模型和验证系统的研发，s t e p 兼容式数控加工的实现 方法和技术逐渐成为s t e p - n c 研究的重点，如何实现和推广s t e p - n c 在 数控加工领域的应用，以及如何借助s t e p - n c 实现相关系统的无缝集成， 已成为学术界和企业界共同追逐的目标。 1 3 课题研究的内容 将s t e p 应用于数控系统主要体现在c n c 控制器上【捌。如果仅考虑数 据接口问题，则实现s t e p n c 控制器最直接的方法，便是在传统数控的基 础上加装翻译器和相应的人机界面。其中的翻译器相当于一个通用处理器， 负责将s t e p n c 程序转化为必要的g 代码和m 代码后再输入n c 内核。这 种方法主要有以下不足：数控系统仍然只是数控程序的忠实执行者，对上 游系统的依赖性大；大部分数据在从s t e p n c 到g 代码的转化过程中丢 失，而且数据转化是单向的；总体上没有充分发挥新数据模型的优势【3 0 i 。 从数据模型到数控程序，s t e p - n c 的实现方案可以分为：基于应用参 考模型( a p p l i c a t i o nr e f e r e n c em o d e l ，a r m ) 的实现方案和基于应用解释模型 ( a p p l i c a t i o ni n t e r p r e t a t i o nm o d e l ，a i m ) 的实现方案，由此衍生出来了i s o l o 哈尔滨t 秤人导：硕十学佗论文 1 4 6 4 9 和i s o1 0 3 0 3 2 3 8 两种幽际标准。基于a r m 和基于a i m 的数控程序 都采用s t e p 中规定的文件格式( i s o1 0 3 0 3 2 1 ) t 3 1 ，只是两者对于同一概念 的描述方式不同而已。因此，目前基于s t e p n c 的数控程序大多采用i s o 1 0 3 0 3 2 1 物理文件格式，研发的c n c 控制器也大多数集中在译码p a r t 2 1 格 式的数控程序上。但是，这种格式的数控程序不利于网络传输，不符合现代 数控系统要求开放化、智能化和网络化的发展思路，所以许多研究工作都只 能先遵循s t e p s t e p - n c 领域的x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，可扩展 标记语言) 接口基本方法( i s o1 0 3 0 3 2 8 标准草案) l ，：】，将p a r t 2 1 格式的数控程 序转换成x m l 格式，网络传输后，再将x m l 格式的数控程序转换成 p a a 2 1 格式输入c n c 控制器。这样经过多次转换以后，难免发生数据丢 失。 所以，本课题致力于研发一种能够直接从x m l 格式数控程序中进行信 息提取、特征识别，不需要生成n c 代码，直接根据识别出的加工特征，以 及提取出的加工方法、加工步骤、特征信息、刀具信息、工艺参数等进行刀 具轨迹规划的c n c 控制器。 哈尔滨下稃人学硕十学传论文 第2 章x m l 格式n c 程序分析及控制器整体设计 2 1s t e p - n c 简介 s t e p - n c 是s t e p 标准向c