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STEP-NC目录第1章 STEP标准概述第2章 STEP-NC标准概述第3章 开发工具的研究及其应用第4章 系统的总体设计第5章 三维实体数据模型的建立第6章 制造特征的自动识别第7章 工艺规划设计第8章 STEP文件的信息生成第9章 基于STIX库的STEP-NC解释器第10章 网络化制造信息交换与平台设计第11章 实例分析与仿真加工第12章 结论与展望第1章STEP标准概述制造系统是一个涉及到多种过程、多种行为和多种对象的复杂系统。随着数字制造技术在制造业中的广泛应用，制造过程的各个阶段都在向着数字化的方向发展，并形成了相应的功能系统，为构建数字制造系统打下了坚实的基础。对产品的形成过程而言就涉及到CAD、CAPP、ERP、CAM、CNC、CAQ等单元系统。显然，这些分系统的集成是构建数字制造系统的关键问题。所谓集成就是根据应用目的定义数据模型和按数据模型表示数据，并在各子系统之间实现数据交换和共享的技术和方法。为实现产品全生命周期内的各系统定义统一的数据模型，而制订开发了STEP标准。通过STEP中性文件实现任意系统之间的数据交换。尽管目前的STEP应用范围还主要限于CAD领域，它的体系结构和信息描述语言保证它能够在统一的规范下向产品生命周期内的各个领域扩展。1.1 STEP标准概述STEP是产品模型数据交换标准（STandard for Exchange of Product Model Data）的非正式缩写。它是国际标准化组织（ISO）制定的一种用于交换和共享数字化产品信息的国际标准，代号为ISO10303。它的目的是提供一种不依赖具体系统的中性机制来描述产品整个生命周期内的产品数据，同时保持数据的一致性和完整性。产品数据的这种描述，不仅适合于物理文件交换，而且是实现和共享产品数据库及产品数据的长期存档的基础。STEP标准的核心部分由以下几部分组成：描述产品数据的形式化建模语言EXPRESS语言规范、STEP实现方法、集成资源和一致性测试标准等，还有各个应用协议及STEP标准规定的用来测试某一应用是否与STEP标准一致的抽象测试套件。STEP使用形式化的数据规范语言EXPRESS来描述产品数据的表达。形式语言的使用提高了数据表达的精确性和一致性，有利于在计算机上实现。1.2 EXPRESS语言EXPRESS语言是一种形式化信息建模语言，用于说明某一领域中的对象（object）、对象所具有的信息单元以及对对象的限制与许可的操作。EXPRESS语言是一项国际标准（ISO10303-11），用于描述STEP标准中其他部分的信息需求。EXPRESS语言具有许多优点，以至于它在各工业领域内获得广泛的应用，具体优点如下：l 语言不仅能够为人所理解，而且能被计算机处理，描述的形式化使计算机自动检查和处理的能力得到提高。l EXPRESS语言能够区分STEP涉及的复杂内容。l EXPRESS语言与具体的实现无关。l 语言的重点放在实体（Entity）的定义上，实体的定义包括实体的属性和施加的约束条件。l EXPRESS语言经历了国际标准化的进程，成为能够满足工业需求的标准语言。EXPRESS语言作为一种描述产品全生命周期产品数据的模式语言，既吸收了许多种计算机语言的概念和特点，如Ada，Algol，C，C+，Euler，Modula-2，Pascal，PL/1，SQL等，又吸收了面向对象技术继承机制，并且拥有丰富的数据类型，还增加了一些新功能，形成了很强的信息表达能力，它不仅用在STEP标准中，在STEP标准之外也获得广泛的应用。EXPRESS语言不是一种程序设计语言，如C+语言，也不是一种功能接口语言，如CORBA/IDL，它只是一种描述性语言，不具备输入输出语句。EXPRESS语言的基础是模式（schema），每种模型由若干模式组成，这些模式包含了模型的定义，并且提供了将信息模型进行细分的机制。模式内又分为类型说明（type）、实体（entity）、规则（rule）、函数（function）与过程（procedure）。重点是实体，实体代表了真实世界中的物体，并可以有非常复杂的继承关系。实体由数据（data）与行为（behavior）定义。数据用来说明要处理的实体的性质，行为表示限制与操作。1.2.1 EXPRESS语言的数据类型EXPRESS 语言的数据类型有简单数据类型、聚合数据类型、命名数据类型和构造数据类型，共有4 大类15 种，分别为：l 7 种简单类型：数(NUMBER)，实数(REAL)，整数(INTEGER)，逻辑值(LOGICAL)，布尔(BOOLEAN) ，字符串(STRING) 和二进制(BINARY) ；l 4 种聚合型：数组(ARRARY)，集合(SET )，表(LIST)，包(BAG) ；l 2 种命名数据类型：实体型(ENTITY) 和定义数据类型；l 2 种构造数据类型：枚举型(ENUMERATION) 和选择类型(SELECT) ；对于描述简单对象可以用简单类型数据,而复杂对象往往要通过多种类型数据组合来描述。1.2.2 EXPRESS语言实体之间的关系EXPRESS语言定义的实体可以是相互独立的，但有时为了更方便、准确的表达信息，也可以是相互之间有联系的。实体之间的关系主要有以下两种：（1） 子类和超类的关系，即一个实体是另一个实体的子类（SUBTYPE）或超类（SUPERTYPE）。子类可以继承超类的属性。（2） 一个实体是另一个实体的属性，即实体中嵌套实体。子类和超类说明是实体说明中一个重要部分。在一个模式中，各实体的子类和超类说明构成了实体之间的继承关系图，为复杂对象信息建模提供了强有力的工具。EXPRESS语言的强大之处主要体现在它的面向对象的继承机制。在继承关系上它引入了三个关系算子：ONEOF、AND、ANDOR，这三个继承算子可以任意组合、嵌套使用，使得和其他的面向对象语言比较，它的继承机制更加贴近于产品数据自然的继承机制，可以更加方便地描述对象之间的复杂关系。从语义上讲，ONEOF算子表示被运算的实体之间是互斥的关系，这些实体不能被同时实例化。AND算子表示被运算的实体在应用的过程中有可能结合在一起，只须生成一个新的公共实体。ANDOR算子表示被运算的实体之间有自由结合的机会，从而可能生成一系列新的实体。1.2.3 EXPRESS语言的表达式和函数EXPRESS语言的表达式也很多，除了一般的算术、逻辑、字符表达与运算外还增加了实体的实例运算，如实例相同（：= ：），实例不同（： ：）。表达式中还有一种Query表达式，可以用来查询ENTITY（实体）的内容，如查询圆实体中有无圆心在坐标原点的实例。在标准函数方面除了具有一般的ABS，SIN，COS，TAN，ASIN，ACOS，ATAN，SQRT，LOG等外，还有适用于建模的函数，如：a) Used in（实体实例中用过的属性）；b) Type of（变量的类型）；c) Size of（集合变量的元素总数）；d) Hiindex，Hibound，Loindex，Lobound（均为求集合变量的上下界限值。对于Array来说，Index与bound没有区别，返回的均是声明的上下标。但对于Bag、List、Set，Hibound of返回的是其声明的上界，Hiindex则是其实际的元素值。Lobound返回的是1，而Loindex则是声明的下界）；e) Roles of（查询某个实例曾被某处引用过，返回引用的模式名、实体名与属性名）。在执行语句方面，也有与一般编程语言类似的赋值语句、Case语句、Ifthenelse语句、Repeat语句等。此外，还有Escape语句、Skip语句、With语句等。为了使模型减少冗余，EXPRESS语言特设了接口语句，利用Use from、Reference from语句可以将别处的模式或模式内的实体引用过来而不必重复编写。Use句中被引用的实体如同在本模式中的局部中声明的一样，而Reference句所引用的实体声明仍留在原模式中，只是本模式引用时可以进入。1.3 STEP Part21文件STEP Part21是STEP标准中交换文件结构的纯正文编码标准，是STEP标准的一个实现方法，它指定了使用文本编码的产品数据的交换结构格式，它所描述的产品数据的概念模型是用EXPRESS语言描述的。这种文件格式适合在不同计算机系统之间交换产品数据。1.3.1 STEP Part21文件格式STEP Part21文件有固定的格式，文件开头首先以ISO-10303-21开始，末尾以END-ISO-10303-21结束。包含头段和数据段，头段以“HEADER”开始，以“ENDSEC”结束，包含了文件名，作者，组织，时间，文件说明，所使用的系统，文件模式等文件基本信息。数据段以“DATA”开始，以“ENDSEC”结束，数据段是文件中最重要的一部分，包含了文件所要描述的内容，文件中可以有多个数据段。文件的头段部分包含了整个文件的基本信息。由file_description, file_name, file_schema等实体组成。file_description实体指定了文件的简单描述。其定义如下：ENTITY file_description;description : LIST 1:? OF STRING (256);implementation_level : STRING (256);END_ENTITY;description：文件内容简介。implementation_level：文件结构中的编码所符合的规范以及该编码所用的可选一致性的标识。这一属性值应该是“2；1”或“2；2”，以指出对本标准当前版本的一致性（交换文件结构符合一致性级别1的应该是“2；1”，符合一致性级别2的值应该是“2；2”）。file_name实体中给出了供人阅读的文件的基本信息。其定义如下：ENTITY file_name;name : STRING (256) ;time_stamp : STRING (256) ;author : LIST 1 : ? OF STRING (256) ;organization : LIST 1 : ? OF STRING (256) ;preprocessor_version : STRING (256) ;originating_system : STRING (256) ;authorization : STRING (256) ;END_ENTITY;name：文件名。times_tamp：文件创建的时间。author：作者名和信箱地址。organization：作者所在的单位或组织。preprocessor_version：创建文件的系统，包括系统名和版本。originating_system：产生文件数据的系统。authorization：被授权发送文件的人的姓名和信箱地址。file_schema实体指定数据段中的实体实例所属的EXPRESS模式。定义如下：ENTITY file_schema;schema_identifiers : LIST 1:? OF UNIQUE schema_name;END_ENTITY;TYPE schema_name = STRING(1024);END_TYPE;此实体描述STEP文件所使用的模式。schema_identifiers :模式名。1.3.2 STEP Part21文件中的数据类型在STEP Part21交换文件中使用了6种简单数据类型：整型（integer），实型（real），字符串（string），实体实例名（entity instance name），枚举（enumeration），二进制（binary）。（1）整型。整型数必须是一阿拉伯数字序列，前面可以有“+”或“-”，如果没有符号则默认为正数。（2）实数。实数要有一个十进制尾数，也可以有一个十进制指数，尾数和指数之间有大写“E”。尾数由一系列阿拉伯数字组成，可以有小数点，前面可以有“+”或“-”号。指数由一系列阿拉伯数字组成，前面可以有“+”，“-”号。（3）字符串。Part21文件中的字符串由字母和数字组成，用两个单引号（）表示，空字符串用两个连续的单引号表示。在一个字符串内部单引号本身用两个连续的单引号表示，反斜杠（“”）用两个连续的反斜杠(“”)表示。（4）实体实例名。一个实体实例名由#号后面跟一个无符号整型数组成，此整型数可以包含一个或多个阿拉伯数字的组合，如果只有一位数字，此位数字不能是“0”。（5）枚举类型。枚举型变量的值由大写字母或数字表示，由大写字母开始，用点号分隔。一个给定的枚举值由EXPRESS模式和与它相关的枚举类型声明确定。（6）二进制型。二进制型是由一系列0或1组成。（7）LIST类型。LIST类型以“（”开始，以“）”结束，其中的元素用“，”隔开，可以有任意层嵌套。1.4 EXPRESS语言与Part21交换格式的映射用Part21物理文件交换产品信息是实现STEP标准的方式之一，产品信息是由EXPRESS语言描述的，因此必须要把EXPRESS语言映射到Part21物理文件格式。EXPRESS语言包括TYPE，ENTITY，CONSTRAIN，约束规范和规则描述等。只有EXPRESS语言中的数据类型和TYPE，ENTITY能被映射到Part21交换结构中，其他元素不能被映射。1.4.1简单数据类型的映射简单数据类型的映射见表1-1。EXPRESS简单数据类型Part21数据类型整型（INTEGER）Integer字符串（STRING）String布尔型（BOOLEAN）枚举型（Enumeration）（T，F）逻辑型（LOGICAL）枚举型（Enumeration）（T，F，U）实数型（REAL）Real二进制（BINARY）Binary数值型（NUMBER）Real表1-1 EXPRESS简单数据类型到Part21格式的映射布尔型和逻辑型变量可以看作是预先定义的枚举型变量，其值分别是（T，F）和（T，F，U）。1.4.2聚合数据类型的映射聚合数据类型的映射如表1-2所示。如果聚合类型的变量为空，则用“（）”表示，变量中的元素实例类型与EXPRESS中定义的类型一样。如果EXPRESS的属性是多维ARRAY类型，则被映射成list的嵌套形式。EXPRESS聚合数据类型Part21类型LISTListARRAYListSETListBAGList表1-2 聚合数据类型的映射1.4.3定义数据类型的映射简单定义类型（没有ENUMERATION（枚举型）或SELECT（选择类型）的TYPE（定义类型）类型）的映射方法可以参照以上两节中的方法。枚举型（ENUMERATION）变量映射为枚举型变量，若变量值为小写字母，则应转换成相应的大写字母，并用点号分隔。EXPRESS的select数据类型定义了一组数据类型，称为“select-list”，它的值是选择数据类型的实例。如果select-list中的类型为实体类型，则映射为实体实例名，如果是简单定义类型，使用与简单定义类型相同的映射方法，如果select-list中的类型是枚举型，则映射为枚举型，如果select-list的类型为select（或嵌套select）类型，则按上述方法映射。1.4.4实体类型的映射实体类型实例分为简单实体实例和复杂实体实例，简单实体实例是指不是任何实体的子类的实例，所有其他的实体实例称为复杂实体实例。例如，如果一个超类不是任何实体的子类那么它的一个实例就是简单实体实例，任何子类的实例都是一个复杂实体实例。只有EXPRESS的显式属性才能映射到交换结构中。对于简单实体实例，它的每一个显式属性都可以直接映射到交换结构中，各个属性的顺序与EXPRESS实体定义中的顺序一致，如果EXPRESS实体类型中没有显式属性，那么映射到交换结构中其参数为空。如果显式属性被声明为OPTIONAL，意思为该属性的值为可选，如果一实例中该属性有值则按该属性的类型进行映射，如果该属性没有值，则用“$”表示。导出属性（derived）不能映射到交换结构中，如果子类中的导出属性定义了超类中的属性，并且原属性为显式属性，那么超类中的原属性用“*”表示。如果一个实体实例（第一个）是另一个实体实例（第二个）的属性，那么第一个实体实例以实体实例名的形式映射到交换结构中，第二个实体实例在交换结构的数据段中定义，在数据段中第二个实体实例出现在“=”前面。1.5 EXPRESS描述到C+模式的映射EXPRESS语言不是一种程序设计语言，它只是一种描述性语言，因此在实现STEP标准，操作STEP数据时要把EXPRESS语言映射到其他高级语言。EXPRESS语言是面向对象的，而C+语言也是面向对象的，因此可以把EXPRESS语言映射到C+语言。映射方法如下：1.5.1简单数据类型的映射简单数据类型的映射比较容易实现，字符串型（STRING）当长度为1时映射为C+的字符型（char），长度不为1时映射为字符指针（char *），逻辑型（LOGICAL）映射为C+中的整型，其值为0，1，2，分别代表假、真、不确定。对于二进制型（BINARY）映射成C+的一个类。具体映射情况见表1-3。EXPRESS数据类型C+数据类型NUMBER（数值型）doubleINTEGER（整型）longREAL（实型）doubleSTRING（字符串）长度为1：char长度大于1：char *BOOLEAN（布尔型）boolLOGICAL（逻辑型）enum(0,1,2)BINARY（二进制型）新类表1-3 简单数据类型的映射1.5.2 聚合数据类型的映射聚合数据类型是基本数据类型的集合，而基本数据类型又可以是简单数据类型、聚合数据类型、命名数据类型等。EXPRESS提供的聚合数据类型有四种：LIST（列表）、BAG（包）、SET（集合）、ARRAY（数组）。不同的聚合类型有不同的特点和操作，每种类型又是具有相同类型值的集合，因此聚合数据类型映射成C+中的类。类的名称为聚合类型名+Of+元素类型名，每个类中定义相应的成员变量和操作函数，具体情况见表1-4。EXPRESS聚合类型C+类在C+中名称LIST（列表）类ListOf+元素类型名BAG（包）类BagOf+元素类型名ARRAY（数组）类ArrayOf+元素类型名SET（集合）类SetOf+元素类型名表1-4 聚合数据类型的映射1.5.3命名数据类型的映射命名数据类型包括定义数据类型和实体定义数据类型。1 定义数据类型的映射对于简单数据类型的映射按照简单数据类型的映射方法映射，用C+中的typedef代替TYPE。对于枚举数据类型映射为C+中的enum（枚举）类型，对于选择数据类型（SELECT）映射成一个类，对于其他数据类型按照相应数据类型的映射方法映射，用C+中的typedef代替TYPE。如表1-5所示。EXPRESS定义数据类型C+类型简单数据类型按简单数据类型的映射方法映射枚举数据类型（ENUMERATION）enum类型选择数据类型（SELECT）union类型其他数据类型按各自映射方法映射表1-5 定义数据类型的映射2实体数据类型的映射实体数据类型是比较重要的数据类型，它里面又包含其他数据类型或其他实体，还可能有关系算子和约束规则等。实体数据类型映射成C+中的一个类。实体中的属性映射成该类的数据成员，约束规则映射成成员函数，也就是把约束和实体捆绑在一起，约束规则包括值域规则（WHERE）、导出属性（DERIVE）、逆向属性（INVERSE）、唯一性规则（UNIQUE）、全局规则（RULE）等。该实体的超类和子类实体分别映射为该实体对应的类的父类和子类。表示实体继承关系的三个关系算子的映射方法：在一个子类、超类图中，任意一个实体在向C+语言转换时，不仅要继承它的超类属性，而且要考虑它本身为超类的情况。由于超类的一个实例可能也是它的一个或多个子类的实例，所以要由程序自动生成所有子孙类的组合，超类的实例可以是这些组合的一个实例。在转换时首先把所有的实体都换成相应的实体名，通过在实体名间进行算子所定义的运算，然后生成可能的子孙类名的组合，最后生成包含type-union结构的类代替原来的类。1.5.4 映射实例分析实体AA的EXPRESS描述如下：ENTITY AA； SUBTYPE OF（BB）； a1：REAL； a2：REAL； a3：STRING（3）； a4：LIST1：？ OF INTEGER；WHERE a1*2 + a2*2 = 1.0；END_ENTITY；映射为C+类：class BB；class ListOfInteger；class AA：public BB private： double a1; double a2;char * a3;ListOfInteger a4;public: double where_rule(); ；/其他成员函数；实体AA是BB的子实体，在C+中AA映射为BB的子类，a1、a2为实型映射为C+中的double，a3为长度为3的字符串映射为字符指针，a4为整型数的列表映射为C+的类ListOfInteger，局部规则WHERE映射为成员函数where_rule()。1.6 STEP标准的实现方式实现方式是指用什么方法或形式在具体领域中实现信息交换。STEP标准的实现方式即实现STEP数据系统的方式。STEP数据系统是指符合STEP概念模型并满足其一致性标准的数据系统，STEP数据系统的实现可以划分为由低到高四个层次：文件交换、工作格式交换、共享数据库交换、知识库交换。（1）文件交换。文件交换是指通过STEP交换格式文件（即STEP物理文件）实现数据的交换。在这一层，标准化的只是文件格式和数据的EXPRESS模型。如果在某个具体的应用系统中，没有采用STEP的标准数据模型，而是采用各自特定的数据结构（如现有的CAD系统），也可以按STEP标准的要求，将输出数据转换成STEP格式的文件，但是这不是应用STEP标准的主要意图，仅仅限于让现有的系统临时适应输出符合STEP标准文件的要求。（2）工作格式就是用EXPRESS描述的产品模型在内存中的映象，是以二进制格式给出的公共文件。不同的应用程序可以依次存取或改变这些数据而无需像文件交换那样移动文件，这就是所谓的工作格式交换。它的实现需定义标准的数据存取机制。（3）共享数据库交换是在集成环境下，经常需要在CAD、CAPP、CAM、CAE以及其它系统之间传递信息。由于所传递的数据量大，结构复杂，采用文件交换的方式很难满足要求，因此需要采用数据库交换方式。这是较高层次上的交换，包括存取数据的数据库管理系统的使用。它适应数据共享的要求。应用程序通过标准的数据库管理系统语言（如SQL）或标准数据存取接口（如SDAI）来访问数据。数据库管理系统的其它功能，如数据字典等也被用来为应用系统解释EXPRESS模型。在概念模型上所定义的约束也应同时在此定义。该层交换可实现多用户对数据的同时存取，即实现了数据的共享。该层的开发目标是解决跨企业、多平台、多存储机制、多种网络管理方面的问题。（4）知识库交换可对STEP模型施加复杂的约束，并用人工智能对模型及有关数据进行处理，此外，还可望提供实施STEP的更先进的工具。该层的开发目标是不仅能完成传统上所有数据库管理系统所能完成的操作，还要具备知识及规则驱动的能力，另外，还期望对一个企业内的几个数据库管理系统的集成更易管理。该层尚处于定义和开发阶段，还未提供标准界面。STEP标准的这几种实施方法其复杂程度不同，采用何种方式应根据实施的目标和应用水平而定。第一、二种方式用在较简单的应用中，若实施的目标是对运行性能要求较高的工程应用，第一、二种交换方式均无法满足要求，这时必须采用共享数据库交换方式。第2章 STEP-NC标准概述2.1 STEP-NC标准概述数控机床已经发明50多年了，虽然硬件和软件技术的发展给加工技术带来了飞速发展，但是数控系统的输入编程仍然以ISO6983标准为基础，采用传统的G、M代码语言。这种只针对刀具路径和机器状态进行描述的数控程序由于缺少智能性，制约了数控技术进一步的发展。随着信息技术的快速发展，制造业的全球化已经不仅仅是简单地域性扩大的概念，更需要大量的产品信息在不同的系统和设备之间进行传送。制造业迫切需要统一的信息标准，以求在信息共享和信息传递中，保持信息的一致性和完整性。STEP标准的出现，使得制造业可在整个企业过程链中使用统一的标准。它允许在不同的和不兼容的计算机平台上分享和交换数据信息。但对于数控机床要实现数据标准的统一，现有的数控编程标准ISO6983满足不了这一要求。为此，国际上制定了一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP-NC）,它是STEP标准向NC领域的扩展和延伸。开发和推广这个标准的首要目的是在不同CAX系统之间通过标准的中性文件来进行数据交换，进而为实现CAX与CNC之间双向无缝连接提供了有效途径。STEP-NC是欧共体于1997年通过OPTIMAL 计划提出的一种遵从STEP 标准并面向对象的数据模型，用作数控加工编程的接口标准，并于2001年底形成了国际标准草案ISO-DIS-14649，它由以下部分组成：Part1:概述及基本概念Part2：语言绑定及原理Part3：Java语言绑定Part9：术语表Part10：通用加工数据Part11：铣削加工数据Part111：铣削刀具Part12：车削加工数据Part13：EDM加工数据Part50：通用加工数据应用解释模型Part51：铣削加工数据应用解释模型Part52：车削加工数据应用解释模型Part53：EDM加工数据应用解释模型Part2、Part3是根据ISO10303标准进行绑定的，Part10是ISO10303对独立过程数据的应用参考模型（ARM）,ISO10303对特殊技术的应用参考模型加在Part10之后。Part50是不依赖于工艺数据的ISO10303应用解释模型（AIM）, ISO10303对特殊技术的应用解释模型加在Part50之后。STEP-NC的本质特征是面向对象，描述的是加工什么（what）,而不是如何加工（how），它包括了工件的所有加工任务，从毛坯件到成品件的所有信息都包含在加工任务中。加工过程是以“工步（Working steps）”作为基本模块。工步是对机床具体动作的概括描述，内容涉及三维几何信息、刀具信息、制造特征与工艺信息。这为机床的智能化提供了发展空间，机床在完全“了解”产品的条件下可以根据具体情况调整或优化具体的操作。2.1 STEP-NC数据模型STEP-NC数据模型中包含了加工工件的所有任务，其基本原理是基于制造特征(如孔、型腔、螺纹、倒角等) 进行编程，而不是直接对刀具与工件之间的相对运动进行编程。它通过一系列的加工任务，描述零件从毛坯到最终成品的所有操作，内容涉及工件实体的三维几何信息、刀具信息、制造特征与工艺信息，并将这些信息提供给加工车间的CAM系统。其中，几何信息采用STEP 数据格式描述，CNC系统可以直接从CAD系统读取STEP数据文件，从而消除了由于数据类型转换而可能导致的精度降低问题；加工操作信息包括了所有工步的详细参数，如工艺特征代码、刀具、加工策略等数据。STEP-NC定义的AP-238 的应用协议，要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型(包括工件三维几何数据与制造特征信息)、加工工艺信息和刀具信息，产生加工程序，进而控制加工过程。此过程覆盖了产品从概念到制成品所需的全部信息。图2-1所示为一个简化的STEP-NC数据模型。图2-1中的工件是指最终的零件成品，工件上需要去除材料的区域由一系列制造特征定义。零件的加工过程被定义成若干个工步序列，一个零件的加工步骤决定了哪些加工操作(如钻、铣削)将被执行，同时这里的操作本身也符合ISO 14649中采用的面向对象的概念，它包含了工艺信息、刀具信息、加工策略和刀具路径等信息。需要指出的是，STEP-NC数据模型可以从工件属性、制造特征属性、刀具路径属性分别提取工件几何特征量、制造特性属性和刀具几何特征量，并将其反馈到加工规划部门，对预先定义的参数化路径、刀具路径、切削方式等进行修改，迅速实现加工路径和加工方法的优化。图2-1 STEP-NC数据模型2.2 STEP-NC文件结构基于STEP-NC的数控程序废弃了传统数控程序中,直接对坐标轴和刀具动作进行编程的做法，采用了ISO-10303数据格式和面向特征的编程原则。它以工作步骤作为加工流程的基本单位，将特征与技术信息联系到一起。每个工作步骤只定义一种操作（“干什么”、“如何干”等，但只能用一种刀具和一种策略）。程序本身也采用ISO-10303规定的文件格式，从结构上可分为两部分：文件头和数据段，其结构如图2-2所示。文件头以“HEADER”为标记，以“ENDSEC”结束，主要包括文件名、编程者、日期以及注释等。数据段以“DATA”开始，也以“ENDSEC”结束，包含了加工零件所需的所有信息和操作任务。根据规定，它首先要一个PROJECT语句，其后的内容可分为三部分：工作计划与可执行语句（WORKPLANE AND EXECUTION）、技术描述（Technology）、几何描述（Geometry description）。以工程（PROJECT）实体实例开头，它是加工任务的起点。每个符合ISO10303-21的STEP-NC数据段中必须包括工程实体实例。STEP-NC文件中的工作计划以线性顺序或给定顺序的执行方案相结合。可执行语句有三种：工作步骤、NC功能和程序结构。如果要改变操作顺序，只需改动程序的这部分即可。除了工作步骤以外，零件程序次序中还包括其他NC功能描述。图2-2 STEP-NC文件结构技术描述：含有工作计划中所有工作步骤详细、完整的定义，它包括刀具参数、加工参数以及其他工艺数据。描述了工件所有表面的定义、零件的区域及其特征和与表面特征对应的工作步骤。几何描述：以STEP格式描述了工件几何数据，工作步骤中的加工特征。2.3 AP238与ISO14649目前，有两种STEP-NC应用标准，即ISO14649和AP238。STEP-NC的应用参考模型（ARM）是ISO14649；应用解释模型（AIM）是AP238，它是STEP-NC的技术定义。这两个标准可以看成是STEP-NC两种不同的实现方法，应用参考模型更接近应用领域，便于人们理解；而应用解释模型则较抽象且程序更分散、复杂，但更能保证与现有的STEP标准兼容，并尽可能利用STEP的集成资源。这两种标准在本质上是相同的，只是在表现形式上有所不同，而一般使用STEP表达方法和技术体系的程度如何是使用两种标准的重要区别。AP238应用解释模型文档将ISO14649不同部分定义的信息需求（即应用参考模型）转换为STEP-NC的应用解释模型。以ISO14649 Part10、Part11、Part111的信息需求为基础，应用参考模型中描述应用协议中包含的内容，应用解释模型描述这些内容在实现方法上是如何表达和如何交换的。AP238的优点在于继承了ISO10303标准，与STEP的一些应用协议具有相同的基础，将设计与制造完全集成在一起。AP238的几何描述与AP203/AP214相同，特征描述与AP224相同，公差定义与AP219相同并包括从ISO14649映射的解释模型，请见图2-3。这样极大促进了STEP-NC的发展和应用，一方面利用STEP的数据表达模型，减少了STEP-NC标准的复杂程度，另一方面又可以与STEP之间相互兼容，在实际应用中，只要对STEP接口做一些修改即可。如果在CAM中发现问题，可以直接使用STEP协议的数据模型反馈到CAD中，实现数据的双向流动。图2-3 AP238的集成模式2.4 AP238 应用协议STEP AP238应用协议是由国际标准化组织ISO第184技术委员会下的第4分会第3组（ISO TC 184/SC4/WG3）制定的，其全称为计算机数字控制器的应用解释模型，它涵盖了产品从概念到成品零件全过程所需的全部信息，其应用协议包括如下功能单元：（1）测量（measure）测量功能单元，通过物理变量的值和单位量级在允许范围内的变化来描述物理量。（2）工程（project）工程功能单元指定加工程序的开始位置和附加管理信息。（3）工件（workpiece）工件功能单元指出加工程序将要加工的机械零件，包括零件的材料、表面状况、特征等信息。（4）制造特征（manufacturing feature）制造特征功能单元描述了识别机械零件产品所需要的信息。这些形状描述了由加工操作去除的材料的体积。该功能单元描述了通过2D视图（如：顶部、底面和其他特征面）沿扫描线来构成特征的信息。（5）执行（executable）执行功能单元描述了加工程序流程和由数字控制执行的非加工活动，包括：加工顺序、联动控制、条件控制流和描述条件控制流的条件所必需的逻辑表达式和变量元素。此功能单元还指定了描述零件加工中所需定位和刀具信息等。（6）操作（operation）操作功能单元描述了执行数控加工操作所必须的独立的技术信息。（7）刀具路径（tool path）刀具功能单元描述了刀具预设轨迹信息或者可转换为精确数控运动的移动参数信息，包括：刀尖轨迹信息、刀具初始点、主轴运动信息以及使用样条曲线和其他曲线描述的路径和运动速度信息。（8）铣削工艺数据（process data for milling）铣削工艺数据描述了数控加工中铣削和孔加工所需信息，包括：铣削加工和孔加工的工艺参数和策略信息。（9）铣削刀具（cutting tools for milling）铣削刀具功能单元指定了描述铣削和孔加工所需的刀具信息。（10）车削特征（turning feature） 车削特征功能单元描述了机械加工零件的形状信息，这些形状是从零件上车削去除的材料体积。（11）车削工艺数据（process data for milling）车削工艺数据功能单元描述了数控加工中车削所需的信息，包括车削工艺参数信息和策略信息。（12）车削刀具（cutting tools for turning）车削刀具功能单元描述了车削加工中所需的刀具信息。（13）几何尺寸和公差（geometric dimensioning and tolerancing）几何尺寸和公差功能单元描述了几何尺寸和制造中允许的公差变动范围信息。此外，该功能单元还描述了有参考基准的几何量公差，如：直线度或平面度，包括：单参考基准信息，通用参考基准，基准角度和公差带。（14）管理（management） 管理功能单元描述了机械产品或加工程序管理方面的信息，包括：审核、安全规范、人员、日期等。 其中，工程功能单元、工件功能单元、特征功能单元、执行功能单元，刀具路径功能单元、测量功能单元和操作功能单元是在Part10基础上使用的，铣削工艺数据功能单元是以Part111-1为基础的。2.5 STEP与STEP-NC的关系在STEP应用协议中，AP203（Configuration Controlled 3D Design of Mechanical Part and Assemblies）定义了三维实体产品的几何形状结构，是产品管理的基础性、通用性协议。它也是STEP中最早开发和最完善的部分。STEP虽然实现了CAD系统间的数据共享，但产品的制造过程仍然非常不方便。由于STEP仅限于面向设计的数据模型，不包含制造信息，不能直接作为制造阶段的数据模型，设计者也无法直接在三维实体模型上表示出技术要求。因此，一般情况下的设计、制造过程仍然需要进行以下转换：（1）设计者将三维CAD模型转化为二维图样并在上面标注技术要求后送制造者（CAM）。（2）CAM人员根据图样与文字说明重新在CAM系统中生成三维模型。（3）CAM系统生成G、M代码后送CNC系统加工。图2-4 STEP与STEP-NC的关系STEP AP224协议（Mechanical Product Definition for Process Planning Using Machining Feature）是STEP向制造领域拓展的第一个应用协议。AP224在STEP-CAD数据的基础上加入了工艺要求方面的描述，包括材料要求、尺寸及公差、应用说明以及文件管理信息等。AP224中还定义了一系列的制造特征，基本上能够满足CAM领域的要求。STEP-NC是STEP进一步向加工领域扩展的结果，主要作为CAM与CNC之间数据交换的接口。STEP-NC本身的数据模型就是采用EXPRESS语言定义的，数控程序遵循STEP文件格式，其中对几何信息的描述采用了基本的STEP语法，对制造特征采用STEP AP224中的定义。STEP-NC是STEP标准向制造领域的扩展，所以STEP-NC也属于STEP标准，但在信息含量上远远超过STEP标准。其对应的STEP应用协议称为AP238（ISO TC184/SC4），涵盖了从设计到制造所需的所有信息，其中包括了几何信息（AP203/AP214）、特征信息（AP224）、工艺信息、检测信息（AP219）等。2.6 STEP-NC对数控技术的影响STEP-NC既是正在完善中的CNC接口标准，又是提升现代CNC的实施技术。它为CNC开放性和智能化提供了广阔的发展空间，同时它也解决了CNC与CAX之间双向无缝连接的核心问题。它的出现是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业将产生深远的影响，主要表现如下：（1）STEP-NC引发了一种崭新的制造和产品理念。传统产品的理念是有形的真实产品，而新的产品理念是数据模型。在传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上，而基于STEP-NC标准的制造中，任何合适的机床设备具有兼容STEP-NC的CNC后，都可以加工零件。还可通过互联网接入产品数据模型库，被指定的机床能够在任何地方通过网络与其他机床共享或交换数据。对制造企业而言，参与高度竞争的全球供应链，这种灵活性至关重要，通过互联网将形成一个全球化的CNC系统。（2）采用基于STEP-NC的信息模型，加工过程中的产品信息还可以被上游系统直接阅读，实现信息在设计模块与制造模块之间的双向数据流传输。采用ISO6983标准的程序若有改动，信息不能反馈到设计部门。而STEP-NC程序能将修改信息反馈到设计部门且保存在数据库中，避免进行多余的代码测试。（3）STEP-NC标准使得零件全生命周期使用了统一的信息标准。使得制造系统中的各功能模块（CAD、CAPP、CAM、PDM、MRP、ERP等）之间形成了一条“高速公路”，实现设计、制造、管理等的无缝链接。（4）STEP-NC使得CNC更加智能化。STEP-NC文件能在任何满足条件的CNC机床上运行，因此不需要后置处理器。优化CNC的控制功能，可简化NC代码，也可简化一些复杂的加工任务，比CAD/CAM系统离线处理更加有效。（5）STEP-NC可以大幅度的减少设计时间、提高加工效率。STEP Tools公司的研究表明：STEP-NC的应用将使目前的加工工艺规划（CAM）时间减少35%，生产数据的准备（CAD）时间减少75%，加工（CNC）时间减少50%（以五轴和高速加工为例）。第3章 开发工具的研究及其应用在课题的研究过程中，我们使用了美国STEP Tools公司提供的ST-Developer来完成有关数据转换，读取，操作的功能。ST-Developer是一个完整的开发环境，应用这个开发环境可以管理和操作EXPRESS信息模型和用EXPRESS定义的数据。3.1 ST-Developer简介ST-Developer是一个由一组软件工具组成的完整的开发环境，借助该环境用户可以开发STEP应用程序，建立、管理用EXPRESS语言描述的信息模型，并可对STEP数据进行一致性检测。ST-Developer包含SDAI C，C+联编等开发环境，利用这些联编可以开发应用软件操作存储于面向对象数据库（OODB），关系数据库（RDB）和顺序文件中的STEP数据。另外，ST-Developer包含一组软件工具用于EXPRESS信息建模和视图定义，STEP一致性测试。ST-Developer的一个重要组成部分是ROSE C+类库，它使应用程序读、写、创建、操作STEP数字产品信息成为可能，它是ST-Developer的基础。ROSE是一种基于内存的数据库管理系统，提供给用户一系列C+类库，对内存中EXPRESS定义的实体（经处理变成C+类以后）进行操作。ST-Developer的每个工具都是由ROSE类库开发的。ST-Developer中的工具结构图如图3-1所示。图3-1 ST-Developer的组成ST-Developer是一个工具集，它提供了一系列工具，能够处理STEP数据和EXPRESS