1、基于 STEP-NC 的数字化设计和制造喻佩佩（常州铁道高等职业技术学校 江苏 常州 213011）摘 要：随着制造技术的飞 速发展，对于 CNC 的要求越来越高，传统的 G/M 代码已经成为现代先进制造技术的瓶颈。而基于 STEP 标准的 STEP-NC 将为现代 CNC 的高速和高精度加工提供条件。关键词：STEP-NC；CAD/CAM；数字化制造1：当前NC系统面临的问题：自1952年世界上的第一台数控机床在美国MIT诞生以来，数控技术得到迅猛的发展，由初期的晶体管分立元件系统发展到了今天基于PC的开放式计算机数控系统。尽管近年来硬件技术和软件技术的飞速发展给CNC的高速和高精度加工提供
2、了保证，但由于目前在工业化应用中的NC所采用的编程方式还是基于50多年前开发的ISO6983(G/M代码）标准。这种代码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，因此需人工干预确定这些数据，导致编程效率低等问题。随着计算机辅助系统CAX技术、系统集成技术等的飞速发展和广泛应用，该标准已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。2：STEP和CAD/CAM的集成：自上个世纪 80 年代以来，人们已开始通过采用统一的数据模型 STEP(ISO10303)标准来实现 CAD/CAM 系统间的集成。STEP 标准中的应用协议 AP203 通过边界
3、描述来定义零件实体模型，CAM 系统通过读取 CAD 系统生成的 AP203 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 NC 加工程序。3：STEP-NC 的研究现状：虽然采用 STEP 标准实现了 CAD/CAM 间的产品数据共享,但是传输到 CNC 仍是单向流动，制造过程中下游的信息不能反馈给上游，而 STEP-NC 的出现和基于 STEP-NC/STEP 的全零件信息建模为系统集成提供了一条有效的途径，它是一个面向对象的新型 NC 编程数据接口国际标准（ISO 14649），包括13个部分，分3个阶段发布，目前已发布有：基
4、本概念和原理规则、通用标准、数控铣削加工工艺、铣削刀具等几个部分。近几年，欧美已经启动了几个有关STEP-NC的项目，如OPTIMAL,MATRAS,STEP-NC等，其中欧洲的STEP-NC项目旨在实现和测试铣削加工数据接口，共有20多个CAD/CAM、NC和数控机床领域的企业和研究机构参与了该项目的研究工作。2001年，符合STEP-NC标准的二维半和三维数控铣削加工过程已经在德国Siemens、意大利FIDIA公司以及欧洲开放式体系结构的CNC原型系统中得以实现，其性能已在实验室环境中得到验证。4：STEP-NC的数据模型：一个基于STEP-NC的数控加工程序由几何信息和工艺信息组成。几
5、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。STEP-NC定义了一种称为AP-238的应用协议，要求STEP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。其间CAM系统只负责加入工艺信息和刀具信息而不必进行常规自动编程系统中的后置处理操作。图1所示为一个简化STEP-NC数据模型。图一：STEP-NC的简化数据模型图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加工特征定义。零件的加工过
6、程被定义成若干个工步序列，一个基于零件加工特征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。5：基于STEP-NC的CAPP和CNC:基于STEP-NC的CAPP系统与传统CAPP系统在功能上有很大的区别，其最突出的特点是基于特征的工艺设计，并能与CAD、CNC系统实现双向数据交换。它不但包含传统CAPP所具有的功能,而且还具有特征识别/特征映射能力以及CAM的功能。传统的CNC系统是封闭的、不开放的，用户无法对其内部进行任何修改和扩充；NC程序用G/M代码表示，它传递
7、给CNC系统是有限的刀具运动位置和速度信息，由于CNC缺乏对高层信息的了解，使得它仅仅是一个被动的执行机构。而基于STEP-NC的CNC系统由于获取了丰富的零件几何和制造信息，因此它具有一定的自主性和智能性。同时由于采用统一的STEP-NC数据模型描述各种制造信息，这使得CNC系统实现了与上游的CAD/CAPP系统进行双向的数据交流,而这正是实施并行工程的基础和前提。基于STEP-NC的CAD/CAPP/CNC的集成系统框图如图2所示。图2 基于STEP NC的CAD/CAPPCNC集成系统6：CAD/CAPP/CNC系统集成的关键技术及实现：6.1：特征识别和特征映射：特征识别和特征映射是本
8、系统成功的关键技术，也是难点所在，为了提高系统的实用性,本系统具备自动特征识别和交互式识别两种方式。系统采用Pro/E软件进行零件设计,然后利用该软件的接口技术，自动生成包含零件几何信息的STEP中性文件，通过特征识别模块从STEP中性文件识别出零件的几何特征信息。特征映射模块是将识别出的几何特征映射成相应的制造特征，并加入相应的工艺信息，从而形成CAPP所需要的零件制造特征模型。6.2：STEP-NC数据模型的扩充和基于STEP-NC信息模型：STEP-NC数据模型是实现CAD/CAPP/CNC系统集成的前提和必要条件，为了真正地实现系统间的无缝集成，我们还必须对STEP-NC数据模型进行扩
9、充和修改，这是因为虽然在STEP-NC数据模型中包含了几何、制造特征、制造方法、刀具和工序等信息内容，但是它还有不完善的地方，如在Machiningoperation实体中没有涉及到设备和工艺装备信息，在Workplan实体中未考虑热处理、材料运输等信息。因此我们通过对STEP-NC数据模型进行延伸和拓展，建立统一的基于STEP-NC数据模型的零件信息库、工艺信息库和制造资源库，利用XML数据表达技术，实现基于网络的数据交换与传送，从而使得CAD、CAPP、CNC系统在STEP-NC基础上真正实现信息的交换和共享。例如，对于设备和工艺装备信息我们首先分别定义一个设备实体和工艺装备实体，然后在M
10、achiningoperation实体中添加一个设备属性和工艺装备属性。这里我们用黑体表示新定义的内容，它们分别描述如下:ENTITY machine;its_id:identifer;its_tools:SET1:nofmachining_tool;END_ENTITY;ENTITY fixture;its_id:identifer;END_ENTITY;ENTITY machining_operationABSTRACT SUPERTYPESUBTYPE OF(operation); its_id:identifer;its_machining_strategy:OPTIONAL mach
11、ining_strategy;retract_lane:OPTIONAL length_measure;cut_start_point:OPTIONAL cartesion_point;its_machine:machine;its_fixture:OPTIONAL fixtur;its_tool:machiningtool;its_technology:technology;its_machine_unctions:machine_unctions;WHEREWR1:cut_start_point.coordinates2=0;ENDENTITY;设备实体Machine具有两个属性：its_
12、id(标识符)和its_tools(刀具)，对于任何一台设备，标识符是唯一的，刀具属性是一个设备上安装的所有刀具的集合；工艺装备实体Fixture仅含有一个唯一的标识符属性。7：基于STEP-NC的数控系统的机构设计：目前，STEP基准已经广泛地应用于CAD/CAPP/CAM系统，因而基于STEP-NC的数控系统可直接读取CAD/CAM系统输出的STEP文件（AP238）。同时传统的STEP-NC统中的加工编程后处理器在基于STEP-NC的CAD-CAM-CNC的过程中也会消失，取而代之的是在CAD/CAM系统中加入STEP-NC插件以便直接输出AP238文件。图3：基于STEP-NC的数控系
13、统结构模型图3为一种采用了STEP-NC标准的数控系统结构模型，该结构模型包含了当前STEP-NC与数控系统结合的3种模式。模式1严格来说只是一种过渡形式，上层符合STEP标准的CAD/CAM系统与STEP-NC接口实现双向数据流动，下层通过增加符合STEP-NC标准代码转换接口，将STEP-NC数据代码转换为G/M等代码，进而实现对现行数控系统的控制。模式2是一种比较简单、初级的模式，与模式1的区别在于下层采用了新型STEP-NC控制器，直接读取STEP数据格式加工文件。模式3是模式2的发展与完善，它将设计层与车间层之间的功能重新划分，实现CAM系统宏观规划与CAD系统集成、微观功能与车间层
14、的SFP（Shop Floor Programming）集成。模式3中还建立了基于STEP-NC的智能分析模块，实现各种智能化操作，包括：刀轨生成、刀具的自动选择、刀具监控、误差检测补偿、在线测量和突发事件处理等许多数控系统的高级功能，以提高生产效率和加工质量。8: 基于STEP-NC的数控系统的发展趋势:目前大部分的STEP-NC标准尚未完成，国际上对基于STEP-NC的数控技术的研究也还处于起步阶段，但已有的研究成果表明，它必将会对数控技术乃至制造业带来深远的影响。主要体现在以下几个方面：（1）数控机床将以更加高效、易于理解和操作更方便、描述性更强的数控语言替代沿用已久的G/M等代码。这种
15、数控程序通过一系列的加工任务（ 工作步骤） 描述制造过程中的所有操作，以面向对象（ 而非面向动作） 的编程使得现场编程界面大为改观。（2）CAD/CAM/CNC之间将会实现无缝连接。CAD/CAM与CNC的双向数据流动，使得设计部门能够清楚地了解到加工实况，并且可根据现场编程返回的信息对生产规划进行及时快速的调整，生产效率将得到极大的提高。（3）网络化设计/制造成为现实。现代制造企业通过网络共享各种信息，同时由于全球制造企业采用统一的STEP-NC数据接口标准，企业之间的数据流动可以在基于PC机的CNC机床与数据库服务器之间直接进行，操作人员只需要对数据库中的三维工件模型进行简单的参数设置，就
16、可以使机床实现预期动作。（4） 实现完全意义上的开放式智能数控系统。由于G/M代码的加工信息量过少，因此各机床生产商对代码都进行了基本语义外的扩展，造成各种类型的数控机床控制系统之间互不兼容，严重阻碍了数据的交流和信息共享，系统开放式难以实现。而采用STEP-NC标准，其数据格式和接口标准完全一致，且STEP-NC数据包含了加工产品所需的所有信息，使程序具有良好的互操作性和可移植性，为CNC系统的开放性和智能化奠定了稳固的基础。（5）生产效率将得到极大的提高。加工数据流在整个加工过程中可以迅速地在各个部门、各个企业甚至国际间进行访问和共享，CAD/CAM与CNC之间的瓶颈效应也不复存在，产品的生产周期将大大缩短。9：结束语：STEP-NC是CAD/CAM和CNC系统之间的一种新的数据接口标准,它不但包含了产品的几何信息还包含了丰富的工艺信息。基于STEP-NC的CAPP系统与传统CAPP系统在功能上有很大的区别,其最突出的特点是基于特征的工艺设计,并能与CAD、CNC系统实现双向数据交换。通过对STEP-NC数据模型进行延伸和完善,建立统一的基于STEP-NC数据模型的开放式共享数据库,使得CAD/CAPP/CNC系统在基于STEP-NC的基础上真正实现无缝集成,为网络化的制造奠定了重要的基础。
