基于STEP-NC的数控技术

1引言

　　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，数控系统可以说是日新月异，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（OpenComputer NumericaI ControI）。随着科学技术的进步，现代化的制造过程对CNC的要求越来越高，因而促进了CNC技术的进一步发展。

　　尽管近年来硬件技术和软件技术的飞速发展给CNC的高速/高精度加工提供了保证，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多年前所开发的ISO6983（G/M代码）标准。这种代码仅仅包括一些简单的运动指令（如G01表示直线插补）和辅助指令（如M03表示主轴顺时针旋转），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，以确定这些数据，因而导致编程效率低等问题的出现。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，该标准已越来越不能满足现代NC系统的要求，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。

　　1997年欧共体提出了OPTIMAL（Optimized Preparation of Manufacturing Information with MuIti-LeveICAM-CNC CoupIing）计划，将STEP（STandard for the Exchange of Product model date，ISO10303）延伸到自动化制造的底层设备，开发了一种遵从STEP标准、面向对象的数据模型（称为STEP-NC），作为铣削加工编程的数据接口。STEP-NC将产品模型数据转换标准STEP扩展到CNC领域，重新制定了CAD/CAM与CNC之间的接口，为实现CAD/CAM/CNC之间的无缝连接，进而实现真正意义上的完全开放式数控系统奠定了基础。

1 STEP-NC的研究现状

　　STEP-NC是一个而向对象的新型NC编程数据接口国际标准(ISO 14649)，它于1996年初开始制定，在2001年底成为国际标准草案(Draft Intexnational Standard ,  DIS)，由国际标准化组织ISO/TC 184工业数据技术委员会正式命名为ISO 14649，其口的旨在取代在数控机床中广泛使用的ISO 6983标准。

　　STEP-NC由欧洲多家企业和研究机构共同开发，该编程接口总称为“计算机控制数据模型”(Data Model for Computerized Numerical Controllers)，它包括13个部分，分3个阶段发布，口前己发布有:基本概念和原理规则(Part 1)、通用标准(Part10)、数控铣削加工工艺(Part 11)、铣削刀具(Part111)等几个部分。正在制订的STEP一NC标准有:数控车削加工(Part 12)、放电加工(Part 13)、术材和玻璃加工(Part 14),检测C Part 15)等。STEP-NC是一种在CAD/CAM系统和CNC机床之间进行数据转换的模型，它使用而向对象的“加工步骤”(Working steps )概念，详细描述加工过程，从而弥补了 ISO 6983加工信息量(G、M等代码)不足的缺陷。

　　近几年，欧美己经启动了几个有关STEP-NC的项口，如OPTIMAL,  MATRAS}  STEP-NC，SuperModel Project等，其中欧洲的STEP-NC项口(由欧洲委员会和瑞士资助研究)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口的研究工作。2001年，符合STEP-NC标准的二维半和三维数控铣削加工过程己经在德国Siemens、意大利FIDIA公司以及欧洲开放式体系结构(OSACA:  Open SystemArchitecture for Control within Automation)的CNC原型系统中得以实现，其性能己在实验室环境中得到验证四。口前原型系统己在第一个用户—德国的Daimler Chrysle:公司进行评价，主要测试多而体零件的钻孔加工和二维半数控铣削加工过程，下一步将测试三维数控铣削加工过程。从2000年开始，美国STEP Tools公司在国家标准技术协会KIST的资助下启动了为期3年的“超级模型”C Super Model)项口。该项口(全称为Model Driven Intelligent Control of Manufacturing)的主要口标是建立一个适合于铣、车削的数据库和软件工具，验证CNC机床能否直接读取3D设计和制造数据，进行快速、安全和智能化的零件制造。为了使CAD/CAM系统与CNC控制器能随时交换数据，STEP Tools公司建立了STEP-NC数据库的操作规范体系和自维护与管理体系。2000年底，该公司完成了第一阶段的口标，在第三次IRBC Industrial Review Board)会议上演示了利用“超级模型”完成具有某种加工特性的加工对象铣削全过程。另外，该公司还与Lawrence Livermore国家实验室合作，在OMAC(Open Modular Architecture Controller)的基础上开发出了STEP-NC接口。最近几年美国的Honeywell公司推出了一个基于STEP-NC的工艺过程设计工具—FB Mach。

2  STEP-NC的数据模型

　　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，而不是直接对刀具一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，内容涉及工件三维几何信息、刀具信息、制造特征与工艺信息，并将这些任务信息提供给加工车间的CAM系统。STEP-NC中采用的数据模型与STEP标准完全一致。

　　一个基于STEP一NC的数控加工程序由几何信息和工艺信息组成。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。工艺信息描述部分包括了所有工步的详细参数，如工艺特征代码、刀具、机床功能、加工力一法等数据。

　　STEP-NC定义了一种称为AP-238的应用协议，要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD。

　　图1中的工件是指最终的零件成品，工件上需要去除材料一的区域由一系列加工特征定义。零件的加工过程被定义成若十个工步序列，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中采用的而向对象的概念，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、加工特征属性、刀具路径属性分别提取工件几何特征量、加工特性几何特征量模块和刀具几何特征量，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、切削力一式等进行修改，迅速实现加工路径和加工方法的优化。

图1 STEP - NC 简化数据模型