基于STEP—NC的数控技术研究

1 STEP-NC的研究现状

　　STEP—NC是一个面向对象的新型NC编程数据接口，该编程接口总称为“计算机控制数据模型。近几年，欧美已经启动了几个有关STEP—NC的项目，其中欧洲的STEP—NC项目旨在实现和测试铣削加工数据接口。美国的STEP—NC项目在美国国家标准技术研究院(NIST)的资助下，旨在建立一个适合于铣、削的数据库和软件工具，验证CNC机床能否直接读取3D设计和制造的数据，进行快速、安全和智能化的零件制造。

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—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、机床功能和加工方法等数据。

　　STEP—NC定义了一种称为AP一238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以及产生加工程序，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。这种新的数据模型中的加工程序又以“加工步骤”(Working Steps)作为基本模块。加工步骤是指在产品模型中定义的对机床具体动作的概括性描述。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所示为一个简化的STEP—NC数据模型。

图1 SFEP—NC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～系列加工特征定义。零件的加工过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螳加工操作(如钻、铣削)将被执行，同时这里的操作本身也符合IS014649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、加工特征属性、刀具路径属性上分别提取工件几何特征量、加工特性几何特征量和刀具几何特征量，并将其反馈到加工规划部门，对预先定义的参数化路径、刀具路径和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。

3 基于STEP-NC的数控系统结构设计

　　自20世纪50年代以来，传统数控系统一直沿用G、M代码(IS06983)，这在一定程度上限制了CNC系统的开放性和智能化发展。CNC与CAD／CAM之间的数据交换是单向传输，现场对NC程序的任何修改都无法直接反馈到CAD／CAM系统，生成NC程序时记录最初加工需求的信息已经丢失了。而使用STEP—NC可减少加工信息容易丢失的问题，实现双向数据流动，能够保存所做的修改，使零件程序和优化的加工描述能及时地反馈到设计部门(CAD)，以便设计部门及时进行数据更新，获得完整、连贯的加工过程数据文件。

　　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CAD／CAM系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2所示为传统数控系统结构与STEP—NC系统结构的比较。

图2 2种数控结构模型的比较 

图3基于STEP—NC的数控系统结构模型

　　图3所示为一种采用了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l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2从信息流动模式与控制方式来说，已经完全符合STEP—NC的标准，具备了下一代数控机床的特性，是真正意义上的基于STEP—NC的数控系统模型。模式3是模式2的发展与完善，它使系统的集成度更高，设计层与车问层之问的功能重新划分，实现CAM系统宏观规划与CAD系统集成和微观功能与车间层的SFP(Shop Floor Programming)集成。为了使控制系统进一步实现智能化，在数控系统结构模式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，同时STEP—NC智能控制器的出现也为高速、高精度、高智能化的加工提供了必要条件。

从整体上看，这种基于STEP—NC的数控系统可以根据下层NC控制器的不同，自动选择最好的加工控制方式。鉴于IS06983标准在数控领域内的广泛应用，在短期内用IS014649标准将其完全取代不太现实，因此基于STEP—NC的数控系统除了可执行AP238 STEP文件以外，还应能执行传统数控系统中的Is06983代码。所以在基于STEP—NC的数控系统结构没计中，不仅仅要建立STEP—NC解释器(解释STEP AP238文件)模块，还需补充符合IS()6983标准的解释器模块，作为CNC系统的一个子系统，这也正是模式1保留下来的原因，在STEP—NC控制器广泛使用之前，模式1将长期保留在系统之中。模式2和模式3是基于STEPNC的数控系统的发展方向，目前二者仍处于实验阶段。它们的区别只是发展程度不同，后者是前者的发展与完善，可以满足机床更高的需求或加工要求，如加工复杂的零件。另外，模式2与模式3也可分开，如简单的小型机床，可采用模式2，节约成本，而大型的、综合的、智能化机床则可采用模式3的方式。