新型STEP-NC数控加工方式

一、引言

　　近年来数控技术得到了迅猛的发展，控制系统由早期的硬件连接方式发展到现在的基于PC的开放式数控系统。尽管硬件技术和软件技术的飞速发展给CNC的高速/高精度加工奠定了基础，但目前NC加工中所采用的编程方式还是基于半个世纪前所开发的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、G02）和辅助指令（如M03、M08），而不包含零件几何形状、刀具路径生成、刀具选择等信息，使得CNC与CAD/CAM通道之间形成瓶颈。数控加工中编程困难、设计与加工等信息不能完全共享的问题限制了数控系统的进一步发展，使其面临新的变革。

　　为了解决这些问题，欧共体于1997年提出了OPTIMAL计划，将STEP（Standard for the Exchange of Product model date，ISO 10303）标准延伸到自动化制造的底层设备，开发了一种STEP-NC的数据模型，作为铣削加工编程的数据接口。该接口遵从STEP标准，具有面向对象的特征。STEP-NC将产品模型数据转换标准STEP扩展到CNC领域，重新制订了CAD/CAM与CNC之间的接口，它要求CNC系统直接使用符合 STEP标准的CAD三维数据模型（包括工件几何数据、参数配置和制造特征）、工艺信息和刀具信息直接产生加工程序。

二、STEP-NC的研究现状

　　STEP -NC是一个面向对象的新型NC编程数据接口国际标准（ISO 14649），它于1996年初开始制订，在2001年底成为国际标准草案（Draft International Standard, DIS），由国际标准化组织ISO/TC184工业数据技术委员会正式命名为ISO14649，其目的旨在取代在数控机床中广泛使用的ISO 6983标准。

　　近几年，欧美已经启动了几个有关STEP-NC的项目，如OPTIMAL、MATRAS、STEP-NC和Super Model Project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Siemens、FIDIA公司以及欧洲开放式体系结构 OSACA的CNC原型系统中得以实现，其性能在实验室环境中已得到验证。目前原型系统已在第一个用户——Daimler Chrysler公司进行评价，已测试了多面体零件的钻孔加工和二维半数控铣削加工过程，现开始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NIST的资助下起动了为期3年的“超级模型”（Super Model）项目。该项目（全称为Model Driven Intelligent Control of Manufacturing）的主要目标是建立一个适合于铣削、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。2001年秋季，Super Model 项目与韩国开展的国际IMS STEP-NC项目中的内容合并。2000年6月韩国POHANG科技大学的STEP-NC技术国家研究实验室NRL-SNT开始了为期5年（分2个阶段进行）的STEP-NC研究计划，重点开展车削STEP-NC中从数据模型到智能化加工相关技术的研究。日本于2001年启动了名为“数字大师” （DIIGITAL MASTER）的项目，虽然该项目未列入国际IMS STEP-NC项目中，但研究工作与STEP-NC建模有关。国际IMS STEP-NC项目于2001年夏季启动，参加的国家与地区有欧盟、瑞士、美国以及韩国等，并于2003年在德国的亚琛（Aachen）市开始实施了一个 IMS STEP-NC车间。

　　韩国为了使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、管理体系。2000年年底，该公司完成了第一阶段的目标，在第三届IRB （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的基础上开发出了STEP-NC接口。

　　此后，STEP-NC 组织在世界范围内召开了一系列会议，如2001年在德国汉诺威（Hanover）召开了开展STEP-NC工作的会议，确定了最终用户、系统供应商、以及学术研究伙伴的组成。2001年10月在德国亚琛（Aachen）召开了用于铣削的会议，由最终用户对基于西门子的2维半铣削加工解决方案进行了检测及评估。2001年11月在意大利召开了STEP-NC的轮廓切削试验会议，对第一个用于木材、玻璃及石材轮廓切削的STEP-NC原型进行了检测及评价。 2002年8月在德国斯图加特讨论了车削工艺，制定了开展后续工作的时刻表。2001年12月在瑞士日内瓦会议上对第一个用于电火花加工的原型STEP- NC系统进行了测试及评估。2002年9月在德国乌尔姆讨论了将CMM集成到STEP-NC中的可能性。2002年11月在德国斯图加特会议中确定了检验、电火花加工以及轮廓切削中的关键要素。2002年10月IMS STEP-NC项目会议讨论了用于AP238协议的车削数据模型及相关注释。找到了车削模型中的注释解决方案。2002年12月在美国Boeing公司用 CATIL软件生成了一个STEP-NC零件程序，然后在西门子公司的一台具有STEP-NC功能的机床上进行了运行，证明STEP-NC可支持多种不依赖于NC编程的机床。2003年6月在德国斯图加特会议上介绍了铣削、车削、电火花加工以及轮廓切削的当前进展。2003年3月12日召开的IMS STEP-NC 会议，主要的议题是数据交换的方式，STEP Tools公司演示了将AP-203文件格式（STEP标准）快速转换成AP238文件格式（STEP-NC标准）的过程。2004年10月将在德国亚琛 （Aachen）召开STEP-NC检测方面的会议，内容涉及：讨论用于检测内容的数据模型定义的进展工作、讨论STEP-NC检测中关键问题的解决方案。