分析在数控行业中STEP-NC兴起原因

　　1 G代码对数控技术发展的阻碍

　　1.1 数控技术的发展趋势

　　自从1952年美国麻省理工学院伺服机构实验室研制出世界上第一台三坐标数控铣床以来，数控系统在制造工业，特别是航空航天工业中被广泛应用。数控技术无论在硬件或软件方面，发展都很快，已经经历了六代。随着技术、市场、生产组织结构等方面的快速变化，数控技术发展面临着许多新的挑战。不断出现新的加工需求，要求数控系统具有快速、高效、经济的面向客户的模块化和软/硬件重构能力;改变以往数控系统的封闭性设计模式，降低生产厂家对控制系统的高依赖性和对数控软/硬件，以及控制策略的耦合性，适应未来车间面向任务和订单的生产模式。要想达到这一目的，最有效的途径就是实现开放性。能够让数控系统的制造商、集成者和用户自由地选择数控装置、驱动装置、伺服电动机和应用软件等数控系统的各个组成要素，用规范的、简单的方法将这些要素组合起来，完成某一任务，这样就出现了开放式数控系统。

　　目前开放式数控系统还缺乏统一、明确的概念。美国电气和电子工程师协会(IEEE)是这样定义开放系统的：“具有下列特性的系统可称为开放系统：符合系统规范的应用，可运行在多个销售商的不同平台上，可与其他的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面”。针对开放式数控系统的应用需求，普遍认为，开放式数控系统具有以下五个基本特征：可互换性、可移植性、可伸缩性、互操作性和可扩展性。这也是衡量数控系统开放程度的准则。

　　20世纪80年代，美国发起了下一代控制器(Next Generation Controller，NGC)的计划，企图通过联合行动实现基于互操作和分级式软件模块的“开放体系结构标准规范”(Specification for an Open System Architeeture Standard，SOSAS)，以达到加强其工业基础，恢复其制造业霸主地位的目的，在世界范围掀起了新一轮竞争。自1992年以来，欧盟、美国和日本等制造业发达国家相继开展了大规模的开放式数控系统的国际化工程，主要有：欧洲OSACA项目、日本OSEC项目和美国OMAC项目。

　　目前，对于数控系统的研究已经超越了开放式数控的研究，向着更深的内涵和更广的外延方向发展。从内涵方面发展看，数控系统正向着高性能、网络化和智能化的方向发展。其中智能化主要表现为加工运动规划、推理决策能力，以及加工环境的感知能力、制造网络数控系统通信能力、智能编程和智能监控等。通过采用先进的自适应、自动调节技术和人工智能技术，使得数控系统中具有模拟、延伸和扩展的智能行为的知识处理活动。智能数控系统通过对影响加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、切削深度、坐标移动和主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态，保证产品的生产在最佳状态下生产率最高。数控系统的外延也不断扩展，表现为各种先进制造模式的不断出现和发展，比如并行工程、敏捷制造、动态联盟、柔性制造和集成制造等，这些制造模式实际上是将企业内部的不同部门或是不同企业之间的资源整合，实现优势互补，快速响应市场需要，打破了传统制造模式，而更加适应多元的市场需要。

　　综上所述，可以看出随着数控系统的不断发展，对其提出了相对于传统数控更高的要求，但是也出现了如下一些问题。

　　对开放式数控系统来说，真正的开放式，其接口必须符合标准。数控系统的接口可分为两组——外部接口和内部接口。其中外部接口包括数控系统与企业管理网的接口、与伺服系统及I/O设备的接口以及数控加工程序接口。而目前加工程序接口G代码虽然符合ISO6983，但是各个厂商对其进行扩展，导致其对相应硬件的依赖，导致程序接口不可能实现真正的开放。而从数控系统的内涵发展来看，要实现数控系统的智能化，数控系统必须了解产品加工特征的几何信息和各种加工工艺信息等整体数据模型，才能进行路径规划和智能推理决策，以便通过自适应采取相应的加工决策。而目前G代码却没有包含这些信息，只是包含了坐标轴控制的一些简单信息和一些辅助功能信息;从数控系统的外延发展趋势来看，不同企业间必须能够进行产品全生命周期数据模型的交流和共享，才能进行合作和优势互补。但是用于加工零件的G代码却依赖于相应的硬件，不具有互换性。

　　1.2 G代码的缺点

　　1)现场编程或修改非常困难，对于稍具复杂性的加工对象，G代码一般需要事先由后处理程序生成，增加了信息流失或出错的可能性。

　　2)G代码只定义了机床各个坐标轴对刀具中心的运动和开关动作，是一种面向过程的编程代码，而不包含产品数据的其他信息，因此CNC系统不可能获得完整的产品信息，更不可能真正实现智能化。

　　3)从CAD/CAM系统到CNC系统的传输过程是单向的，难以支持先进制造模式。

　　4)由于厂商和最终用户开发的许多扩展功能未能标准化，因此零件程序在不同的数控系统之间不具有互换性。

　　5)在机床上不能实现实时刀具路径生成、碰撞、检验、图形加工可视化和复杂NC程序修改等功能。

　　6)ISO6983和它的扩展部分在不同的数控机床和计算机辅助系统(CAX)之间不能进行双向数据交换。

　　由此可见，尽管G代码在全世界范围被广泛接受和使用，但是逐渐成为数控技术进一步发展的瓶颈，需要一种新的数控加工程序标准来解决上述问题。

　　2 STEP的出现和发展

　　随着经济全球化趋势的不断发展;使得制造产业、制造技术和产品逐步走向国际化，导致制造业在全球范围内重新分布和组合。正是在这种背景和需求下，随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，网络化制造产生并得到很快的发展。网络化制造是利用先进制造技术、网络技术和现代通讯技术，根据市场和用户的需求，针对某一具体产品，为弥补企业自身制造能力的不足，需从其他企业获得制造资源和技术资源的支持，迅速将在地理位置上分散的企业联合起来，构建一个相互协作、优势互补的虚拟企业联盟，充分利用各联盟企业的制造资源和技术资源，以最快的速度以及合理成本实现产品生产制造的过程。

　　网络化制造的最显著特征是快速、柔性、资源和信息的共享。网络化制造的实质是动态联盟的组建。无论是在动态联盟组建过程中，还是动态联盟组建后的实际实施过程中，动态联盟各盟员间都需要进行信息的交互。但是，各盟员间的计算机系统和网络系统是异构的;信息处理为多平台;各盟员间的CAX、产品数据管理(PDM)和企业资源计划(ERP)也是千差万别，存在着不兼容性;产品形式复杂多样，信息间的关系错综复杂，涉及到产品的全生命周期。因而，在这种分布、异构和异质环境中，如何实现信息集成与共享、信息的高效传输是网络化制造的基础和核心。

　　为了解决这一难题，世界各国研制开发了各种不同的图形交换标准，如美国的DXF、IGES、PDES，法国的SET，德国的VDAIS、VDAFS，ISO的产品模型数据交换标准(Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP)等。其中，运用比较广泛的是美国的初始图形交换规范(Initial Graphics Exchange Specification，IGES)和ISO的STEP标准。IGES图形交换标准出现较早，1980发布第一版，之后为了适应CAD/CAM领域软/硬件技术的发展，进行了三次修改，其第四版于1988年发布。STEP国际标准1994年才真正形成，但是由于它具有前者所没有的种种优点，因此大有取代前者的趋势。

　　国际标准化组织ISO制定的产品数据模型的表达和交换标准STEP(国标ISO10303)，是关于数字化产品信息表达与交换的国际标准，涉及几何、拓扑、公差、属性和装配关系等的表达与交换，旨在为产品全生命周期内的数据交换提供统一的规范，解决制造业中计算机环境下设计和制造(CAD/CAM)的数据交换和企业数据共享的问题。STEP标准提供了一种不依赖具体系统，能够描述产品全生命周期的中性机制，在产品的全生命周期做到信息共享。

　　STEP最大的优点在于其开放性的结构和可扩展性。它拥有自己的信息描述语言EXPRESS。这种语言是目前唯一广泛采用的可以描述三维实体复杂性的语言，既能描述任意工程信息的结构，也能描述其间的约束关系。因此，利用EXPRESS语言可以将STEP向任意应用领域扩展。目前每年举行3次由世界范围内200多名产品数据专家参加的STEP修定会，负责STEP的创建、维护和扩展工作。

　　STEP标准为制造信息集成与共享提供一种方法和工具。因而，为了实现动态联盟各盟员间信息的集成与共享，须采用STEP标准的建模方法进行系统信息的分析，并用EXPRESS表达最终的信息模型。

　　当前，常用的CAD软件都支持STEP标准应用协议(如AP203、AP214)的子集，从而为CAD系统之间的产品数据共享提供了基础。CAD下游的各专业应用系统，包括CAM、CAE、CAPP等，也可以STEP中性文件为基础，实现与CAD的系统集成。同时，STEP中性文件还为产品数据在不同版本的CAX系统之间的继承提供了可能，使产品开发和设计具有延续性。