STEP兼容式数控技术加工研究进展

0 引言

　　数控(Numerical contr01，NC)是数字制造的起源，是先进制造的核心技术之一。现代的计算机数控(computer Numerical control，CNC)机床在注重单机高速、高效、高精度、高可靠性的同时，正向着开放性、智能化、网络化等方向发展。同时，随着计算机辅助设计(computer Aided Design，CAD)和计算机辅助制造(computer Aided Manufacturing，CAM)技术在数控编程和加工领域的广泛应用，如何实现CAD／CAM系统与CNC机床的集成，成为学术界和制造业关注的焦点。于是，人们提出了一种与产品模型数据交换标准(STandard for theExchange of Product model data，STEP)(ISO10303)兼容的数控数据接口(STEP-compliant NCdata interface，STEP—NC)，作为新的数控编程规范来取代目前广泛应用的ISO 6983(G代码)。经过数年的研发和论证，STEP—NC的基本数据模型已被接受为国际标准(ISO 14649)。学术界普遍认为，充分利用这种sTEP兼容式的数控加工(STEP—Compliant Nc Manufacture)将会极大地提高制造业的竞争力。同时人们也意识到，以STEP—NC取代传统的G代码编程不但是CAM与CNC接口的改变，而且是对现代制造系统及技术的巨大挑战和发展机遇。

　　STEP-NC最早由欧洲的OPTIMAL(EsPRITIII 8643，1994～1997)项目组提出，该计划针对铣削工艺定义了第一版sTEP—Nc数据模型。2000年前后，欧共体、瑞士、美国、韩国等相继启动了STEP—NC研究计划，并共同承担了智能制造系统(Intelli—gent Manufacturing system，IMs)组织的研究项目(IMS STEP-NC)。STEP—Nc随之成为世界性的研究热点，文献[5]对此作了较为详尽的综述。近年来，随着数据模型和验证系统的研发，STEP兼容式数控加工的实现方法和技术逐渐成为STEP-NC研究的重点，如何实现和推广STEP—NC在数控加工领域的应用，以及如何借助STEP—NC实现相关系统的无缝集成，已成为学术界和企业界共同追逐的目标。

1 STEP-NC概要

　　1.1 基本思想和特点

　　如图1所示，STEP-NC要求数控编程摈弃过去那种描述具体机床动作和刀具运动的做法，而是采用与CAD／cAM模型兼容的数据模型作为CAM系统与CNC之间的数据接口，以面向对象的方式采用高级语言描述加工任务。

图1  STEP—NC数据接口

　　STEP—NC不依赖于具体的CAM系统或数控系统，因而既有利于数控编程，又提高了数控程序的可移植性;其次，基于STEP—NC的数控程序较全面地描述工件的制造信息，为现场检查甚至优化加工方案(智能加工)提供了基础条件；再次，STEP—NC将STEP的应用范围延伸到底层制造领域，从而实现CAD，CAM，CNC之间的无缝连接，减少中间环节，使产品设计与制造系统之间的信息流动更加通畅，而且可以基于同一数据模型实现加工现场数据的回溯，对于加工过程的数据更新、方案优化和知识获取等有着重要的意义。另外，STEP—NC的这些特点使得产品的设计和制造可以摆脱系统平台和物理位置的束缚，实现异地设计、异地规划和异地制造的目标，为并行工程、敏捷制造等先进生产模式提供了技术基础。

1.2 核心概念

　　STEP-NC是一种旨在全面描述零件几何信息和数控加工工艺信息的数据模型。它将面向对象的方法引入到数控编程领域，通过特征、工步等一系列特有的概念描述零件的数控加工同题。

　　特征是工件上具有特定几何形状的一部分。STEP—NC中的特征专指制造特征(manufacturingfeature)，与cAD中的特征概念之间没有一一对应的关系。其制造特征分为域特征(region)、2．5轴制造特征(Tw05D manufacturing feature)和过渡特征(transition feature)。

　　零件的加工是通过对工件上一系列特征的加工来实现的，具体方法称为操作。Iso 14649中，操作可以是对工件某一部分进行加工处理的过程，即机加工操作(machining—operation)，也可以是一次快速移动(rapitmovement)或探测(toucn—probing)。根据加工工艺的不同，机加工操作可以是铣削操作(milling—machining—operation)，也可以是车削(turning—machining—operation)或其他操作。通常一个机加工操作中不能有刀具或工艺参数(tech—nology)的变动。具体操作信息通常包括工艺方法、刀具(machining_tool)、走刀策略(strategy)、工艺参数、机床辅助功能(machine_functions)等。

　　STEP-NC程序的执行顺序是通过一系列可执行体(executable)来体现的。值得一提的是，操作虽然是特征的具体实现方法，但它本身不是可执行体。可执行体包括工作计划(workplan)、Nc功能(NC function)和工步(workingstep)。其中工步是对工件制造过程中机床具体动作的概括性描述，即运用一定的操作(operation)完成某一任务，被认为是STEP NC数控程序的基本单位。

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