基于STEP-NC 的數(shù)字化設(shè)計和制造制造設(shè)計基于數(shù)

基于 STEP-NC的數(shù)字化設(shè)計和制造 喻佩佩 （ 常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇 常州 213011） 摘 要 ： 隨著制造技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 對于 CNC 的要求越來越高 ， 傳統(tǒng)的 G/M 代碼已經(jīng)成為現(xiàn)代先進制造技術(shù)的瓶頸。而基于 STEP 標準的 STEP-NC 將為現(xiàn)代 CNC 的高速和高精度加工提供條件。 關(guān)鍵詞 ： STEP-NC； CAD/CAM； 數(shù)字化制造 1： 當(dāng)前 NC系統(tǒng)面臨的問題： 自 1952年世界上的第一臺數(shù)控機床在美國 MIT誕生以來 ， 數(shù)控技術(shù)得到迅猛的發(fā)展 ， 由初期的晶體管分立元件系統(tǒng)發(fā)展到了今天基于 PC的開放 式計算機數(shù)控系統(tǒng)。 盡管近年來硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展給 CNC的高速 和 高精度加工提供了保證 ， 但由于目前在工業(yè)化應(yīng)用中的 NC所采用的編程方式還是基于 50多年前開發(fā)的 ISO6983(G/M代碼）標準。這種代碼僅包括一些簡單的運動指令和輔助指令 ， 而不包含零件幾何形狀、刀具路徑生成、刀具選擇等信息 ， 因此需人工干預(yù)確定這些數(shù)據(jù) ， 導(dǎo)致編程效率低等問題。隨著計算機輔助系統(tǒng) CAX技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 ， 該標準已成為制約數(shù)控技術(shù)乃至自動化制造發(fā)展過程中的瓶頸問題。 2： STEP和 CAD/CAM的集成： 自 上個世紀 80年代以來 ， 人們已開始通過采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型 STEP(ISO10303)標準來實現(xiàn) CAD/CAM 系統(tǒng)間的集成。 STEP 標準中的應(yīng)用協(xié)議 AP203 通過邊界描述來定義零件實體模型 ， CAM系統(tǒng)通過讀取 CAD系統(tǒng)生成的 AP203文件獲取零件的信息內(nèi)容 ， 運用工藝設(shè)計知識 ,設(shè)計合理的加工工藝 ， 選擇優(yōu)化的加工參數(shù)和加工設(shè)備 ， 自動生成零件的 NC加工程序 。 3： STEP-NC的研究現(xiàn)狀： 雖然采用 STEP標準實現(xiàn)了 CAD/CAM間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享 ,但是 傳輸 到 CNC仍是單向流動 ，制造過程中下游的信息不能反饋給上游 ， 而 STEP-NC 的出現(xiàn)和基于 STEP-NC/STEP 的全零件信息建模為系統(tǒng)集成提供了一條有效的途徑 ，它是 一個面向?qū)ο蟮男滦?NC編程數(shù)據(jù)接口國際標準（ ISO 14649） ， 包括 13個部分 ， 分 3個階段發(fā)布 ， 目前已發(fā)布有：基本概念和原理規(guī)則、通用標準、數(shù)控銑削加工工藝、銑削刀具等幾個部分。 近幾年 ， 歐美已經(jīng)啟動了幾個有關(guān) STEP-NC的項目 ， 如 OPTIMAL,MATRAS,STEP-NC等 ， 其中歐 洲的 STEP-NC項目 旨在實現(xiàn)和測試銑削加工數(shù)據(jù)接 口 ， 共有 20多個 CAD/CAM、 NC和數(shù)控機床領(lǐng)域的企業(yè)和研究機構(gòu)參與 了該項目的研究工作 。 2001年 ， 符合 STEP-NC標準的二維半和三維數(shù)控銑削加工過程已經(jīng)在德國 Siemens、意大利 FIDIA公司以及歐洲開放式體系結(jié)構(gòu)的CNC原型系統(tǒng)中得以實現(xiàn) ， 其性能已在實驗室環(huán)境中得到驗 證。 4： STEP-NC的數(shù)據(jù)模型： 一個基于 STEP-NC的數(shù)控加工程序由幾何信息和工藝信息組成。幾何信息采用 STEP數(shù)據(jù)格式描述 ， CNC系統(tǒng)可以直接從 CAD系統(tǒng)讀取 STEP數(shù)據(jù)文件 ， 從而消除了由于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換而可能導(dǎo)致的精度降低問題 。 STEP-NC定義了一種稱為 AP-238的應(yīng)用協(xié)議 ， 要求 STEP系統(tǒng)直接使用符合 STEP標準的 CAD三維 產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型（包括工件三維幾何數(shù)據(jù)與制造特征信息）、加工工藝信息和刀具信息 ，產(chǎn)生加工程序 ， 進而控制加工過程。其間 CAM系統(tǒng)只負責(zé)加入工藝信息和刀具信息而不必進行常規(guī)自動編程系統(tǒng)中的后置處理操作。圖 1所示為一個簡化 STEP-NC數(shù)據(jù)模型 。 圖一： STEP-NC的簡化數(shù)據(jù)模型 圖 1中的工件是指最終的零件成品 ， 工件上需要去除材料的區(qū)域由一系列加工特征定義。零件的加工過程被定義成若干個工步序列 ， 一個基于零件加工特征的加工步驟決定了哪些加工操作（如鉆、銑削）將被執(zhí)行 ， 同時這 里的操作本身也符合 ISO 14649中采用的面向?qū)ο蟮母拍?， 它包含了工藝信息、刀具信息、加工策略和刀具路徑等信息。 5：基于 STEP-NC的 CAPP和 CNC: 基于 STEP-NC的 CAPP系統(tǒng)與傳統(tǒng) CAPP系統(tǒng)在功能上有很大的區(qū)別 ， 其最突出的特點是基于特征的工藝設(shè)計 ， 并能與 CAD、 CNC系統(tǒng)實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換。它不但包含傳統(tǒng) CAPP所具有的功能 ,而且還具有特征識別 /特征映射能力以及 CAM的功能。 傳統(tǒng)的 CNC系統(tǒng)是封閉的、不開放的 ， 用戶無法對其內(nèi)部進行任何修改和擴充 ； NC程序用 G/M代碼表示 ， 它傳遞給 CNC系 統(tǒng)是有限的刀具運動位置和速度信息 ， 由于 CNC缺乏對高層信息的了解 ， 使得它僅僅是一個被動的執(zhí)行機構(gòu)。而基于 STEP-NC的 CNC系統(tǒng)由于獲取了豐富的零件幾何和制造信息 ， 因此它具有一定的自主性和智能性。同時由于采用統(tǒng)一的 STEP-NC數(shù)據(jù)模型描述各種制造信息 ， 這使得 CNC系統(tǒng)實現(xiàn)了與上游的 CAD/CAPP系統(tǒng)進行雙向的數(shù)據(jù)交流 ,而這正是實施并行工程的基礎(chǔ)和前提?；?STEP-NC的 CAD/CAPP/CNC的集成系統(tǒng)框圖如圖 2所示。 圖 2 基于 STEP NC的 CAD/CAPPCNC集成系統(tǒng) 6： CAD/CAPP/CNC系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn) ： 6.1：特征識別和特征映射 ： 特征識別和特征映射是本系統(tǒng)成功的關(guān)鍵技術(shù) ， 也是難點所在 ， 為了提高系統(tǒng)的實用性 ,本系統(tǒng)具備自動特征識別和交互式識別兩種方式。系統(tǒng)采用 Pro/E軟件進行零件設(shè)計 ,然后利用該軟件的接口技術(shù) ， 自動生成包含零件幾何信息的 STEP中性文件 ， 通過特征識別模塊從 STEP中性文件識別出零件的幾何特征信息。特征映射模塊是將識別出的幾何特征映射成相應(yīng)的制造特征 ， 并加入相應(yīng)的工藝信息 ， 從而形成 CAPP所需要的零件制造特征模型。 6.2： STEP-NC數(shù)據(jù)模型的擴充 和基于 STEP-NC信息模型 ： STEP-NC數(shù)據(jù)模型是實現(xiàn) CAD/CAPP/CNC系統(tǒng)集成的前提和必要條件 ， 為了真正地實現(xiàn)系統(tǒng)間的無縫集成 ， 我們還必須對 STEP-NC數(shù)據(jù)模型進行擴充和修改 ， 這是因為雖然在 STEP-NC數(shù)據(jù)模型中包含了幾何、制造特征、制造方法、刀具和工序等信息內(nèi)容 ， 但是它還有不完善的地方 ， 如在 Machiningoperation實體中沒有涉及到設(shè)備和工藝裝備信息 ， 在 Workplan實體中未考慮熱處理、材料運輸?shù)刃畔?。因此我們通過對 STEP-NC數(shù)據(jù)模型進行延伸和拓展 ， 建立統(tǒng)一的基于 STEP-NC數(shù)據(jù)模型的零件信息庫、工藝信息庫和制造資源庫 ， 利用 XML數(shù)據(jù)表達技術(shù) ， 實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換與傳送 ， 從而使得 CAD、 CAPP、 CNC系統(tǒng)在 STEP-NC基礎(chǔ)上真正實現(xiàn)信息的交換和共享。 例如 ， 對于設(shè)備和工藝裝備信息我們首先分別定義一個設(shè)備實體和工藝裝備實體 ， 然后在 Machiningoperation實體中添加一個設(shè)備屬性和工藝裝備屬性。這里我們用黑體表示新定義的內(nèi)容 ， 它們分別描述如下 : ENTITY machine； its_id:identifer； its_tools:SET1:nofmachining_tool； END_ENTITY； ENTITY fixture； its_id:identifer； END_ENTITY； ENTITY machining_operation ABSTRACT SUPERTYPE SUBTYPE OF(operation)； its_id:identifer； its_machining_strategy:OPTIONAL machining_strategy； retract_lane:OPTIONAL length_measure； cut_start_point:OPTIONAL cartesion_point； its_machine:machine； its_fixture:OPTIONAL fixtur； its_tool:machiningtool； its_technology:technology； its_machine_unctions:machine_unctions； WHERE WR1:cut_start_point.coordinates2=0； ENDENTITY； 設(shè)備實體 Machine具有兩個屬性 ： its_id(標識 符 )和 its_tools(刀具 )， 對于任何一臺設(shè)備 ， 標識符是唯一的 ， 刀具屬性是一個設(shè)備上安裝的所有刀具的集合 ； 工藝裝備實體 Fixture僅含有一個唯一的標識符屬性。 7：基于 STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)的機構(gòu)設(shè)計： 目前 ， STEP基準已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于 CAD/CAPP/CAM系統(tǒng) ， 因而基于 STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)可直接讀取 CAD/CAM系統(tǒng)輸出的 STEP文件（ AP238）。同時傳統(tǒng)的 STEP-NC統(tǒng)中的加工編程后處理器在基于 STEP-NC的 CAD-CAM-CNC的過程中也會消失 ， 取而代之的是在 CAD/CAM系統(tǒng)中 加入STEP-NC插件以便直接輸出 AP238文件。 圖 3：基于 STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 圖 3為一種采用了 STEP-NC標準的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 ， 該結(jié)構(gòu)模型包含了當(dāng)前 STEP-NC與數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的 3種模式。模式 1嚴格來說只是一種過渡形式 ， 上層符合 STEP標準的 CAD/CAM系統(tǒng)與 STEP-NC接口實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)流動 ， 下層通過增加符合 STEP-NC標準代碼轉(zhuǎn)換接 口 ， 將STEP-NC數(shù)據(jù)代碼轉(zhuǎn)換為 G/M等代碼 ， 進而實現(xiàn)對現(xiàn)行數(shù)控系統(tǒng)的控制。模式 2是一種比較簡單、初級的模式 ， 與模式 1的區(qū)別在于下層采用了新型 STEP-NC控制器 ， 直接讀取 STEP數(shù)據(jù)格式加工文件。模式 3是模式 2的發(fā)展與完善 ， 它 將 設(shè)計層與車間層之間的功能重新劃分 ， 實現(xiàn)CAM系統(tǒng)宏觀規(guī)劃與 CAD系統(tǒng)集成、微觀功能與車間層的 SFP（ Shop Floor Programming） 集成。模式 3中還建立了基于 STEP-NC的智能分析模塊 ， 實現(xiàn)各種智能化操作 ， 包括：刀軌生成、刀具的自動選擇、刀具監(jiān)控、誤差 檢測補償、在線測量和突發(fā)事件處理等許多數(shù)控系統(tǒng)的高級功能 ， 以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量 。 8: 基于 STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 : 目前大部分的 STEP-NC標準尚未完成 ， 國際上對基于 STEP-NC的數(shù)控技術(shù)的研究也還處于起步階段 ， 但已有的研究成果表明 ， 它必將會對數(shù)控技術(shù)乃至制造業(yè)帶來深遠的影響。主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1）數(shù)控機床將 以更加高效、易于理解和操作更方便、描述性更強的數(shù)控語言 替代 沿用已久的 G/M等代碼。這種數(shù)控程序通過一系列的加工任務(wù)（ 工作步驟） 描述制造過程中的所有操作 ， 以面向?qū)ο螅?而 非 面向動作） 的編程使得現(xiàn)場編程界面大為改觀。 （ 2） CAD/CAM/CNC之間將會實現(xiàn)無縫連接。 CAD/CAM與 CNC的雙向數(shù)據(jù)流動 ， 使得設(shè)計部門能夠清 楚地了解到加工實況 ， 并且可根據(jù)現(xiàn)場編程返回的信息對生產(chǎn)規(guī)劃進行及時快速的調(diào)整 ， 生產(chǎn)效率將得到極大的提高。 （ 3）網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計 /制造 成為現(xiàn)實。現(xiàn)代制造企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)共享各種信息 ， 同時由于全球制造企業(yè)采用統(tǒng)一的 STEP-NC數(shù)據(jù)接口標準 ， 企業(yè)之間的數(shù)據(jù)流動可以在基于 PC機的 CNC機床與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間直接進行 ， 操作人員只需要對數(shù)據(jù)庫中的三維工件模型進行簡單的參數(shù)設(shè)置 ， 就可以使機床實現(xiàn)預(yù)期動作。 （ 4） 實現(xiàn)完全意義上的開放式智能數(shù)控系統(tǒng)。由于 G/M代碼的加工信息量過少 ， 因此各機床生產(chǎn)商對代碼都進行了基本語義外的擴展 ， 造成各種類型的數(shù)控機床控制系統(tǒng)之間互不兼容 ， 嚴重阻礙了數(shù)據(jù)的交流和信息共享 ， 系統(tǒng)開放式難以實現(xiàn)。 而 采用 STEP-NC標準 ， 其數(shù)據(jù)格式和接口標準完全一致 ， 且 STEP-NC數(shù)據(jù)包含了加工產(chǎn)品所需的所有信息 ， 使程序具有良好的互操作性和可移植性 ， 為 CNC系統(tǒng)的開放性和智能化奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。 （ 5）生產(chǎn)效率將得到極大的提高。加工數(shù)據(jù)流在整個加工過程中可以迅速地在各個部門、各個企業(yè)甚至國際間進行訪問和共享 ， CAD/CAM與 CNC之間的瓶頸效應(yīng)也不復(fù)存在 ， 產(chǎn)品