基于STEP-NC的軸類(lèi)零件車(chē)削系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

虎智猛，黃曉明

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)校，昆明 650203）

1 STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)概述

STEP-NC是一個(gè)新的NC編程接口標(biāo)準(zhǔn)（ISO-14649），全稱(chēng)是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的數(shù)據(jù)模型（Data Model for Computerized Numerical Controllers）。它是STEP標(biāo)準(zhǔn)在NC領(lǐng)域內(nèi)的擴(kuò)展，是CAD/CAM/CNC之間的新的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)[1]。

STEP-NC的基本原理是基于制造特征進(jìn)行編程而不是直接對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程，它的本質(zhì)特征是面向?qū)ο竺枋黾庸な裁础TEP-NC用工步（Working steps）指定加工過(guò)程，工步將加工特征和具體操作聯(lián)系起來(lái)。STEP-NC包含了工件的所有加工任務(wù)，通過(guò)這一系列加工任務(wù)對(duì)從零件毛坯到最終成品所有的操作加以描述提供了更高層次的信息給加工車(chē)間。其幾何信息描述和文件格式與STEP標(biāo)準(zhǔn)完全一致。一個(gè)基于STEP-NC的程序由幾何信息和工藝信息描述組成，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)格式轉(zhuǎn)換可能導(dǎo)致的精度降低的問(wèn)題。工藝信息描述部分包括所有工步的詳細(xì)完整定義如特征代碼、刀具數(shù)據(jù)、機(jī)床功能、加工策略及其它數(shù)據(jù)[2]。

由此可以看出，基于STEP-NC的CAM系統(tǒng)意義上發(fā)生了變化，從功能上看更類(lèi)似于一個(gè)CAPP系統(tǒng)。一個(gè)NC程序就是特征的幾何信息加上必要的工藝信息，而刀具運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算等任務(wù)則由CNC系統(tǒng)處理，CNC系統(tǒng)負(fù)責(zé)把工步轉(zhuǎn)換成機(jī)床坐標(biāo)軸和刀具的運(yùn)動(dòng)。而且基于STEP-NC的CNC技術(shù)是真正實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式集成制造環(huán)境和協(xié)同制造的基礎(chǔ)，具有極其重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

本文所研究的軸類(lèi)零件的STEP-NC文件生成系統(tǒng)主要是針對(duì)車(chē)削加工的，即該系統(tǒng)生成的STEP-NC文件將作為具備STEP-NC控制器的數(shù)控車(chē)床的加工程序，用以實(shí)際加工零件。該系統(tǒng)既能生成具有一般制造企業(yè)的軸類(lèi)零件的STEP-NC文件（程序）G代碼，同時(shí)也能生成傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的G代碼，因此該系統(tǒng)在普及STEP-NC程序過(guò)程中將起到過(guò)渡作用。

本系統(tǒng)的構(gòu)思完全依據(jù)STEP-NC的數(shù)據(jù)模型和程序結(jié)構(gòu)的理論要求，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是在軸類(lèi)零件三維造型的基礎(chǔ)上，根據(jù)STEP-NC的實(shí)現(xiàn)方式自動(dòng)生成STEP-NC文件。由于STEP-NC的控制器研究還處于初級(jí)階段，因此該系統(tǒng)生成的STEP-NC文件需轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)的G代碼，在現(xiàn)有的數(shù)控車(chē)床上進(jìn)行一致性測(cè)試，以滿(mǎn)足STEP-NC的基本要求。

系統(tǒng)所生成的STEP-NC文件使用EXPRESS語(yǔ)言進(jìn)行描述，容易被計(jì)算機(jī)識(shí)別，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)在全生命周期中的共享與交換要求。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了自動(dòng)生成符合ISO 14649標(biāo)準(zhǔn)的STEP-NC文件，結(jié)合軸類(lèi)零件的加工特點(diǎn)，系統(tǒng)首先對(duì)軸的各特征進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)獲取零件造型的相應(yīng)的幾何信息（AP203文件），通過(guò)特征識(shí)別，可以直接得到加工該特征所需的刀具描述和零件的制造特征；然后通過(guò)文件頭信息模塊、毛坯描述模塊、坐標(biāo)系及裝夾定位描述模塊、加工參數(shù)描述模塊、刀具庫(kù)模塊和工步描述模塊，生成符合STEP-NC要求的工步描述，并將其按照加工順序進(jìn)行排列，最終生成STEP-NC文件。

在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，系統(tǒng)主要利用SolidWorks軟件的設(shè)計(jì)模塊和其強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)功能，使系統(tǒng)直接讀取利用SolidWorks軟件所設(shè)計(jì)的軸類(lèi)零件的CAD模型。在此基礎(chǔ)上，利用Visual Basic語(yǔ)言對(duì)SolidWorks 2005進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)文件頭信息、毛坯描述、坐標(biāo)系及裝夾定位描述、加工參數(shù)描述、刀具庫(kù)、工步描述和特征信息提取七個(gè)功能模塊，其中在特征信息提取模塊中，生成零件各特征表面的幾何信息和加工參數(shù)，最終生成符合STEP標(biāo)準(zhǔn)的STEP-NC文件，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的驗(yàn)證，在本模塊中還可以生成傳統(tǒng)的數(shù)控程序（G代碼）。根據(jù)以上分析，得到系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)功能模塊及其實(shí)現(xiàn)流程

根據(jù)ISO 14649標(biāo)準(zhǔn)，本文將STEP-NC系統(tǒng)分為七個(gè)主要的功能模塊：文件頭信息、毛坯描述、坐標(biāo)系及裝夾定位描述、加工參數(shù)描述、刀具庫(kù)、工步描述和特征幾何信息模塊。前六個(gè)模塊均可通過(guò)窗體進(jìn)行人機(jī)交互對(duì)話(huà)得到所需數(shù)據(jù)，并在各窗體之間進(jìn)行傳遞，而特征幾何信息模塊需要完成四個(gè)功能：制造特征信息（包括生成AP203、AP214、AP224文件三個(gè)子菜單）、加工信息、生成STEP-NC文件、生成G代碼。七個(gè)模塊分別實(shí)現(xiàn)各自相應(yīng)的功能，并且它們之間相互緊密聯(lián)系。系統(tǒng)的整個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)流程圖

5 生成插件

為了在SlidWorks環(huán)境中更方便快捷地運(yùn)行該系統(tǒng)，本文將實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的程序編譯成了一個(gè)*.DLL文件，并將其做成SolidWorks的一個(gè)插件（STEP－NC），使之集成于SolidWorks軟件，并為后續(xù)研究提供了工具。如圖3所示。

圖3 添加名稱(chēng)為STEP-NC的插件

6 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

在SolidWorks零件環(huán)境中，單擊“【工具】”“【插件】”，選擇“STEP-NC”，此時(shí)在SolidWorks環(huán)境中就加入了一個(gè)名為“【STEP-NC】”的菜單，單擊該菜單下的子菜單“運(yùn)行系統(tǒng)”，則出現(xiàn)圖4所示的系統(tǒng)主頁(yè)面。

圖4 系統(tǒng)主頁(yè)

圖5a 運(yùn)行前

圖5b 運(yùn)行后

按“文件頭信息”、“毛坯信息”等依次進(jìn)入各功能模塊，并輸入相應(yīng)信息。圖5顯示了“刀具庫(kù)”的運(yùn)行情況，其中圖5a顯示的是選擇刀具前的情況，當(dāng)在下拉組合框中選中“外圓粗車(chē)刀”時(shí)，刀具常用角度列表框中自動(dòng)輸入外圓粗車(chē)刀的各角度值，該值可以進(jìn)行人工調(diào)整，圖5b顯示的是選擇粗車(chē)刀后的情況。

進(jìn)入“特征信息及驗(yàn)證”界面后，出現(xiàn)四個(gè)菜單：“制造特征信息”、“生成加工信息”、“生成G代碼”和“生成STEP-NC”，首先選擇“生成加工信息”，則得到圖6所示結(jié)果。

接下來(lái)，單擊“生成G代碼”，則在系統(tǒng)環(huán)境中出現(xiàn)如圖7所示的提示，并且此時(shí)在C盤(pán)根目錄下產(chǎn)生一個(gè)名為“CNC.txt”的文本文件。

圖6 “生成加工信息”的運(yùn)行結(jié)果

圖7 “生成G代碼”的運(yùn)行結(jié)果

最后將所生成的“CNC.txt”文本文件傳輸入至數(shù)控車(chē)床，并加工出該零件，此時(shí)可驗(yàn)證本系統(tǒng)所提取的加工參數(shù)具有可執(zhí)行性，再通過(guò)對(duì)加工出的零件進(jìn)行檢測(cè)，在不計(jì)公差要求的情況下，加工出的零件的尺寸滿(mǎn)足CAD模型的基本尺寸要求，最終驗(yàn)證了該系統(tǒng)所提取的幾何信息正確無(wú)誤。

圖8 “生成STEP-NC文件”的運(yùn)行結(jié)果

根據(jù)前面各模塊所得到的所有信息，最終生成了一個(gè)名為“STEP.txt”的文本文件，運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

[1] Martin Hardwick,David Lofredo.STEP into NC.Manufacturing Engineering.2001(1):38-50.

[2] 劉日良,張承瑞.STEP-NC2.5D銑削工步的運(yùn)動(dòng)特征及其數(shù)據(jù)模型[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2005,1.

[3] SolidWorks公司.《SolidWorks API二次開(kāi)發(fā)》.機(jī)械工業(yè)出版社,2005.