Machining Line PIanner輸出STEP－NC數控程序的研究

樊留群 劉玉平

（同濟大學中德學院，上海 200092）

Machining Line PIanner輸出STEP－NC數控程序的研究

樊留群 劉玉平

（同濟大學中德學院，上海 200092）

介紹了STEP－NC的概念、數據模型及其結構特點，然后通過對比MLP（Machining Line Planner）和STEP－NC數控程序對特征和操作的不同定義方法，分析了在MLP中特征及加工工藝與STEP－NC的對應關系，探討了在MLP中實現輸出STEP－NC格式的零件加工程序的方法。

STEP－NC數據模型 數控程序 Machining Line Planner

國際標準組織提出的STEP－NC（ISO14649）標準是適應STEP的數控數據接口（Step Compliant Data Interface for Numeric Controls）的簡稱，是STEP標準向數字化制造領域的延伸。它的基本思想是將基于STEP的CAD模型和工藝數據直接用于數控機床的編程，真正實現CAD/CAM與CNC之間信息的轉化。目前CAM系統的輸入可以是STEP格式的中性文件，但輸出卻一直被一種存在幾十年的國際標準ISO6983（即G代碼）統治著，它限制了產品設計與制造信息的無縫連接［1］。

MLP是西門子公司提供的數字制造解決方案Tecnomatix下的用于零件工藝規劃的一種軟件工具。在國外，它已被廣泛成熟地應用于汽車制造領域，尤其是在汽車發動機的工藝規劃方面。它最后將生成傳統的程序代碼，但STEP－NC是將來制造業發展的趨勢所在。因此本文在對STEP－NC數據模型及程序結構特點進行介紹的基礎上，重點對MLP自動生成STEP－NC數控程序進行研究與分析。

1 STEP-NC簡介

1.1 STEP-NC數據模型

STEP－NC使用面向對象技術，建立新的數據模型（圖1），它是根據制造特征進行編程，而不是針對具體機床軸的運動和刀具作用直接編程。STEP－NC數據模型由一系列稱為實體的基本單元組成。整個數控程序被作為一個工程（Project），基本單位為工步（Workingstep），一系列有序的工步組成了工作計劃（Workplan）。每一個工步必須包括一個加工對象及對應的加工方法，其中加工對象通過加工特征（Feature）給出，它必須是一個具體的特征（例如平面、孔等），而加工方法則通過操作（Operation）來描述，它包括刀具（Tool）、工藝（Technology）、加工策略（Strategy）等。也就是說工步、特征和操作三者是一一對應的關系，每一個工步對應一個特征和一種加工操作方法。STEPNC數控程序包含了產品全生命周期的所有數據，克服了傳統G代碼編程帶來的工藝信息丟失等缺陷。

1.2 STEP-NC程序結構

STEP－NC數控程序文件一般由兩部分組成，第一部分是頭文件（Header），主要介紹文件名稱、作者、日期等相關信息；第二部分是數據段，以Data開始，它是數控程序的主要部分，包括關于幾何、特征和制造任務的所有信息。數據段以一個工程實體（Project）開始，結構按“實體標識=實體名（屬性值）；”的格式列出。例如#109=PROJECT（‘EXECUT EEXAMPLE1’，#108，（#18），$，$，$），實體標識以字符“#”與一個整數組成。實體名來源于ISO14649定義的具有特殊意義的保留字（如PROJECT）。屬性值可以是數值、結構類型數據或嵌入式的實體（用對應的實體標識號表示）［2］，當屬性值為空時則用$表示。

2 Machining Line Planner自動生成STEPNC程序研究

在MLP中可以完成對零件的整個工藝規劃過程并輸出程序文件。其功能流程如下：首先將FEATURE STEP格式的CAD模型輸入該系統，然后與系統預定義的特征類進行比較，完成自動特征識別，再根據資源庫、規則庫等為每個特征選擇相應的操作和刀具，之后系統可以自動計算出刀軌，完成這些工藝規劃步驟后最后將生成程序文件［3］。目前該軟件最后生成的程序文件為APT刀位文件，而不能直接生成STEP－NC程序文件。如前所述，STEP－NC程序是以工步為基本單位，一個工步對應一個特征和一個操作，這與MLP中為每個特征選擇對應的操作和刀具的基本思想是一致的，因此MLP能否自動生成STEP－NC程序的關鍵問題就在于它能否提供STEP－NC程序所要求具備的所有信息并準確提取出來。在STEP－NC程序中特征和操作的描述基本涵蓋了所有內容。下面將針對這兩個方面，以發動機缸體（其零件模型及特征視圖如圖2所示）在MLP中識別出的特征和對應操作為例，對比他們定義描述的異同，從而研究自動生成STEP－NC程序的方法。

表1 孔特征描述對比

首先以該例中識別出的一個STEP1HOLE特征為例。在MLP中系統識別出該特征后便自動為其各項參數賦值，也可進行手動修改。特征STEP1HOLE與STEP－NC程序中的特征ROUND_HOLE相對應，描述該特征的屬性值共有8個，如表1所示，左邊的參數則為從MLP中提取出來的。其中屬性Its_id即對應ID HOLE1；屬性值Its_workpiece和Its_operation是對零件（例如id、材料等）和操作的描述，它們被包括在特征的屬性值里面，只是強調特征與它們的對應關系，并不涉及特征的具體形狀，它們各自又有很多屬性值，在MLP中已有對零件的總體描述，此處不詳細論述，本文后面會詳細討論操作的描述；屬性Feature_placement描述孔特征在工件坐標系中的位置，它由特征坐標系原點和孔中心軸方向兩個值來表示。它對應MLP中的Iocation和rotation項。在MLP中孔特征坐標系與孔是固定在一起的，孔特征坐標系原點默認位于孔表面的圓心處，中心軸為 軸并且正方向朝外。location表示特征坐標系原點在工件坐標系的位置，而特征的具體位置則通過rotation來確定，該項3個值全為0則表示特征坐標系與工件坐標系方向一致，如果第三個值為90，則表示特征坐標系連同孔一起繞工件坐標系 軸逆時針旋轉90°。這種定義與STEP－NC程序相似，在STEP－NC程序中孔特征的特征坐標系原點也默認為孔表面的圓心處，方向則通過DIRECTION（即一個矢量）來描述。此例中則為（0，0，1），表示中心軸沿 軸方向朝外，因此我們只要分析rotation項中旋轉角度與工件坐標系方向的關系即能確定該矢量的方向值；屬性depth描述該孔的深度以及加工誤差范圍，與表中 depth，即6.75 ±0.2 mm 相吻合；屬性diameter描述孔的直徑以及加工誤差范圍，與表中DIAMETER相對應；屬性chang_in_diameter表示該孔直徑是否有大小變化，為可選項，MLP中如果直徑有變化的孔則自動識別為POCKET ROUND TAPERED等，此處特征STEP1HOLE可以確定孔直徑無變化，則該項屬性為空；屬性Bottom_condition描述底部情況，對于STEP－NC程序中的ROUND_HOLE特征該屬性有兩種可能，即通孔（through_bottom_conditio）或盲孔（blind_bottom_condition），在MLP中如果是通孔則自動識別為STEP*HOLE（其中*用數字表述，即*階孔），如果是盲孔則自動識別為STEP*POCKET，因此在生成 STEP－NC程序時，如果遇到特征STEP*HOLE則該項屬性默認提取為通孔。故該特征編寫成STEP－NC程序如下，其中WORKPIECE和DRILL后的描述省略。

STEP－NC程序中對于操作的描述一般包括刀具信息，輔助功能及工藝策略，而不直接包含刀具軌跡信息。特征 ROUND_HOLE采用的操作是 DRILL，在STEP－NC標準中它對應的屬性值有14個，但絕大部分屬于可選項，因此表2中只列舉了4個必選項，并與MLP中對應一個孔的操作進行對比。提取這些參數后便可按照STEP－NC程序格式輸出程序代碼。

下面再以面特征為例。在STEP－NC程序中描述面的特征叫PLANAR_FACE，它共有9個屬性值，如表3所示，依次是 Its_id，Its_workpiece，Its_operations，Feature_placement，depth，course_of_travel，removal_boundary，face_boundary，its_boss［4］，其中屬性 Its_id，Its_workpiece，Its_operations與之前介紹的孔特征類似，這里不再贅述；對于屬性Feature_placement，MLP中面特征中的特征坐標系原點位于面的中心點處，其他具體定位的描述與孔特征類似；屬性depth，course_of_travel，removal_boundary分別對應該平面被銑削的厚度及平面長和寬，系統中均有描述；屬性face_boundary是可選項，表示該特征的邊緣，一般不予描述，屬性值為空；屬性its_boss也是可選項，表示面上不需銑削的凸臺，此處的面特征無凸臺，即此屬性值為空。

表2 操作參數對比

表3 面特征參數對比

3 結語

本文在介紹STEP－NC概念、數據模型及其結構特點的基礎上，重點以孔和面特征為例分析了MLP中特征及加工工藝與STEP－NC的對應關系，提取MLP中的參數值并按照一定的規則轉換為STEP－NC數控程序中的屬性值，從而研究了自MLP中直接生成STEP－NC數控程序的方法，且給出了具體程序實例。真正實現了CAD/CAM與CNC之間信息通道的閉環，克服了傳統G代碼信息流只能從CAD/CAM傳到CNC，而在車間的任何修改都不能通過數控程序反饋到規劃部門的缺陷。

［1］陳孝金，等.應用STEP－NC實現產品設計制造信息的共享［J］.數控機床與數控系統，2006，35（11）：27 －28.

［2］劉日良，張承瑞.STEP－NC數據模型和數控程序［J］.中國制造業信息化，2004，33（10）：102 －103.

［3］王晨晴.發動機制造的數字化工廠技術應用研究：［ 碩士學位論文］.上海：同濟大學，2009.

［4］ISO 14649－10，Industrial automation systems and integration－Physical device control－Data model for computerized numerical controllers－Part 10：General process data［S］.

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The Research of Output of STEP－NC Program from Machining Line Planner

FAN Liuqun，LIU Yuping
（Tongji University，Shanghai 200092，CHN）

This paper introduces the concept of STEP － NC，its data model and structural characteristics.Then by comparing the different definitions of feature and operation between Machining Line Planner and STEPNC program，the paper studies the method of automatic generation of STEP－NC program and a range of issues.

STEP －NC Data Model；STEP －NC Program；Machining Line Planner

樊留群，男，1964年生，教授，主要從事教學和生產過程自動化方面的研究。

（編輯 譚弘穎） （

2010－04－01）

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