STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究

鐘建琳，李樹春，常城

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,北京 100192)

0 引言

數(shù)控技術(shù)自出現(xiàn)以來經(jīng)過近六十年的發(fā)展給機(jī)械制造業(yè)帶來了巨大的變化，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的快速發(fā)展，作為現(xiàn)代加工車間最重要裝備的數(shù)控機(jī)床，其發(fā)展也應(yīng)朝著開放化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

但眾所周知，到目前為止，數(shù)控編程依然是基于G/M代碼即ISO6983標(biāo)準(zhǔn)。這種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控程序是面向過程的，它通過直接指定機(jī)床軸的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)加工，而不包含產(chǎn)品數(shù)據(jù)的其他信息。因此不支持現(xiàn)場對(duì)產(chǎn)品的修改及編程，CAD/CAM系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)之間信息只能單向傳輸、數(shù)控程序依賴于所用的數(shù)控系統(tǒng)等。這些問題制約著數(shù)控系統(tǒng)智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展。

針對(duì)這些問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO在STEP(standard exchange of product data model即產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn))的基礎(chǔ)上制定了CAM與CNC之間新的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)——STEP-NC(STEP compliant data interface for numerical control，ISO14649)來取代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)ISO6983[1]。STEP的目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述整個(gè)生命周期中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和完整性。其優(yōu)點(diǎn)如下：不需要后置處理，消除數(shù)控程序?qū)?shù)控系統(tǒng)的依賴性，極大地提高數(shù)控程序的可移植性和系統(tǒng)的柔性；實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與CAD/CAM系統(tǒng)之間雙向數(shù)據(jù)交換，加工現(xiàn)場可得到較全面的產(chǎn)品信息，為網(wǎng)絡(luò)化制造創(chuàng)造有利條件等。

1 STEP-NC數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)

STEP-NC數(shù)控程序文件能夠完整地描述產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造信息，其在結(jié)構(gòu)上可分為文件頭和數(shù)據(jù)段兩部分。文件頭的標(biāo)記為“HEADER”，主要說明加工零件的相關(guān)信息及注釋，如文件名稱，編程人員及日期等。數(shù)據(jù)段則以“DATA”開始，是程序的主體部分，包含了加工零件所需的所有信息和操作任務(wù)[2]。其中“PROJECT”語句是整個(gè)加工程序執(zhí)行的起點(diǎn)，主要包括工作計(jì)劃、可執(zhí)行語句、技術(shù)描述、幾何描述等信息，如圖1所示。它與傳統(tǒng)的數(shù)控加工程序最大的不同在于STEP-NC數(shù)控程序是面向加工對(duì)象即加工特征的。

圖1 STEP-NC數(shù)據(jù)模型

2 STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究

目前關(guān)于STEP-NC的國內(nèi)外研究主要可分為兩方面。1) 是有關(guān)STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的建立與完善，2) 針對(duì)STEP-NC的應(yīng)用研究。二者相輔相從，相互促進(jìn)共同提高。對(duì)STEP-NC的應(yīng)用研究主要集中在以下幾方面：對(duì)STEP-NC控制器體系結(jié)構(gòu)的研究，STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控程序的生成，對(duì)STEP-NC文件進(jìn)行解釋(即STEP-NC程序解釋器)，STEP-NC加工仿真等方面。

2.1 STEP-NC控制器的體系結(jié)構(gòu)

STEP-NC控制器的體系結(jié)構(gòu)大致可分為三類：傳統(tǒng)控制器改造型、新控制器和智能控制器[3]。傳統(tǒng)控制器改造型是在傳統(tǒng)的CNC控制器上加上STEP-NC插件使之能讀取STEP-NC文件，通過處理后生成G/M代碼，再輸入到現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。這種控制器實(shí)際上并不是真正意義上的直接讀取STEP-NC程序，只是將STEP-NC文件轉(zhuǎn)換成了G/M代碼。

新控制器自身帶有一個(gè)STEP-NC程序解釋器，能夠直接讀取STEP-NC數(shù)控程序，并按照所獲取的信息，自動(dòng)生成刀具軌跡，直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，按順序執(zhí)行數(shù)控程序中的加工工步。這種控制器能夠生成刀具軌跡，但不具備智能化功能。目前國內(nèi)外對(duì)STEP-NC控制器的研究大多屬于這一類。

智能控制器是STEP-NC控制器的發(fā)展方向。這種STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)具有較高的智能功能，如自動(dòng)識(shí)別特征、自動(dòng)生成無碰撞的刀具軌跡、自動(dòng)選擇刀具、自動(dòng)選擇切削參數(shù)、檢測(cè)機(jī)床狀態(tài)和自動(dòng)恢復(fù)，以及反饋加工狀態(tài)與結(jié)果等。

2.2 STEP-NC程序的生成

對(duì)STEP-NC程序的生成研究較為深入的是國外的STEP Tools公司。其他對(duì)STEP-NC程序生成的研究有在國外ST-Developer上進(jìn)行二次開發(fā)的，也有在獨(dú)立開發(fā)平臺(tái)上生成STEP-NC程序。

STEP-NC數(shù)控程序的生成如圖2所示，可分為四步：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(又稱為編譯預(yù)處理)，特征識(shí)別，工藝規(guī)劃，生成STEP-NC文件?，F(xiàn)在大多數(shù)CAD軟件都有STEP轉(zhuǎn)換接口，可以輸出AP203格式的文件，但AP203文件僅包括零件的幾何信息，并不包括零件的制造信息。AP203文件也是由文件頭和數(shù)據(jù)段兩部分組成。

圖2 STEP-NC數(shù)控程序生成流程圖

首先對(duì)AP203文件進(jìn)行編譯預(yù)處理，生成STEP-NC文件結(jié)構(gòu)。STEP-NC的頭文件可通過AP203文件的文件頭生成或者通過人機(jī)交互的方式生成。STEP-NC程序的數(shù)據(jù)段則是通過對(duì)AP203文件逐行讀入，將每行的實(shí)體ID、實(shí)體名稱和實(shí)體屬性保存在結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)中，為特征識(shí)別做好準(zhǔn)備。

特征識(shí)別就是根據(jù)在編譯預(yù)處理步驟中保存在結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)中的幾何信息如零件的點(diǎn)、線、面等根據(jù)一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換成數(shù)控編程系統(tǒng)中所對(duì)應(yīng)的制造特征。特征識(shí)別的入口是關(guān)鍵字“CLOSED SHELL”。

工藝規(guī)劃包括機(jī)床及刀具的選擇、加工策略的制定、切削參數(shù)的選擇等。STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)所建立的制造特征，確定加工工步、操作、工藝參數(shù)等。

STEP-NC程序的生成就是通過從AP203文件中所獲得的幾何信息，由特征識(shí)別生成制造特征，由工藝規(guī)劃形成一系列的加工工步后，將這些信息按照STEP-NC的標(biāo)準(zhǔn)格式生成STEP-NC文件。

2.3 STEP-NC程序解釋器的原理

STEP-NC程序解釋器用來讀取STEP-NC程序，通過分析，從中逐一識(shí)別出零件加工所需的所有信息和操作任務(wù)，是STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)重要模塊。目前有關(guān)解釋器的研究也可分為兩大類。1) 利用Visual C++的平臺(tái)，獨(dú)立開發(fā)解釋器。2) 由美國STEP-TOOLS公司提供的ST-Developer環(huán)境下進(jìn)行的，利用ST-Developer工具中ROSE C++類庫提供的一系列C++類來創(chuàng)建、操作EXPRESS定義的數(shù)據(jù)。

STEP-NC程序解釋器總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，首先從代碼中讀取“PROJECT”關(guān)鍵詞，提取加工零件所有的制造特征、工作計(jì)劃與可執(zhí)行語句及技術(shù)參數(shù)、幾何信息等，從中過濾出幾何參數(shù)、坐標(biāo)、刀具、機(jī)床等數(shù)據(jù)信息，將這些信息存儲(chǔ)到指定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，為下一步進(jìn)行刀具軌跡的生成奠定基礎(chǔ)。

STEP-NC是基于特征的，并不直接對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程，因此在STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)以制造特征所對(duì)應(yīng)的加工工步為設(shè)計(jì)單位來進(jìn)行刀具路徑的規(guī)劃。根據(jù)STEP-NC中給出的工步所對(duì)應(yīng)的進(jìn)退刀策略和加工策略來規(guī)劃制造特征加工時(shí)的刀具路徑，將每個(gè)工步的刀具路徑規(guī)劃完成后，根據(jù)加工工步的順序?qū)蝹€(gè)工步的路徑規(guī)劃排序，再加上個(gè)工步之間的過渡路徑，連接各加工工步的路徑規(guī)劃和過渡路徑，最終生成一條連續(xù)的總體加工路徑。

圖3 解釋器總體結(jié)構(gòu)

2.4 加工仿真

基于STEP-NC的數(shù)控銑削系統(tǒng)的基本功能是輸入STEP-NC程序，CNC能夠識(shí)別提取出STEP-NC文件中的加工特征，并以此生成刀具軌跡[4]。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的重要區(qū)別之一便是刀具軌跡的自動(dòng)生成。因此在實(shí)際加工前對(duì)生成的刀具軌跡進(jìn)行加工仿真非常必要。

這種仿真不僅可以獲得與加工過程相似的真實(shí)感，直觀地檢驗(yàn)加工路徑的正確性，監(jiān)視加工過程，而且可以防止可能出現(xiàn)的刀具與工件、夾具、機(jī)床之間的干涉與碰撞，從而提高實(shí)際生產(chǎn)效率。在進(jìn)行加工仿真步驟之前，首先要對(duì)工件及刀具建模，調(diào)用軌跡規(guī)劃后生成的加工路徑，運(yùn)用插補(bǔ)算法，對(duì)刀具軌跡規(guī)劃模塊生成的加工路徑單元逐段進(jìn)行插補(bǔ)，并將之離散為每個(gè)插補(bǔ)周期的刀位點(diǎn)，將刀位點(diǎn)保存。讀取刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)，作為當(dāng)前刀具位置，然后根據(jù)刀具的類型、位置和工件進(jìn)行動(dòng)態(tài)求交運(yùn)算，更新刀具位置以及工件模型，顯示材料的去除效果，實(shí)現(xiàn)仿真加工過程。

3 結(jié)語

數(shù)控技術(shù)的發(fā)展正朝著開放化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。STEP-NC的數(shù)據(jù)模型不依賴于具體的數(shù)控系統(tǒng)，其數(shù)控程序具有可移植性和兼容性，因此基于STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控系統(tǒng)具有開放性。STEP-NC是具有產(chǎn)品全生命周期信息的數(shù)據(jù)模型，在企業(yè)內(nèi)部，利用STEP作為數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息從CAD，CAPP到CAM，CNC以及PDM，ERP的無瓶頸傳送，這一特性可以保證數(shù)控系統(tǒng)得到工件的全面信息，機(jī)床操作者在加工前就可通過現(xiàn)場編程界面了解到最終產(chǎn)品，并可以解決目前智能化數(shù)控機(jī)床面臨的產(chǎn)品信息不全，智能算法速度慢，不能滿足實(shí)時(shí)數(shù)控加工等問題。另外，利用XML(extensible markup language)可在網(wǎng)上方便地傳輸產(chǎn)品信息，使網(wǎng)絡(luò)化制造成為現(xiàn)實(shí)。據(jù)STEP Tools公司的研究數(shù)據(jù)表明：STEP-NC的應(yīng)用將使目前加工前數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間減少75%，工藝規(guī)劃時(shí)間減少35%，加工時(shí)間減少50%。STEP-NC剛剛起步，如果能把握時(shí)機(jī)，對(duì)縮短我國與發(fā)達(dá)國家數(shù)控技術(shù)水平的差距具有不可估量的意義。

[1] 朱曉明, 富宏亞, 王永章,等.STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)若干關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2009,15(6): 1122-1129.

[2] ISO 14649-11.Data model for computerized numerical controllers: part11-process data for milling.International Standards Organization, 2003.

[3] M.Minhat, V.Vyatkin, X.Xu, etc.A novel open CNC architecture based on STEP-NC data model and IEC 61499 function blocks [J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing.2009, 25: 560- 569.

[4] Petra Kersting, Andreas Zabel.Optimizing NC-tool paths for simultaneousve-axis milling based on multi-population multi-objective evolutionary algorithms [J]..Advances in Engineering Software, 2009, 40: 452-463.