STEP-NC数控加工方式

作者:李伟光张金张秀娟李勇黄文波
一、引言

近年来数控技术得到了迅猛的发展，控制系统由早期的硬件连接方式发展到现在的基于PC的开放式数控系统。尽管硬件技术和软件技术的飞速发展给CNC的高速/高精度加工奠定了基础，但目前NC加工中所采用的编程方式还是基于半个世纪前所开发的ISO6983(G/M代码)标准，这种代码仅仅包括一些简单的运动指令(如G01、G02)和辅助指令(如M03、M08)，而不包含零件几何形状、刀具路径生成、刀具选择等信息，使得CNC与CAD/CAM通道之间形成瓶颈。数控加工中编程困难、设计与加工等信息不能完全共享的问题限制了数控系统的进一步发展，使其面临新的变革。

为了解决这些问题，欧共体于1997年提出了OPTIMAL计划，将STEP(Standard for the Exchange of Product model date ，ISO 10303)标准延伸到自动化制造的底层设备，开发了一种STEP-NC的数据模型，作为铣削加工编程的数据接口。该接口遵从STEP标准，具有面向对象的特征。STEP-NC将产品模型数据转换标准STEP扩展到CNC领域，重新制订了CAD/CAM与CNC之间的接口，它要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维数据模型(包括工件几何数据、参数配置和制造特征)、工艺信息和刀具信息直接产生加工程序。

二、STEP-NC的研究现状

STEP-NC是一个面向对象的新型NC编程数据接口国际标准(ISO 14649)，它于1996年初开始制订，在2001年底成为国际标准草案(Draft International Standard, DIS)，由国际标准化组织ISO/TC184工业数据技术委员会正式命名为ISO14649，其目的旨在取代在数控机床中广泛使用的ISO 6983标准。

近几年，欧美已经启动了几个有关STEP-NC的项目，如OPTIMAL、MATRAS、STEP-NC和Super Model Project等。其中欧洲的STEP-NC项目旨在实现和测试铣削加工数据接口，共有20多个CAD/CAM、NC和数控机床领域的企业和研究机构参与了该项目的研究工作。2001年，符合STEP-NC标准的二维半和三维数控铣削加工过程已经在Siemens、FIDIA公司以及欧洲开放式体系结构OSACA的CNC原型系统中得以实现，其性能在实验室环境中已得到验证。目前原型系统已在第一个用户——Daimler Chrysler公司进行评价，已测试了多面体零件的钻孔加工和二维半数控铣削加工过程，现开始测试三维数控铣削加工过程。

从2000年开始，美国STEP Tools公司在国家标准技术协会NIST的资助下起动了为期3年的“超级模型”(Super Model)项目。该项目(全称为Model Driven Intelligent Control of Manufacturing)的主要目标是建立一个适合于铣削、车削的数据库和软件工具，验证CNC机床能否直接读取3D设计和制造数据，进行快速、安全和智能化的零件制造。2001年秋季，Super Model 项目与韩国开展的国际IMS STEP-NC项目中的内容合并。2000年6月韩国POHANG科技大学的STEP-NC技术国家研究实验室NRL-SNT开始了为期5年(分2个阶段进行)的STEP-NC研究计划，重点开展车削STEP-NC中从数据模型到智能化加工相关技术的研究。日本于2001年启动了名为“数字大师”(DIIGITAL MASTER)的项目，虽然该项目未列入国际IMS STEP-NC项目中，但研究工作与STEP-NC建模有关。国际IMS STEP-NC项目于2001年夏季启动，参加的国家与地区有欧盟、瑞士、美国以及韩国等，并于2003年在德国的亚琛(Aachen)市开始实施了一个IMS STEP-NC车间。

韩国为了使CAD/CAM系统与CNC控制器能随时交换数据，STEP Tools公司建立了STEP-NC数据库的操作规范体系和自维护、管理体系。2000年年底，该公司完成了第一阶段的目标，在第三届IRB(Industrial Review Board)会议上演示了利用“超级模型”完成具有某种加工特性的加工对象铣削全过程。另外，该公司还与Lawrence Livermore国家实验室合作，在OMAC的基础上开发出了STEP-NC接口。

此后，STEP-NC 组织在世界范围内召开了一系列会议，如2001年在德国汉诺威(Hanover)召开了开展STEP-NC工作的会议，确定了最终用户、系统供应商、以及学术研究伙伴的组成。2001年10月在德国亚琛(Aachen)召开了用于铣削的会议，由最终用户对基于西门子的2维半铣削加工解决方案进行了检测及评估。2001年11月在意大利召开了STEP-NC的轮廓切削试验会议，对第一个用于木材、玻璃及石材轮廓切削的STEP-NC原型进行了检测及评价。2002年8月在德国斯图加特讨论了车削工艺，制定了开展后续工作的时刻表。2001年12月在瑞士日内瓦会议上对第一个用于电火花加工的原型STEP-NC系统进行了测试及评估。2002年9月在德国乌尔姆讨论了将CMM集成到STEP-NC中的可能性。2002年11月在德国斯图加特会议中确定了检验、电火花加工以及轮廓切削中的关键要素。2002年10月IMS STEP-NC项目会议讨论了用于AP238协议的车削数据模型及相关注释。找到了车削模型中的注释解决方案。2002年12月在美国Boeing公司用CATIL软件生成了一个STEP-NC零件程序，然后在西门子公司的一台具有STEP-NC功能的机床上进行了运行，证明STEP-NC可支持多种不依赖于NC编程的机床。2003年6月在德国斯图加特会议上介绍了铣削、车削、电火花加工以及轮廓切削的当前进展。2003年3月12日召开的IMS STEP-NC 会议，主要的议题是数据交换的方式，STEP Tools公司演示了将AP-203文件格式(STEP标准)快速转换成AP238文件格式(STEP-NC标准)的过程。2004年10月将在德国亚琛(Aachen)召开STEP-NC检测方面的会议，内容涉及：讨论用于检测内容的数据模型定义的进展工作、讨论STEP-NC检测中关键问题的解决方案。

三、基于STEP-NC的数控系统结构

自20世纪50年代以来，传统数控系统一直沿用G、M代码(ISO6983)，CNC与CAD/CAM之间的数据交换为单向传输，现场对NC程序的修改无法直接反馈到CAD/CAM系统。而采用STEP-NC标准，CNC与CAD/CAM可实现双向数据交换，使零件程序和优化的加工描述及时地反馈到设计部门(CAD)，以便设计部门及时进行数据更新，减少加工信息的丢失。

目前，STEP基准已经广泛地应用于CAD/CAPP/CAM系统，因而基于STEP-NC的数控系统可直接读取CAD/CAM系统输出的STEP文件(AP238格式)，传统CAD/CAM系统中的加工编程后处理器在CAD→CAM→CNC的过程中会逐渐消失，取而代之的是在CAD/CAM系统中加入STEP-NC插件，直接输出AP238文件。

考虑到ISO14649完全取代ISO6983需要一个过渡周期，因此基于STEP-NC的数控系统除了可执行AP238文件以外，还应具有执行传统G/M代码的功能。所以在基于STEP-NC的数控系统结构中，不仅要建立STEP-NC解释器(解释AP238文件)模块，还要保留ISO6983的解释器模块，作为CNC系统的一个子系统。

STEP-NC与数控系统结合有三种模式。模式1仍然采用传统的NC控制器，严格来说它只是一种过渡形式，上层符合STEP标准的CAD/CAM系统与STEP-NC接口实现双向数据流动，下层通过增加符合STEP-NC标准代码转换接口，将STEP-NC数据代码转换为G/M等代码，进而实现对现行数控系统的控制。模式2是一种比较简单、初级的模式，与模式1的区别在于下层采用了新型STEP-NC控制器，直接读取STEP数据格式加工文件。模式2从信息流动模式与控制方式来说，已经完全符合STEP-NC的标准，具备了下一代数控机床的特性，是真正意义上的基于STEP-NC的数控系统模型。模式3是模式2的发展与完善，系统的集成度更高，设计层与车间层之间的功能也将重新划分，CAM系统宏观规划与CAD系统集成，微观功能与车间层的现场编程模块SFP(Shop Floor Programming)集成。为了使控制系统进一步实现智能化，在数控系统结构模式3中，还建立了基于STEP-NC的智能模块，实现各种智能化操作，包括刀轨生成、刀具的自动选择、刀具监控、误差检测补偿、在线测量和突发事件处理等许多数控系统的高级功能，以提高生产效率和加工质量。

四、基于STEP－NC的数控图形编程系统

现行常规的数控图形编程系统基于ISO6983标准，该标准是一种面向加工过程的数控编程规范。传统数控图形编程系统的主流程，流程中的设计信息均符合IGES(Initial Graphics Exchange Specification)表达规范(IGES只是关于几何信息交换的标准，随着数控技术的发展已逐渐被STEP所代替)。CAD模块生成的设计信息经过数据模块进行精简和计算，同时通过人机交互方式进行工艺流程设计，产生描述刀具运动的刀位文件，经后置处理模块生成驱动机床运动的数控代码。由于ISO6983(G、M代码)标准所能描述的信息量少，所以这种编程系统不能为零件加工提供更为复杂的描述。另外，由于CAD/CAM系统、数控系统及其他的扩展部分之间的数据不能进行双向交换，造成了加工过程中大量信息转换工作重复进行的现象。

基于STEP－NC的新型数控图形编程系统主流程中，CAD图形设计模块产生的数据表达形式符合STEP标准，由模型信息、几何信息以及特征信息等信息组成。其中模型信息是编程系统用来从标准模型库中提取符合该产品的加工模型的依据，几何信息是用来确定具体刀具轨迹的依据，特征信息是进行工艺流程设计的依据。设计模块的信息传递给工艺规划模块后，添加工艺信息生成数控指令所需信息，再传给指令生成模块，生成NC指令。最后生成刀具轨迹，并进行切削仿真和碰撞检查，形成检查信息。如果产生碰撞，该信息将进行反馈修改，由于检测信息表达也符合STEP标准，所以能被设计模块识别，各个模块均可根据反馈信息进行修改。与现行的数控系统相比，该系统的所有数据表达都符合STEP标准，系统内部数据就可实现双向流动。

五、STEP-NC数控加工方式的发展趋势

目前STEP-NC标准仅完成了一部分，国内外对基于STEP-NC的数控技术研究处于起步阶段，但其发展势头强劲。已获得的研究成果表明，该技术将对数控技术乃至机械制造业带来深远的影响，主要体现在以下几个方面：

数控机床将废弃沿用已久的G、M等代码(ISO 6983)，代之以更加高效、易于理解和操作更方便、描述性更强的数控语言。这种数控程序通过一系列的加工任务(工作步骤)描述制造过程中的所有操作，以面向对象(而不是面向动作)的编程使得现场编程界面大为改观。根据目前的进展推测，STEP-NC的广泛应用将在近10年内实现，G、M代码将从此成为历史。
CAD/CAM/CNC之间可实现无缝连接。CAD/CAM与CNC的双向数据流动，使得设计部门能够清楚的了解到加工实况，并且可根据现场编程返回来的信息对生产规划进行及时快速的调整，生产效率可得到极大的提高。另外，CAD、CAM、CNC之间的功能将会重新划分：CAM系统的宏观规划将与CAD系统集成，微观功能将与CNC集成。
实现完全意义上的开放式智能数控加工。由于ISO-6983(G/M代码)的加工信息量过少，因此各机床生产商对G代码都进行了基本语义外的扩展，造成各种类型的数控机床控制系统之间互不兼容，阻碍数据的交流和信息共享，形成“信息孤岛”，难以实现系统的开放性。与此相反，如采用STEP-NC标准，其数据格式、接口标准完全一致，且STEP-NC数据包含了加工产品所需的所有信息，对于STEP-NC控制器而言，它只需要告诉CNC要加工的内容，具体动作由CNC自行决定，使程序具有良好的互操作性和可移植性，为CNC系统的开放性和智能化奠定了稳固的基础。
网络化设计/制造成为现实。现代制造企业通过网络共享各种信息，同时由于全球制造企业采用统一的STEP-NC数据接口标准，企业之间的数据流动可以在基于PC机的CNC机床与数据库服务器之间直接进行，操作人员只需要对数据库中的三维工件模型进行简单的参数设置，就可以使机床实现预期动作。不难想象，在基于网络化制造的基础上，大量的数字化产品模型数据库将会出现，数字制造更趋多元化。

六、结束语

STEP-NC是由国际标准化组织(ISO)近年来发展起来的一个世界性的标准，它将STEP基准扩展到数控加工领域，为CNC的开放性和智能化提供了广阔的发展空间，同时它也解决了CNC与CAD/CAM之间双向无缝连接的核心问题，消除了长期以来困扰人们的数据不兼容问题，也为网络制造、敏捷制造、虚拟制造、并行工程等先进制造技术和模式提供了技术保证。据STEP Tools公司的研究数据表明：STEP-NC的应用将使目前加工前数据准备时间减少75%，工艺规划时间减少35%，加工时间减少50%。可见，大力开展基于STEP-NC的CNC系统(特别是标准制定、数据库和STEP-NC控制器)的研究对于提高我国数控水平乃至全面提高自动化制造水平是至关重要的。