STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐景亮 鄭聯(lián)語 雷 沛

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

CNC 作為數(shù)控機(jī)床的核心部件，從20 世紀(jì)50 年代被開發(fā)以來，已經(jīng)經(jīng)歷了重大的變化［1］。盡管CNC已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但是仍然需要進(jìn)一步的改進(jìn)。尤其是目前CNC 所使用的編程接口，即G 代碼，存在著許多問題。而STEP-NC(ISO14649)作為一個(gè)CAD/CAM 和CNC 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的新接口標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)了G 代碼存在的缺陷，并且完全兼容STEP(ISO10303)標(biāo)準(zhǔn)［2］。

STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)是指能夠直接支持STEP-NC 數(shù)據(jù)接口的新一代數(shù)控系統(tǒng)。利用STEP-NC 豐富的數(shù)據(jù)信息平臺(tái)以及與CAD/CAM 無縫連接，STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)一方面可以針對(duì)機(jī)床實(shí)際情況進(jìn)行加工仿真、故障檢測和精度校驗(yàn)，另一方面能夠根據(jù)加工現(xiàn)場情況進(jìn)行在線的調(diào)整，快速進(jìn)行加工方案的重新規(guī)劃。從長遠(yuǎn)看，STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)將取代基于G 代碼的數(shù)控系統(tǒng)。因此，為實(shí)現(xiàn)STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行有益的先期研究顯得尤為重要。

根據(jù)CNC 實(shí)現(xiàn)STEP-NC 的不同程度，基本可劃分為3 類［3］。第1 類是采用STEP-NC 加工程序輸入，利用后處理器對(duì)STEP-NC 加工程序進(jìn)行識(shí)別、解釋，生成G 代碼加工程序，由傳統(tǒng)的控制器根據(jù)G 代碼進(jìn)行加工。第2 種類型的CNC 直接讀取STEP-NC 加工程序，經(jīng)過解釋器解釋后轉(zhuǎn)化為數(shù)控系統(tǒng)能夠直接識(shí)別的數(shù)據(jù)類型，具備在線刀具路徑生成功能。第3 種類型將智能化控制加入到CNC 內(nèi)核中，STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)能夠執(zhí)行加工過程中智能化的操作，如自動(dòng)切削參數(shù)優(yōu)化、自動(dòng)故障排除等。

目前絕大多數(shù)STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)的研究基本還局限于前兩種［3］。在STEP-NC 推廣的初級(jí)階段，如何與現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床兼容是其面臨的首要問題。故本文所開發(fā)的STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)MMI 軟件屬于類型1。該類型一方面能夠滿足當(dāng)前大量傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)能夠兼容STEP-NC 標(biāo)準(zhǔn);另一方面在改造上只需采用軟、硬插件的方式，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的改造。

1 STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)MMI 總體設(shè)計(jì)

目前，基于STEP-NC 的數(shù)控程序大多采用ISO10303Part21 物理文件格式，它雖然格式工整，但對(duì)于沒有相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的人而言很難理解，并且不適合在網(wǎng)上傳輸，因而極大地影響了企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。而XML 作為一種優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)語言得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本文設(shè)計(jì)的STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)MMI 軟件的輸入是XML 格式的STEP-NC 程序，軟件的過程模型如圖1 所示。

第一步，讀入XML 格式STEP-NC 數(shù)控程序，將程序中出現(xiàn)的實(shí)體實(shí)例信息存到內(nèi)存中，并以工藝序列樹的形式在界面中顯示。

第二步，根據(jù)加工現(xiàn)場情況，調(diào)整STEP-NC 程序中給出的工藝參數(shù)、機(jī)床功能等。對(duì)數(shù)控程序中以“$”給出的可選屬性，設(shè)置其具體值。對(duì)程序中被修改的信息進(jìn)行更新。

圖1 STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)MMI 軟件過程模型

第三步，根據(jù)程序中的幾何特征數(shù)據(jù)及工藝數(shù)據(jù)，規(guī)劃刀具路徑。

第四步，對(duì)生成的刀具路徑進(jìn)行加工仿真，驗(yàn)證刀具路徑規(guī)劃模塊輸出路徑的正確性。

第五步，對(duì)通過加工仿真模塊驗(yàn)證的刀具路徑信息轉(zhuǎn)換為G、M 代碼，傳輸?shù)綑C(jī)床進(jìn)行加工。

圖2 STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面

圖2 為本文構(gòu)建的STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面。其中左側(cè)區(qū)域?yàn)槌绦蝻@示區(qū)域，主要用來顯示讀入的STEP-NC 數(shù)控程序與規(guī)劃好的加工路徑信息;右側(cè)區(qū)域是三維圖形顯示區(qū)域，幫助使用者更加直觀的查看工件、加工路徑，且可以查看切削仿真過程，驗(yàn)證生成路徑的正確性;下側(cè)區(qū)域是實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域，用于數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示。以下就主要的幾個(gè)功能模塊進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)MMI 主要模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 信息提取

目前對(duì)XML 支持的解析器和開發(fā)工具箱非常廣泛，因此對(duì)XML 格式STEP-NC 程序的解析可以直接采用一些常用的XML 解析器完成［4］。本文使用Microsoft提供的MSXML 編程庫完成。首先讀入整個(gè)數(shù)控程序，構(gòu)建一個(gè)駐留內(nèi)存的樹結(jié)構(gòu)。此時(shí)，可以理解為XML在內(nèi)存中開辟一個(gè)存儲(chǔ)文件信息的數(shù)據(jù)庫。然后使用DOM 來操作這個(gè)樹結(jié)構(gòu)，可以遍歷樹以搜索數(shù)控程序中包含的工作計(jì)劃、工步和加工操作等信息。

本文以STEP-NC 類庫作為提取出信息的載體，它是刀具路徑規(guī)劃模塊的輸入，也是系統(tǒng)各模塊之間聯(lián)系的紐帶。如圖3 所示，定義了所有加工特征類的基類CMachFeature 與它的一個(gè)派生類CPlanarFace，并解釋了類中成員變量的含義。

圖3 STEP-NC 類庫設(shè)計(jì)示例

圖4 信息提取過程

信息提取的過程如圖4 所示，首先通過對(duì)內(nèi)存中DOM 節(jié)點(diǎn)樹的操作，提取出程序中的所有特征節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)名稱選擇相匹配的特征類，建立特征對(duì)象。最后再通過對(duì)每個(gè)特征節(jié)點(diǎn)中幾何信息和工藝信息的提取，初始化特征對(duì)象，最后得到路徑規(guī)劃模塊所需的各種信息。

2.2 數(shù)據(jù)顯示

STEP-NC 代碼中各個(gè)信息實(shí)體間存在相互關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)信息可以采用樹型結(jié)構(gòu)來表達(dá)。故本文提供了單層、多層和工作計(jì)劃3 種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式。單層顯示直接在樹根節(jié)點(diǎn)上顯示各個(gè)實(shí)體及其屬性信息，而不顯示各自的關(guān)聯(lián)層次;多層顯示在樹根節(jié)點(diǎn)上顯示各個(gè)實(shí)體及作為葉節(jié)點(diǎn)顯示所關(guān)聯(lián)的實(shí)體，經(jīng)過關(guān)聯(lián)的實(shí)體不再在根節(jié)點(diǎn)顯示。兩種顯示效果如圖5，圖中給出了ISO 14649 測試?yán)?［5］的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果。

圖5 數(shù)據(jù)的單層及多層顯示

由圖5 可以看出，STEP-NC 程序信息是非常繁雜的。數(shù)控系統(tǒng)的使用者往往只想關(guān)心全部信息中的一部分。過于豐富的數(shù)據(jù)一方面賦予了STEP-NC 強(qiáng)大的功能，也給使用過程中帶來了理解上的困難［6］。

因此，不能只對(duì)XML 文件進(jìn)行簡單的顯示，應(yīng)首先對(duì)STEP-NC 程序進(jìn)行適當(dāng)處理，以一種友好直觀的呈現(xiàn)方式給使用者提供所關(guān)心的STEP-NC 數(shù)據(jù)。如圖6 所示，經(jīng)過處理的STEP-NC 數(shù)據(jù)清晰地反映在樹型結(jié)構(gòu)中。由圖可見，加工計(jì)劃包含了一個(gè)平面特征的精銑、一個(gè)孔特征的鉆削和鉸削以及一個(gè)型腔的粗銑和精銑。每個(gè)加工計(jì)劃中又包含了安全平面、加工特征、加工操作和3 方面信息。右圖中的對(duì)話框是在雙擊加工操作時(shí)彈出，給使用者呈現(xiàn)了平面特征的精銑操作參數(shù)，并允許使用者根據(jù)實(shí)際情況對(duì)工藝信息進(jìn)行修改。

2.3 刀具路徑生成

刀具運(yùn)動(dòng)路徑雖然不包括在STEP-NC 程序內(nèi)，但STEP-NC 程序包括了走刀策略、特征信息、刀具信息和其他參數(shù)信息，這些信息構(gòu)成了生成刀具路徑信息的信息來源。路徑規(guī)劃就是通過這些信息的處理，最后生成刀具路徑信息。刀具路徑自動(dòng)生成的功能使得數(shù)控系統(tǒng)操作員根據(jù)實(shí)際情況可以對(duì)加工計(jì)劃作出一定的調(diào)整，例如機(jī)床安全平面調(diào)整、下刀策略調(diào)整等。這種特性是采用G 代碼所不具備的，傳統(tǒng)的數(shù)控加工遇到這種情況往往只能重新進(jìn)行一次CAM 規(guī)劃。

圖6 程序的工作計(jì)劃顯示

路徑規(guī)劃的目標(biāo)是生成總體加工路徑，這是一條連續(xù)的路徑，僅僅生成各個(gè)工步的路徑還不能達(dá)到路徑連續(xù)的要求［7］。本文的路徑規(guī)劃工作分為三個(gè)步驟完成:①根據(jù)加工策略、操作信息、刀具信息、特征幾何信息對(duì)工作計(jì)劃中的每一個(gè)工步進(jìn)行路徑規(guī)劃，經(jīng)坐標(biāo)變換后得到各工步加工路徑信息;②按照工作計(jì)劃定義的加工工步順序，規(guī)劃工步間的路徑，生成工步間的過渡路徑信息;③連接所有的工步路徑和過渡路徑，生成連續(xù)的刀具單元路徑集合。這些數(shù)據(jù)作為整個(gè)解釋器的輸出結(jié)果，可以被仿真系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所調(diào)用。

圖7 刀具路徑顯示

圖7 所示為以ISO 14649 示例1 為例所生成的刀具路徑。以樹狀圖的形式分類顯示了完整的路徑信息和各特征的路徑信息，雙擊節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)相應(yīng)的路徑信息進(jìn)行三維顯示。

2.4 切削仿真

切削仿真功能能夠幫助使用者更直觀地查看加工的零件、刀具路徑及其他相關(guān)信息，并能對(duì)加工過程進(jìn)行仿真?？梢詼p少或者消除因?yàn)镾TEP-NC 加工程序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的機(jī)床夾具損壞或刀具折斷、工件報(bào)廢等問題，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的時(shí)間，降低成本。

切削仿真模塊主要由以下幾個(gè)功能組成:

(1)三維模型顯示 本文通過讀取STL 文件顯示工件三維模型。STL 文件由多個(gè)三角形面片的定義組成，每個(gè)三角形面片的定義包括三角形各個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)及三角形面片的法矢量。程序中通過遍歷三角形面片的3 個(gè)頂點(diǎn)，可以方便地構(gòu)造實(shí)體。然后進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)體渲染，以增加工件實(shí)體的真實(shí)感。

(2)材料去除 本文采用基于三角網(wǎng)格的幾何仿真方法［8］，通過計(jì)算毛坯模型表面三角片頂點(diǎn)與刀具掃掠面之間的距離，計(jì)算出各三角片頂點(diǎn)高度值，修改自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除效果。因此首先需要建立毛坯的數(shù)據(jù)模型。本文采用的是三角網(wǎng)格方法來建立毛坯模型。

圖8 毛坯的三角網(wǎng)格化模型

如圖8 所示，采用三角面片離散法將毛坯上表面離散為均勻點(diǎn)陣，下表面邊界離散成均勻點(diǎn)陣，順次連接毛坯上表面點(diǎn)陣形成毛坯上表面三角網(wǎng)格，連接上下表面邊界點(diǎn)陣構(gòu)成毛坯側(cè)面網(wǎng)格，底面采用一個(gè)四邊面片表示。

(3)人機(jī)交互 基于OpenGL 切削仿真的人機(jī)交互接口包括:加工路徑顯示與隱藏、動(dòng)靜控制、仿真速度控制、視角變換。

圖9 顯示的是一個(gè)型腔的粗銑加工。在加工過程中，可以進(jìn)行調(diào)整仿真速度、顯示/隱藏路徑等操作。

圖9 切削仿真過程

2.5 G 代碼生成及驗(yàn)證

由于在刀具路徑生成模塊已經(jīng)生成了路徑信息鏈表，所以要生成G 代碼程序文件只需從頭開始讀取整個(gè)路徑信息鏈表，從每個(gè)節(jié)點(diǎn)中取出有關(guān)的加工工藝參數(shù)(如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和冷卻液等)，按照指定數(shù)控系統(tǒng)的指令格式將其分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的F、M、S等功能字，并把刀具軌跡轉(zhuǎn)化為指定的數(shù)控系統(tǒng)的G代碼指令格式［9］。由于在不同工步中所使用的刀具可能不相同，在讀取下一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，還要判斷該節(jié)點(diǎn)所使用的刀具是否與上個(gè)節(jié)點(diǎn)所使用的刀具相同，如果不相同則需要添加換刀功能字。當(dāng)路徑信息鏈表中所有節(jié)點(diǎn)都轉(zhuǎn)換后，即完成了STEP-NC 文件到G 代碼程序的轉(zhuǎn)換。G 代碼程序的生成過程如圖10a 所示，生成G 代碼程序的軟件界面如圖10b 所示。

圖10 G 代碼的生成

為驗(yàn)證所生成的G 代碼的正確性，本文利用VERICUT 軟件對(duì)生成的G 代碼進(jìn)行了加工仿真驗(yàn)證。VERICUT 軟件是美國CGTECH 公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，由NC 程序驗(yàn)證模塊、機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真模塊等組成，具有很高的國際知名度，在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

圖11 VERICUT 加工仿真

圖11a 所示的是在VERICUT 軟件中對(duì)工程的設(shè)置，圖11b 展示的是在VERICUT 系統(tǒng)仿真環(huán)境中使用FANUC 數(shù)控機(jī)床執(zhí)行G 代碼進(jìn)行仿真加工的結(jié)果。驗(yàn)證了所生成的G 代碼能夠正確反映刀具路徑生成模塊所得的軌跡計(jì)算結(jié)果。

3 結(jié)語

STEP-NC 程序包含了產(chǎn)品全生命周期的所有信息，同時(shí)消除對(duì)CNC 系統(tǒng)的依賴性，STEP-NC 的提出和發(fā)展結(jié)束了長期以來數(shù)控系統(tǒng)只能被動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作的歷史，解決了CNC 與CAX 之間的雙向無縫連接問題，為網(wǎng)絡(luò)制造、虛擬制造、并行工程等先進(jìn)制造技術(shù)和模式提供了技術(shù)保證。因此，相對(duì)于G 代碼來說，具有很大的優(yōu)勢，是未來的一種發(fā)展趨勢。

本文對(duì)基于STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面(MMI)軟件進(jìn)行了研究和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了STEP-NC 信息提取，利用程序信息樹的形式再現(xiàn)了STEP-NC 文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)提取出的工藝信息進(jìn)行刀具路徑的規(guī)劃，利用OpenGL 圖形庫實(shí)現(xiàn)了三維工件顯示及加工路徑仿真功能，為在商用CNC 系統(tǒng)上開發(fā)STEP-NC 人機(jī)界面軟件提供了參考。

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