基于STEP—NC的CAM/CNC系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口的研究

宋明偉++張小麗++高峰++韓偉++王國章++王濤++張濤++顧豪

摘要：對基于 STEP-NC 嵌入式 CAM/CNC 系統(tǒng)接口展開研究來解決 STEP-NC 文件到數(shù)控加工過程中 CAM 與 CNC 系統(tǒng)之間互動差的問題和一些關(guān)鍵技術(shù)。在文件被輸入該系統(tǒng)之前，通過該接口將文件數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為鏈表結(jié)構(gòu)輸入，利用鏈表良好的操作性為后續(xù)的信息提取、刀具路徑規(guī)劃等 CAM 功能的實施打下良好的基礎(chǔ)，并改善系統(tǒng)內(nèi)部各功能模塊的交互能力和效率。

關(guān)鍵詞：STEP-NC； 系統(tǒng)接口； 智能化

STEP-NC 是 STEP 向 CNC 領(lǐng)域的擴(kuò)展，旨在以STEP 統(tǒng)一表征 CNC 加工過程中涉及的全部信息，實現(xiàn) CAD/CAM/CNC 之間的無縫連接，同時為數(shù)控系統(tǒng)提供完整的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，為發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)的開放性、智能化和網(wǎng)絡(luò)化奠定基礎(chǔ)。而 G、M 代碼一般需要事先由后處理程序生成，增加了信息流失或出錯的可能性； 只定義了機(jī)床的運動和開關(guān)動作，不包含產(chǎn)品數(shù)據(jù)的其他信息，因此 CNC 系統(tǒng)根本不可能獲得完整產(chǎn)品信息，更不可能真正實現(xiàn)智能化； 從 CAD /CAM 系統(tǒng)到 CNC 系統(tǒng)的傳輸過程是單向的，難以支持先進(jìn)制造模式； 由于覆蓋面太窄，廠商不得不開發(fā)各自的擴(kuò)充功能和專有指令，造成不同控制系統(tǒng)之間互不兼容； 不支持基于樣條數(shù)據(jù)的五軸銑和高速加工； 生產(chǎn)準(zhǔn)備時間長，生產(chǎn)效率低。與傳統(tǒng)數(shù)控程序相比，本質(zhì)上的區(qū)別是 STEP-NC 數(shù)控程序是中性的，并不針對特定的數(shù)控系統(tǒng)。

一、STEP-NC 的研究現(xiàn)狀

如何實現(xiàn) CAD/CAM 和 CNC 之間高效的數(shù)據(jù)交換和集成逐漸成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界近年來關(guān)注的焦點。STEP-NC（ISO 14649）提供了一種與 STEP（ISO0303）兼容的數(shù)據(jù)模型作為 CAM 和 CNC 之間的數(shù)據(jù)接口，期望實現(xiàn) CAD/CAM 和計算機(jī)數(shù)控（CNC）機(jī)床之間的無縫連接隨著 STEP-NC 數(shù)據(jù)模型和標(biāo)準(zhǔn)化工作的進(jìn)展，國內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)系統(tǒng)和技術(shù)方面做了大量的研究工作。以歐共體、瑞士、美國和韓國為主承擔(dān)的 IMS STEP-NC 計劃取得了舉世矚目的階段性成果，進(jìn)行了多次公開演示。學(xué)術(shù)界認(rèn)為，STEP-NC 是實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期信息集成和智能制造的重要途徑，同時也是對當(dāng)前制造系統(tǒng)和技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)是目前對STEP-NC 進(jìn)行研究開發(fā)主要的國家和地區(qū)以及主要的制造商和從事的研究領(lǐng)域?，F(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出來的原型系統(tǒng)都證明了 STEP-NC 具有許多優(yōu)點和內(nèi)在潛力。在國內(nèi)STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)的研究還處在剛剛起步的階段。山東大學(xué)、清華大學(xué)以及安徽科技大學(xué)等高校的學(xué)者對 STEP-NC 的研究重點主要集中在程序信息提取、工藝規(guī)劃以及控制器的概念和實現(xiàn)原理等一些理論研究和程序信息的預(yù)處理上。

二、STEP-NC 基本原理

STEP-NC 基本原理是基于制造特征進(jìn)行編程，而不是直接對刀具運動進(jìn)行編程。其包含了工件的所有加工任務(wù)，通過這一系列加工任務(wù)，對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間，消除了由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)接口不兼容所帶來的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和不可互換性等問題； 同時也去除了 CAM 繁瑣的后處理系統(tǒng)，提高了數(shù)控系統(tǒng)的可移植性和整個系統(tǒng)的柔性； 提供數(shù)據(jù)的雙向傳輸，實現(xiàn) CAD/CAM/CNC 之間的無縫連接，從而實現(xiàn)整個制造過程、乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化和一體化。

對STEP-NC 文件到數(shù)控加工過程中所涉及的這些問題和關(guān)鍵技術(shù)，對基于 STEP-NC嵌入式 CAM/CNC 系統(tǒng)接口進(jìn)行研究，并對國際上為實現(xiàn)智能化數(shù)控系統(tǒng)研究出的 CAD/CAM/CNC 集成方案進(jìn)行介紹，為解決基于 STEP-NC 的 CAM/CNC 系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、不兼容的問題做出一些貢獻(xiàn)。但要實現(xiàn)真正意義上的 STEP-NC 還有一段很長的路要走。

三、CAM/CNC 系統(tǒng)接口的研究

嵌入式 CAM 系統(tǒng)中 CNC 將完成 CAM 系統(tǒng)的一部分功能，直接根據(jù) CAD/CAM 輸出文件進(jìn)行加工。傳統(tǒng)的接口性 STEP-NC 控制器是將文件送入 CNC之前轉(zhuǎn)化為 G、M 代碼。在嵌入式 CAM/CNC 系統(tǒng)中如何對 STEP-NC 文件進(jìn)行處理，即如何實現(xiàn)可以“理解”STEP-NC 文件的 CNC，這里嵌入式 CAM/CNC 系統(tǒng)接口就是主要致力于在數(shù)據(jù)輸入 CNC 之前通過轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式為后續(xù)的提取零件各種信息、刀具路徑規(guī)劃、刀具干涉檢測、工藝參數(shù)設(shè)置等 CAM 功能在 CNC 中的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)，使 STEP-NC 程序包含的零件全部信息得到傳輸，現(xiàn)場的操作者也完全可以根據(jù)現(xiàn)場的條件和實際經(jīng)驗知識對程序內(nèi)容（如工序內(nèi)的工步安排和走刀路線、刀具、切削用量等）做出實時的修改，并將修改后的數(shù)控程序反饋給上游的設(shè)計部門。采用的接口方式是將 AP238 文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與鏈表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換，由于 EXPRESS 本身不是一種實現(xiàn)語言，在實現(xiàn)具體應(yīng)用時，系統(tǒng)還必須將STEP-NC 的 EXPRESS 描 述 型 的 格 式 轉(zhuǎn) 化 為 便 CAM/CNC 系統(tǒng)操作和識別的數(shù)據(jù)格式，這也是面向STEP-NC 與 CNC 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，將直接影響程序的運行效率。

四、結(jié)論

STEP-NC 的提出和發(fā)展結(jié)束了長期以來數(shù)控系統(tǒng)只是被動地執(zhí)行動作而不知究竟在干什么的歷史。STEP-NC 集成了 STEP 的相關(guān)應(yīng)用協(xié)議和 CAX 的制造信息，摒棄了 ISO6983 標(biāo)準(zhǔn)的程序在各系統(tǒng)間單行線式的信息傳遞方式； STEP-NC 程序在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上建立產(chǎn)品信息，保證了數(shù)據(jù)信息的集成和共享，促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的發(fā)展，為數(shù)控系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供了條件，但真正實現(xiàn)智能化控制還需要不懈的努力！

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基金項目：河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目.項目編號：z2014132