基于STEP-NC的轴类零件车削系统的开发

虎智猛，黄晓明

（云南机电职业技术学校，昆明 650203）

1 STEP-NC标准概述

STEP-NC是一个新的NC编程接口标准（ISO-14649），全称是计算机数字控制的数据模型（Data Model for Computerized Numerical Controllers）。它是STEP标准在NC领域内的扩展，是CAD/CAM/CNC之间的新的数据接口标准[1]。

STEP-NC的基本原理是基于制造特征进行编程而不是直接对刀具运动进行编程，它的本质特征是面向对象描述加工什么。STEP-NC用工步（Working steps）指定加工过程，工步将加工特征和具体操作联系起来。STEP-NC包含了工件的所有加工任务，通过这一系列加工任务对从零件毛坯到最终成品所有的操作加以描述提供了更高层次的信息给加工车间。其几何信息描述和文件格式与STEP标准完全一致。一个基于STEP-NC的程序由几何信息和工艺信息描述组成，几何信息采用STEP数据格式描述，CNC系统可以直接从CAD系统读取STEP数据文件，从而消除了由于数据格式转换可能导致的精度降低的问题。工艺信息描述部分包括所有工步的详细完整定义如特征代码、刀具数据、机床功能、加工策略及其它数据[2]。

由此可以看出，基于STEP-NC的CAM系统意义上发生了变化，从功能上看更类似于一个CAPP系统。一个NC程序就是特征的几何信息加上必要的工艺信息，而刀具运动轨迹计算等任务则由CNC系统处理，CNC系统负责把工步转换成机床坐标轴和刀具的运动。而且基于STEP-NC的CNC技术是真正实现开放式集成制造环境和协同制造的基础，具有极其重要的研究意义和广阔的应用前景。

2 系统设计原则

本文所研究的轴类零件的STEP-NC文件生成系统主要是针对车削加工的，即该系统生成的STEP-NC文件将作为具备STEP-NC控制器的数控车床的加工程序，用以实际加工零件。该系统既能生成具有一般制造企业的轴类零件的STEP-NC文件（程序）G代码，同时也能生成传统数控系统的G代码，因此该系统在普及STEP-NC程序过程中将起到过渡作用。

本系统的构思完全依据STEP-NC的数据模型和程序结构的理论要求，进行模块化设计。

系统设计的目的是在轴类零件三维造型的基础上，根据STEP-NC的实现方式自动生成STEP-NC文件。由于STEP-NC的控制器研究还处于初级阶段，因此该系统生成的STEP-NC文件需转换成传统的G代码，在现有的数控车床上进行一致性测试，以满足STEP-NC的基本要求。

系统所生成的STEP-NC文件使用EXPRESS语言进行描述，容易被计算机识别，同时可实现产品数据在全生命周期中的共享与交换要求。

3 系统总体结构的设计

为了自动生成符合ISO 14649标准的STEP-NC文件，结合轴类零件的加工特点，系统首先对轴的各特征进行识别，同时获取零件造型的相应的几何信息（AP203文件），通过特征识别，可以直接得到加工该特征所需的刀具描述和零件的制造特征；然后通过文件头信息模块、毛坯描述模块、坐标系及装夹定位描述模块、加工参数描述模块、刀具库模块和工步描述模块，生成符合STEP-NC要求的工步描述，并将其按照加工顺序进行排列，最终生成STEP-NC文件。

在实际开发过程中，系统主要利用SolidWorks软件的设计模块和其强大的开发功能，使系统直接读取利用SolidWorks软件所设计的轴类零件的CAD模型。在此基础上，利用Visual Basic语言对SolidWorks 2005进行二次开发，以实现文件头信息、毛坯描述、坐标系及装夹定位描述、加工参数描述、刀具库、工步描述和特征信息提取七个功能模块，其中在特征信息提取模块中，生成零件各特征表面的几何信息和加工参数，最终生成符合STEP标准的STEP-NC文件，同时为了实现该系统的验证，在本模块中还可以生成传统的数控程序（G代码）。根据以上分析，得到系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

4 系统功能模块及其实现流程

根据ISO 14649标准，本文将STEP-NC系统分为七个主要的功能模块：文件头信息、毛坯描述、坐标系及装夹定位描述、加工参数描述、刀具库、工步描述和特征几何信息模块。前六个模块均可通过窗体进行人机交互对话得到所需数据，并在各窗体之间进行传递，而特征几何信息模块需要完成四个功能：制造特征信息（包括生成AP203、AP214、AP224文件三个子菜单）、加工信息、生成STEP-NC文件、生成G代码。七个模块分别实现各自相应的功能，并且它们之间相互紧密联系。系统的整个功能模块实现流程如图2所示。

图2 系统功能实现流程图

5 生成插件

为了在SlidWorks环境中更方便快捷地运行该系统，本文将实现整个系统的程序编译成了一个*.DLL文件，并将其做成SolidWorks的一个插件（STEP－NC），使之集成于SolidWorks软件，并为后续研究提供了工具。如图3所示。

图3 添加名称为STEP-NC的插件

6 系统运行实例

在SolidWorks零件环境中，单击“【工具】”“【插件】”，选择“STEP-NC”，此时在SolidWorks环境中就加入了一个名为“【STEP-NC】”的菜单，单击该菜单下的子菜单“运行系统”，则出现图4所示的系统主页面。

图4 系统主页

图5a 运行前

图5b 运行后

按“文件头信息”、“毛坯信息”等依次进入各功能模块，并输入相应信息。图5显示了“刀具库”的运行情况，其中图5a显示的是选择刀具前的情况，当在下拉组合框中选中“外圆粗车刀”时，刀具常用角度列表框中自动输入外圆粗车刀的各角度值，该值可以进行人工调整，图5b显示的是选择粗车刀后的情况。

进入“特征信息及验证”界面后，出现四个菜单：“制造特征信息”、“生成加工信息”、“生成G代码”和“生成STEP-NC”，首先选择“生成加工信息”，则得到图6所示结果。

接下来，单击“生成G代码”，则在系统环境中出现如图7所示的提示，并且此时在C盘根目录下产生一个名为“CNC.txt”的文本文件。

图6 “生成加工信息”的运行结果

图7 “生成G代码”的运行结果

最后将所生成的“CNC.txt”文本文件传输入至数控车床，并加工出该零件，此时可验证本系统所提取的加工参数具有可执行性，再通过对加工出的零件进行检测，在不计公差要求的情况下，加工出的零件的尺寸满足CAD模型的基本尺寸要求，最终验证了该系统所提取的几何信息正确无误。

图8 “生成STEP-NC文件”的运行结果

根据前面各模块所得到的所有信息，最终生成了一个名为“STEP.txt”的文本文件，运行结果如图8所示。

[1] Martin Hardwick,David Lofredo.STEP into NC.Manufacturing Engineering.2001(1):38-50.

[2] 刘日良,张承瑞.STEP-NC2.5D铣削工步的运动特征及其数据模型[J].机械科学与技术,2005,1.

[3] SolidWorks公司.《SolidWorks API二次开发》.机械工业出版社,2005.