论STEP-NC新型数控标准对数控编程技术的影响

(天津城市职业学院，天津 300250)

长期以来我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。

目前数控加工的CAD/CAPP/CAM阶段可以采用STEP标准统一了产品数据的统一描述，但CNC阶段采用IS06983标准，使信息的流动遇到了瓶颈。按照传统NC接口标准ISO6983编写的数控程序局限性很多，严重阻碍了数控技术开放式、网络化的发展。 本文从以下几个方面进行分析。

一、ISO 6983标准及存在的问题

当前应用较为普遍的的数控加工程序是基于ISO 6983标准的G、M代码组成。它在数控机床诞生早期就开始使用，由于加工效率高，操作简单方便，得到了世界范围内的广泛认可。ISO 6983是目前广泛使用的数据标准。这个标准下指定的指令也就是机床坐标轴的运动指令。图1所示的零件加工过程中，CAD部分完成了产品的设计，CAPP部分完成加工工艺和加工方法的设计，CAM部分完成数控程序编制。CNC机床完成零件的加工。

图1 零件加工过程

概括起来，IS06983的局限性具体表现在以下几个方面：

其一，加工较复杂的零件时，编程实时性差，修改较困难。数控程序仅包含了CAD/CAM系统中的一部分信息，一些信息在传递过程中丢失了。由于过程较为复杂无形中增加了人为出错率。

其二，该标准中的G代码信息只包括机床的机械运动、电气元件开关等动作，该指令根据机床各个坐标轴对刀具中心进行编程，而不是根据被加工零件的制造特征来编程。被加工产品的其它数据信息包括尺寸公差，加工精度等信息不能够完整获得，也就不可能真正实现智能化。

其三，从数控加工软件系统到数控系统的传输过程不能进行双向数据交换，不能支持先进制造模块。

其四，各控制系统之间互不兼容长。加工零件程序不通用，没有统一的扩充指令和专有指令。

其五，生产效率低，准备期较长。

针对上述问题，1997年欧共体开发一种遵从STEP标准面向对象的数据模型，重新定义面向铣削加工的编程界面，提出STEP-NC概念。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，要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品模型、刀具信息、工艺信息和直接产生加工程序。

正视STEP-NC技术的发展，正确评估该技术对NC技术乃至制造自动化技术的影响是非常必要的。STEP—NC是STEP标准在CNC领域的扩展，它弥补了传统标准的缺陷，成为数控技术的最新研究方向。

二、STEP-NC标准的国内外研究现状

1.国外研究现状

目前世界上正在进行或者已经结束的关于STEP-NC的研究项目很多，比如欧盟的Europe ESPRIT STEP-NC项目， STEP- NC,Super Model Project等。其中欧洲的STEP-NC项目研究旨在实现和测试铣削加工数据接口，二十多家数控领域的研究机构和企业参与了该项目的研究工作。欧共体在Siemens 840D的基础上开发了一个原型机，此项技术验证了STEP-NC控制器可行性。美国高家标准和技术研究所与STEP Tools公司合作Super Model项目，旨在建立一个包含所有制造零件需要的信息的数据库。德国、瑞士在此技术上的发展也很迅速。

2.国内研究现状

随着STEP-NC在世界各地的发展，我国自21世纪以来，山东大学，哈尔滨工程大学等大学和研究所逐渐开始从事STEP-NC的研究以及相关软件系统的开发。山东大学张承瑞教授等人基于STEP-NC控制器在线规划问题，提出了新的在线规划模式，分别给出了筛选特征级工艺路线的方法，工步级铣削用量的优化模型以及基于启发式的工步排序方法。基于STDeveloper软件平台，研究了STEP-NC数控程序的信息提取方法。我国STEP-NC研究开发，虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比(与国外对比)不仅技术水平有差距，在一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。

三、STEP-NC产生的影响

STEP-NC是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业将产生深远的影响。STEP-NC将STEP扩展至数控加工的最后环节CNC领域，重新定义了CAX与CNC之间的接口，可以将制造信息与产品的设计信息联系起来，使产品信息得以保存不流失，由原来传统的开关控制和控制运动的数控程序改变为直接面向加工对象的数控程序。仅就目前的研究成果而言，可以预见的比较直接的影响主要有以下几个方面：

1.操作界面改变

由于编程和加工概念的改变，由传统的控制运动和开关动作改变为描述产品的特征信息，以新标准取代ISO6983使得编程界面大为改观，现场编程方便而且易于取代再利用。

2.数控系统的开放性和智能化

当被加工工件某些特征略有改变时，只需改变有关特征的几何描述，其它元素无需改变。STEP-NC的数控程序包含了加工产品所需的所有信息，为CNC系统在全面了解产品的基础上进行自主加工提供了基本条件。

3.CAM与CNC之间功能重新划分

在CNC内进行刀具的选择、补偿、走刀路线的确定等加工工艺更有可能得到最优的加工效果。因此，将后的CNC将完成CAM系统的一部分功能，并在此基础上安装嵌入式CAM系统，直接通过CAD数据模型进行产品加工。

4.加工质量和效率

STEP-NC技术改变了以往CNC系统只是被动的加工产品。其功能的逐渐增强还能提高其上游环节的效率，它用数控系统和人都能解释的生产模型来代替图形。因此企业减少了 75%的画图量，与此同时加工工艺规划CAPP时间上减少35%。详见图2。

图2 STEP-NC定义的CAM与CNC接口

对于STEP-NC的研究，仍然面临一些问题有待于进一步研究。因为STEP-NC文件相对比较复杂，含有大量的数据，并且存在大量对于其他语句的引用，手工编程是非常困难的，目前主流的CAD软件不支持STEP-NC，如何实现STEP-NC文件的生成，如何对已经存在的STEP-NC文件进行处理成为了今后需要研究和解决的关键所在。

参考文献：

[1]桂贵生，江吉彬.图形交互式自动编程技术[J].合肥工业人学学报，1997, 20(01).

[2]周济，周艳红.数控加工技术[M].北京:国防工业出版社，2002.

[3]李善平，刘乃若，郭鸣等.产品数据标准与 PDM[M].北京：清华大学出版社，2002.