基于STEP—NC的CAM/CNC系统数据接口的研究

宋明伟++张小丽++高峰++韩伟++王国章++王涛++张涛++顾豪

摘要：对基于 STEP-NC 嵌入式 CAM/CNC 系统接口展开研究来解决 STEP-NC 文件到数控加工过程中 CAM 与 CNC 系统之间互动差的问题和一些关键技术。在文件被输入该系统之前，通过该接口将文件数据格式转换为链表结构输入，利用链表良好的操作性为后续的信息提取、刀具路径规划等 CAM 功能的实施打下良好的基础，并改善系统内部各功能模块的交互能力和效率。

关键词：STEP-NC； 系统接口； 智能化

STEP-NC 是 STEP 向 CNC 领域的扩展，旨在以STEP 统一表征 CNC 加工过程中涉及的全部信息，实现 CAD/CAM/CNC 之间的无缝连接，同时为数控系统提供完整的产品数据，为发展数控系统的开放性、智能化和网络化奠定基础。而 G、M 代码一般需要事先由后处理程序生成，增加了信息流失或出错的可能性； 只定义了机床的运动和开关动作，不包含产品数据的其他信息，因此 CNC 系统根本不可能获得完整产品信息，更不可能真正实现智能化； 从 CAD /CAM 系统到 CNC 系统的传输过程是单向的，难以支持先进制造模式； 由于覆盖面太窄，厂商不得不开发各自的扩充功能和专有指令，造成不同控制系统之间互不兼容； 不支持基于样条数据的五轴铣和高速加工； 生产准备时间长，生产效率低。与传统数控程序相比，本质上的区别是 STEP-NC 数控程序是中性的，并不针对特定的数控系统。

一、STEP-NC 的研究现状

如何实现 CAD/CAM 和 CNC 之间高效的数据交换和集成逐渐成为学术界和工业界近年来关注的焦点。STEP-NC（ISO 14649）提供了一种与 STEP（ISO0303）兼容的数据模型作为 CAM 和 CNC 之间的数据接口，期望实现 CAD/CAM 和计算机数控（CNC）机床之间的无缝连接随着 STEP-NC 数据模型和标准化工作的进展，国内外学者在相关系统和技术方面做了大量的研究工作。以欧共体、瑞士、美国和韩国为主承担的 IMS STEP-NC 计划取得了举世瞩目的阶段性成果，进行了多次公开演示。学术界认为，STEP-NC 是实现产品全生命周期信息集成和智能制造的重要途径，同时也是对当前制造系统和技术的巨大挑战是目前对STEP-NC 进行研究开发主要的国家和地区以及主要的制造商和从事的研究领域。现在已经开发出来的原型系统都证明了 STEP-NC 具有许多优点和内在潜力。在国内STEP-NC 数控系统的研究还处在刚刚起步的阶段。山东大学、清华大学以及安徽科技大学等高校的学者对 STEP-NC 的研究重点主要集中在程序信息提取、工艺规划以及控制器的概念和实现原理等一些理论研究和程序信息的预处理上。

二、STEP-NC 基本原理

STEP-NC 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。其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，消除了由于传统数据接口不兼容所带来的数控系统封闭性和不可互换性等问题； 同时也去除了 CAM 繁琐的后处理系统，提高了数控系统的可移植性和整个系统的柔性； 提供数据的双向传输，实现 CAD/CAM/CNC 之间的无缝连接，从而实现整个制造过程、乃至各个工业领域产品信息的标准化和一体化。

对STEP-NC 文件到数控加工过程中所涉及的这些问题和关键技术，对基于 STEP-NC嵌入式 CAM/CNC 系统接口进行研究，并对国际上为实现智能化数控系统研究出的 CAD/CAM/CNC 集成方案进行介绍，为解决基于 STEP-NC 的 CAM/CNC 系统之间数据不统一、不兼容的问题做出一些贡献。但要实现真正意义上的 STEP-NC 还有一段很长的路要走。

三、CAM/CNC 系统接口的研究

嵌入式 CAM 系统中 CNC 将完成 CAM 系统的一部分功能，直接根据 CAD/CAM 输出文件进行加工。传统的接口性 STEP-NC 控制器是将文件送入 CNC之前转化为 G、M 代码。在嵌入式 CAM/CNC 系统中如何对 STEP-NC 文件进行处理，即如何实现可以“理解”STEP-NC 文件的 CNC，这里嵌入式 CAM/CNC 系统接口就是主要致力于在数据输入 CNC 之前通过转换数据格式为后续的提取零件各种信息、刀具路径规划、刀具干涉检测、工艺参数设置等 CAM 功能在 CNC 中的实现打下基础，使 STEP-NC 程序包含的零件全部信息得到传输，现场的操作者也完全可以根据现场的条件和实际经验知识对程序内容（如工序内的工步安排和走刀路线、刀具、切削用量等）做出实时的修改，并将修改后的数控程序反馈给上游的设计部门。采用的接口方式是将 AP238 文件数据结构与链表结构的数据交换，由于 EXPRESS 本身不是一种实现语言，在实现具体应用时，系统还必须将STEP-NC 的 EXPRESS 描 述 型 的 格 式 转 化 为 便 CAM/CNC 系统操作和识别的数据格式，这也是面向STEP-NC 与 CNC 系统的关键技术之一，将直接影响程序的运行效率。

四、结论

STEP-NC 的提出和发展结束了长期以来数控系统只是被动地执行动作而不知究竟在干什么的历史。STEP-NC 集成了 STEP 的相关应用协议和 CAX 的制造信息，摒弃了 ISO6983 标准的程序在各系统间单行线式的信息传递方式； STEP-NC 程序在统一的数据模型基础上建立产品信息，保证了数据信息的集成和共享，促进了数控技术智能化、网络化和集成化的发展，为数控系统的智能化发展提供了条件，但真正实现智能化控制还需要不懈的努力！

参考文献：

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基金项目：河北省高等学校科学技术研究项目.项目编号：z2014132