基于STEP-NC的数控加工文件共享系统研究

唐锋，易杰，易辉成，王欣

（1.湖南工业职业技术学院，长沙 410208；2.复杂薄壁精密零件智能柔性加工技术湖南省工程研究中心，长沙 410082；3.成都工贸职业技术学院，成都 611731）

0 引言

数控技术已经成为现代制造业发展水平的重要标志，也是评价一个国家制造业水平的重要依据。但是传统的数控系统主要采用国际标准ISO 6983作为NC编程的数据接口，这种数据接口严重阻碍了数控系统的发展。传统的数控系统仅仅是一个被动的执行机构，无法和上游的设计制造等系统实现信息的双向交流和共享，因此难以实现制造系统的无缝集成。当前的数控系统正朝着智能化、网络化和开放式方向发展，而传统的G、M代码显然不能满足数控系统发展的要求，基于此，国际标准化组织ISO TC184/SC1正在制定一种新的数据交换标准——STEP-NC(ISO 14649)。该标准是一种不依赖于任何平台的中性数据模型，它采用面向对象的信息描述方法，不但给出被加工零件的几何信息而且详细描述了加工过程中的各种工艺信息[1-3]。

基于STEP-NC数控程序大都采用EXPRESS语言编制[2]，它虽然结构严谨，然而相对于没有计算机基础或者没有相关工作经验的人来说是非常难以理解的，并且这种语言不能在网上进行传播。但是随着网络传播技术与计算机技术的飞速发展，未来制造系统必然会向着网络集成化的方向发展。因此，急需出现一种便于网上传播与数据处理且独立于任何平台的新型中性信息描述语言，而目前可以代表WEB技术发展潮流之一的XML语言恰好可以满足这个要求。把这种网络通用语言与STEPNC结合起来，可以方便用户及时通过网络查询信息并对STEP-NC数据进行更新，从而真正在网络环境下完成集成制造之间的信息共享与交流[4-5]。

本文详细分析并建立EXPRESS语言与XML之间的映射关系，建立XML Schema库，最后通过测试零件验证了数据转换的正确性与有效性。

1 EXPRESS与XML映射关系

EXPRESS描述的STEP-NC中性文件转换为XML文件形式，需要建立EXPRESS到XML的映射，在此映射规则上才能完成转换。因为STEP-NC是针对对象特征而编制的，所以以面向对象为依据来建立EXPRESS到XML的映射是首选方法，具体的映射关系如表1所示[6]。

表1 面向对象、EXPRESS与XML的映射关系

由上述介绍可知，XML中的“实体”定义完全不同于EXPRESS中的ENTITY的定义，而与EXPRESS中相对应则是XML中的ELEMENT TYPE元素。因为EXPRESS的约束机制远要比XML强，而且EXPRESS的attribute和XML中的attribute又不尽相同，所以可以把XML中的ELEMENT用EXPRESS中的attribute来处理。

2 具体映射

在EXPRESS向XML Schema映射的过程中，主要包括模式映射、实体与实体属性及实体之间引用与继承关系的映射、数据类型映射4种[7]。

1）模式映射。把XML Schema中复合类型根元素complexType映射成EXPRESS模式，元素名为模式名。还可以在模式元素中加一些其它属性，如版本、名称等，比如：

2）数据类型映射。从前面章节可知EXPRESS含有简单、聚合、命名、构造与广义数据类型等。简单数据类型包括整数型、实数型及逻辑型等，与XML Schema具体的映射关系如表2所示。

表2 EXPRESS简单数据类型与XML Schema的映射关系

3）实体及实体属性映射。把XML Schema中复合类型元素complexType映射成EXPRESS中的实体，元素名就是相应的实体名。子类实体属性及其元素构成实体元素的内容，相应元素的名字由实体属性名加上相应的实体名（中间用“.”链接）构成，以达到元素名的唯一性。元素的出现顺序需和EXPRESS描述中出现的顺序一样，为了给实体元素的应用提供帮助，可以对各个实体元素附加上一个ID属性来加以说明。XML Schema中EXPRESS的每个实体添加一个空的实体引用元素，为了不出现同样的名字，可以用实体元素名后加“_ref”作为实体引用元素名，但是它没有值，只有一个说明其ID的属性值。

4）实体间关系映射。实体之间的继承关系可以通过子类和超类关系来表示，子类实体类型可以映射成超类实体的子元素，且用超类实体名附加“_subtypes”作为它的名字，下面以型腔与封闭型腔的继承关系来说明：

3 STEP－NC与XML文件的转换

3.1 XML Schema库的建立

为了能实现STEP-NC数据结构的XML表示，国际标准化组织（ISO）推出了新标准，即ISO 10303-28，而STEPNC中性文件都是由EXPRESS语言描述的，其结构形式主要是由一系列实体实例组成的。因此，为了能实现STEP-NC到XML的转换，必须先根据这个新标准把这些由EXPRESS描述的实体按照上面介绍的映射方法一一对应地映射成XML Schema文档，即建立XML Schema库，映射过程如图1所示。

图1 XML Schema 库的建立

3.2 文件的转换

建立XML Schema库以后，就可以进行文件的相互转换了。STEP-NC文件是由不同的实体实例组成的，以实体实例的名称作为依据从XML Schema库中查看相应的XML Schema定义，然后根据其结构层次用VC＋＋定义相应的XML模板，最后根据文献[8]所述解释器提取相应数据信息，把这些数据信息根据它在储存结构中相应的位置存放到XML模块相应的位置上，一旦实体数据和XML模板结合后就产生了XML 文 件，当STEP－NC文件中所有的实体实例根据相应的XML Schema完成转换后，一个带有有效数据的XML文件就产生了，具体流程如图2所示。根据这个原理可以很清楚地看到，只要存在XML Schema 与EXPRESS 一一对应，就能够实现XML文件到STEP－NC文件的转换，根据文件中提供的零件几何信息，通过CAD系统可重新塑造出零件的三维造型图。

图2 XML 文件转换流程图

4 实例验证

本文以Windows 7为软件开发平台，以VC＋＋为系统软件工具，开发基于STEP－NC的系统原型主界面，文件转换模块可实现STEP－NC文件与XML文件格式的相互转换[9]，以便实现网上传输传递与共享信息，如图3所示。以一个测试工件为例来验证文件转换功能模块的有效性，工件三维图如图4所示，包含1个孔特征和1个型腔特征。

图3 文件转换界面

图4 测试工件

读取转换界面如图5所示，可实现STEP－NC文件与XML文件格式的相互转换。读取、转换STEPNC的文件如图6、图7所示。

图5 读取转换界面

图6 读取/转换STEP-NC 文件

图7 读取/转换XML 文件

STEP－NC文件转换成XML文件后，使STEP－NC 文件以通俗易懂的形式显示出来，即便没有相关知识的人也能读懂，把转换成功的文件以一定的路径存储起来，可以发布到网上，用户端通过向URL所指定服务器提出申请下载，用IE浏览器查看其文件内容，如图8所示。文件下载后，再将XML文件转换为STEP－NC文件，然后提取所有与加工相关的信息、刀具路径的规划[10]及其轨迹仿真和插补运算，最后将指令送入数控机床进行加工，完成产品的制造。

图8 浏览器查看XML 文件

5 结语

本文对STEP－NC与XML格式文件进行了详细研究分析，重点研究了STEP－NC与XML文件的相互映射关系，在此基础上研究了两种类型文件的相互转化，使文件可以在网络间进行传播，实现了信息的集成与共享，提高了数控系统的开放性，也为它向集成化、网络化方向发展提供了有效途径，最后通过测试零件验证了方法的正确性和有效性。