Machining Line PIanner輸出STEP－NC數(shù)控程序的研究

樊留群 劉玉平

（同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092）

Machining Line PIanner輸出STEP－NC數(shù)控程序的研究

樊留群 劉玉平

（同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092）

介紹了STEP－NC的概念、數(shù)據(jù)模型及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后通過對(duì)比MLP（Machining Line Planner）和STEP－NC數(shù)控程序?qū)μ卣骱筒僮鞯牟煌x方法，分析了在MLP中特征及加工工藝與STEP－NC的對(duì)應(yīng)關(guān)系，探討了在MLP中實(shí)現(xiàn)輸出STEP－NC格式的零件加工程序的方法。

STEP－NC數(shù)據(jù)模型 數(shù)控程序 Machining Line Planner

國際標(biāo)準(zhǔn)組織提出的STEP－NC（ISO14649）標(biāo)準(zhǔn)是適應(yīng)STEP的數(shù)控?cái)?shù)據(jù)接口（Step Compliant Data Interface for Numeric Controls）的簡稱，是STEP標(biāo)準(zhǔn)向數(shù)字化制造領(lǐng)域的延伸。它的基本思想是將基于STEP的CAD模型和工藝數(shù)據(jù)直接用于數(shù)控機(jī)床的編程，真正實(shí)現(xiàn)CAD/CAM與CNC之間信息的轉(zhuǎn)化。目前CAM系統(tǒng)的輸入可以是STEP格式的中性文件，但輸出卻一直被一種存在幾十年的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO6983（即G代碼）統(tǒng)治著，它限制了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造信息的無縫連接［1］。

MLP是西門子公司提供的數(shù)字制造解決方案Tecnomatix下的用于零件工藝規(guī)劃的一種軟件工具。在國外，它已被廣泛成熟地應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域，尤其是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝規(guī)劃方面。它最后將生成傳統(tǒng)的程序代碼，但STEP－NC是將來制造業(yè)發(fā)展的趨勢所在。因此本文在對(duì)STEP－NC數(shù)據(jù)模型及程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)MLP自動(dòng)生成STEP－NC數(shù)控程序進(jìn)行研究與分析。

1 STEP-NC簡介

1.1 STEP-NC數(shù)據(jù)模型

STEP－NC使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，建立新的數(shù)據(jù)模型（圖1），它是根據(jù)制造特征進(jìn)行編程，而不是針對(duì)具體機(jī)床軸的運(yùn)動(dòng)和刀具作用直接編程。STEP－NC數(shù)據(jù)模型由一系列稱為實(shí)體的基本單元組成。整個(gè)數(shù)控程序被作為一個(gè)工程（Project），基本單位為工步（Workingstep），一系列有序的工步組成了工作計(jì)劃（Workplan）。每一個(gè)工步必須包括一個(gè)加工對(duì)象及對(duì)應(yīng)的加工方法，其中加工對(duì)象通過加工特征（Feature）給出，它必須是一個(gè)具體的特征（例如平面、孔等），而加工方法則通過操作（Operation）來描述，它包括刀具（Tool）、工藝（Technology）、加工策略（Strategy）等。也就是說工步、特征和操作三者是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，每一個(gè)工步對(duì)應(yīng)一個(gè)特征和一種加工操作方法。STEPNC數(shù)控程序包含了產(chǎn)品全生命周期的所有數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)G代碼編程帶來的工藝信息丟失等缺陷。

1.2 STEP-NC程序結(jié)構(gòu)

STEP－NC數(shù)控程序文件一般由兩部分組成，第一部分是頭文件（Header），主要介紹文件名稱、作者、日期等相關(guān)信息；第二部分是數(shù)據(jù)段，以Data開始，它是數(shù)控程序的主要部分，包括關(guān)于幾何、特征和制造任務(wù)的所有信息。數(shù)據(jù)段以一個(gè)工程實(shí)體（Project）開始，結(jié)構(gòu)按“實(shí)體標(biāo)識(shí)=實(shí)體名（屬性值）；”的格式列出。例如#109=PROJECT（‘EXECUT EEXAMPLE1’，#108，（#18），$，$，$），實(shí)體標(biāo)識(shí)以字符“#”與一個(gè)整數(shù)組成。實(shí)體名來源于ISO14649定義的具有特殊意義的保留字（如PROJECT）。屬性值可以是數(shù)值、結(jié)構(gòu)類型數(shù)據(jù)或嵌入式的實(shí)體（用對(duì)應(yīng)的實(shí)體標(biāo)識(shí)號(hào)表示）［2］，當(dāng)屬性值為空時(shí)則用$表示。

2 Machining Line Planner自動(dòng)生成STEPNC程序研究

在MLP中可以完成對(duì)零件的整個(gè)工藝規(guī)劃過程并輸出程序文件。其功能流程如下：首先將FEATURE STEP格式的CAD模型輸入該系統(tǒng)，然后與系統(tǒng)預(yù)定義的特征類進(jìn)行比較，完成自動(dòng)特征識(shí)別，再根據(jù)資源庫、規(guī)則庫等為每個(gè)特征選擇相應(yīng)的操作和刀具，之后系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算出刀軌，完成這些工藝規(guī)劃步驟后最后將生成程序文件［3］。目前該軟件最后生成的程序文件為APT刀位文件，而不能直接生成STEP－NC程序文件。如前所述，STEP－NC程序是以工步為基本單位，一個(gè)工步對(duì)應(yīng)一個(gè)特征和一個(gè)操作，這與MLP中為每個(gè)特征選擇對(duì)應(yīng)的操作和刀具的基本思想是一致的，因此MLP能否自動(dòng)生成STEP－NC程序的關(guān)鍵問題就在于它能否提供STEP－NC程序所要求具備的所有信息并準(zhǔn)確提取出來。在STEP－NC程序中特征和操作的描述基本涵蓋了所有內(nèi)容。下面將針對(duì)這兩個(gè)方面，以發(fā)動(dòng)機(jī)缸體（其零件模型及特征視圖如圖2所示）在MLP中識(shí)別出的特征和對(duì)應(yīng)操作為例，對(duì)比他們定義描述的異同，從而研究自動(dòng)生成STEP－NC程序的方法。

表1 孔特征描述對(duì)比

首先以該例中識(shí)別出的一個(gè)STEP1HOLE特征為例。在MLP中系統(tǒng)識(shí)別出該特征后便自動(dòng)為其各項(xiàng)參數(shù)賦值，也可進(jìn)行手動(dòng)修改。特征STEP1HOLE與STEP－NC程序中的特征ROUND_HOLE相對(duì)應(yīng)，描述該特征的屬性值共有8個(gè)，如表1所示，左邊的參數(shù)則為從MLP中提取出來的。其中屬性Its_id即對(duì)應(yīng)ID HOLE1；屬性值Its_workpiece和Its_operation是對(duì)零件（例如id、材料等）和操作的描述，它們被包括在特征的屬性值里面，只是強(qiáng)調(diào)特征與它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并不涉及特征的具體形狀，它們各自又有很多屬性值，在MLP中已有對(duì)零件的總體描述，此處不詳細(xì)論述，本文后面會(huì)詳細(xì)討論操作的描述；屬性Feature_placement描述孔特征在工件坐標(biāo)系中的位置，它由特征坐標(biāo)系原點(diǎn)和孔中心軸方向兩個(gè)值來表示。它對(duì)應(yīng)MLP中的Iocation和rotation項(xiàng)。在MLP中孔特征坐標(biāo)系與孔是固定在一起的，孔特征坐標(biāo)系原點(diǎn)默認(rèn)位于孔表面的圓心處，中心軸為 軸并且正方向朝外。location表示特征坐標(biāo)系原點(diǎn)在工件坐標(biāo)系的位置，而特征的具體位置則通過rotation來確定，該項(xiàng)3個(gè)值全為0則表示特征坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系方向一致，如果第三個(gè)值為90，則表示特征坐標(biāo)系連同孔一起繞工件坐標(biāo)系 軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。這種定義與STEP－NC程序相似，在STEP－NC程序中孔特征的特征坐標(biāo)系原點(diǎn)也默認(rèn)為孔表面的圓心處，方向則通過DIRECTION（即一個(gè)矢量）來描述。此例中則為（0，0，1），表示中心軸沿 軸方向朝外，因此我們只要分析rotation項(xiàng)中旋轉(zhuǎn)角度與工件坐標(biāo)系方向的關(guān)系即能確定該矢量的方向值；屬性depth描述該孔的深度以及加工誤差范圍，與表中 depth，即6.75 ±0.2 mm 相吻合；屬性diameter描述孔的直徑以及加工誤差范圍，與表中DIAMETER相對(duì)應(yīng)；屬性chang_in_diameter表示該孔直徑是否有大小變化，為可選項(xiàng)，MLP中如果直徑有變化的孔則自動(dòng)識(shí)別為POCKET ROUND TAPERED等，此處特征STEP1HOLE可以確定孔直徑無變化，則該項(xiàng)屬性為空；屬性Bottom_condition描述底部情況，對(duì)于STEP－NC程序中的ROUND_HOLE特征該屬性有兩種可能，即通孔（through_bottom_conditio）或盲孔（blind_bottom_condition），在MLP中如果是通孔則自動(dòng)識(shí)別為STEP*HOLE（其中*用數(shù)字表述，即*階孔），如果是盲孔則自動(dòng)識(shí)別為STEP*POCKET，因此在生成 STEP－NC程序時(shí)，如果遇到特征STEP*HOLE則該項(xiàng)屬性默認(rèn)提取為通孔。故該特征編寫成STEP－NC程序如下，其中WORKPIECE和DRILL后的描述省略。

STEP－NC程序中對(duì)于操作的描述一般包括刀具信息，輔助功能及工藝策略，而不直接包含刀具軌跡信息。特征 ROUND_HOLE采用的操作是 DRILL，在STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)中它對(duì)應(yīng)的屬性值有14個(gè)，但絕大部分屬于可選項(xiàng)，因此表2中只列舉了4個(gè)必選項(xiàng)，并與MLP中對(duì)應(yīng)一個(gè)孔的操作進(jìn)行對(duì)比。提取這些參數(shù)后便可按照STEP－NC程序格式輸出程序代碼。

下面再以面特征為例。在STEP－NC程序中描述面的特征叫PLANAR_FACE，它共有9個(gè)屬性值，如表3所示，依次是 Its_id，Its_workpiece，Its_operations，F(xiàn)eature_placement，depth，course_of_travel，removal_boundary，face_boundary，its_boss［4］，其中屬性 Its_id，Its_workpiece，Its_operations與之前介紹的孔特征類似，這里不再贅述；對(duì)于屬性Feature_placement，MLP中面特征中的特征坐標(biāo)系原點(diǎn)位于面的中心點(diǎn)處，其他具體定位的描述與孔特征類似；屬性depth，course_of_travel，removal_boundary分別對(duì)應(yīng)該平面被銑削的厚度及平面長和寬，系統(tǒng)中均有描述；屬性face_boundary是可選項(xiàng)，表示該特征的邊緣，一般不予描述，屬性值為空；屬性its_boss也是可選項(xiàng)，表示面上不需銑削的凸臺(tái)，此處的面特征無凸臺(tái)，即此屬性值為空。

表2 操作參數(shù)對(duì)比

表3 面特征參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)語

本文在介紹STEP－NC概念、數(shù)據(jù)模型及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)以孔和面特征為例分析了MLP中特征及加工工藝與STEP－NC的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提取MLP中的參數(shù)值并按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換為STEP－NC數(shù)控程序中的屬性值，從而研究了自MLP中直接生成STEP－NC數(shù)控程序的方法，且給出了具體程序?qū)嵗Ｕ嬲龑?shí)現(xiàn)了CAD/CAM與CNC之間信息通道的閉環(huán)，克服了傳統(tǒng)G代碼信息流只能從CAD/CAM傳到CNC，而在車間的任何修改都不能通過數(shù)控程序反饋到規(guī)劃部門的缺陷。

［1］陳孝金，等.應(yīng)用STEP－NC實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造信息的共享［J］.數(shù)控機(jī)床與數(shù)控系統(tǒng)，2006，35（11）：27 －28.

［2］劉日良，張承瑞.STEP－NC數(shù)據(jù)模型和數(shù)控程序［J］.中國制造業(yè)信息化，2004，33（10）：102 －103.

［3］王晨晴.發(fā)動(dòng)機(jī)制造的數(shù)字化工廠技術(shù)應(yīng)用研究：［ 碩士學(xué)位論文］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

［4］ISO 14649－10，Industrial automation systems and integration－Physical device control－Data model for computerized numerical controllers－Part 10：General process data［S］.

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The Research of Output of STEP－NC Program from Machining Line Planner

FAN Liuqun，LIU Yuping
（Tongji University，Shanghai 200092，CHN）

This paper introduces the concept of STEP － NC，its data model and structural characteristics.Then by comparing the different definitions of feature and operation between Machining Line Planner and STEPNC program，the paper studies the method of automatic generation of STEP－NC program and a range of issues.

STEP －NC Data Model；STEP －NC Program；Machining Line Planner

樊留群，男，1964年生，教授，主要從事教學(xué)和生產(chǎn)過程自動(dòng)化方面的研究。

（編輯 譚弘穎） （

2010－04－01）

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