基于STEP-NC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機制研究

韓建華，杜娟

（太原科技大學 機械電子工程學院，太原 030024）

STEP-NC是1996年國際上為數(shù)控程序制定的一種新的數(shù)據(jù)接口標準(ISO14649)，它提供了一種不依賴具體系統(tǒng)的中性機制和能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型。STEP-NC的提出，使得將集中于單個計算機上的數(shù)控程序分散在互聯(lián)網(wǎng)的不同設(shè)備上，從而為基于網(wǎng)絡(luò)的制造模式和技術(shù)創(chuàng)造了條件［1］。

為便于網(wǎng)絡(luò)傳輸，產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型文件使用XML語言描述，而STEP-NC程序使用EXPRESS語言描述，因此，如何進行二者之間的轉(zhuǎn)換就成為數(shù)控技術(shù)向開放式、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展的關(guān)鍵所在。本文針對實際構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計平臺，提出了一種引入自學習機制的EXPRESS/XML轉(zhuǎn)換機制的實現(xiàn)方法，并用實例進行驗證，效果良好。

1 系統(tǒng)的硬件平臺

為了完成網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同制造需求，整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)根據(jù)功能可分產(chǎn)品設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)傳輸和制造加工三個層次。產(chǎn)品設(shè)計和制造加工的數(shù)據(jù)可以利用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)上進行傳輸，擺脫了空間位置的束縛。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

產(chǎn)品設(shè)計層用于建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型文件，允許有多個設(shè)計者互聯(lián)，每個設(shè)計者均可建立自己的三維零件圖，并通過 STEP轉(zhuǎn)接口，直接輸出符合STEP-NC標準格式的文件，再使用EXPRESS/XML轉(zhuǎn)換器生成適合于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腦ML語言文件。制造加工層包括多個加工車間，每個加工車間設(shè)置一臺車間服務(wù)器，用于連接本車間的各個STEP-NC機床，并通過交換機與Internet相連。通過STEP-NC機床，操作員可直接瀏覽產(chǎn)品的幾何模型和加工信息，但要進行加工，必須再次使用EXPRESS/XML轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，生成EXPRESS文件，經(jīng)程序檢查確認無誤后加工開始。

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.1 Network framework of this system

2 EXPRESS/XML轉(zhuǎn)換機制

STEP-NC程序描述使用 EXPRESS語言，而EXPRESS語言與XML語言之間可以相互轉(zhuǎn)換，這為網(wǎng)絡(luò)化制造提供了一種新的途徑；ISO 10303-28標準給出了EXPRESS語言和XML之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，參照此規(guī)則可將 STEP-NC數(shù)控加工程序用XML語言表示。［2］

2.1 轉(zhuǎn)換方法

目前常用的方法有前綁定及后綁定［3］。兩者各有優(yōu)缺點，前綁定將EXPRESS作為整體轉(zhuǎn)化，形式較簡單，但每一個EXPRESS模型必須對應一套XML標簽集（即Schema私有）；后綁定中XML標記與EXPRESS的實體、屬性、數(shù)據(jù)類型相對應，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的膨脹和爆炸，但是，卻允許所有的EXPRESS模型共用一套標簽集（即 Schema共有）。通常，后期綁定方式能在異構(gòu)平臺上較好的實現(xiàn)通用性和可移植性。

2.2 對應關(guān)系

EXPRESS/XML的轉(zhuǎn)換是根據(jù)結(jié)構(gòu)上的對應關(guān)系進行的。具體為：EXPRESS實體對應 XML文檔；實體(子實體)對應元素(子元素)；實體屬性對應屬性(子屬性)；與其他實體關(guān)系對應與其他元素關(guān)系［4］。

對于 project實體，用 EXPRESS語言描述如下：

2.3 轉(zhuǎn)換機制

EXPRESS/XML轉(zhuǎn)換機制包括寫入模塊、轉(zhuǎn)換模塊、糾錯模塊，并設(shè)置專門的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存放XML-Schema庫，執(zhí)行過程如圖2所示。

圖2 EXPRESS/XML轉(zhuǎn)換機制執(zhí)行過程Fig.2 EXPRESS/XML transformation mechanism process

(1)寫入模塊：根據(jù)ISO10303-28標準，將EXPRESS實體生成對應的 XML文檔，寫入 XMLSchema庫。

(2)轉(zhuǎn)換模塊：輸入STEP-NC文件，根據(jù)EXPRESS表達式按照搜索規(guī)則從XML-Schema庫中搜索合適的模式進行轉(zhuǎn)換，直至EXPRESS文件結(jié)束，此時STEP-NC文件被轉(zhuǎn)換成XML文件。在轉(zhuǎn)換過程中，如果發(fā)現(xiàn)XML-Schema庫中沒有相關(guān)信息，則可根據(jù)STEP-NC標準，轉(zhuǎn)入寫入模塊進行添加。顯然，轉(zhuǎn)換依靠的是XML-Schema庫，保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)提取的快速準確是影響系統(tǒng)性能的直接因素。由于近期使用的規(guī)則最有可能再次被使用，故本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫中設(shè)置專門的快速檢索表，記錄最近使用過的轉(zhuǎn)換規(guī)則。查找時，先檢索快速檢索表，如表中沒有再從XML-Schema庫中檢索，大大提高了檢索效率。

(3)糾錯模塊：為保證STEP-NC程序的正確性和合理性，轉(zhuǎn)換機制應具備糾錯功能。其實現(xiàn)過程為：分析 STEP-NC文件結(jié)構(gòu)；采用后綁定的方法建立相應的實體XML Schema，規(guī)定數(shù)據(jù)出現(xiàn)的次序及數(shù)據(jù)的屬性，如字符串型、整型、實型等，在解析過程中檢查 STEP-NC文件的數(shù)據(jù)是否缺省或超出范圍，并通過對話框的形式提示操作者；若無錯誤可在本地機床安全運行，若出現(xiàn)錯誤則進行反饋，并修改XML-Schema庫。

2.4 自學習機制

由于XML-Schema庫的性能會直接決定整個系統(tǒng)的性能，故該庫在建立時引入自學習機制。初始庫中只設(shè)置必要的、基本的信息即可投入運行，使得此庫的建立比普通機制節(jié)約時間，系統(tǒng)能較早的投入運行。在運行時逐漸通過反饋環(huán)節(jié)進行添加以擴充數(shù)據(jù)庫。同時，對已有的信息要進行修正，保留正確的信息，刪除錯誤的信息，經(jīng)過積累，轉(zhuǎn)換的準確性將逐步提高。

3 實例驗證

下面通過一個例子來演示 STEP中性文件到XML文件的轉(zhuǎn)換過程。圖3所示為用Pro/Engineer創(chuàng)建的測試零件，零件名稱為prtpart.prt。

圖3 測試零件Fig.3 Test part

Pro/Engineer支持 STEP AP214格式的導出功能，將測試零件信息導出后，系統(tǒng)自動生成名稱為prtpart.stp的STEPAP214中性文件，然后通過轉(zhuǎn)換機制將該STEP文件轉(zhuǎn)換為相應的XML文檔，默認文件名為prtpart.xml，用IE5.0瀏覽器查看其文檔內(nèi)容如圖4所示。

圖4 STEP文件轉(zhuǎn)換后的XML文檔Fig.4 XML file converted from STEP file

4 結(jié)論

本文詳細闡述了一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造架構(gòu)上的EXPRESS/XML轉(zhuǎn)換機制的構(gòu)成，分析了其轉(zhuǎn)換過程，研究了兩種文件的對應關(guān)系，提出了自學習的XML-Schema庫建立方法，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間，提高了XML-Schema庫的效能，擴展了STEPNC在網(wǎng)絡(luò)化制造中的應用。

［1］楊奕昕，黃澤森，范青.數(shù)控系統(tǒng)及研發(fā)技術(shù)研究［J］.兵工自動化，2009，28（10）：78-81.

［2］王軍，聶新剛，孫軍，等.基于STEP-NC數(shù)控編程的實現(xiàn)方法［J］.沈陽建筑大學學報：自然科學版，2005，21（6）：759-760.

［3］張莉彥.基于Internet的STEP-NC的研究［D］.北京化工大學，2008:63.

［4］張運森，劉保國，劉珂.基于XML與STEP的產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述及轉(zhuǎn)換技術(shù)研究［J］.制造業(yè)自動化，2009，31（3）：36-38，42.