論STEP-NC新型數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)控編程技術(shù)的影響

(天津城市職業(yè)學(xué)院，天津 300250)

長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器。加工過(guò)程變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過(guò)自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒(méi)有反饋控制環(huán)節(jié)，制造過(guò)程中CNC只是一個(gè)封閉式的開(kāi)環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過(guò)程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、刀具軌跡、切削深度、步長(zhǎng)、加工余量等加工參數(shù)，無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，更無(wú)法通過(guò)反饋制環(huán)節(jié)隨機(jī)修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過(guò)程，因此，對(duì)數(shù)控技術(shù)實(shí)行變革勢(shì)在必行。

目前數(shù)控加工的CAD/CAPP/CAM階段可以采用STEP標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的統(tǒng)一描述，但CNC階段采用IS06983標(biāo)準(zhǔn)，使信息的流動(dòng)遇到了瓶頸。按照傳統(tǒng)NC接口標(biāo)準(zhǔn)ISO6983編寫的數(shù)控程序局限性很多，嚴(yán)重阻礙了數(shù)控技術(shù)開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展。 本文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

一、ISO 6983標(biāo)準(zhǔn)及存在的問(wèn)題

當(dāng)前應(yīng)用較為普遍的的數(shù)控加工程序是基于ISO 6983標(biāo)準(zhǔn)的G、M代碼組成。它在數(shù)控機(jī)床誕生早期就開(kāi)始使用，由于加工效率高，操作簡(jiǎn)單方便，得到了世界范圍內(nèi)的廣泛認(rèn)可。ISO 6983是目前廣泛使用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下指定的指令也就是機(jī)床坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)指令。圖1所示的零件加工過(guò)程中，CAD部分完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，CAPP部分完成加工工藝和加工方法的設(shè)計(jì)，CAM部分完成數(shù)控程序編制。CNC機(jī)床完成零件的加工。

圖1 零件加工過(guò)程

概括起來(lái)，IS06983的局限性具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

其一，加工較復(fù)雜的零件時(shí)，編程實(shí)時(shí)性差，修改較困難。數(shù)控程序僅包含了CAD/CAM系統(tǒng)中的一部分信息，一些信息在傳遞過(guò)程中丟失了。由于過(guò)程較為復(fù)雜無(wú)形中增加了人為出錯(cuò)率。

其二，該標(biāo)準(zhǔn)中的G代碼信息只包括機(jī)床的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、電氣元件開(kāi)關(guān)等動(dòng)作，該指令根據(jù)機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)刀具中心進(jìn)行編程，而不是根據(jù)被加工零件的制造特征來(lái)編程。被加工產(chǎn)品的其它數(shù)據(jù)信息包括尺寸公差，加工精度等信息不能夠完整獲得，也就不可能真正實(shí)現(xiàn)智能化。

其三，從數(shù)控加工軟件系統(tǒng)到數(shù)控系統(tǒng)的傳輸過(guò)程不能進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，不能支持先進(jìn)制造模塊。

其四，各控制系統(tǒng)之間互不兼容長(zhǎng)。加工零件程序不通用，沒(méi)有統(tǒng)一的擴(kuò)充指令和專有指令。

其五，生產(chǎn)效率低，準(zhǔn)備期較長(zhǎng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，1997年歐共體開(kāi)發(fā)一種遵從STEP標(biāo)準(zhǔn)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，重新定義面向銑削加工的編程界面，提出STEP-NC概念。將產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)STEP擴(kuò)展到CNC領(lǐng)域，重新制訂了CAD/CAM與CNC之間的接口，要求CNC系統(tǒng)直接使用符合STEP標(biāo)準(zhǔn)的CAD三維產(chǎn)品模型、刀具信息、工藝信息和直接產(chǎn)生加工程序。

正視STEP-NC技術(shù)的發(fā)展，正確評(píng)估該技術(shù)對(duì)NC技術(shù)乃至制造自動(dòng)化技術(shù)的影響是非常必要的。STEP—NC是STEP標(biāo)準(zhǔn)在CNC領(lǐng)域的擴(kuò)展，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的缺陷，成為數(shù)控技術(shù)的最新研究方向。

二、STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前世界上正在進(jìn)行或者已經(jīng)結(jié)束的關(guān)于STEP-NC的研究項(xiàng)目很多，比如歐盟的Europe ESPRIT STEP-NC項(xiàng)目， STEP- NC,Super Model Project等。其中歐洲的STEP-NC項(xiàng)目研究旨在實(shí)現(xiàn)和測(cè)試銑削加工數(shù)據(jù)接口，二十多家數(shù)控領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)參與了該項(xiàng)目的研究工作。歐共體在Siemens 840D的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一個(gè)原型機(jī)，此項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證了STEP-NC控制器可行性。美國(guó)高家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所與STEP Tools公司合作Super Model項(xiàng)目，旨在建立一個(gè)包含所有制造零件需要的信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。德國(guó)、瑞士在此技術(shù)上的發(fā)展也很迅速。

2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著STEP-NC在世界各地的發(fā)展，我國(guó)自21世紀(jì)以來(lái)，山東大學(xué)，哈爾濱工程大學(xué)等大學(xué)和研究所逐漸開(kāi)始從事STEP-NC的研究以及相關(guān)軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。山東大學(xué)張承瑞教授等人基于STEP-NC控制器在線規(guī)劃問(wèn)題，提出了新的在線規(guī)劃模式，分別給出了篩選特征級(jí)工藝路線的方法，工步級(jí)銑削用量的優(yōu)化模型以及基于啟發(fā)式的工步排序方法。基于STDeveloper軟件平臺(tái)，研究了STEP-NC數(shù)控程序的信息提取方法。我國(guó)STEP-NC研究開(kāi)發(fā)，雖然從縱向看我國(guó)的發(fā)展速度很快，但橫向比(與國(guó)外對(duì)比)不僅技術(shù)水平有差距，在一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴(kuò)大趨勢(shì)。

三、STEP-NC產(chǎn)生的影響

STEP-NC是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對(duì)于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。STEP-NC將STEP擴(kuò)展至數(shù)控加工的最后環(huán)節(jié)CNC領(lǐng)域，重新定義了CAX與CNC之間的接口，可以將制造信息與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息聯(lián)系起來(lái)，使產(chǎn)品信息得以保存不流失，由原來(lái)傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)控制和控制運(yùn)動(dòng)的數(shù)控程序改變?yōu)橹苯用嫦蚣庸?duì)象的數(shù)控程序。僅就目前的研究成果而言，可以預(yù)見(jiàn)的比較直接的影響主要有以下幾個(gè)方面：

1.操作界面改變

由于編程和加工概念的改變，由傳統(tǒng)的控制運(yùn)動(dòng)和開(kāi)關(guān)動(dòng)作改變?yōu)槊枋霎a(chǎn)品的特征信息，以新標(biāo)準(zhǔn)取代ISO6983使得編程界面大為改觀，現(xiàn)場(chǎng)編程方便而且易于取代再利用。

2.數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性和智能化

當(dāng)被加工工件某些特征略有改變時(shí)，只需改變有關(guān)特征的幾何描述，其它元素?zé)o需改變。STEP-NC的數(shù)控程序包含了加工產(chǎn)品所需的所有信息，為CNC系統(tǒng)在全面了解產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行自主加工提供了基本條件。

3.CAM與CNC之間功能重新劃分

在CNC內(nèi)進(jìn)行刀具的選擇、補(bǔ)償、走刀路線的確定等加工工藝更有可能得到最優(yōu)的加工效果。因此，將后的CNC將完成CAM系統(tǒng)的一部分功能，并在此基礎(chǔ)上安裝嵌入式CAM系統(tǒng)，直接通過(guò)CAD數(shù)據(jù)模型進(jìn)行產(chǎn)品加工。

4.加工質(zhì)量和效率

STEP-NC技術(shù)改變了以往CNC系統(tǒng)只是被動(dòng)的加工產(chǎn)品。其功能的逐漸增強(qiáng)還能提高其上游環(huán)節(jié)的效率，它用數(shù)控系統(tǒng)和人都能解釋的生產(chǎn)模型來(lái)代替圖形。因此企業(yè)減少了 75%的畫圖量，與此同時(shí)加工工藝規(guī)劃CAPP時(shí)間上減少35%。詳見(jiàn)圖2。

圖2 STEP-NC定義的CAM與CNC接口

對(duì)于STEP-NC的研究，仍然面臨一些問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究。因?yàn)镾TEP-NC文件相對(duì)比較復(fù)雜，含有大量的數(shù)據(jù)，并且存在大量對(duì)于其他語(yǔ)句的引用，手工編程是非常困難的，目前主流的CAD軟件不支持STEP-NC，如何實(shí)現(xiàn)STEP-NC文件的生成，如何對(duì)已經(jīng)存在的STEP-NC文件進(jìn)行處理成為了今后需要研究和解決的關(guān)鍵所在。

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