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1、STEP-NC、开放数控,一、产品数据交换标准STEP-NC 1.1 概述 当前数控发展的动向是：开放式数控系统、高速高精加工数控系统、STEP-NC 1.G代码标准存在的问题数控技术诞生后的50多年来，信息交换标准一直是ISO6983数控标准，即G代码标准。它的特点是面向加工过程。 2.存在问题：信息量低级、少。只规定刀具运动，没有工件材料尺寸形状公差等现场编程修改困难。影响产品信息交换，单向传递，不能双向传递。产品信息定义不完善，只有运动和开关量，没完整的产品信息，影响智能化。需要后置处理。对使用要求高，必须了解数控系统，G代码和机床功能。生产准备时间长，效率低。,1. 2 STEP-NC
2、标准的产生 1.产生： 数控发展已50多年了，编程还在采用G、M代码、地址字的程序格式（ISO6983），它是面向运动和开关控制的语言。 限制了CNC系统的开放性和智能化发展的需要，使CNC与CAM技术之间形成了瓶颈。 体现不出IT（信息）技术与MT（制造）技术的结合：CAD/CAM/CAE/PDM限制了制造业的发展。 为此国际标准化组织ISO制定了“产品模型数据交换标准”STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）（ISO10303） 产品模型数据转换标准STEP，是面向对象的数据模型，将此扩展到数控领域，形成了STEP-NC新标
3、准（ISO-14649） 要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型（包括工件几何数据、设置、制造特征信息），加上工艺信息，直接作为数控系统的输入产生加工程序来控制机床。这样，可以消除CAM与数控系统之间的信息流瓶颈，支持,产品全生命周期的信息高速公路，解决了目前数字制造系统中信息模型不统一、系统不兼容等问题，它使从设计到制造阶段的信息流更加畅通，而且可以双向流动，为网络制造、智能制造、集成制造、并行工程和敏捷制造等提供基础条件。2. STEP-NC （1）STEP-NC 数据模型STEP-NC为“新型的CNC控制器数据模型”标准，它是从CAM到CNC的数据模型。STEP、
4、STEP-NC 是中性的,采用面向对象的语言:EXPRESS,以面向对象的形式,将产品的设计信息与制造信息联系起来。STEP-NC数控系统能进行CAD/CAM/CNC一体化的加工。STEP-NC为CNC系统重新规定CAD/CAM与CNC之间的接口，可以进行数据交换。CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型,不用后置处理程序，直接在CNC内部产生的加工程序,用来控制机床。 （2）STEP-NC程序包括哪些内容：,根据STEP-NC（ISO14649）,任意零件的数控加工都被当作一个方案:工程方案(project)；加工计划（workplan）:加工计划实现方案；工步(worki
5、ngstep): 计划包含一系列工步,并通过工步将数据模型中的几何信息和工艺信息联系在一起（工艺通过操作实现）。几何信息的基本内容为一系列的制造特征(manufacturing_feature)，制造特征包括孔（hole）、槽（slot）、平面（plane）等加工特征（machining_feature）,以及组合特征(compound_feature)、过渡特征（transition_feature）等。操作（operation）反映了工艺，是对一定加工行为的概括性描述，包括一定的工艺方法、刀具(machining)、走刀策略(strategy)、工艺参数（technology）和机床的辅助
6、功能(machine_functions)等。从编程角度看:工步是STEP-NC数控程序的基本单位。数控程序通过工步调用一定的操作对具体的特征进行加工。一个特征通常由若干工步完成;不同的工步可以调用不同的操作，但每一个工步只能包含唯一的特征和唯一的操作。,3. STEP-NC数控程序处理流程STEP-NC是从制造系统的集成需要出发为CNC定义外部数据接口，重在描述加工目标和实施条件，而不是具体的机床运动。STEP-NC数控程序是“一些与加工有关的面向对象信息加上一定的加工策略”，既不能逐行解释执行，也不能直接转化为传统CNC的控制代码。STEP-NC程序需经STEP-NC控制器处理，其流程如下
7、：首先，系统需要将STEP-NC程序翻译为CNC系统的内部数据，然后根据加工要求和受控机床的资源状况，对加工方案进行规划或优化并转化为数控代码，最后实时控制机床完成加工。其中实时控制由CNC系统完成。,4. STEP-NC数控程序的翻译和信息提取STEP-NC数控程序是按照ISO1030321规定编写的文本文件，主要包括文件头段和数据段两部分。文件头段是对文件的管理信息、编写标准等的说明。数据段以PROJECT语句为切入点，按照ISO14649标准，描述具体的几何信息和工艺信息。数控系统读取数控程序时要将其翻译为内部数据格式。下图表示STEP-NC数据的转换方法：,其中，EXPRESS2 C+
8、为从EXPRESS语言向C+转换的工具软件，目的是将由EXPRESS（ISO1030311）语言定义的STEP-NC规范，影射为C+类库，以作为翻译模块的包含文件和连接库。翻译模块据此将数控程序中的EXPRESS实体（ENTITY）提取出来并转化为C+对象。5.工艺信息的处理与规划（1）数控系统内的基本工艺规划问题零件的数控加工涉及许多工艺问题，对于传统的CNC而言，工艺规划是外部系统（CAPP/CAM、机床操作者等）的任务，CNC只需要严格的按照指令控制机床即可。但对于STEP-NC控制器而言，除了基本的控制功能外，还必须具有一定的工艺规划能力（内部工艺规划）。当然，数控系统内部的工艺规划功
9、能并不能取代外部系统，而是在其基础上进行的。一般地，外部工艺规划主要从宏观上解决数控加工中的基本问题和必要的实施措施，如确定被加工特征（孔、槽、面等）、必要的工步、及其执行顺序等。对于复杂特征（如组合孔），还需要提供不同的工艺组合供选用。最终生成的数控程序包括几何信息和工艺信息，并一同送入数控系统。数控系统内部一般只需解决那些与受控机床和加工条件密切相 关的问题。,关的问题。 目前的STEP-NC数据模型比较庞杂，有关标准也没有明确数控系统与外部系统在工艺问题上的划分。对于一般意义上的STEP-NC控制器，可按以下原则制定功能： 接受基本加工要求与方法STEP-NC程序的基本框架：零件的几何信
10、息、技术要求（公差、表面质量等）、基本的工艺方法、工步序列、加工时的走刀安全面、刀具规格及冷却等要求。按ISO14649的要求，以上这些信息必须明确。 与具体加工有关或者由多种选择的技术性问题包括进退刀方式和路线、切削用量、走刀方式和路径、换刀位置等。这些信息被定义为选择型，数控程序中可以提供参考值或极限，也可以不给出（用$表示）。这些问题一般由数控系统根据给出的基本信息和自身的加工条件自行确定。 机床运行中的细节性问题包括刀具的快移路线，是否需要换刀和确切的换刀时机，以及开/关令却液的具体时机等这些细节性问题（信息）数控程序中通常不涉及。由控制器或操作者现场确定。,（2）切削用量的确定每个工
11、步切削用量的确定是STEP-NC控制器内部的主要决策性问题之一。（3）加工方案的连续化工步只是一些离散过程，从控制机床角度来看，STEP-NC程序提供的工步序列不足以生成完整的控制方案，还需要CNC自动插入一些必要的操作过程一般可按一下步骤进行步骤一 辅助工步 首先检查每个工步是否需要辅助工步。辅助工步是指在每个工步之前为了改善工艺性而插入的工步，一般不影响最终加工结果。例如，加工型腔时需要加一个钻孔工步。步骤二 换刀操作与快移操作 检查每个工步（包括辅助工步）执行之前是否需要换刀，要需要，自动插入一个换刀操作；否则，插入一个快移操作。步骤三 机床M功能的加入 检查每个工步对机床M功能的要求，
12、确定必要的开关转换操作（由PLC执行）,一般不影响刀具运动。可选择在工步或操作之前、之后或之中某时刻进行。,6. STEP-NC研制情况 STEP-NC是当前世界各国正在开展的研究项目。 欧洲、美国、韩国、日本都在积极的进行，而且关于STEP-NC的研究已取得了实质性的进展。 法那科、西门子数控系统公司都宣布将执行STEP-NC标准。 1. 3 STEP-NC标准的内容STEP-NC定义了一个新的应用协议AP-238 ，作为 CAM与CNC之间数据交换的具体规范 。 1. AP-238AP-238包括从产品概念到成品（零件）全过程所需的全部信息。其中有： 三维几何信息-AP-203/AP214
13、； 特征信息-AP-224； 工艺信息（如车、铣、放电加工等）-AP-219； 检测信息-AP-219等等。 2. STEP-NC 标准（草案）内容：,有关基本规则与铣削加工的标准（草案）已完成，包括： 基本概念和规则（Part 1）； 通用数据（Part 10）； 数控铣削加工工艺（Part 11）； 刀具、铣削刀具（Part 111）等。正在制定的STEP-NC标准有： 数控车削加工（Part 12）； 放电加工（Part 13）； 木材和玻璃加工（Part 14）； 检测（Part 15）等。,3. 标准通用数据（程序中数据段结构）包括二大部分:头文件和数据文件。数据文件：工件（Work
14、piece指成品，由工程对象project指定）和工作计划（Workplan）。 工件上需去除的材料的区域由一系列加工特征（Machining-feature ：如平面、复杂曲面、孔等 ）定义。 工作计划包括若干工作步骤（Working step），简称工步。 工步将具体的加工特征与具体的操作（Machining-operation）联系起来。 操作（operation）本身是ISO-14649定义的一个面向对象的概念，涉及加工方法、刀具、刀轨、工艺策略等。Machining-feature 加工方法Project Workplan - Workingstep （加工特征） 刀具 (工件对象)
15、（加工计划） （工步） Machining-operation 刀轨（加工操作） 工艺参数策略,1. 4 STEP-NC数控程序结构 1. STEP-NC数控程序编制的原则： 采用了ISO-10303数据格式和面向特征的编程原则。 以工作步骤为加工流程的的基本单位。 将特征与技术信息联系到一起。 每个工作步骤只定义一个具体操作（干什么、如何干、只能用一种刀具和一种策略） 2. 程序结构： 文件头部分以HEADER为标记，主要说明文件名、编程者、日期以及注释等。 数据段以DATA开始，包含了加工零件所需的所有信息和操作任务。根据规定，首先要有一个PROJECT（工程对象）语句。其后的内容可分为三
16、部分： 工作与可执行语句（Executable，包括工步、一般NC功能如信息显示等、流程控制）。 技术描述（刀具、机床功能、加工策略等） 几何描述（几何数据、加工特征等）数据段以ENDSEC为程序结束标志。,3. 例子：西门子公司开发的，其中的斜体为特意加入的说明 HEADER ; 文件头部开始语句 ENDSEC ; 文件头部分结束 DATA ; 数据段开始 # 1 = PROJECT(Workplan #10) ; #1加工对象（工程）由工作计划#10完成 #10=Workplan(#20, #35, ) ; #10 包括 #20工步、#35工步、 #20=Machining - Workingstep( , #21 (feature), #22 (Machining) ; #20加工工步，包括： #21加工特征、 #22加工操作 #21=Round hole( Hole M6 , , ) ; 被加工的是M6,圆周孔 #22=Drilling(#(Tool) , , , #(technology), #(Machine - functions) ; 钻削加工（刀具、工艺、机床功能） #35=Machining - Workingstep() ; #35为加工工步 其它加工工步 ENDSEC ; 数据段程序结束,
