一、引言

　　近年來數(shù)控技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，控制系統(tǒng)由早期的硬件連接方式發(fā)展到現(xiàn)在的基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)。盡管硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展給CNC的高速/高精度加工奠定了基礎(chǔ)，但目前NC加工中所采用的編程方式還是基于半個世紀前所開發(fā)的ISO6983（G/M代碼） 標準，這種代碼僅僅包括一些簡單的運動指令（如G01、G02）和輔助指令（如M03、M08），而不包含零件幾何形狀、刀具路徑生成、刀具選擇等信息，使得CNC與CAD/CAM通道之間形成瓶頸。數(shù)控加工中編程困難、設(shè)計與加工等信息不能完全共享的問題限制了數(shù)控系統(tǒng)的進一步發(fā)展，使其面臨新的變革。

　　為了解決這些問題，歐共體于1997年提出了OPTIMAL計劃，將STEP（Standard for the Exchange of Product model date，ISO 10303）標準延伸到自動化制造的底層設(shè)備，開發(fā)了一種STEP-NC的數(shù)據(jù)模型，作為銑削加工編程的數(shù)據(jù)接口。該接口遵從STEP標準，具有面向?qū)ο蟮奶卣?。STEP-NC將產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準STEP擴展到CNC領(lǐng)域，重新制訂了CAD/CAM與CNC之間的接口，它要求CNC系統(tǒng)直接使用符合 STEP標準的CAD三維數(shù)據(jù)模型（包括工件幾何數(shù)據(jù)、參數(shù)配置和制造特征）、工藝信息和刀具信息直接產(chǎn)生加工程序。

二、STEP-NC的研究現(xiàn)狀

　　STEP -NC是一個面向?qū)ο蟮男滦蚇C編程數(shù)據(jù)接口國際標準（ISO 14649），它于1996年初開始制訂，在2001年底成為國際標準草案（Draft International Standard, DIS），由國際標準化組織ISO/TC184工業(yè)數(shù)據(jù)技術(shù)委員會正式命名為ISO14649，其目的旨在取代在數(shù)控機床中廣泛使用的ISO 6983標準。

　　近幾年，歐美已經(jīng)啟動了幾個有關(guān)STEP-NC的項目，如OPTIMAL、MATRAS、STEP-NC和Super Model Project等。其中歐洲的STEP-NC項目旨在實現(xiàn)和測試銑削加工數(shù)據(jù)接口，共有20多個CAD/CAM、NC和數(shù)控機床領(lǐng)域的企業(yè)和研究機構(gòu)參與了該項目的研究工作。2001年，符合STEP-NC標準的二維半和三維數(shù)控銑削加工過程已經(jīng)在Siemens、FIDIA公司以及歐洲開放式體系結(jié)構(gòu) OSACA的CNC原型系統(tǒng)中得以實現(xiàn)，其性能在實驗室環(huán)境中已得到驗證。目前原型系統(tǒng)已在第一個用戶——Daimler Chrysler公司進行評價，已測試了多面體零件的鉆孔加工和二維半數(shù)控銑削加工過程，現(xiàn)開始測試三維數(shù)控銑削加工過程。

　　從2000 年開始，美國STEP Tools公司在國家標準技術(shù)協(xié)會NIST的資助下起動了為期3年的“超級模型”（Super Model）項目。該項目（全稱為Model Driven Intelligent Control of Manufacturing）的主要目標是建立一個適合于銑削、車削的數(shù)據(jù)庫和軟件工具，驗證CNC機床能否直接讀取3D設(shè)計和制造數(shù)據(jù)，進行快速、安全和智能化的零件制造。2001年秋季，Super Model 項目與韓國開展的國際IMS STEP-NC項目中的內(nèi)容合并。2000年6月韓國POHANG科技大學的STEP-NC技術(shù)國家研究實驗室NRL-SNT開始了為期5年（分2個階段進行）的STEP-NC研究計劃，重點開展車削STEP-NC中從數(shù)據(jù)模型到智能化加工相關(guān)技術(shù)的研究。日本于2001年啟動了名為“數(shù)字大師” （DIIGITAL MASTER）的項目，雖然該項目未列入國際IMS STEP-NC項目中，但研究工作與STEP-NC建模有關(guān)。國際IMS STEP-NC項目于2001年夏季啟動，參加的國家與地區(qū)有歐盟、瑞士、美國以及韓國等，并于2003年在德國的亞?。ˋachen）市開始實施了一個 IMS STEP-NC車間。

　　韓國為了使CAD/CAM系統(tǒng)與CNC控制器能隨時交換數(shù)據(jù)，STEP Tools公司建立了STEP-NC數(shù)據(jù)庫的操作規(guī)范體系和自維護、管理體系。2000年年底，該公司完成了第一階段的目標，在第三屆IRB （Industrial Review Board）會議上演示了利用“超級模型”完成具有某種加工特性的加工對象銑削全過程。另外，該公司還與Lawrence Livermore國家實驗室合作，在OMAC的基礎(chǔ)上開發(fā)出了STEP-NC接口。

　　此后，STEP-NC 組織在世界范圍內(nèi)召開了一系列會議，如2001年在德國漢諾威（Hanover）召開了開展STEP-NC工作的會議，確定了最終用戶、系統(tǒng)供應(yīng)商、以及學術(shù)研究伙伴的組成。2001年10月在德國亞琛（Aachen）召開了用于銑削的會議，由最終用戶對基于西門子的2維半銑削加工解決方案進行了檢測及評估。2001年11月在意大利召開了STEP-NC的輪廓切削試驗會議，對第一個用于木材、玻璃及石材輪廓切削的STEP-NC原型進行了檢測及評價。 2002年8月在德國斯圖加特討論了車削工藝，制定了開展后續(xù)工作的時刻表。2001年12月在瑞士日內(nèi)瓦會議上對第一個用于電火花加工的原型STEP- NC系統(tǒng)進行了測試及評估。2002年9月在德國烏爾姆討論了將CMM集成到STEP-NC中的可能性。2002年11月在德國斯圖加特會議中確定了檢驗、電火花加工以及輪廓切削中的關(guān)鍵要素。2002年10月IMS STEP-NC項目會議討論了用于AP238協(xié)議的車削數(shù)據(jù)模型及相關(guān)注釋。找到了車削模型中的注釋解決方案。2002年12月在美國Boeing公司用 CATIL軟件生成了一個STEP-NC零件程序，然后在西門子公司的一臺具有STEP-NC功能的機床上進行了運行，證明STEP-NC可支持多種不依賴于NC編程的機床。2003年6月在德國斯圖加特會議上介紹了銑削、車削、電火花加工以及輪廓切削的當前進展。2003年3月12日召開的IMS STEP-NC 會議，主要的議題是數(shù)據(jù)交換的方式，STEP Tools公司演示了將AP-203文件格式（STEP標準）快速轉(zhuǎn)換成AP238文件格式（STEP-NC標準）的過程。2004年10月將在德國亞琛 （Aachen）召開STEP-NC檢測方面的會議，內(nèi)容涉及：討論用于檢測內(nèi)容的數(shù)據(jù)模型定義的進展工作、討論STEP-NC檢測中關(guān)鍵問題的解決方案。

三、基于STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　自20世紀50年代以來，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)一直沿用G、M代碼 （ISO6983），CNC與CAD/CAM之間的數(shù)據(jù)交換為單向傳輸，現(xiàn)場對NC程序的修改無法直接反饋到CAD/CAM系統(tǒng)。而采用STEP-NC標準，CNC與CAD/CAM可實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換，使零件程序和優(yōu)化的加工描述及時地反饋到設(shè)計部門（CAD），以便設(shè)計部門及時進行數(shù)據(jù)更新，減少加工信息的丟失。

　　目前，STEP基準已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)，因而基于STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)可直接讀取 CAD/CAM系統(tǒng)輸出的STEP文件（AP238格式），傳統(tǒng)CAD/CAM系統(tǒng)中的加工編程后處理器在CAD→CAM→CNC的過程中會逐漸消失，取而代之的是在CAD/CAM系統(tǒng)中加入STEP-NC插件，直接輸出AP238文件。

　　考慮到ISO14649完全取代ISO6983需要一個過渡周期，因此基于STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)除了可執(zhí)行AP238文件以外，還應(yīng)具有執(zhí)行傳統(tǒng)G/M代碼的功能。所以在基于STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，不僅要建立STEP-NC解釋器（解釋AP238文件）模塊，還要保留ISO6983的解釋器模塊，作為CNC系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。

　　STEP -NC與數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合有三種模式。模式1仍然采用傳統(tǒng)的NC控制器，嚴格來說它只是一種過渡形式，上層符合STEP標準的CAD/CAM系統(tǒng)與STEP- NC接口實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)流動，下層通過增加符合STEP-NC標準代碼轉(zhuǎn)換接口，將STEP-NC數(shù)據(jù)代碼轉(zhuǎn)換為G/M等代碼，進而實現(xiàn)對現(xiàn)行數(shù)控系統(tǒng)的控制。模式2是一種比較簡單、初級的模式，與模式1的區(qū)別在于下層采用了新型STEP-NC控制器，直接讀取STEP數(shù)據(jù)格式加工文件。模式2從信息流動模式與控制方式來說，已經(jīng)完全符合STEP-NC的標準，具備了下一代數(shù)控機床的特性，是真正意義上的基于STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)模型。模式3是模式2的發(fā)展與完善，系統(tǒng)的集成度更高，設(shè)計層與車間層之間的功能也將重新劃分，CAM系統(tǒng)宏觀規(guī)劃與CAD系統(tǒng)集成，微觀功能與車間層的現(xiàn)場編程模塊SFP （Shop Floor Programming）集成。為了使控制系統(tǒng)進一步實現(xiàn)智能化，在數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式3中，還建立了基于STEP-NC的智能模塊，實現(xiàn)各種智能化操作，包括刀軌生成、刀具的自動選擇、刀具監(jiān)控、誤差檢測補償、在線測量和突發(fā)事件處理等許多數(shù)控系統(tǒng)的高級功能，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

四、基于STEP－NC的數(shù)控圖形編程系統(tǒng)

　　現(xiàn)行常規(guī)的數(shù)控圖形編程系統(tǒng)基于ISO6983標準，該標準是一種面向加工過程的數(shù)控編程規(guī)范。傳統(tǒng)數(shù)控圖形編程系統(tǒng)的主流程，流程中的設(shè)計信息均符合 IGES（Initial Graphics Exchange Specification）表達規(guī)范（IGES只是關(guān)于幾何信息交換的標準，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已逐漸被STEP所代替）。CAD模塊生成的設(shè)計信息經(jīng)過數(shù)據(jù)模塊進行精簡和計算，同時通過人機交互方式進行工藝流程設(shè)計，產(chǎn)生描述刀具運動的刀位文件，經(jīng)后置處理模塊生成驅(qū)動機床運動的數(shù)控代碼。由于 ISO6983（G、M代碼）標準所能描述的信息量少，所以這種編程系統(tǒng)不能為零件加工提供更為復(fù)雜的描述。另外，由于CAD/CAM系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)及其他的擴展部分之間的數(shù)據(jù)不能進行雙向交換，造成了加工過程中大量信息轉(zhuǎn)換工作重復(fù)進行的現(xiàn)象。

　　基于STEP－NC的新型數(shù)控圖形編程系統(tǒng)主流程中，CAD圖形設(shè)計模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)表達形式符合STEP標準，由模型信息、幾何信息以及特征信息等信息組成。其中模型信息是編程系統(tǒng)用來從標準模型庫中提取符合該產(chǎn)品的加工模型的依據(jù)，幾何信息是用來確定具體刀具軌跡的依據(jù)，特征信息是進行工藝流程設(shè)計的依據(jù)。設(shè)計模塊的信息傳遞給工藝規(guī)劃模塊后，添加工藝信息生成數(shù)控指令所需信息，再傳給指令生成模塊，生成NC指令。最后生成刀具軌跡，并進行切削仿真和碰撞檢查，形成檢查信息。如果產(chǎn)生碰撞，該信息將進行反饋修改，由于檢測信息表達也符合STEP標準，所以能被設(shè)計模塊識別，各個模塊均可根據(jù)反饋信息進行修改。與現(xiàn)行的數(shù)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)表達都符合STEP標準，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)就可實現(xiàn)雙向流動。

五、STEP-NC數(shù)控加工方式的發(fā)展趨勢

　　目前STEP-NC標準僅完成了一部分，國內(nèi)外對基于STEP-NC的數(shù)控技術(shù)研究處于起步階段，但其發(fā)展勢頭強勁。已獲得的研究成果表明，該技術(shù)將對數(shù)控技術(shù)乃至機械制造業(yè)帶來深遠的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　數(shù)控機床將廢棄沿用已久的G、M等代碼（ISO 6983），代之以更加高效、易于理解和操作更方便、描述性更強的數(shù)控語言。這種數(shù)控程序通過一系列的加工任務(wù)（工作步驟）描述制造過程中的所有操作，以面向?qū)ο螅ǘ皇敲嫦騽幼鳎┑木幊淌沟矛F(xiàn)場編程界面大為改觀。根據(jù)目前的進展推測，STEP-NC的廣泛應(yīng)用將在近10年內(nèi)實現(xiàn)，G、M代碼將從此成為歷史。

　　CAD/CAM/CNC之間可實現(xiàn)無縫連接。CAD/CAM與CNC的雙向數(shù)據(jù)流動，使得設(shè)計部門能夠清楚的了解到加工實況，并且可根據(jù)現(xiàn)場編程返回來的信息對生產(chǎn)規(guī)劃進行及時快速的調(diào)整，生產(chǎn)效率可得到極大的提高。另外，CAD、CAM、CNC之間的功能將會重新劃分：CAM系統(tǒng)的宏觀規(guī)劃將與CAD系統(tǒng)集成，微觀功能將與CNC集成。

　　實現(xiàn)完全意義上的開放式智能數(shù)控加工。由于ISO-6983（G/M代碼）的加工信息量過少，因此各機床生產(chǎn)商對G代碼都進行了基本語義外的擴展，造成各種類型的數(shù)控機床控制系統(tǒng)之間互不兼容，阻礙數(shù)據(jù)的交流和信息共享，形成“信息孤島”，難以實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性。與此相反，如采用STEP-NC標準，其數(shù)據(jù)格式、接口標準完全一致，且STEP-NC數(shù)據(jù)包含了加工產(chǎn)品所需的所有信息，對于STEP-NC控制器而言，它只需要告訴CNC要加工的內(nèi)容，具體動作由CNC自行決定，使程序具有良好的互操作性和可移植性，為CNC系統(tǒng)的開放性和智能化奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。

　　網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計/制造成為現(xiàn)實。現(xiàn)代制造企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)共享各種信息，同時由于全球制造企業(yè)采用統(tǒng)一的 STEP-NC數(shù)據(jù)接口標準，企業(yè)之間的數(shù)據(jù)流動可以在基于PC機的CNC機床與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間直接進行，操作人員只需要對數(shù)據(jù)庫中的三維工件模型進行簡單的參數(shù)設(shè)置，就可以使機床實現(xiàn)預(yù)期動作。不難想象，在基于網(wǎng)絡(luò)化制造的基礎(chǔ)上，大量的數(shù)字化產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)庫將會出現(xiàn)，數(shù)字制造更趨多元化。

六、結(jié)束語

　　STEP -NC是由國際標準化組織（ISO）近年來發(fā)展起來的一個世界性的標準，它將STEP基準擴展到數(shù)控加工領(lǐng)域，為CNC的開放性和智能化提供了廣闊的發(fā)展空間，同時它也解決了CNC與CAD/CAM之間雙向無縫連接的核心問題，消除了長期以來困擾人們的數(shù)據(jù)不兼容問題，也為網(wǎng)絡(luò)制造、敏捷制造、虛擬制造、并行工程等先進制造技術(shù)和模式提供了技術(shù)保證。據(jù)STEP Tools公司的研究數(shù)據(jù)表明：STEP-NC的應(yīng)用將使目前加工前數(shù)據(jù)準備時間減少75%，工藝規(guī)劃時間減少35%，加工時間減少50%?？梢姡罅﹂_展基于STEP-NC的CNC系統(tǒng)（特別是標準制定、數(shù)據(jù)庫和STEP-NC控制器）的研究對于提高我國數(shù)控水平乃至全面提高自動化制造水平是至關(guān)重要的。