虎智猛，黃曉明

（云南機電職業(yè)技術(shù)學校，昆明 650203）

1 STEP-NC標準概述

STEP-NC是一個新的NC編程接口標準（ISO-14649），全稱是計算機數(shù)字控制的數(shù)據(jù)模型（Data Model for Computerized Numerical Controllers）。它是STEP標準在NC領(lǐng)域內(nèi)的擴展，是CAD/CAM/CNC之間的新的數(shù)據(jù)接口標準[1]。

STEP-NC的基本原理是基于制造特征進行編程而不是直接對刀具運動進行編程，它的本質(zhì)特征是面向?qū)ο竺枋黾庸な裁?。STEP-NC用工步（Working steps）指定加工過程，工步將加工特征和具體操作聯(lián)系起來。STEP-NC包含了工件的所有加工任務(wù)，通過這一系列加工任務(wù)對從零件毛坯到最終成品所有的操作加以描述提供了更高層次的信息給加工車間。其幾何信息描述和文件格式與STEP標準完全一致。一個基于STEP-NC的程序由幾何信息和工藝信息描述組成，幾何信息采用STEP數(shù)據(jù)格式描述，CNC系統(tǒng)可以直接從CAD系統(tǒng)讀取STEP數(shù)據(jù)文件，從而消除了由于數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換可能導致的精度降低的問題。工藝信息描述部分包括所有工步的詳細完整定義如特征代碼、刀具數(shù)據(jù)、機床功能、加工策略及其它數(shù)據(jù)[2]。

由此可以看出，基于STEP-NC的CAM系統(tǒng)意義上發(fā)生了變化，從功能上看更類似于一個CAPP系統(tǒng)。一個NC程序就是特征的幾何信息加上必要的工藝信息，而刀具運動軌跡計算等任務(wù)則由CNC系統(tǒng)處理，CNC系統(tǒng)負責把工步轉(zhuǎn)換成機床坐標軸和刀具的運動。而且基于STEP-NC的CNC技術(shù)是真正實現(xiàn)開放式集成制造環(huán)境和協(xié)同制造的基礎(chǔ)，具有極其重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)設(shè)計原則

本文所研究的軸類零件的STEP-NC文件生成系統(tǒng)主要是針對車削加工的，即該系統(tǒng)生成的STEP-NC文件將作為具備STEP-NC控制器的數(shù)控車床的加工程序，用以實際加工零件。該系統(tǒng)既能生成具有一般制造企業(yè)的軸類零件的STEP-NC文件（程序）G代碼，同時也能生成傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的G代碼，因此該系統(tǒng)在普及STEP-NC程序過程中將起到過渡作用。

本系統(tǒng)的構(gòu)思完全依據(jù)STEP-NC的數(shù)據(jù)模型和程序結(jié)構(gòu)的理論要求，進行模塊化設(shè)計。

系統(tǒng)設(shè)計的目的是在軸類零件三維造型的基礎(chǔ)上，根據(jù)STEP-NC的實現(xiàn)方式自動生成STEP-NC文件。由于STEP-NC的控制器研究還處于初級階段，因此該系統(tǒng)生成的STEP-NC文件需轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)的G代碼，在現(xiàn)有的數(shù)控車床上進行一致性測試，以滿足STEP-NC的基本要求。

系統(tǒng)所生成的STEP-NC文件使用EXPRESS語言進行描述，容易被計算機識別，同時可實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)在全生命周期中的共享與交換要求。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了自動生成符合ISO 14649標準的STEP-NC文件，結(jié)合軸類零件的加工特點，系統(tǒng)首先對軸的各特征進行識別，同時獲取零件造型的相應(yīng)的幾何信息（AP203文件），通過特征識別，可以直接得到加工該特征所需的刀具描述和零件的制造特征；然后通過文件頭信息模塊、毛坯描述模塊、坐標系及裝夾定位描述模塊、加工參數(shù)描述模塊、刀具庫模塊和工步描述模塊，生成符合STEP-NC要求的工步描述，并將其按照加工順序進行排列，最終生成STEP-NC文件。

在實際開發(fā)過程中，系統(tǒng)主要利用SolidWorks軟件的設(shè)計模塊和其強大的開發(fā)功能，使系統(tǒng)直接讀取利用SolidWorks軟件所設(shè)計的軸類零件的CAD模型。在此基礎(chǔ)上，利用Visual Basic語言對SolidWorks 2005進行二次開發(fā)，以實現(xiàn)文件頭信息、毛坯描述、坐標系及裝夾定位描述、加工參數(shù)描述、刀具庫、工步描述和特征信息提取七個功能模塊，其中在特征信息提取模塊中，生成零件各特征表面的幾何信息和加工參數(shù)，最終生成符合STEP標準的STEP-NC文件，同時為了實現(xiàn)該系統(tǒng)的驗證，在本模塊中還可以生成傳統(tǒng)的數(shù)控程序（G代碼）。根據(jù)以上分析，得到系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)功能模塊及其實現(xiàn)流程

根據(jù)ISO 14649標準，本文將STEP-NC系統(tǒng)分為七個主要的功能模塊：文件頭信息、毛坯描述、坐標系及裝夾定位描述、加工參數(shù)描述、刀具庫、工步描述和特征幾何信息模塊。前六個模塊均可通過窗體進行人機交互對話得到所需數(shù)據(jù)，并在各窗體之間進行傳遞，而特征幾何信息模塊需要完成四個功能：制造特征信息（包括生成AP203、AP214、AP224文件三個子菜單）、加工信息、生成STEP-NC文件、生成G代碼。七個模塊分別實現(xiàn)各自相應(yīng)的功能，并且它們之間相互緊密聯(lián)系。系統(tǒng)的整個功能模塊實現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)流程圖

5 生成插件

為了在SlidWorks環(huán)境中更方便快捷地運行該系統(tǒng)，本文將實現(xiàn)整個系統(tǒng)的程序編譯成了一個*.DLL文件，并將其做成SolidWorks的一個插件（STEP－NC），使之集成于SolidWorks軟件，并為后續(xù)研究提供了工具。如圖3所示。

圖3 添加名稱為STEP-NC的插件

6 系統(tǒng)運行實例

在SolidWorks零件環(huán)境中，單擊“【工具】”“【插件】”，選擇“STEP-NC”，此時在SolidWorks環(huán)境中就加入了一個名為“【STEP-NC】”的菜單，單擊該菜單下的子菜單“運行系統(tǒng)”，則出現(xiàn)圖4所示的系統(tǒng)主頁面。

圖4 系統(tǒng)主頁

圖5a 運行前

圖5b 運行后

按“文件頭信息”、“毛坯信息”等依次進入各功能模塊，并輸入相應(yīng)信息。圖5顯示了“刀具庫”的運行情況，其中圖5a顯示的是選擇刀具前的情況，當在下拉組合框中選中“外圓粗車刀”時，刀具常用角度列表框中自動輸入外圓粗車刀的各角度值，該值可以進行人工調(diào)整，圖5b顯示的是選擇粗車刀后的情況。

進入“特征信息及驗證”界面后，出現(xiàn)四個菜單：“制造特征信息”、“生成加工信息”、“生成G代碼”和“生成STEP-NC”，首先選擇“生成加工信息”，則得到圖6所示結(jié)果。

接下來，單擊“生成G代碼”，則在系統(tǒng)環(huán)境中出現(xiàn)如圖7所示的提示，并且此時在C盤根目錄下產(chǎn)生一個名為“CNC.txt”的文本文件。

圖6 “生成加工信息”的運行結(jié)果

圖7 “生成G代碼”的運行結(jié)果

最后將所生成的“CNC.txt”文本文件傳輸入至數(shù)控車床，并加工出該零件，此時可驗證本系統(tǒng)所提取的加工參數(shù)具有可執(zhí)行性，再通過對加工出的零件進行檢測，在不計公差要求的情況下，加工出的零件的尺寸滿足CAD模型的基本尺寸要求，最終驗證了該系統(tǒng)所提取的幾何信息正確無誤。

圖8 “生成STEP-NC文件”的運行結(jié)果

根據(jù)前面各模塊所得到的所有信息，最終生成了一個名為“STEP.txt”的文本文件，運行結(jié)果如圖8所示。

[1] Martin Hardwick,David Lofredo.STEP into NC.Manufacturing Engineering.2001(1):38-50.

[2] 劉日良,張承瑞.STEP-NC2.5D銑削工步的運動特征及其數(shù)據(jù)模型[J].機械科學與技術(shù),2005,1.

[3] SolidWorks公司.《SolidWorks API二次開發(fā)》.機械工業(yè)出版社,2005.