(天津城市職業(yè)學(xué)院，天津 300250)

長期以來我國的數(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)床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過自動編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(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、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋制環(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，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)雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術(shù)實行變革勢在必行。

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)開放式、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展。 本文從以下幾個方面進(jìn)行分析。

一、ISO 6983標(biāo)準(zhǔn)及存在的問題

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)床誕生早期就開始使用，由于加工效率高，操作簡單方便，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)。這個標(biāo)準(zhǔn)下指定的指令也就是機(jī)床坐標(biāo)軸的運動指令。圖1所示的零件加工過程中，CAD部分完成了產(chǎn)品的設(shè)計，CAPP部分完成加工工藝和加工方法的設(shè)計，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 零件加工過程

概括起來，IS06983的局限性具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

其一，加工較復(fù)雜的零件時，編程實時性差，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，一些信息在傳遞過程中丟失了。由于過程較為復(fù)雜無形中增加了人為出錯率。

其二，該標(biāo)準(zhǔn)中的G代碼信息只包括機(jī)床的機(jī)械運動、電氣元件開關(guān)等動作，該指令根據(jù)機(jī)床各個坐標(biāo)軸對刀具中心進(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。加工零件程序不通用，沒有統(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。

針對上述問題，1997年歐共體開發(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，正確評估該技術(shù)對NC技術(shù)乃至制造自動化技術(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)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.國外研究現(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的研究項目很多，比如歐盟的Europe ESPRIT STEP-NC項目， STEP- NC,Super Model Project等。其中歐洲的STEP-NC項目研究旨在實現(xiàn)和測試銑削加工數(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)參與了該項目的研究工作。歐共體在Siemens 840D的基礎(chǔ)上開發(fā)了一個原型機(jī)，此項技術(shù)驗證了STEP-NC控制器可行性。美國高家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所與STEP Tools公司合作Super Model項目，旨在建立一個包含所有制造零件需要的信息的數(shù)據(jù)庫。德國、瑞士在此技術(shù)上的發(fā)展也很迅速。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著STEP-NC在世界各地的發(fā)展，我國自21世紀(jì)以來，山東大學(xué)，哈爾濱工程大學(xué)等大學(xué)和研究所逐漸開始從事STEP-NC的研究以及相關(guān)軟件系統(tǒng)的開發(fā)。山東大學(xué)張承瑞教授等人基于STEP-NC控制器在線規(guī)劃問題，提出了新的在線規(guī)劃模式，分別給出了篩選特征級工藝路線的方法，工步級銑削用量的優(yōu)化模型以及基于啟發(fā)式的工步排序方法?；赟TDeveloper軟件平臺，研究了STEP-NC數(shù)控程序的信息提取方法。我國STEP-NC研究開發(fā)，雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比(與國外對比)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。

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，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(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)計信息聯(lián)系起來，使產(chǎn)品信息得以保存不流失，由原來傳統(tǒng)的開關(guān)控制和控制運動的數(shù)控程序改變?yōu)橹苯用嫦蚣庸ο蟮臄?shù)控程序。僅就目前的研究成果而言，可以預(yù)見的比較直接的影響主要有以下幾個方面：

1.操作界面改變

由于編程和加工概念的改變，由傳統(tǒng)的控制運動和開關(guān)動作改變?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)場編程方便而且易于取代再利用。

2.數(shù)控系統(tǒng)的開放性和智能化

當(dāng)被加工工件某些特征略有改變時，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)模型來代替圖形。因此企業(yè)減少了 75%的畫圖量，與此同時加工工藝規(guī)劃CAPP時間上減少35%。詳見圖2。

圖2 STEP-NC定義的CAM與CNC接口

對于STEP-NC的研究，仍然面臨一些問題有待于進(jìn)一步研究。因為STEP-NC文件相對比較復(fù)雜，含有大量的數(shù)據(jù)，并且存在大量對于其他語句的引用，手工編程是非常困難的，目前主流的CAD軟件不支持STEP-NC，如何實現(xiàn)STEP-NC文件的生成，如何對已經(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。

參考文獻(xiàn)：

[1]桂貴生，江吉彬.圖形交互式自動編程技術(shù)[J].合肥工業(yè)人學(xué)學(xué)報，1997, 20(01).

[2]周濟(jì)，周艷紅.數(shù)控加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2002.

[3]李善平，劉乃若，郭鳴等.產(chǎn)品數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與 PDM[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.