唐鋒，易杰，易輝成，王欣

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410208；2.復(fù)雜薄壁精密零件智能柔性加工技術(shù)湖南省工程研究中心，長沙 410082；3.成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611731）

0 引言

數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，也是評價一個國家制造業(yè)水平的重要依據(jù)。但是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)主要采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6983作為NC編程的數(shù)據(jù)接口，這種數(shù)據(jù)接口嚴(yán)重阻礙了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅僅是一個被動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，無法和上游的設(shè)計(jì)制造等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息的雙向交流和共享，因此難以實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的無縫集成。當(dāng)前的數(shù)控系統(tǒng)正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開放式方向發(fā)展，而傳統(tǒng)的G、M代碼顯然不能滿足數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的要求，基于此，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO TC184/SC1正在制定一種新的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)——STEP-NC(ISO 14649)。該標(biāo)準(zhǔn)是一種不依賴于任何平臺的中性數(shù)據(jù)模型，它采用面向?qū)ο蟮男畔⒚枋龇椒?，不但給出被加工零件的幾何信息而且詳細(xì)描述了加工過程中的各種工藝信息[1-3]。

基于STEP-NC數(shù)控程序大都采用EXPRESS語言編制[2]，它雖然結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，然而相對于沒有計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)或者沒有相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)的人來說是非常難以理解的，并且這種語言不能在網(wǎng)上進(jìn)行傳播。但是隨著網(wǎng)絡(luò)傳播技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，未來制造系統(tǒng)必然會向著網(wǎng)絡(luò)集成化的方向發(fā)展。因此，急需出現(xiàn)一種便于網(wǎng)上傳播與數(shù)據(jù)處理且獨(dú)立于任何平臺的新型中性信息描述語言，而目前可以代表WEB技術(shù)發(fā)展潮流之一的XML語言恰好可以滿足這個要求。把這種網(wǎng)絡(luò)通用語言與STEPNC結(jié)合起來，可以方便用戶及時通過網(wǎng)絡(luò)查詢信息并對STEP-NC數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，從而真正在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下完成集成制造之間的信息共享與交流[4-5]。

本文詳細(xì)分析并建立EXPRESS語言與XML之間的映射關(guān)系，建立XML Schema庫，最后通過測試零件驗(yàn)證了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的正確性與有效性。

1 EXPRESS與XML映射關(guān)系

EXPRESS描述的STEP-NC中性文件轉(zhuǎn)換為XML文件形式，需要建立EXPRESS到XML的映射，在此映射規(guī)則上才能完成轉(zhuǎn)換。因?yàn)镾TEP-NC是針對對象特征而編制的，所以以面向?qū)ο鬄橐罁?jù)來建立EXPRESS到XML的映射是首選方法，具體的映射關(guān)系如表1所示[6]。

表1 面向?qū)ο?、EXPRESS與XML的映射關(guān)系

由上述介紹可知，XML中的“實(shí)體”定義完全不同于EXPRESS中的ENTITY的定義，而與EXPRESS中相對應(yīng)則是XML中的ELEMENT TYPE元素。因?yàn)镋XPRESS的約束機(jī)制遠(yuǎn)要比XML強(qiáng)，而且EXPRESS的attribute和XML中的attribute又不盡相同，所以可以把XML中的ELEMENT用EXPRESS中的attribute來處理。

2 具體映射

在EXPRESS向XML Schema映射的過程中，主要包括模式映射、實(shí)體與實(shí)體屬性及實(shí)體之間引用與繼承關(guān)系的映射、數(shù)據(jù)類型映射4種[7]。

1）模式映射。把XML Schema中復(fù)合類型根元素complexType映射成EXPRESS模式，元素名為模式名。還可以在模式元素中加一些其它屬性，如版本、名稱等，比如：

2）數(shù)據(jù)類型映射。從前面章節(jié)可知EXPRESS含有簡單、聚合、命名、構(gòu)造與廣義數(shù)據(jù)類型等。簡單數(shù)據(jù)類型包括整數(shù)型、實(shí)數(shù)型及邏輯型等，與XML Schema具體的映射關(guān)系如表2所示。

表2 EXPRESS簡單數(shù)據(jù)類型與XML Schema的映射關(guān)系

3）實(shí)體及實(shí)體屬性映射。把XML Schema中復(fù)合類型元素complexType映射成EXPRESS中的實(shí)體，元素名就是相應(yīng)的實(shí)體名。子類實(shí)體屬性及其元素構(gòu)成實(shí)體元素的內(nèi)容，相應(yīng)元素的名字由實(shí)體屬性名加上相應(yīng)的實(shí)體名（中間用“.”鏈接）構(gòu)成，以達(dá)到元素名的唯一性。元素的出現(xiàn)順序需和EXPRESS描述中出現(xiàn)的順序一樣，為了給實(shí)體元素的應(yīng)用提供幫助，可以對各個實(shí)體元素附加上一個ID屬性來加以說明。XML Schema中EXPRESS的每個實(shí)體添加一個空的實(shí)體引用元素，為了不出現(xiàn)同樣的名字，可以用實(shí)體元素名后加“_ref”作為實(shí)體引用元素名，但是它沒有值，只有一個說明其ID的屬性值。

4）實(shí)體間關(guān)系映射。實(shí)體之間的繼承關(guān)系可以通過子類和超類關(guān)系來表示，子類實(shí)體類型可以映射成超類實(shí)體的子元素，且用超類實(shí)體名附加“_subtypes”作為它的名字，下面以型腔與封閉型腔的繼承關(guān)系來說明：

3 STEP－NC與XML文件的轉(zhuǎn)換

3.1 XML Schema庫的建立

為了能實(shí)現(xiàn)STEP-NC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的XML表示，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）推出了新標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 10303-28，而STEPNC中性文件都是由EXPRESS語言描述的，其結(jié)構(gòu)形式主要是由一系列實(shí)體實(shí)例組成的。因此，為了能實(shí)現(xiàn)STEP-NC到XML的轉(zhuǎn)換，必須先根據(jù)這個新標(biāo)準(zhǔn)把這些由EXPRESS描述的實(shí)體按照上面介紹的映射方法一一對應(yīng)地映射成XML Schema文檔，即建立XML Schema庫，映射過程如圖1所示。

圖1 XML Schema 庫的建立

3.2 文件的轉(zhuǎn)換

建立XML Schema庫以后，就可以進(jìn)行文件的相互轉(zhuǎn)換了。STEP-NC文件是由不同的實(shí)體實(shí)例組成的，以實(shí)體實(shí)例的名稱作為依據(jù)從XML Schema庫中查看相應(yīng)的XML Schema定義，然后根據(jù)其結(jié)構(gòu)層次用VC＋＋定義相應(yīng)的XML模板，最后根據(jù)文獻(xiàn)[8]所述解釋器提取相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，把這些數(shù)據(jù)信息根據(jù)它在儲存結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的位置存放到XML模塊相應(yīng)的位置上，一旦實(shí)體數(shù)據(jù)和XML模板結(jié)合后就產(chǎn)生了XML 文 件，當(dāng)STEP－NC文件中所有的實(shí)體實(shí)例根據(jù)相應(yīng)的XML Schema完成轉(zhuǎn)換后，一個帶有有效數(shù)據(jù)的XML文件就產(chǎn)生了，具體流程如圖2所示。根據(jù)這個原理可以很清楚地看到，只要存在XML Schema 與EXPRESS 一一對應(yīng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)XML文件到STEP－NC文件的轉(zhuǎn)換，根據(jù)文件中提供的零件幾何信息，通過CAD系統(tǒng)可重新塑造出零件的三維造型圖。

圖2 XML 文件轉(zhuǎn)換流程圖

4 實(shí)例驗(yàn)證

本文以Windows 7為軟件開發(fā)平臺，以VC＋＋為系統(tǒng)軟件工具，開發(fā)基于STEP－NC的系統(tǒng)原型主界面，文件轉(zhuǎn)換模塊可實(shí)現(xiàn)STEP－NC文件與XML文件格式的相互轉(zhuǎn)換[9]，以便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上傳輸傳遞與共享信息，如圖3所示。以一個測試工件為例來驗(yàn)證文件轉(zhuǎn)換功能模塊的有效性，工件三維圖如圖4所示，包含1個孔特征和1個型腔特征。

圖3 文件轉(zhuǎn)換界面

圖4 測試工件

讀取轉(zhuǎn)換界面如圖5所示，可實(shí)現(xiàn)STEP－NC文件與XML文件格式的相互轉(zhuǎn)換。讀取、轉(zhuǎn)換STEPNC的文件如圖6、圖7所示。

圖5 讀取轉(zhuǎn)換界面

圖6 讀取/轉(zhuǎn)換STEP-NC 文件

圖7 讀取/轉(zhuǎn)換XML 文件

STEP－NC文件轉(zhuǎn)換成XML文件后，使STEP－NC 文件以通俗易懂的形式顯示出來，即便沒有相關(guān)知識的人也能讀懂，把轉(zhuǎn)換成功的文件以一定的路徑存儲起來，可以發(fā)布到網(wǎng)上，用戶端通過向URL所指定服務(wù)器提出申請下載，用IE瀏覽器查看其文件內(nèi)容，如圖8所示。文件下載后，再將XML文件轉(zhuǎn)換為STEP－NC文件，然后提取所有與加工相關(guān)的信息、刀具路徑的規(guī)劃[10]及其軌跡仿真和插補(bǔ)運(yùn)算，最后將指令送入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，完成產(chǎn)品的制造。

圖8 瀏覽器查看XML 文件

5 結(jié)語

本文對STEP－NC與XML格式文件進(jìn)行了詳細(xì)研究分析，重點(diǎn)研究了STEP－NC與XML文件的相互映射關(guān)系，在此基礎(chǔ)上研究了兩種類型文件的相互轉(zhuǎn)化，使文件可以在網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行傳播，實(shí)現(xiàn)了信息的集成與共享，提高了數(shù)控系統(tǒng)的開放性，也為它向集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展提供了有效途徑，最后通過測試零件驗(yàn)證了方法的正確性和有效性。