CNC作為數(shù)控機(jī)床的核心部件，從20世紀(jì)50年代被開發(fā)以來，已經(jīng)經(jīng)歷了重大的變化。盡管CNC已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但是仍然需要進(jìn)一步的改進(jìn)。尤其是目前CNC所使用的編程接口，即G代碼，存在著許多問題。而STEP．NC(IS014649)作為一個CAD／CAM和CNC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的新接口標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)了G代碼存在的缺陷，并且完全兼容STEP(IS010303)標(biāo)準(zhǔn)。

　　STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)是指能夠直接支持STEP-NC數(shù)據(jù)接口的新一代數(shù)控系統(tǒng)。利用STEP-NC豐富的數(shù)據(jù)信息平臺以及與CAD／CAM無縫連接，STEPNC數(shù)控系統(tǒng)一方面可以針對機(jī)床實(shí)際情況進(jìn)行加工仿真、故障檢測和精度校驗(yàn)，另一方面能夠根據(jù)加工現(xiàn)場情況進(jìn)行在線的調(diào)整，快速進(jìn)行加工方案的重新規(guī)劃。從長遠(yuǎn)看，STEPNC數(shù)控系統(tǒng)將取代基于G代碼的數(shù)控系統(tǒng)。因此，為實(shí)現(xiàn)STEPNC數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行有益的先期研究顯得尤為重要。

　　根據(jù)CNC實(shí)現(xiàn)STEPNC的不同程度，基本可劃分為3類。第1類是采用STEP-NC加工程序輸入，利用后處理器對STEPNC加工程序進(jìn)行識別、解釋，生成G代碼加工程序，由傳統(tǒng)的控制器根據(jù)G代碼進(jìn)行加工。第2種類型的CNC直接讀取STEP-NC加工程序，經(jīng)過解釋器解釋后轉(zhuǎn)化為數(shù)控系統(tǒng)能夠直接識別的數(shù)據(jù)類型，具備在線刀具路徑生成功能。第3種類型將智能化控制加入到CNC內(nèi)核中，STEPNC數(shù)控系統(tǒng)能夠執(zhí)行加工過程中智能化的操作，如自動切削參數(shù)優(yōu)化、自動故障排除等。

　　目前絕大多數(shù)STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的研究基本還局限于前兩種。在STEPNC推廣的初級階段，如何與現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床兼容是其面臨的首要問題。故本文所開發(fā)的STEP．NC數(shù)控系統(tǒng)MMI軟件屬于類型1。該類型一方面能夠滿足當(dāng)前大量傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)能夠兼容STEP．NC標(biāo)準(zhǔn)；另一方面在改造上只需采用軟、硬插件的方式，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的改造。

1 STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)MMI總體設(shè)計

　　目前，基于STEP—NC的數(shù)控程序大多采用IS010303Part21物理文件格式，它雖然格式工整，但對于沒有相關(guān)領(lǐng)域知識的人而言很難理解，并且不適合在網(wǎng)上傳輸，因而極大地影響了企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。而XML作為一種優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)語言得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本文設(shè)計的STEP．NC數(shù)控系統(tǒng)MMI軟件的輸入是XML格式的STEP．NC程序。

　　第一步，讀人XML格式STEP-NC數(shù)控程序，將程序中出現(xiàn)的實(shí)體實(shí)例信息存到內(nèi)存中，并以工藝序列樹的形式在界面中顯示。

　　第二步，根據(jù)加工現(xiàn)場情況，調(diào)整STEP．NC程序中給出的工藝參數(shù)、機(jī)床功能等。對數(shù)控程序中以$給出的可選屬性，設(shè)置其具體值。對程序中被修改的信息進(jìn)行更新。

　　第三步，根據(jù)程序中的幾何特征數(shù)據(jù)及工藝數(shù)據(jù)，規(guī)劃刀具路徑。

　　第四步，對生成的刀具路徑進(jìn)行加工仿真，驗(yàn)證刀具路徑規(guī)劃模塊輸出路徑的正確性。

　　第五步，對通過加工仿真模塊驗(yàn)證的刀具路徑信息轉(zhuǎn)換為G、M代碼，傳輸?shù)綑C(jī)床進(jìn)行加工。

　　其中左側(cè)區(qū)域?yàn)槌绦蝻@示區(qū)域，主要用來顯示讀人的STEP-NC數(shù)控程序與規(guī)劃好的加工路徑信息；右側(cè)區(qū)域是三維圖形顯示區(qū)域，幫助使用者更加直觀的查看工件、加工路徑，且可以查看切削仿真過程，驗(yàn)證生成路徑的正確性；下側(cè)區(qū)域是實(shí)時監(jiān)控區(qū)域，用于數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)顯示。以下就主要的幾個功能模塊進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)MMI主要模塊設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 信息提取

　　目前對XML支持的解析器和開發(fā)工具箱非常廣泛，因此對XML格式STEPNC程序的解析可以直接采用一些常用的XML解析器完成14 J。本文使用Microsoft提供的MSXML編程庫完成。首先讀人整個數(shù)控程序，構(gòu)建一個駐留內(nèi)存的樹結(jié)構(gòu)。此時，可以理解為XML在內(nèi)存中開辟一個存儲文件信息的數(shù)據(jù)庫。然后使用DOM來操作這個樹結(jié)構(gòu)，可以遍歷樹以搜索數(shù)控程序中包含的工作計劃、工步和加工操作等信息。本文以STEP-NC類庫作為提取出信息的載體，它是刀具路徑規(guī)劃模塊的輸入，也是系統(tǒng)各模塊之間聯(lián)系的紐帶。定義了所有加工特征類的基類CMachFeature與它的一個派生類CPlanarFace，并解釋了類中成員變量的含義。首先通過對內(nèi)存中DOM節(jié)點(diǎn)樹的操作，提取出程序中的所有特征節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)名稱選擇相匹配的特征類，建立特征對象。最后再通過對每個特征節(jié)點(diǎn)中幾何信息和工藝信息的提取，初始化特征對象，最后得到路徑規(guī)劃模塊所需的各種信息。

　　2.2 數(shù)據(jù)顯示

　　STEP-NC代碼中各個信息實(shí)體間存在相互關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)信息可以采用樹型結(jié)構(gòu)來表達(dá)。故本文提供了單層、多層和工作計劃3種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式。單層顯示直接在樹根節(jié)點(diǎn)上顯示各個實(shí)體及其屬性信息，而不顯示各自的關(guān)聯(lián)層次；多層顯示在樹根節(jié)點(diǎn)上顯示各個實(shí)體及作為葉節(jié)點(diǎn)顯示所關(guān)聯(lián)的實(shí)體，經(jīng)過關(guān)聯(lián)的實(shí)體不再在根節(jié)點(diǎn)顯示。

　　STEP-NC程序信息是非常繁雜的。數(shù)控系統(tǒng)的使用者往往只想關(guān)心全部信息中的一部分。過于豐富的數(shù)據(jù)一方面賦予了STEP-NC強(qiáng)大的功能，也給使用過程中帶來了理解上的困難。因此，不能只對XML文件進(jìn)行簡單的顯示，應(yīng)首先對STEP-NC程序進(jìn)行適當(dāng)處理，以一種友好直觀的呈現(xiàn)方式給使用者提供所關(guān)心的STEP-NC數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理的STEP-NC數(shù)據(jù)清晰地反映在樹型結(jié)構(gòu)中。由圖可見，加工計劃包含了一個平面特征的精銑、一個孔特征的鉆削和鉸削以及一個型腔的粗銑和精銑。每個加工計劃中又包含了安全平面、加工特征、加工操作和3方面信息。右圖中的對話框是在雙擊加工操作時彈出，給使用者呈現(xiàn)了平面特征的精銑操作參數(shù)，并允許使用者根據(jù)實(shí)際情況對工藝信息進(jìn)行修改。

　　2.3 刀具路徑生成

　　刀具運(yùn)動路徑雖然不包括在STEP-NC程序內(nèi)，但STEPNC程序包括了走刀策略、特征信息、刀具信息和其他參數(shù)信息，這些信息構(gòu)成了生成刀具路徑信息的信息來源。路徑規(guī)劃就是通過這些信息的處理，最后生成刀具路徑信息。刀具路徑自動生成的功能使得數(shù)控系統(tǒng)操作員根據(jù)實(shí)際情況可以對加工計劃作出一定的調(diào)整，例如機(jī)床安全平面調(diào)整、下刀策略調(diào)整等。這種特性是采用G代碼所不具備的，傳統(tǒng)的數(shù)控加工遇到這種情況往往只能重新進(jìn)行一次CAM規(guī)劃。

　　路徑規(guī)劃的目標(biāo)是生成總體加工路徑，這是一條連續(xù)的路徑，僅僅生成各個工步的路徑還不能達(dá)到路徑連續(xù)的要求。本文的路徑規(guī)劃工作分為三個步驟完成：①根據(jù)加工策略、操作信息、刀具信息、特征幾何信息對工作計劃中的每一個工步進(jìn)行路徑規(guī)劃，經(jīng)坐標(biāo)變換后得到各工步加工路徑信息；②按照工作計劃定義的加工工步順序，規(guī)劃工步間的路徑，生成工步間的過渡路徑信息；③連接所有的工步路徑和過渡路徑，生成連續(xù)的刀具單元路徑集合。這些數(shù)據(jù)作為整個解釋器的輸出結(jié)果，可以被仿真系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng)所調(diào)用。

　　2.4 切削仿真

　　切削仿真功能能夠幫助使用者更直觀地查看加工的零件、刀具路徑及其他相關(guān)信息，并能對加工過程進(jìn)行仿真?？梢詼p少或者消除因?yàn)镾TEP-NC加工程序錯誤而導(dǎo)致的機(jī)床夾具損壞或刀具折斷、工件報廢等

　　問題，減少產(chǎn)品設(shè)計制造的時間，降低成本。切削仿真模塊主要由以下幾個功能組成：

　　(1)三維模型顯示本文通過讀取STL文件顯示工件三維模型。STL文件由多個三角形面片的定義組成，每個三角形面片的定義包括三角形各個頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)及三角形面片的法矢量。程序中通過遍歷三角形面片的3個頂點(diǎn)，可以方便地構(gòu)造實(shí)體。然后進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)體渲染，以增加工件實(shí)體的真實(shí)感。

　　(2)材料去除本文采用基于三角網(wǎng)格的幾何仿真方法。，通過計算毛坯模型表面三角片頂點(diǎn)與刀具掃掠面之間的距離，計算出各三角片頂點(diǎn)高度值，修改自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除效果。因此首先需要建立毛坯的數(shù)據(jù)模型。本文采用的是三角網(wǎng)格方法來建立毛坯模型。

　　(3)人機(jī)交互基于OpenGL切削仿真的人機(jī)交互接口包括：加工路徑顯示與隱藏、動靜控制、仿真速度控制、視角變換。

　　2.5 G代碼生成及驗(yàn)證

　　由于在刀具路徑生成模塊已經(jīng)生成了路徑信息鏈表，所以要生成G代碼程序文件只需從頭開始讀取整個路徑信息鏈表，從每個節(jié)點(diǎn)中取出有關(guān)的加工工藝參數(shù)(如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和冷卻液等)，按照指定數(shù)控系統(tǒng)的指令格式將其分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的F、M、S等功能字，并把刀具軌跡轉(zhuǎn)化為指定的數(shù)控系統(tǒng)的G代碼指令格式。由于在不同工步中所使用的刀具可能不相同，在讀取下一個節(jié)點(diǎn)時，還要判斷該節(jié)點(diǎn)所使用的刀具是否與上個節(jié)點(diǎn)所使用的刀具相同，如果不相同則需要添加換刀功能字。當(dāng)路徑信息鏈表中所有節(jié)點(diǎn)都轉(zhuǎn)換后，即完成了STEP-NC文件到G代碼程序的轉(zhuǎn)換。

　　為驗(yàn)證所生成的G代碼的正確性，本文利用VERICUT軟件對生成的G代碼進(jìn)行了加工仿真驗(yàn)證。VERICUT軟件是美國CGTECH公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，由NC程序驗(yàn)證模塊、機(jī)床運(yùn)動仿真模塊等組成，具有很高的國際知名度，在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)語

　　STEP-NC程序包含了產(chǎn)品全生命周期的所有信息，同時消除對CNC系統(tǒng)的依賴性，STEPNC的提出和發(fā)展結(jié)束了長期以來數(shù)控系統(tǒng)只能被動執(zhí)行動作的歷史，解決了CNC與CAX之間的雙向無縫連接問題，為網(wǎng)絡(luò)制造、虛擬制造、并行工程等先進(jìn)制造技術(shù)和模式提供了技術(shù)保證。因此，相對于G代碼來說，具有很大的優(yōu)勢，是未來的一種發(fā)展趨勢。

　　本文對基于STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面(MMI)軟件進(jìn)行了研究和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了STEP．NC信息提取，利用程序信息樹的形式再現(xiàn)了STEP．NC文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)提取出的工藝信息進(jìn)行刀具路徑的規(guī)劃，利用OpenGL圖形庫實(shí)現(xiàn)了三維工件顯示及加工路徑仿真功能，為在商用CNC系統(tǒng)上開發(fā)STEP-NC人機(jī)界面軟件提供了參考。