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(gè)世紀(jì)前所開發(fā)的ISO6983（G/M代碼） 標(biāo)準(zhǔn)，這種代碼僅僅包括一些簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)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(jì)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(jìn)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(jì)劃，將STEP（Standard for the Exchange of Product model date，ISO 10303）標(biāo)準(zhǔn)延伸到自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)，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(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，它要求CNC系統(tǒng)直接使用符合 STEP標(biāo)準(zhǔn)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(gè)面向?qū)ο蟮男滦蚇C編程數(shù)據(jù)接口國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 14649），它于1996年初開始制訂，在2001年底成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案（Draft International Standard, DIS），由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC184工業(yè)數(shù)據(jù)技術(shù)委員會(huì)正式命名為ISO14649，其目的旨在取代在數(shù)控機(jī)床中廣泛使用的ISO 6983標(biāo)準(zhǔn)。

　　近幾年，歐美已經(jīng)啟動(dòng)了幾個(gè)有關(guān)STEP-NC的項(xiàng)目，如OPTIMAL、MATRAS、STEP-NC和Super Model Project等。其中歐洲的STEP-NC項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)和測(cè)試銑削加工數(shù)據(jù)接口，共有20多個(gè)CAD/CAM、NC和數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)參與了該項(xiàng)目的研究工作。2001年，符合STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)，其性能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中已得到驗(yàn)證。目前原型系統(tǒng)已在第一個(gè)用戶——Daimler Chrysler公司進(jìn)行評(píng)價(jià)，已測(cè)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(cè)試三維數(shù)控銑削加工過程。

　　從2000 年開始，美國(guó)STEP Tools公司在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)會(huì)NIST的資助下起動(dòng)了為期3年的“超級(jí)模型”（Super Model）項(xiàng)目。該項(xiàng)目（全稱為Model Driven Intelligent Control of Manufacturing）的主要目標(biāo)是建立一個(gè)適合于銑削、車削的數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件工具，驗(yàn)證CNC機(jī)床能否直接讀取3D設(shè)計(jì)和制造數(shù)據(jù)，進(jìn)行快速、安全和智能化的零件制造。2001年秋季，Super Model 項(xiàng)目與韓國(guó)開展的國(guó)際IMS STEP-NC項(xiàng)目中的內(nèi)容合并。2000年6月韓國(guó)POHANG科技大學(xué)的STEP-NC技術(shù)國(guó)家研究實(shí)驗(yàn)室NRL-SNT開始了為期5年（分2個(gè)階段進(jìn)行）的STEP-NC研究計(jì)劃，重點(diǎn)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(dòng)了名為“數(shù)字大師” （DIIGITAL MASTER）的項(xiàng)目，雖然該項(xiàng)目未列入國(guó)際IMS STEP-NC項(xiàng)目中，但研究工作與STEP-NC建模有關(guān)。國(guó)際IMS STEP-NC項(xiàng)目于2001年夏季啟動(dòng)，參加的國(guó)家與地區(qū)有歐盟、瑞士、美國(guó)以及韓國(guó)等，并于2003年在德國(guó)的亞?。ˋachen）市開始實(shí)施了一個(gè) IMS STEP-NC車間。

　　韓國(guó)為了使CAD/CAM系統(tǒng)與CNC控制器能隨時(shí)交換數(shù)據(jù)，STEP Tools公司建立了STEP-NC數(shù)據(jù)庫(kù)的操作規(guī)范體系和自維護(hù)、管理體系。2000年年底，該公司完成了第一階段的目標(biāo)，在第三屆IRB （Industrial Review Board）會(huì)議上演示了利用“超級(jí)模型”完成具有某種加工特性的加工對(duì)象銑削全過程。另外，該公司還與Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(huì)議，如2001年在德國(guó)漢諾威（Hanover）召開了開展STEP-NC工作的會(huì)議，確定了最終用戶、系統(tǒng)供應(yīng)商、以及學(xué)術(shù)研究伙伴的組成。2001年10月在德國(guó)亞琛（Aachen）召開了用于銑削的會(huì)議，由最終用戶對(duì)基于西門子的2維半銑削加工解決方案進(jìn)行了檢測(cè)及評(píng)估。2001年11月在意大利召開了STEP-NC的輪廓切削試驗(yàn)會(huì)議，對(duì)第一個(gè)用于木材、玻璃及石材輪廓切削的STEP-NC原型進(jìn)行了檢測(cè)及評(píng)價(jià)。 2002年8月在德國(guó)斯圖加特討論了車削工藝，制定了開展后續(xù)工作的時(shí)刻表。2001年12月在瑞士日內(nèi)瓦會(huì)議上對(duì)第一個(gè)用于電火花加工的原型STEP- NC系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試及評(píng)估。2002年9月在德國(guó)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(guó)斯圖加特會(huì)議中確定了檢驗(yàn)、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(xiàng)目會(huì)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(guó)Boeing公司用 CATIL軟件生成了一個(gè)STEP-NC零件程序，然后在西門子公司的一臺(tái)具有STEP-NC功能的機(jī)床上進(jìn)行了運(yùn)行，證明STEP-NC可支持多種不依賴于NC編程的機(jī)床。2003年6月在德國(guó)斯圖加特會(huì)議上介紹了銑削、車削、電火花加工以及輪廓切削的當(dāng)前進(jìn)展。2003年3月12日召開的IMS STEP-NC 會(huì)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(biāo)準(zhǔn)）快速轉(zhuǎn)換成AP238文件格式（STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)）的過程。2004年10月將在德國(guó)亞琛 （Aachen）召開STEP-NC檢測(cè)方面的會(huì)議，內(nèi)容涉及：討論用于檢測(cè)內(nèi)容的數(shù)據(jù)模型定義的進(jìn)展工作、討論STEP-NC檢測(cè)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(jì)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(chǎng)對(duì)NC程序的修改無法直接反饋到CAD/CAM系統(tǒng)。而采用STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)，CNC與CAD/CAM可實(shí)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(shí)地反饋到設(shè)計(jì)部門（CAD），以便設(shè)計(jì)部門及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，減少加工信息的丟失。

　　目前，STEP基準(zhǔn)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(huì)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(gè)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(gè)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(yán)格來說它只是一種過渡形式，上層符合STEP標(biāo)準(zhǔn)的CAD/CAM系統(tǒng)與STEP- NC接口實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)流動(dòng)，下層通過增加符合STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)行數(shù)控系統(tǒng)的控制。模式2是一種比較簡(jiǎn)單、初級(jí)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(dòng)模式與控制方式來說，已經(jīng)完全符合STEP-NC的標(biāo)準(zhǔn)，具備了下一代數(shù)控機(jī)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(jì)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(chǎng)編程模塊SFP （Shop Floor Programming）集成。為了使控制系統(tǒng)進(jìn)一步實(shí)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(shí)現(xiàn)各種智能化操作，包括刀軌生成、刀具的自動(dòng)選擇、刀具監(jiān)控、誤差檢測(cè)補(bǔ)償、在線測(cè)量和突發(fā)事件處理等許多數(shù)控系統(tǒng)的高級(jí)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(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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(jì)信息均符合 IGES（Initial Graphics Exchange Specification）表達(dá)規(guī)范（IGES只是關(guān)于幾何信息交換的標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)信息經(jīng)過數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行精簡(jiǎn)和計(jì)算，同時(shí)通過人機(jī)交互方式進(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)，產(chǎn)生描述刀具運(yùn)動(dòng)的刀位文件，經(jīng)后置處理模塊生成驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的數(shù)控代碼。由于 ISO6983（G、M代碼）標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展部分之間的數(shù)據(jù)不能進(jìn)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(jìn)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(jì)模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)表達(dá)形式符合STEP標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)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(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)的依據(jù)。設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行反饋修改，由于檢測(cè)信息表達(dá)也符合STEP標(biāo)準(zhǔn)，所以能被設(shè)計(jì)模塊識(shí)別，各個(gè)模塊均可根據(jù)反饋信息進(jìn)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(dá)都符合STEP標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)就可實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)。

五、STEP-NC數(shù)控加工方式的發(fā)展趨勢(shì)

　　目前STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)僅完成了一部分，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(shì)頭強(qiáng)勁。已獲得的研究成果表明，該技術(shù)將對(duì)數(shù)控技術(shù)乃至機(jī)械制造業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　數(shù)控機(jī)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(qiáng)的數(shù)控語(yǔ)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?dòng)作）的編程使得現(xiàn)場(chǎng)編程界面大為改觀。根據(jù)目前的進(jìn)展推測(cè)，STEP-NC的廣泛應(yīng)用將在近10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，G、M代碼將從此成為歷史。

　　CAD/CAM/CNC之間可實(shí)現(xiàn)無縫連接。CAD/CAM與CNC的雙向數(shù)據(jù)流動(dòng)，使得設(shè)計(jì)部門能夠清楚的了解到加工實(shí)況，并且可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)編程返回來的信息對(duì)生產(chǎn)規(guī)劃進(jìn)行及時(shí)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(huì)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(shí)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(jī)床生產(chǎn)商對(duì)G代碼都進(jìn)行了基本語(yǔ)義外的擴(kuò)展，造成各種類型的數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性。與此相反，如采用STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)格式、接口標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(dòng)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(jì)/制造成為現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)代制造企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)共享各種信息，同時(shí)由于全球制造企業(yè)采用統(tǒng)一的 STEP-NC數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)可以在基于PC機(jī)的CNC機(jī)床與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之間直接進(jìn)行，操作人員只需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的三維工件模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置，就可以使機(jī)床實(shí)現(xiàn)預(yù)期動(dòng)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(kù)將會(huì)出現(xiàn)，數(shù)字制造更趨多元化。

六、結(jié)束語(yǔ)

　　STEP -NC是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）近年來發(fā)展起來的一個(gè)世界性的標(biāo)準(zhǔn)，它將STEP基準(zhǔn)擴(kuò)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(shí)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(zhǎng)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(jìn)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(zhǔn)備時(shí)間減少75%，工藝規(guī)劃時(shí)間減少35%，加工時(shí)間減少50%?？梢?，大力開展基于STEP-NC的CNC系統(tǒng)（特別是標(biāo)準(zhǔn)制定、數(shù)據(jù)庫(kù)和STEP-NC控制器）的研究對(duì)于提高我國(guó)數(shù)控水平乃至全面提高自動(dòng)化制造水平是至關(guān)重要的。