CNC技術的新進展(z）

豬豬

　自1952年世界上第一臺數(shù)控機床誕生以來，數(shù)控技術的發(fā)展非常迅速，數(shù)控系統(tǒng)也由原先的硬連接數(shù)控發(fā)展成為今天的計算機數(shù)控（CNC）。但是，現(xiàn)代化的生產(chǎn)對CNC的要求也越來越高，系統(tǒng)之間不兼容、編程困難、智能化程度低等諸多問題大大限制了現(xiàn)代化生產(chǎn)以及數(shù)控技術本身的發(fā)展。與此同時，人們逐漸意識到數(shù)控系統(tǒng)一直采用的G、M代碼（ISO 6983）已不能適應現(xiàn)代化生產(chǎn)和技術發(fā)展的需要。這種面向運動和開關控制的數(shù)控程序限制了CNC系統(tǒng)的開放性和智能化發(fā)展，同時也使得CNC與CAX技術之間形成了瓶頸，嚴重阻礙了機械制造業(yè)的發(fā)展。1997年歐共體通過OPTIMAL計劃開發(fā)了一種遵從STEP標準、面向對象的數(shù)據(jù)模型，重新定義了面向對象的數(shù)據(jù)模型，重新定義了面向銑削加工的編程界面，提出了STEP-NC的概念。STEP-NC將產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉換標準STEP擴展至CNC領域，重新定義了CAD/CAM與CNC之間的接口。它要求CNC系統(tǒng)直接使用符合STEP標準（ISO 10303）的CAD三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型（包括幾何數(shù)據(jù)、設計和制造特征），加上工藝的信息和刀具信息，直接產(chǎn)生加工程序來控制機床。隨后STEP-NC成了世界工業(yè)化國家研究的熱點，其中較具代表性的研究項目有歐洲的STEP-NC項目、美國的Super Modal項目、日本的Digital Master項目等。目前STEP-NC項目的研究已取得了實質性的進展。據(jù)美國STEP Tools公司的預測STEP-NC控制器將在本世紀的第一個十年內出現(xiàn)，屆時人們將會看到自動化制造的全新景象。 

　　STEP-NC數(shù)據(jù)模型

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　　STEP-NC是為CNC系統(tǒng)重新定義的數(shù)據(jù)標準，它在STEP的基礎上面向對象的形式將產(chǎn)品的設計信息與制造信息聯(lián)系起來。STEP-NC定義了一個新的STEP應用協(xié)議（AP-238，尚在完善中）作為CAM與CNC之間的數(shù)據(jù)交換規(guī)范。AP-238涵蓋了產(chǎn)品從概念到成品（零件）全過程所需的全部信息，其中包括三維幾何信息（AP-214）、工藝信息（如銑、車、放電加工等）、檢測信息（AP-219）等。目前STEP-NC標準草案（ISO-DIS-14694）已經(jīng)形成。有關基本規(guī)則與銑削加工的標準（草案）已完成，包括基本概念和規(guī)則（Part 1）、通用標準（Part 10）、數(shù)控銑削加工工藝（Part 11）、銑削刀具（Part 111）等。正在制訂的STEP-NC標準有：數(shù)控車削加工（Part 12）、放電加工（Part 13）、木材和玻璃加工（Part 14）、檢測（Part 15）等。如通用數(shù)據(jù)的一個簡化模型，包括工件和工作計劃兩部分。其中工件指最終的成品，工件上需要去除材料的區(qū)域由一系列加工特征定義。工作計劃包括若干工作步驟（如平面、復雜曲面、孔等）與具體操作聯(lián)系起來。這里操作本身也是ISO-14649中定義的概念，設計加工方法、刀具、導軌、工藝策略等。

　　基于STEP-NC的數(shù)據(jù)程序結構

　　基于STEP-NC的數(shù)控程序廢棄了傳統(tǒng)的數(shù)控程序中直接對坐標軸和刀具動作進行編程的做法，采用了ISO-10303數(shù)據(jù)格式和面向特征的編程原則。它以工作步驟作為加工流程的基本單位，將特征與技術信息聯(lián)系到一起。每個工作步驟只定義一種操作（“干什么”、“如何干”等，但只能用一種刀具和一種策略）。

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　　程序本身也采用ISO-10303規(guī)定的文件格式，從結構上可分為兩部分：文件頭和數(shù)據(jù)段。文件頭以“HEADER”為標記，主要說明文件名、編程者、日期以及注釋等。數(shù)據(jù)段以“DATA”開始，包含了加工零件所需的所有信息和操作任務。根據(jù)規(guī)定，它首先要一個PROJECT語句，其后的內容可分為三部分：工作計劃與可執(zhí)行語句（Executable,包括工作步驟、一般NC功能如信息顯示等、以及流程的控制）、技術描述（刀具、機床功能、加工策論等）、幾何描述（幾何數(shù)據(jù)、加工特征等）。

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　　STEP-NC為CNC提供的發(fā)展空間

　　STEP-NC的發(fā)展設計使得STEP標準延伸到了自動化加工的底層設備，建立了一條整制造網(wǎng)的高速公路。可以預見，將來CNC系統(tǒng)將從結構、功能、在制造系統(tǒng)中的地位各方面發(fā)生了根本的變化，同時這種變化必然會影響到相關的CAX技術（如CAD、CAPP、CAM、CAE、PED、ERP等）、刀具、機床本體和夾具等的發(fā)展以及先進生產(chǎn)模式的事實等。僅就目前的研究成果而言，可以預見的比較直接的影響主要由以下幾個方面：

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　�。保�數(shù)控編程界面：以ISO-14649取代ISO-6983使得編程界面大為改觀，現(xiàn)場編程方便而且取代易于再利用。當被加工工件某些特征略有改變時，只需改變有關特征的幾何描述，其他元素無須改變。另外，統(tǒng)一程序可以直接在不同型號的機床上運行。

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　�。玻�數(shù)控系統(tǒng)的開放性：目前，由于ISO-6983的覆蓋面太窄，CNC廠家不得不開發(fā)自己的擴展指令。所以CAM和CNC必須使用同一套代碼，否則必須選用特定的后置處理程序。對于STEP-NC控制器而言，其數(shù)據(jù)格式（AP-238）完全一樣，他告訴CNC“要加工什么”而不是具體動作，因而不需要后置處理程序，具體的動作由CNC確定，程序具有良好的互操作性和可移植性。

　�。常�數(shù)控系統(tǒng)的智能化：作為目前CAM與CNC之間的接口，G、M代碼的形成過程造成大量有用信息的流失，這也是目前的CNC智能程度低的一個主要原因。與此相反，STEP-NC數(shù)控包含了加工產(chǎn)品所需的所有信息，為CNC系統(tǒng)在全面了解產(chǎn)品的基礎上進行自主加工提供了基本條件。

　�。矗〤MA/CNC之間功能的重新劃分：CNC比CAM或CAPP系統(tǒng)更了解機床的運行情況，在CNC內進行的具體的工藝處理（如刀具的選擇、補償、走帶路線的確定等）更有可能得到最優(yōu)的加工效果。因此，將來的CNC將完成CAM系統(tǒng)的一部分功能，并在此基礎上將可能安裝由嵌入式CAM系統(tǒng)，直接根據(jù)CAD數(shù)據(jù)模型進行加工。

　�。担┘庸べ|量和效率：STEP-NC的提出改變了目前CNC系統(tǒng)作為加工任務的被動執(zhí)行者的地位。CNC功能的加強還能提高其上游環(huán)節(jié)的效率。STEP Tools公司的研究表明，STEP與STEP-NC的應用可是CAD階段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)準備減少75%，加工工藝規(guī)劃（CAM）時間減少35%，加工時間（CNC五軸高速銑）減少50%。

　　６）數(shù)據(jù)共享與網(wǎng)絡制造：STEP-NC的發(fā)展使得基于STEP-NC的CNC系統(tǒng)與基于STEP的所有CAX系統(tǒng)之間實現(xiàn)了雙向無縫連接（例如CAD系統(tǒng)可以直接從CNC系統(tǒng)讀取STEP-NC數(shù)據(jù)中的幾何信息），為基于網(wǎng)絡的制造模式和技術創(chuàng)造了條件。

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　　結束語：STEP-NC既是正在完善中的CNC接口標準，又是提升現(xiàn)代CNC的實施技術。它為CNC開放性和智能化提供了廣闊的發(fā)展空間，同時它也解決了CNC與CAX之間雙向無縫連接的核心問題，對未來的自動化制造有著難以預料的深遠影響。相對于此前提提出的開放式數(shù)控而言，STEP-NC控制器（基于STEP的CNC）的意義更大（它著眼于產(chǎn)品全生命周期的無縫鏈接），實施技術更實際有效（從數(shù)據(jù)模型入手）。目前，STEP-NC控制器的研究雖然尚處于起步階段，但發(fā)展非常迅速（西門子公司已成功開發(fā)了一個原型），前景非常光明。這也是我國縮小差距、發(fā)展國產(chǎn)數(shù)控乃至全面提升我國自動化制造水平的一個決好的機會）。

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相信在不久的將來世界將 是另一中景象