基于STEP—NC的工艺设计和工步序列优化技术

基于STEP—NC的工艺设计和工步序列优化技术摘要：数控技术诞生50年来，它已取得了很大的发展，CNC系统已成为现代制造系统中的核心组成部分。然而，--直以来，数控系统主要采用国际标准ISO6983作为NC编程的数据接口，这种数据接口使得当前CNC系统存在着许多不足之处。当前，国际标准化组织ISOTC184/SCI正在制定能够满足CAC/CAM与CNC系统进行数据交换的标准--STEP--NC(ISO14649)。伴随着STEP--NC标准的制定，--种基于STEP--NC的CNC(STEP--CNC)系统引起了世界范围内的广泛重视。STEP--NC数据接口的出现，不但为实现智能化、柔性化和开放式的CNC系统奠定了基础，而且也为CNC系统与其它系统间的信息交流和共享提供了可能。本文首次对STEP--NC及其在零件整个制造过程中的应用技术进行了全面而深入的研究。在深入分析和研究STEP--NC数据模型的基础上，对其在CNC系统、工艺设计以及CAD/CNP/CNC系统集成方面等的应用技术分别进行了深入的研究。关键词:STEP--NC;STEP--CNC;工步序列优化;CAD/CAPP/CNC系统集成AbstractCNCtechnologywasborn50yearsago,ithasachievedgreatdevelopment,andCNCsystemhasbecomethecoreofmodernmanufacturingsystemcomponents.However,allalong,digitalcontrolsystemISO6983internationalstandardusedmainlyasanNCprogrammingdatainterface,datainterfacethatmakesthecurrentCNCsystems,therearemanyshortcomings.Currently,theInternationalOrganizationforStandardizationISOTC184/SCIbeingdevelopedtomeettheCAC/CAMandCNCsystemfordataexchangestandard-STEPANC(ISO14649).WiththeSTEPstandardsforaNC,aNCbasedonSTEP'sCNC(STEPaCNC)systemcausedtheworldwideattention.STEPdatainterfaceofaNCappearance,notonlyintelligent,flexibleandopenCNCsystemlaidthefoundation,butalsofortheCNCsystemandothersystemsofinformationexchangeandsharingpossible.ThisisthefirstofSTEPNCandinthepartsofawholemanufacturingprocesstechnologyfortheapplicationofacomprehensiveandin-depthstudy.STEP-depthanalysisandresearchinadatamodelbasedontheNC,itsintheCNCsystem,processdesignandCAD/CNP/CNCsystemsintegrationandotherapplicationtechnologywerecarriedoutin-depthstudy.Keywords:STEP--NC;STEP--CNC;processstepsequenceoptimization;CAD/CAPP/CNCsystemintegration一，导言自从20世纪50年代第--台数控机床诞生以来，数控技术已经取得了日新月异的发展，特别是与今天迅速发展的电子工业和计算机技术相结合，更显示出其优越的性能，数控机床己经成为航空、航天、造船、汽车等工业部门中必不可少的加工设备。然而，一直以来，数控系统主要采用国际标准ISO6983作为NC编程的数据接口，这种数据接口使得当前CNC系统存在着许多不足之处。今天，国际标准化组织ISOTC184/SCl正在制定能够满足CAD/CAM与CNC系统进行数据交换的标准—STEP--Ne(ISO14649)。伴随着STEP--Ne的制定，一种基于STEP--NC的CNC系统引起了世界范围内的广泛重视。STEP--NC数据接口的出现，不但为实现CAD/CAM与CNC系统之间的信息交流和共享提供了可能，而且也为实现智能化的CNC系统奠定了基础。下面将着重对STEP--NC及其目前对它的应用研究和发展进行概述和分析。智能化和集成化是现代制造系统未来的发展趋势之一。虽然通过产品数据交换标准(standardfortheexchangeofproductmodeldata，STEP)以及计算机技术和信息通信技术，可以在一定程度和范围内实现CAD/CAPP/CAM系统之间的信息集成和共享，但是与作为现代制造系统核心基础的数控加工的集成问题多年来却很少得到重视，CAD/CAM系统--直采用ISO6983向CNC系统传送NC程序。可见，为了在计算机辅助系统(ComputerAidedsystem，CAs)与CNC系统之间实现数据共享与交换，现代CNC系统还需要进--步完善和发展，以满足基于信息的现代制造系统如智能化与网络化制造的需要。因此，目前国际标准化组织正在制定能满足CAS系统与CNC系统进行数据交换的标准—STEP--NC(ISO14649)，其目的是取代目前普遍使用的NC编程接口标准ISO6983，提供一种不依赖任何具体系统的中性机制。STEP--NC本质上是STEP标准在NC领域的扩展。STEP定义了CAD设计数据标准，STEP--NC基于STEP并包含了制造信息，它详细说明了各种NC工艺方法的信息内容和语意。它用制造信息注释产品/零件设计信息，制造信息包括材料、制造特征、工具需求、工步等信息。STEP--NC定义了一个新的STEP应用协议(AP238)作为CAM与CNC之间的数据交换规范。AP238涵盖了产品从设计到成品全过程的所需的全部信息，如三维几何信息(AP203/AP214)、特征信息(妙224)、制造信息和检测信息(AP219)等。STEP--NC是欧盟ESPRITIV297OS计划(1999--2001)的STEP--NC项目的名称。1994年至1996年，德国阿亨工业大学在欧盟项目OPTIMAL(ESPRITlll5643)中就开始研究这种数据模型。在这个项目中，基于STEP的三维铣削模型数据模型首次用作CAM和CNC的接口。在后续的项目ESPRJTW297OS中，研究范围扩大到2.5D铣削和其它加工方法如车削和电火花加工(ElectronDischargeMachining，EDM)。STEP--NC已经得到世界范围内广泛认同，2002年初，由欧美、美国、瑞士和韩国组成的联盟在国际性项日IMSS兀P--NC中继续对其进行完善。目前，ISO14649的总体框架和铣削数据模型己经于2001年发布了国际标准草案(DraftInternationalstandard，DIS)，其它加工方法的数据模型定义很快将会发布。到目前，STEP--NC国际标准谁案(ISODIS14649)已经形成。有关的基本规则与铣削加工的标准(草案)已完成，包括概述与基本原理(Partl:overviewandFundamentalprinciples)、通用的工艺数据(part10:generalproeessdata)、铣削工艺数据(Part1:processdataformilling)和铣削刀具(part111:toolsformilling)等。正在制定的STEP--NC标准有:车削加工数据(part12:processdataforturning)、电火花加工(part13:processdataforEDM)、木材和玻璃加工(part14)、检测(part15)等。STEP--NC标准在世界范围内不断获得越来越多的支持。随着STEP--NC标准的建立，人们越来越重视基于STEP--NC的CNC—STEP--CNC系统的研究和开发。由于STEP--NC提供各种“加工什么”(即产品信息)和“怎样加工”(工艺过程)的信息，所以STEP--CNC能够支持各种智能化功能，而基于ISO6983的传统的CNC系统则无法实现。STEP--NC作为一个CAD/CAM和CNC系统之间进行信息交换的数据接口，相比于传统的ISO6983具有以下的特点和优点:(1)STEP--NC与STEP兼容。CNC系统不需要转换就可直接使用三维CAD数据控制机床。(2)在ISO6983中，信息流自顶向下(从CAD经CAM到CNC系统)，缺少协同支持。而采用STEP--NC能够在CAD/CAM与CNC系统之间实现双向数据传送，这样可直接将在机床上修改的信息反馈给上游的CAD/CAM系统或工艺规划部门，在系统之间实现信息和知识共享，同时也为不同部门实现协同工作提供了--种机制。(3)STEP--NC采用特征技术，容易实现CAD/CAM/CAPP/CNC的信息集成。(4)基于STEP--NC的CNC系统能够直接读取自由曲线曲面信息，因此能够使用样条插补技术，以改善加工表面质量。(5)STEP--NC提供了--种中性机制，与CAD/CAM系统、机床或CNC系统制造商无关，程序具有良好的互操作性和可移植性。(6)采用STEP--NC能够使CNC系统的功能更加丰富和实现智能化。基于STEP--NC的CNC系统可以输入完整的零件信息和加工过程信息，这样CNC系统就可以实现刀具路径自动生成、刀具自动选择、工艺支持、自动进刀和退刀、安全性检查以及加工过程优化等功能，为CNC系统进行自主加工提供了基础。(7)STEP--NC使CNC系统更可靠、更安全、更容易使用。据SuperModel项目估算，在中小批量生产中，使用STEP--NC可以减少零件编程时间35%、减少生产准备时间75%、减少零件加工时间50%，以及取消4500多个后置处理程序。(8)STEP--NC采用面向对象的方法和特征技术，了吏NC程序具有很高的结构化程度。(9)基于STEP--NC的CNC系统使用图像接口(UI)，编程界面好，使现场编程和程序修改方便、容易。可见，STEP--NC着眼于全生命周期产品数据的无纷生接，为CNC系统的开放性和智能化提供了广阔的发展空间，同时也解决了CNC系统与CAX系统之间的双向信息交换问题，为真正实现开放式CNC系统和网络化制造奠定了坚实的基础，必将对现代自动化制造技术的发展产生巨大而深远的影响。第二章STEP--NC简介为了方便和更好地理解本论文的研究内容，有必要首先对一些相关的概念进行简单介绍。STEP--NC实质上是在STEP的基础上，将其应用范围扩展到CNC系统，这从其名称亦可看出，因此，在介绍STEP--NC之前首先要对STEP作--简单介绍。制定STEP--NC标准的目的是使NC程序具有可交换性，即在CAD、CAM和CNC系统之间实现信息共享，从而能够快速完成从CAD到产品加工的整个技术准备过程。随着几何造型技术的发展，20世纪70年代后期各种CAD系统逐渐得到广泛应用。鉴于在大型企业中各种信息交换量，特别是所制造产品的定义(描述)数据量很大，通过蓝图这--传统手段进行交换，其效率远远不能满足计算机辅助技术的需求，于是人们开始提出希望通过计算机进行高效率、高正确率的数据交换，以及制定数据交换标准的要求。产品数据交换标准的制定工作，最初是由设在美国的CAM--I公司开始的，差不多相同的时间，美国政府部门及工业界人士在美空军ICAM程序的基础上，由美国国家标准局NBS协调，开发了--个数据交换方法，即著名的初始图形交