一、引言

    近年來數控技術得到了迅猛的發展，控制系統由早期的硬件連接方式發展到現在的基于PC的開放式數控系統。盡管硬件技術和軟件技術的飛速發展給CNC的高速/高精度加工奠定了基礎，但目前NC加工中所采用的編程方式還是基于半個世紀前所開發的ISO6983(G/M代碼)標準，這種代碼僅僅包括一些簡單的運動指令(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。數控加工中編程困難、設計與加工等信息不能完全共享的問題限制了數控系統的進一步發展，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計劃，將STEP(Standard for the Exchange of Product model date ，ISO 10303)標準延伸到自動化制造的底層設備，開發了一種STEP-NC的數據模型，作為銑削加工編程的數據接口。該接口遵從STEP標準，具有面向對象的特征。STEP-NC將產品模型數據轉換標準STEP擴展到CNC領域，重新制訂了CAD/CAM與CNC之間的接口，它要求CNC系統直接使用符合STEP標準的CAD三維數據模型(包括工件幾何數據、參數配置和制造特征)、工藝信息和刀具信息直接產生加工程序。

    二、STEP-NC的研究現狀

    STEP-NC是一個面向對象的新型NC編程數據接口國際標準(ISO 14649)，它于1996年初開始制訂，在2001年底成為國際標準草案(Draft International Standard, DIS)，由國際標準化組織ISO/TC184工業數據技術委員會正式命名為ISO14649，其目的旨在取代在數控機床中廣泛使用的ISO 6983標準。

    近幾年，歐美已經啟動了幾個有關STEP-NC的項目，如OPTIMAL、MATRAS、STEP-NC和Super Model Project等。其中歐洲的STEP-NC項目旨在實現和測試銑削加工數據接口，共有20多個CAD/CAM、NC和數控機床領域的企業和研究機構參與了該項目的研究工作。2001年，符合STEP-NC標準的二維半和三維數控銑削加工過程已經在Siemens、FIDIA公司以及歐洲開放式體系結構OSACA的CNC原型系統中得以實現，其性能在實驗室環境中已得到驗證。目前原型系統已在第一個用戶——Daimler Chrysler公司進行評價，已測試了多面體零件的鉆孔加工和二維半數控銑削加工過程，現開始測試三維數控銑削加工過程。

    從2000年開始，美國STEP Tools公司在國家標準技術協會NIST的資助下起動了為期3年的“超級模型”(Super Model)項目。該項目(全稱為Model Driven Intelligent Control of Manufacturing)的主要目標是建立一個適合于銑削、車削的數據庫和軟件工具，驗證CNC機床能否直接讀取3D設計和制造數據，進行快速、安全和智能化的零件制造。2001年秋季，Super Model 項目與韓國開展的國際IMS STEP-NC項目中的內容合并。2000年6月韓國POHANG科技大學的STEP-NC技術國家研究實驗室NRL-SNT開始了為期5年(分2個階段進行)的STEP-NC研究計劃，重點開展車削STEP-NC中從數據模型到智能化加工相關技術的研究。

    日本于2001年啟動了名為“數字大師”(DIIGITAL MASTER)的項目，雖然該項目未列入國際IMS STEP-NC項目中，但研究工作與STEP-NC建模有關。國際IMS STEP-NC項目于2001年夏季啟動，參加的國家與地區有歐盟、瑞士、美國以及韓國等，并于2003年在德國的亞琛(Aachen)市開始實施了一個IMS STEP-NC車間。

    韓國為了使CAD/CAM系統與CNC控制器能隨時交換數據，STEP Tools公司建立了STEP-NC數據庫的操作規范體系和自維護、管理體系。2000年年底，該公司完成了第一階段的目標，在第三屆IRB(Industrial Review Board)會議上演示了利用“超級模型”完成具有某種加工特性的加工對象銑削全過程。另外，該公司還與Lawrence Livermore國家實驗室合作，在OMAC的基礎上開發出了STEP-NC接口。

    此后，STEP-NC 組織在世界范圍內召開了一系列會議，如2001年在德國漢諾威(Hanover)召開了開展STEP-NC工作的會議，確定了最終用戶、系統供應商、以及學術研究伙伴的組成。2001年10月在德國亞琛(Aachen)召開了用于銑削的會議，由最終用戶對基于西門子的2維半銑削加工解決方案進行了檢測及評估。2001年11月在意大利召開了STEP-NC的輪廓切削試驗會議，對第一個用于木材、玻璃及石材輪廓切削的STEP-NC原型進行了檢測及評價。

    2002年8月在德國斯圖加特討論了車削工藝，制定了開展后續工作的時刻表。2001年12月在瑞士日內瓦會議上對第一個用于電火花加工的原型STEP-NC系統進行了測試及評估。2002年9月在德國烏爾姆討論了將CMM集成到STEP-NC中的可能性。2002年11月在德國斯圖加特會議中確定了檢驗、電火花加工以及輪廓切削中的關鍵要素。

    2002年10月IMS STEP-NC項目會議討論了用于AP238協議的車削數據模型及相關注釋。找到了車削模型中的注釋解決方案。2002年12月在美國Boeing公司用CATIL軟件生成了一個STEP-NC零件程序，然后在西門子公司的一臺具有STEP-NC功能的機床上進行了運行，證明STEP-NC可支持多種不依賴于NC編程的機床。2003年6月在德國斯圖加特會議上介紹了銑削、車削、電火花加工以及輪廓切削的當前進展。

    2003年3月12日召開的IMS STEP-NC 會議，主要的議題是數據交換的方式，STEP Tools公司演示了將AP-203文件格式(STEP標準)快速轉換成AP238文件格式(STEP-NC標準)的過程。2004年10月將在德國亞琛(Aachen)召開STEP-NC檢測方面的會議，內容涉及：討論用于檢測內容的數據模型定義的進展工作、討論STEP-NC檢測中關鍵問題的解決方案。

    三、基于STEP-NC的數控系統結構

    自20世紀50年代以來，傳統數控系統一直沿用G、M代碼(ISO6983)，CNC與CAD/CAM之間的數據交換為單向傳輸，現場對NC程序的修改無法直接反饋到CAD/CAM系統。而采用STEP-NC標準，CNC與CAD/CAM可實現雙向數據交換，使零件程序和優化的加工描述及時地反饋到設計部門(CAD)，以便設計部門及時進行數據更新，減少加工信息的丟失。

    目前，STEP基準已經廣泛地應用于CAD/CAPP/CAM系統，因而基于STEP-NC的數控系統可直接讀取CAD/CAM系統輸出的STEP文件(AP238格式)，傳統CAD/CAM系統中的加工編程后處理器在CAD→CAM→CNC的過程中會逐漸消失，取而代之的是在CAD/CAM系統中加入STEP-NC插件，直接輸出AP238文件。

    考慮到ISO14649完全取代ISO6983需要一個過渡周期，因此基于STEP-NC的數控系統除了可執行AP238文件以外，還應具有執行傳統G/M代碼的功能。所以在基于STEP-NC的數控系統結構中，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系統的一個子系統。

圖1 基于STEP-NC的數控系統結構模型

    圖1所示的是一種采用了STEP-NC標準的數控系統結構模型，該結構模型包含了當前STEP-NC與數控系統結合的三種模式。模式1仍然采用傳統的NC控制器，嚴格來說它只是一種過渡形式，上層符合STEP標準的CAD/CAM系統與STEP-NC接口實現雙向數據流動，下層通過增加符合STEP-NC標準代碼轉換接口，將STEP-NC數據代碼轉換為G/M等代碼，進而實現對現行數控系統的控制。模式2是一種比較簡單、初級的模式，與模式1的區別在于下層采用了新型STEP-NC控制器，直接讀取STEP數據格式加工文件。

    模式2從信息流動模式與控制方式來說，已經完全符合STEP-NC的標準，具備了下一代數控機床的特性，是真正意義上的基于STEP-NC的數控系統模型。模式3是模式2的發展與完善，系統的集成度更高，設計層與車間層之間的功能也將重新劃分，CAM系統宏觀規劃與CAD系統集成，微觀功能與車間層的現場編程模塊SFP(Shop Floor Programming)集成。為了使控制系統進一步實現智能化，在數控系統結構模式3中，還建立了基于STEP-NC的智能模塊，實現各種智能化操作，包括刀軌生成、刀具的自動選擇、刀具監控、誤差檢測補償、在線測量和突發事件處理等許多數控系統的高級功能，以提高生產效率和加工質量。

    四、基于STEP－NC的數控圖形編程系統

    現行常規的數控圖形編程系統基于ISO6983標準，該標準是一種面向加工過程的數控編程規范。圖2所示的是傳統數控圖形編程系統的主流程，流程中的設計信息均符合IGES(Initial Graphics Exchange Specification)表達規范(IGES只是關于幾何信息交換的標準，隨著數控技術的發展已逐漸被STEP所代替)。由圖2可知，CAD模塊生成的設計信息經過數據模塊進行精簡和計算，同時通過人機交互方式進行工藝流程設計，產生描述刀具運動的刀位文件，經后置處理模塊生成驅動機床運動的數控代碼。由于ISO6983（G、M代碼）標準所能描述的信息量少，所以這種編程系統不能為零件加工提供更為復雜的描述。另外，由于CAD/CAM系統、數控系統及其他的擴展部分之間的數據不能進行雙向交換，造成了加工過程中大量信息轉換工作重復進行的現象。

    圖3所示的是基于STEP－NC的新型數控圖形編程系統主流程。該流程中CAD圖形設計模塊產生的數據表達形式符合STEP標準，由模型信息(AP203)、幾何信息(AP214)以及特征信息(AP224)等信息組成。其中模型信息是編程系統用來從標準模型庫中提取符合該產品的加工模型的依據，幾何信息是用來確定具體刀具軌跡的依據，特征信息是進行工藝流程設計的依據。設計模塊的信息傳遞給工藝規劃模塊后，添加工藝信息(AP213)生成數控指令所需信息(AP238)，再傳給指令生成模塊，生成NC指令。最后生成刀具軌跡，并進行切削仿真和碰撞檢查，形成檢查信息(AP219)。如果產生碰撞，該信息將進行反饋修改，由于檢測信息表達也符合STEP標準，所以能被設計模塊識別，各個模塊均可根據反饋信息進行修改。與現行的數控系統相比，該系統的所有數據表達都符合STEP標準，系統內部數據就可實現雙向流動。

圖3  基于STEP－NC的新型數控圖形編程系統主流程圖

    五、STEP-NC數控加工方式的發展趨勢

    目前STEP-NC標準僅完成了一部分，國內外對基于STEP-NC的數控技術研究處于起步階段，但其發展勢頭強勁。已獲得的研究成果表明，該技術將對數控技術乃至機械制造業帶來深遠的影響，主要體現在以下幾個方面：

    (1)數控機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、描述性更強的數控語言。這種數控程序通過一系列的加工任務(工作步驟)描述制造過程中的所有操作，以面向對象(而不是面向動作)的編程使得現場編程界面大為改觀。根據目前的進展推測，STEP-NC的廣泛應用將在近10年內實現，G、M代碼將從此成為歷史。

    (2) CAD/CAM/CNC之間可實現無縫連接。CAD/CAM與CNC的雙向數據流動，使得設計部門能夠清楚的了解到加工實況，并且可根據現場編程返回來的信息對生產規劃進行及時快速的調整，生產效率可得到極大的提高。另外，CAD、CAM、CNC之間的功能將會重新劃分：CAM系統的宏觀規劃將與CAD系統集成，微觀功能將與CNC集成。

    (3)實現完全意義上的開放式智能數控加工。由于ISO-6983(G/M代碼)的加工信息量過少，因此各機床生產商對G代碼都進行了基本語義外的擴展，造成各種類型的數控機床控制系統之間互不兼容，阻礙數據的交流和信息共享，形成“信息孤島”，難以實現系統的開放性。與此相反，如采用STEP-NC標準，其數據格式、接口標準完全一致，且STEP-NC數據包含了加工產品所需的所有信息，對于STEP-NC控制器而言，它只需要告訴CNC要加工的內容，具體動作由CNC自行決定，使程序具有良好的互操作性和可移植性，為CNC系統的開放性和智能化奠定了穩固的基礎。

    (4)網絡化設計/制造成為現實。現代制造企業通過網絡共享各種信息，同時由于全球制造企業采用統一的STEP-NC數據接口標準，企業之間的數據流動可以在基于PC機的CNC機床與數據庫服務器之間直接進行，操作人員只需要對數據庫中的三維工件模型進行簡單的參數設置，就可以使機床實現預期動作。不難想象，在基于網絡化制造的基礎上，大量的數字化產品模型數據庫將會出現，數字制造更趨多元化。"

    六、結束語

    STEP-NC是由國際標準化組織(ISO)近年來發展起來的一個世界性的標準，它將STEP基準擴展到數控加工領域，為CNC的開放性和智能化提供了廣闊的發展空間，同時它也解決了CNC與CAD/CAM之間雙向無縫連接的核心問題，消除了長期以來困擾人們的數據不兼容問題，也為網絡制造、敏捷制造、虛擬制造、并行工程等先進制造技術和模式提供了技術保證。據STEP Tools公司的研究數據表明：STEP-NC的應用將使目前加工前數據準備時間減少75%，工藝規劃時間減少35%，加工時間減少50%。可見，大力開展基于STEP-NC的CNC系統(特別是標準制定、數據庫和STEP-NC控制器)的研究對于提高我國數控水平乃至全面提高自動化制造水平是至關重要的。