CNC技术的新进展--STEP-NC

nullCNC技术的新进展——STEP-NCCNC技术的新进展——STEP-NCnull引言 传统数控编程接口及其局限性 STEP-NC概述 STEP-NC的特点 STEP-NC为CNC提供的发展空间 CNC技术的新进展——STEP-NC引 言引 言 自1952年世界上第一台数控机床诞生以来，数控技术的发展非常迅速，数控系统也由原先的硬连接数控发展成为今天的计算机数控（CNC）。但是，现代化的生产对CNC的要求也越来越高，系统之间不兼容、编程困难、智能化程度低等诸多问题大大限制了现代化生产以及数控技术本身的发展。与此同时，人们逐渐意识到数控系统一直采用的G、M代码（ISO 6983）已不能适应现代化生产和技术发展的需要。这种面向运动和开关控制的数控程序限制了CNC系统的开放性和智能化发展，同时也使得CNC与CAX技术之间形成了瓶颈，严重阻碍了机械制造业的发展。 为此，国际上正在研究和制定一种新的数控系统数据接口规范即ISO14649（STEP-NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。 传统数控编程接口及其局限性传统数控编程接口及其局限性 传统数控编程接口是ISO6983（G代码、M代码），这种语言仅包括一些简单的运动指令和辅助指令，而不包括零件几何形状、刀具路径生成、刀具选择等信息，使得CNC与CAD/CAM之间形成瓶颈。但是数控加工中编程人员却要考虑许多数控加工要素：零件几何信息的转换、刀具路径的生成、进给量和主轴速度的确定、刀具的选择等，大大降低了编程效率。概括起来，ISO6983的主要缺点如下： 使用ISO6983编写的数控程序仅包含了CAD/CAM系统中的一部分信息，一些信息在传递过程中丢失了； 只能完成一些简单的直线和圆弧插补，不能提供更为复杂的加工功能，例如样条曲线插补功能； 传统数控编程接口及其局限性（续）传统数控编程接口及其局限性（续）ISO6983和它的扩展部分在不同数控机床和计算机辅助系统（CAX）之间不能进行双向数据交换； 由于厂商和最终用户开发的许多扩展功能未能标准化，因此零件程序在不同的数控系统之间不具有互换性； 在机床上不能实现实时刀具路径生成、碰撞检验、图形加工可视化和复杂NC程序修改等功能； ISO6983根据机床各个坐标轴对刀具中心进行编程而不是根据被加工零件进行编程。STEP-NC概述STEP-NC概述 STEP-NC是一个新的NC编程数据接口国际标准（ISO14649），它于1996年制定的，在2001年成为国际标准草案（Draft International Standard, DIS），目的是取代现在使用的NC编程接口标准。 STEP-NC概述（续）STEP-NC概述（续）STEP-NC是欧美许多企业和研究机构共同开发的一套面向对象的NC编程接口，这套编程接口总称为“计算机数字控制数据模型（Data Model for Computerized Numerical Controllers），它包括十三个部分，分成三个阶段发布。目前发布出来的有：1）概述和基本原理 2)总体加工数据 3）切削加工数据 4）铣削刀具。 STEP-NC是一种在CAD/CAM系统和CNC机床之间进行数据转换的模型，它使用工步（Working Steps)这个面向对象的概念，通过详细描述加工过程而不是机床运动来弥补ISO6983的不足。STEP-NC概述（续）STEP-NC概述（续）STEP-NC的基本原理是基于制造特征（manufacturing features）进行编程，而不是直接对刀具运动进行编程。它包含了工件的所有加工任务，通过这一系列加工任务，对从零件毛坯到最终成品所有的操作加以描述，提供了更高层次的信息给加工车间。 STEP-NC是STEP （ Standard for the Exchange of Product Model Data)标准的扩展，其几何信息描述文件格式与STEP标准完全一致。一个基于STEP-NC的NC程序由几何信息和信息描述组成。几何信息采用STEP数据格式描述，CNC系统可以直接从CAD系统读取STEP数据文件，从而消除了由于数据格式转换可能导致的精度降低的问题。工艺信息描述部分包括所有工步的详细完整定义，如特征代码、刀具数据、机床功能、加工方法及其他数据。STEP-NC的数据模型STEP-NC的数据模型 为了在CAM系统和数控系统之间进行信息交换时完整全面的达信息，必须建立合适的数据模型。ISO14649使用面向对象的方式避免了信息的丢失，它把每一个加工步骤都定义成独立的对象，每个对象又包含各种描述性的属性。通过严格地分离几何数据、操作数据、加工数据等这些数据，简化了信息的存储和访问，使不同模块之间可进行信息交换。这样，原本不具有工艺处理信息功能的CAD系统，可以很容易地使用STEP-NC程序文件进行数据的输入和输出。STEP-NC的特点STEP-NC的特点STEP-NC是一个中性数据描述数据接口。CAM系统、数控装置、数控机床等相对独立，这显著提高了信息的可交换性和柔性。 和传统的NC接口相比，STEP-NC第一次提供了完整的加工任务描述模型，以前只在CAD/CAM系统中才能获得的信息，现在在CNC系统能轻易获得。 使用传统编程接口，有关复杂运动的数据容易丢失，而使用STEP-NC可以避免了这种情况的发生。 在加工车间，当机床运动的时候甚至刀具在实时运行的时候，数控装置也能生成各种转换指令。STEP-NC的特点（续）STEP-NC的特点（续）进一步优化了CNC机床控制功能，这不仅简化了NC代码，也简化了一些复杂的加工任务，这比CAD/CAM系统离线处理更有效。 以传统的数据接口为基础的NC程序，仅能修改进给速度和切削速度等这些工艺参数，而现在使用STEP-NC可以有效地修改各种工艺参数，例如使用传统的数据接口，减少切削深度只能离线处理，因为有关信息只有在CAD/CAM系统中才能得到。STEP-NC的特点（续）STEP-NC的特点（续）实现双向数据交换。 为了优化生产过程和提高成品质量，经常需要对NC程序加以修改。但采用ISO6983这些改动无法反馈到CAM系统，因为生成NC程序时记录最初加工的信息丢失了，而使用STEP-NC就会减少信息丢失的的问题，同时CAM系统和数控系统既能和数控系统既能重新解释这些最终用户和供应商定义的代码扩展部分，也能通过数据库存储这些信息以避免在加工车间再进行多余的代码测试。 提供新的加工工步概念。 新的数据模型基本原理是根据制造特征进行编程，而不是根据基准坐标轴和刀具进行编程。制造特征和工艺信息的集合被称为”工步“（Working steps）”。所谓工步就是制造特征和工艺信息的组合，是加工过程的基本组成部分。一个工步描述了一个加工操作（一把刀具和一种加工方法），如粗铣削一个槽，精铣一个区域等。STEP-NC的特点（续）STEP-NC的特点（续）加工车间获得了高层次的加工信息。 用数据模型描述加工任务，零件程序法给加工车间提供更高层次的信息。通过提供完整的结构化数据模型，在整个生产的每个阶段都避免了信息的丢失，不再需要为机床设计专用后置处理器。高层次信息具有更高的加工柔性。 在一个结构化程序中实现几何信息和工艺信息的集成。 根据STEP（ISO10303）的物理文件格式，可以对一个零件程序使用标准化描述。零件程序主要结构分成两部分：程序头和数据部分。在程序头，给出有关零件程序总的信息和注释，例如，作者、时间、部门等，程序第二部分包括了所以工艺信息和几何信息，实现了高度集成。 STEP-NC的特点（续）STEP-NC的特点（续）数字化产品模型数据库。 使用它可以减少交换时间，提高生产率。实践证明，使用STEP-NC建立单一数字化产品模型数据库可以极大地提高生产率。 使网络化成为现实。 现代制造业需要通过网络共享各种信息，STEP-NC为网络化提供了一个功能强大的数据接口。STEP-NC为CNC提供的发展空间STEP-NC为CNC提供的发展空间 STEP-NC的发展设计使得STEP标准延伸到了自动化加工的底层设备，建立了一条整制造网的高速公路。可以预见，将来CNC系统将从结构、功能、在制造系统中的地位各方面发生了根本的变化，同时这种变化必然会影响到相关的CAX技术（如CAD、CAPP、CAM、CAE、PED、ERP等）、刀具、机床本体和夹具等的发展以及先进生产模式的实施等。仅就目前的研究成果而言，可以预见的比较直接的影响主要由以下几个方面:      　　               　　STEP-NC为CNC提供的发展空间STEP-NC为CNC提供的发展空间数控编程界面： 以ISO-14649取代ISO-6983使得编程界面大为改观，现场编程方便而且易于再利用。当被加工工件某些特征略有改变时，只需改变有关特征的几何描述，其他元素无须改变。另外，同一程序可以直接在不同型号的机床上运行。 数控系统的开放性： 目前，由于ISO6983的数控标准覆盖面太窄，CNC厂家不得不开发自己的扩展指令。所以CAM和CNC必须使用同一套代码，否则必须选用特定的后置处理程序。对于STEP-NC控制器而言，其数据格式（AP-238）完全一样，他告诉CNC“要加工什么”而不是具体动作，因而不需要后置处理程序，具体的动作由CNC确定，程序具有良好的互操作性和可移植性。     　　 STEP-NC为CNC提供的发展空间STEP-NC为CNC提供的发展空间数控系统的智能化 作为目前CAM与CNC之间的接口，G、M代码的形成过程造成大量有用信息的流失，这也是目前的CNC智能程度低的一个主要原因。与此相反，STEP-NC数控包含了加工产品所需的所有信息，为CNC系统在全面了解产品的基础上进行自主加工提供了基本条件。 CMA/CNC之间功能的重新划分 CNC比CAM或CAPP系统更了解机床的运行情况，在CNC内进行的具体的工艺处理（如刀具的选择、补偿、走带路线的确定等）更有可能得到最优的加工效果。因此，将来的CNC将完成CAM系统的一部分功能，并在此基础上将可能安装嵌入式CAM系统，直接根据CAD数据模型进行加工。        STEP-NC为CNC提供的发展空间STEP-NC为CNC提供的发展空间加工质量和效率 STEP-NC的提出改变了目前CNC系统作为加工任务的被动执行者的地位。CNC功能的加强还能提高其上游环节的效率。STEP Tools公司的研究表明，STEP与STEP-NC的应用可使CAD阶段的生产数据准备时间减少75%，加工工艺规划（CAM）时间减少35%，加工时间（CNC五轴高速铣）减少50%。 数据共享与网络制造 STEP-NC的发展使得基于STEP-NC的CNC系统与基于STEP的所有CAX系统之间实现了双向无缝连接（例如CAD系统可以直接从CNC系统读取STEP-NC数据中的几何信息），为基于网络的制造模式和技术创造了条件。     谢谢大家！谢谢大家！