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我是菜鳥

2008-01-10 01:26

CNC技術(shù)的新進展STEP-NC

自1952年世界上第一臺數(shù)控機床誕生以來，數(shù)控技術(shù)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(shù)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(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的需要。這種面向運動和開關(guān)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(shù)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?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，重新定義了面向?qū)ο蟮臄?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(zhuǎn)換標準STEP擴展至CNC領(lǐng)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(shè)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(zhì)性的進展。據(jù)美國STEP Tools公司的預(yù)測STEP-NC控制器將在本世紀的第一個十年內(nèi)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

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(chǔ)上面向?qū)ο蟮男问綄a(chǎn)品的設(shè)計信息與制造信息聯(lián)系起來。STEP-NC定義了一個新的STEP應(yīng)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(guān)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(fù)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(shè)計加工方法、刀具、導(dǎo)軌、工藝策略等。

基于STEP-NC的數(shù)據(jù)程序結(jié)構(gòu)

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(shù)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)。

程序本身也采用ISO-10303規(guī)定的文件格式，從結(jié)構(gòu)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(wù)。根據(jù)規(guī)定，它首先要一個PROJECT語句，其后的內(nèi)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(shù)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)。

STEP-NC為CNC提供的發(fā)展空間

STEP-NC的發(fā)展設(shè)計使得STEP標準延伸到了自動化加工的底層設(shè)備，建立了一條整制造網(wǎng)的高速公路�？梢灶A(yù)見，將來CNC系統(tǒng)將從結(jié)構(gòu)、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(guān)的CAX技術(shù)(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(yù)見的比較直接的影響主要由以下幾個方面：

·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(guān)特征的幾何描述，其他元素?zé)o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。

·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。

·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(chǔ)上進行自主加工提供了基本條件。

·CMA/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(nèi)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(chǔ)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。

·加工質(zhì)量和效率：STEP-NC的提出改變了目前CNC系統(tǒng)作為加工任務(wù)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(yīng)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%。

·數(shù)據(jù)共享與網(wǎng)絡(luò)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(luò)的制造模式和技術(shù)創(chuàng)造了條件。

結(jié)束語