CNC技術的新進展(z）

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豬豬

電梯直達

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發表于 2005-11-18 10:43:10 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

自1952年世界上第一臺數控機床誕生以來，數控技術的發展非常迅速，數控系統也由原先的硬連接數控發展成為今天的計算機數控（CNC）。但是，現代化的生產對CNC的要求也越來越高，系統之間不兼容、編程困難、智能化程度低等諸多問題大大限制了現代化生產以及數控技術本身的發展。與此同時，人們逐漸意識到數控系統一直采用的G、M代碼（ISO 6983）已不能適應現代化生產和技術發展的需要。這種面向運動和開關控制的數控程序限制了CNC系統的開放性和智能化發展，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的發展。1997年歐共體通過OPTIMAL計劃開發了一種遵從STEP標準、面向對象的數據模型，重新定義了面向對象的數據模型，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將產品數據轉換標準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系統直接使用符合STEP標準（ISO 10303）的CAD三維產品數據模型（包括幾何數據、設計和制造特征），加上工藝的信息和刀具信息，直接產生加工程序來控制機床。隨后STEP-NC成了世界工業化國家研究的熱點，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，屆時人們將會看到自動化制造的全新景象。

　　STEP-NC數據模型

　　STEP-NC是為CNC系統重新定義的數據標準，它在STEP的基礎上面向對象的形式將產品的設計信息與制造信息聯系起來。STEP-NC定義了一個新的STEP應用協議（AP-238，尚在完善中）作為CAM與CNC之間的數據交換規范。AP-238涵蓋了產品從概念到成品（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）已經形成。有關基本規則與銑削加工的標準（草案）已完成，包括基本概念和規則（Part 1）、通用標準（Part 10）、數控銑削加工工藝（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。如通用數據的一個簡化模型，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的數據程序結構

　　基于STEP-NC的數控程序廢棄了傳統的數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數據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規定的文件格式，從結構上可分為兩部分：文件頭和數據段。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。數據段以“DATA”開始，包含了加工零件所需的所有信息和操作任務。根據規定，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（幾何數據、加工特征等）。

　　STEP-NC為CNC提供的發展空間

　　STEP-NC的發展設計使得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的高速公路。可以預見，將來CNC系統將從結構、功能、在制造系統中的地位各方面發生了根本的變化，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展以及先進生產模式的事實等。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：

　　１）數控編程界面：以ISO-14649取代ISO-6983使得編程界面大為改觀，現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，統一程序可以直接在不同型號的機床上運行。

　　２）數控系統的開放性：目前，由于ISO-6983的覆蓋面太窄，CNC廠家不得不開發自己的擴展指令。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，其數據格式（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。

　　３）數控系統的智能化：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數控包含了加工產品所需的所有信息，為CNC系統在全面了解產品的基礎上進行自主加工提供了基本條件。

　　４）CMA/CNC之間功能的重新劃分：CNC比CAM或CAPP系統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）更有可能得到最優的加工效果。因此，將來的CNC將完成CAM系統的一部分功能，并在此基礎上將可能安裝由嵌入式CAM系統，直接根據CAD數據模型進行加工。

　　５）加工質量和效率：STEP-NC的提出改變了目前CNC系統作為加工任務的被動執行者的地位。CNC功能的加強還能提高其上游環節的效率。STEP Tools公司的研究表明，STEP與STEP-NC的應用可是CAD階段的生產數據準備減少75%，加工工藝規劃（CAM）時間減少35%，加工時間（CNC五軸高速銑）減少50%。

　　６）數據共享與網絡制造：STEP-NC的發展使得基于STEP-NC的CNC系統與基于STEP的所有CAX系統之間實現了雙向無縫連接（例如CAD系統可以直接從CNC系統讀取STEP-NC數據中的幾何信息），為基于網絡的制造模式和技術創造了條件。

　　結束語：STEP-NC既是正在完善中的CNC接口標準，又是提升現代CNC的實施技術。它為CNC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控而言，STEP-NC控制器（基于STEP的CNC）的意義更大（它著眼于產品全生命周期的無縫鏈接），實施技術更實際有效（從數據模型入手）。目前，STEP-NC控制器的研究雖然尚處于起步階段，但發展非常迅速（西門子公司已成功開發了一個原型），前景非常光明。這也是我國縮小差距、發展國產數控乃至全面提升我國自動化制造水平的一個決好的機會）。