CNC技術(shù)的新進(jìn)展(z）

豬豬

　自1952年世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生以來(lái),，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(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）。但是,，現(xiàn)代化的生產(chǎn)對(duì)CNC的要求也越來(lái)越高,，系統(tǒng)之間不兼容、編程困難,、智能化程度低等諸多問(wèn)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(shí)，人們逐漸意識(shí)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(yùn)動(dòng)和開(kāi)關(guān)控制的數(shù)控程序限制了CNC系統(tǒng)的開(kāi)放性和智能化發(fā)展，同時(shí)也使得CNC與CAX技術(shù)之間形成了瓶頸,，嚴(yán)重阻礙了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展,。1997年歐共體通過(guò)OPTIMAL計(jì)劃開(kāi)發(fā)了一種遵從STEP標(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)準(zhǔn)STEP擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)（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(jì)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(lái)控制機(jī)床,。隨后STEP-NC成了世界工業(yè)化國(guó)家研究的熱點(diǎn),，其中較具代表性的研究項(xiàng)目有歐洲的STEP-NC項(xiàng)目、美國(guó)的Super Modal項(xiàng)目,、日本的Digital Master項(xiàng)目等,。目前STEP-NC項(xiàng)目的研究已取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。據(jù)美國(guó)STEP Tools公司的預(yù)測(cè)STEP-NC控制器將在本世紀(jì)的第一個(gè)十年內(nèi)出現(xiàn)，屆時(shí)人們將會(huì)看到自動(dòng)化制造的全新景象,。  2 a3 l$ ^+ Y: z- Q7 W

　　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(biāo)準(zhǔn),，它在STEP的基礎(chǔ)上面向?qū)ο蟮男问綄�產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息與制造信息聯(lián)系起來(lái)。STEP-NC定義了一個(gè)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(guò)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(cè)信息（AP-219）等,。目前STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)（草案）已完成,，包括基本概念和規(guī)則（Part 1）,、通用標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)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(cè)（Part 15）等。如通用數(shù)據(jù)的一個(gè)簡(jiǎn)化模型,，包括工件和工作計(jì)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(jì)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(lái),。這里操作本身也是ISO-14649中定義的概念,，設(shè)計(jì)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)

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　　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(duì)坐標(biāo)軸和刀具動(dòng)作進(jìn)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(gè)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(biāo)記，主要說(shuō)明文件名,、編程者,、日期以及注釋等。數(shù)據(jù)段以“DATA”開(kāi)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(gè)PROJECT語(yǔ)句,，其后的內(nèi)容可分為三部分：工作計(jì)劃與可執(zhí)行語(yǔ)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(jī)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

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　　STEP-NC的發(fā)展設(shè)計(jì)使得STEP標(biāo)準(zhǔn)延伸到了自動(dòng)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(jiàn),，將來(lái)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(shí)這種變化必然會(huì)影響到相關(guān)的CAX技術(shù)（如CAD、CAPP,、CAM,、CAE、PED,、ERP等）,、刀具、機(jī)床本體和夾具等的發(fā)展以及先進(jìn)生產(chǎn)模式的事實(shí)等,。僅就目前的研究成果而言,，可以預(yù)見(jiàn)的比較直接的影響主要由以下幾個(gè)方面：

　　１）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(chǎng)編程方便而且取代易于再利用,。當(dāng)被加工工件某些特征略有改變時(shí)，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(hào)的機(jī)床上運(yùn)行。

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　�,。玻���(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性：目前,，由于ISO-6983的覆蓋面太窄，CNC廠家不得不開(kāi)發(fā)自己的擴(kuò)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(duì)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(dòng)作，因而不需要后置處理程序,，具體的動(dòng)作由CNC確定,，程序具有良好的互操作性和可移植性。

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　�,。常���(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(guò)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(gè)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(jìn)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(tǒng)更了解機(jī)床的運(yùn)行情況,，在CNC內(nèi)進(jìn)行的具體的工藝處理（如刀具的選擇,、補(bǔ)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(lái)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(jìn)行加工,。

　　５）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(dòng)執(zhí)行者的地位,。CNC功能的加強(qiáng)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(zhǔn)備減少75%,，加工工藝規(guī)劃（CAM）時(shí)間減少35%,，加工時(shí)間（CNC五軸高速銑）減少50%,。

　　６）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(shí)現(xiàn)了雙向無(wú)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,。

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　　結(jié)束語(yǔ)：STEP-NC既是正在完善中的CNC接口標(biāo)準(zhǔn)，又是提升現(xiàn)代CNC的實(shí)施技術(shù),。它為CNC開(kāi)放性和智能化提供了廣闊的發(fā)展空間,，同時(shí)它也解決了CNC與CAX之間雙向無(wú)縫連接的核心問(wèn)題，對(duì)未來(lái)的自動(dòng)化制造有著難以預(yù)料的深遠(yuǎn)影響,。相對(duì)于此前提提出的開(kāi)放式數(shù)控而言,，STEP-NC控制器（基于STEP的CNC）的意義更大（它著眼于產(chǎn)品全生命周期的無(wú)縫鏈接），實(shí)施技術(shù)更實(shí)際有效（從數(shù)據(jù)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(fā)展非常迅速（西門子公司已成功開(kāi)發(fā)了一個(gè)原型）,，前景非常光明,。這也是我國(guó)縮小差距、發(fā)展國(guó)產(chǎn)數(shù)控乃至全面提升我國(guó)自動(dòng)化制造水平的一個(gè)決好的機(jī)會(huì)）,。

zhangjinlong

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旗手

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相信在不久的將來(lái)世界將 是另一中景象