CNC技术的新进展

vanilla草草儿

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。1997年欧共体通过OPTIMAL计划开发了一种遵从STEP标准、面向对象的数据模型，重新定义了面向对象的数据模型，重新定义了面向铣削加工的编程界面，提出了STEP-NC的概念。STEP-NC将产品数据转换标准STEP扩展至CNC领域，重新定义了CAD/CAM与CNC之间的接口。它要求CNC系统直接使用符合STEP标准（ISO 10303）的CAD三维产品数据模型（包括几何数据、设计和制造特征），加上工艺的信息和刀具信息，直接产生加工程序来控制机床。随后STEP-NC成了世界工业化国家研究的热点，其中较具代表性的研究项目有欧洲的STEP-NC项目、美国的Super Modal项目、日本的Digital Master项目等。目前STEP-NC项目的研究已取得了实质性的进展。据美国STEP Tools公司的预测STEP-NC控制器将在本世纪的第一个十年内出现，届时人们将会看到自动化制造的全新景象。
　　STEP-NC数据模型
　　STEP-NC是为CNC系统重新定义的数据标准，它在STEP的基础上面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来。STEP-NC定义了一个新的STEP应用协议（AP-238，尚在完善中）作为CAM与CNC之间的数据交换规范。AP-238涵盖了产品从概念到成品（零件）全过程所需的全部信息，其中包括三维几何信息（AP-214）、工艺信息（如铣、车、放电加工等）、检测信息（AP-219）等。目前STEP-NC标准草案（ISO-DIS-14694）已经形成。有关基本规则与铣削加工的标准（草案）已完成，包括基本概念和规则（Part 1）、通用标准（Part 10）、数控铣削加工工艺（Part 11）、铣削刀具（Part 111）等。正在制订的STEP-NC标准有：数控车削加工（Part 12）、放电加工（Part 13）、木材和玻璃加工（Part 14）、检测（Part 15）等。如通用数据的一个简化模型，包括工件和工作计划两部分。其中工件指最终的成品，工件上需要去除材料的区域由一系列加工特征定义。工作计划包括若干工作步骤（如平面、复杂曲面、孔等）与具体操作联系起来。这里操作本身也是ISO-14649中定义的概念，设计加工方法、刀具、导轨、工艺策略等。
9 H# X' z4 r2 {8 _) X1 I  y* r　　基于STEP-NC的数据程序结构
　　基于STEP-NC的数控程序废弃了传统的数控程序中直接对坐标轴和刀具动作进行编程的做法，采用了ISO-10303数据格式和面向特征的编程原则。它以工作步骤作为加工流程的基本单位，将特征与技术信息联系到一起。每个工作步骤只定义一种操作（“干什么”、“如何干”等，但只能用一种刀具和一种策略）。
　　程序本身也采用ISO-10303规定的文件格式，从结构上可分为两部分：文件头和数据段。文件头以“HEADER”为标记，主要说明文件名、编程者、日期以及注释等。数据段以“DATA”开始，包含了加工零件所需的所有信息和操作任务。根据规定，它首先要一个PROJECT语句，其后的内容可分为三部分：工作计划与可执行语句（Executable,包括工作步骤、一般NC功能如信息显示等、以及流程的控制）、技术描述（刀具、机床功能、加工策论等）、几何描述（几何数据、加工特征等）。
　　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事实等。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：
　　１）数控编程界面：以ISO-14649取代ISO-6983使得编程界面大为改观，现场编程方便而且取代易于再利用。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，统一程序可以直接在不同型号的机床上运行。
　　２）数控系统的开放性：目前，由于ISO-6983的覆盖面太窄，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。
　　３）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。
　　４）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由嵌入式CAM系统，直接根据CAD数据模型进行加工。
　　５）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的应用可是CAD阶段的生产数据准备减少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%。
9 K& J  o# r% s  U0 `3 g" n　　６）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。
) i& G0 @2 u# r6 K, {$ t　　结束语：STEP-NC既是正在完善中的CNC接口标准，又是提升现代CNC的实施技术。它为CNC开放性和智能化提供了广阔的发展空间，同时它也解决了CNC与CAX之间双向无缝连接的核心问题，对未来的自动化制造有着难以预料的深远影响。相对于此前提提出的开放式数控而言，STEP-NC控制器（基于STEP的CNC）的意义更大（它着眼于产品全生命周期的无缝链接），实施技术更实际有效（从数据模型入手）。目前，STEP-NC控制器的研究虽然尚处于起步阶段，但发展非常迅速（西门子公司已成功开发了一个原型），前景非常光明。这也是我国缩小差距、发展国产数控乃至全面提升我国自动化制造水平的一个决好的机会）。
文章关键词： CNC技术