（化工过程机械专业论文）基于stepnc的solidworks的二次开发.pdf

基于s t e p - n c 的s o1 d w o r k s 的二次开发 摘要 数控标准是在制造业信息化发展的基础上产生的。数控技术诞生后的 5 0 年闻的信息交换都是基于i s 0 6 9 8 3 标准，鄙采用g 、m 代码描述如何加 工，其本质特征不是面向加工过程，但是，它现在已越来越不能满足现代 数控技术高速发展的需要。为此，国际上砑究和制定了s t e p 标准，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 的标准化。为了使s t e p 标准能够应用于c n c 领域，国际上又研究和制定 了一种新的c n c 系统标准i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p - - n c ) ，s t e p n c 目前还是一个 正在完善中的c n c 接口标准，它为数控加工的智能化提供了广阔的发展空 间，同时它将产品的设计与制造两大阶段无缝地连接起来，这对未来的自 动化制造有着深远的影响。 本文在详细分析s t e p n c 标准的基础上，以v i s u a lb a s i c 为编程环 境编写一系列窝体程序，以s o l i d w o r k s 作为程序运行环境，通过在 s o l i d w o r k s 下运行该程序生成一个完整的符合s t e p n c 标准的文本文件。 该程序主要面向加工特征，通过选取s o l i d w o r k s 中图形的特征，提取加 工特征的信息( 主要是平面、孔和槽特征的几何信息) ；在特征几何信息 的基础上，添加了数控加工过程中所需要的工艺设计信息( 包括刀具信息、 加工方式、辅助功能等) ，通过给默认值或人机交互输入的方式添加这些 摘要 工艺参数。通过运行该程序，最终生成完全符合s t e p - n c 标准的n c 物理 文件，该文件包含了产品设计、加工制造、管理等方面的所有信息，因而 可以把它直接应用到数控机床进行数控加工。这样就将s t e p - n c 成功地运 用到数控加工领域，实现了c a d c a m 与c n c 系统的集成。 关键词：s t e p n c ，v i s u a lb a s i c ，s o l i d w o r k s ，c a d ，c a m ，c n c i l 摘要 s o l i d w o r k s s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tb a s e do ns t e p - n c a b s t r a c t t h en e wc n cd a t am o d e li sb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i z a t i o n t h et r a d i t i o n a lc n c i n t e r f a c eb a s e do n i s o6 9 8 3 ( 1 9 8 2 ) ，s o - c a l l e dg & mc o d e ，n o wi tc a nn o tk e e pu pw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fn ct e c h n o l o g y t h e r e f o r es t e ps t a n d a r di s r e s e a r c h e da n de s t a b l i s h e d ，w h i c hi sau n i f o r md a t am o d e li n d e p e n d e n to f a n ys p e c i a ls y s t e m ，f o ra l lk i n d so fp r o d u c t s ，c o v e r e dt h ew h o l el i f e c y c l e f u r t h e r m o r ei s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p - n c ) ，an e wc n cs t a n d a r d ，w a sc r e a t e dt o e x t e n ds t e pt ot h ef i e l do fc n c n o ws t e p - n ci ss t i l lnp e r f e c tc n c i n t e r f a c es t a n d a r d ，w h i c hw i l ls u p p l yaw i d ed e v e l o p m e n ts p a c et o i n t e l l i g e n t i z eo fn cm a c h i n i n g ，a n dm a k eac l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r e a n dt h en e wc n c s t a n d a r dw i l lg o a h e a dw i t haf u r t h e ri n f l u e n c et om a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n i nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gp r o g r a m m e ，w ee m p h a s i z et h ed a t as o u r c e o fs t e p - n ca n dt h ef o r m a to fd e s c r i b i n gt h e s ed a t ai ns t e p n c f i l e b a s e do na n a l y z i n gs t e p - n cs t a n d a r d ，t h i sp a p e rg e t st h eg e o m e t r i c d a t a b yr e a d i n gs t e pa p 2 1 4f i l e ，a n dm a n u f a c t u r i n g d a t af r o m s o l i d w o r k s ，f i n a l l yw r i t e s t h e s e i n f o r m a t i o nt os t e p n cf i l ei nt h e f o r m a td e f i n e db ys t e p - n ct e c h n i c a lp r o t o c o l ，t h a ti sa p 2 3 8 a n dt h e n w ef i n i s ht h es t e p n cf i l e t h i ss y s t e mi su s e dl i k et h i s ：d r a w i n gt h ep a r ti ns o l i d w o r k s ，a n d i i 摘要 t h e n g e t t i n g t h e g e o m e t r i c d a t aa n d m a n u f a c t u r i n gd a t a a tl a s t c o n v e r t i n gs t e p - n cf i l ei n t oc o n t r o lc n cs y s t e m t h er e s u l ti ss a t i s f y i n g s t e p n cs t a n d a r dn o to n l yr e a l i z e ss h a r i n gd a t ab e t w e e nc a d c a m s y s t e m s ，b u t a l s o s u p p o r tc a d c a mi n t e r f a c e f o rc n ci n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n k e yw o r d s ：s t e p - n c ，v i s u a lb a s i c ，s o l i d w o r k s ，c a d c a m ，c n c 北京化工大学位论文原创性声明 y 88 2 14 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名；i 堡堇：日期：丝1 6 ：i ：兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留著向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：i 逸茎： 导师签名：l 羟鬟善 日期：丝! ：生：至 日期：2 盔厶么：三一一 北直化t 大学顿十学位论文 第一章绪论 本章介绍了课题的研究背景、课题研究的实际意义、课题研究的内容和目标以及 本课题的研究方案。 1 课题研究背景 近年来数控技术得到了迅猛的发展，控制系统由早期的硬件连接方式发展到现在 的基于p c 的开放式数控系统。尽管硬件技术和软件技术的飞速发展给c n c 的高速、高 精度加工奠定了基础，但目前n c 加工中所采用的编程方式还是基于半个世纪前所开 发的i s o 6 9 8 3 ( g ，m 代码) 标准，这种代码仅仅包括些简单的运动指令( 如g 0 1 、g 0 2 ) 和辅助指令( 如m 0 3 、m 0 8 ) ，而不包含零件几何形状、刀具路径生成、刀具选择等信 息，使得c a d c a m 与c n c 通道之问形成瓶颈。数控加工中编程困难、设计与加工等 信息不能完全共享的问题限制了数控系统的进一步发展，使其面临新的变革。 为了解决这些问题，欧共体于1 9 9 7 年提出了o p t i m a l 计划，将s t e p ( s t a n d a r d f o r t h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t e ，i s o 1 0 3 0 3 ) 标准延伸到自动化制造的底层设备， 开发了一种s t e p n c 的数据模型，作为铣削加工编程的数据接口。该接l - _ 1 遵从s t e p 标准，具有面向对象的特征。s t e p n c 将产品模型数据转换标准s t e p 扩展到c n c 领 域，重新制订t c a d c a m 与c n c 之间的接口，它要求c n c 系统直接使用符合s t e p 标 准的c a d = 维数据模型( 包括工件儿何数据、参数再己置和制造特征) 、工艺信息和刀具 信息直接产生加工程序。 1 2 课题研究的实际意义 随着特征建模技术的发展基于特征的集成产品数据模型结构由于具有容易表 达、处理，能够反映设计师意图及描述信息完备等特点而引起广泛重视。基于特征的 集成产品数据模型是一种为设计、分析、加工各环节都能自动理解的全局性模型。此 外，它还可以与参数化设计等设计思想相结合，为设计者提供一个全新的设计环境。 s t e p 技术提供了一种币依赖于具体系统的中性机制，它规定了产品设计、制造， 甚至于产品全部生命周期中所包含的诸如产品形状、解析模型、材料、加工力法、装 配顺序等方面信息的定义和数据交换的外部描述。因而s t e p 标准能很好地解决生产 过程中产品信息的共享问题，并且还支持现代制造业的并行工程。 基十s t e p 的产品数据交换方式，或称s t e p 的实施方法或实现方式，是指符合 s t e p 标准的信息和数据存取与交换的方法或格式，目前有四种方式：中性文件交换、 s t e p 标准的信息和数据存取与交换的方法或格式，目前有四种方式：中性文件交换、 北京化工大学硕二l 学位论文 标准数据存取接口、数据库交换、知识库交换。目前，中性文件交换和标准数据存取 接口已分别成为国际标准和国标标准草案，但数据库和知识库文件实现方式却未形成 正式的文件。 研究s t e p - n c 的目的是基于制造特征进行编程，而不是直接对刀具的运动进行 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。s t e p - n c 是s t e p 标 准的扩展其几何信息描述和文件格式与s t e p 标准完全一致。一个基于s t e p - n c 的n c 程序由几何信息和工艺信息组成。几何信息采用s t e p 数据格式描述，c n c 系 统可以直接从c a d 系统读取s t e p 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、加工方法及其它数据。 s t e p - n c 是用于机床控制器的特征驱动语言，使3 d 数据进入了机床，它将对企 业的设计和制造效率产生重大影响。对制造而言，控制器能够根据所用刀具进行动态 安全检查和程序性能优化。应用s t e p n c 需要进行软件更新的投资，但从长远观点来 看，技术领先的企业将获得丰厚的回报。 1 3 课题研究的内容和目标 现有c a d 系统采用的零件造型方法经过多年的发展己趋成熟，应用最普遍的是 三维实体造型法，它使用c s g 和b r e p 来描述零件的几何模型。这种造型方法只解决 了零件名义几何的描述，而且描述用的数据结构是针对整个零件的，用来显示零件的 三维图形是胜任的。然而对于c a p p 和c a m 来说，这种描述方法及其信息是不便使 用和远远不够的，还缺乏工艺过程设计必须的大量信息，诸如材料特性、公差信息等。 工艺过程设计除要根据零件的几何形状特点外，还必须考虑尺寸公差的大小、表面质 量要求，以及其他热处理要求等来安排加工方法及顺序，选用机床、刀具等。但是从 目前的造型方法得到的数据结构只是一些面、环、边和点的数据表，它们只是名义几 何最低层次的信息，并不雒提供组成此零件几何形状特点较高层次的信息。设计人员 在设计零件是对高层的语意信息很明确，但是目前的实体造型方法却把高层的语意信 息丢掉了，以至难以在后继的c a p p 、c a m 系统中利用。 研究本课题目的就是为了解决上述加工制造过程中遇到的问题，其主要内容有： 1 分析研究s t e p 标准文件的内容及其结构，在掌握s t e p 标准的基础上进一步 北京化工大学硕l 学位论文 了解应用于c n c 领域的s t e p - n c 标准。 2 从c a d 的三维图形中提取图形特征的几何信息，将其几何信息从图形信息中 分离出来。 3 在几何信息的基础上，添加数控加工过程中所必须的工艺设计信息( 包括刀具 信息、加工方式、辅助功能等) 。 4 在综合几何信息和工艺信息的基础上生成完全符合s t e p n c 标准的物理文 件，并将其用于数控加工。 本课题的最终目标是将s t e p - n c 标准成功地运用到数控加工领域，实现 c a d c a m 与c n c 系统的集成。 1 4 课题的研究方案 从研究s t e p - n c 标准入手，重点分析s t e p - n c 应用协议，根据s t e p 标准的原理 及方法学建立基于s t e p n c 的工艺规划的模型，使该模型能够在s t e pa p 2 0 3 、s t e p a p 一2 1 4 基础上，加入加工特征( s t e pa p 2 2 4 ) 、公差定义( s t e pa p 2 1 9 ) 等工艺 信息，形成完整的工艺过程，产生符合基于s t e p n c 的a p 2 3 8 文件。 在基于特征的集成产品数据模型中，特征信息的描述至关重要。除特征自身信 息和特征之间的相互关系之外，还必须将各个环节中都要使用的公共信息表达清楚。 经过分析，基于特征的产品数据模型所包含的有关零件信息，主要可分为四类： 1 ) 零件总体信息。这类信息彼此之间没有直接联系，主要是文字性描述零件总 体特征，如零件名称、零件号、设计者、零件材料、热处理、最大尺寸和质量等。 2 ) 基体信息。基体是造型开始的初始形体，也是一般工程人员理解的毛坯或半 成品。对基体信息的描述主要包括基体表面之间的信息及基体与特征之间的关系信 息。为了与实际加工中按面进行加工的方式相适应，把基体划分为若干方位面并按方 位面组织特征，可方便工艺过程制定及夹紧方案的制定。 3 ) 零件特征信息。主要记录特征的分类号、所属方位面号、控制点坐标和方向、 尺寸、公差、热处理、特征所在面号、定位面及定位尺寸、切入面与切出面、特征组 成面、粗糙度、形位公差等。 4 ) 零件几何、拓扑信息。这部分信息可直接由采用的实体建模软件的图形文件 或数据库读出，包括面、环、边、点的数据。 s t e p 技术提供一种不依赖于具体系统的中性机制，它规定了产品设计、开发、 北京化t 大学硕士学位论文 制造，甚至于产品全部生命周期中所包含的诸如产品形状、解析模型、材料、加工方 法，装配顺序、检验测试等必要的信息定义和数掘交换的外部描述，因而s t e p 是建 立基于集成的产品信息模型的有效工具和方法。 北京化t 大学硕：l 学位论立 第二章s t e p 标准及s t e p - n c 文件结构 2 1 引言 随着c a x 技术的飞速发展和广泛应用，产品数据的共享对制造业越来越重要。迄 今，因为数据不兼容而给全球制造业造成的损失已多达9 0 0 l l 美元【1 1 ，同时也浪费了大 量的人力资源 2 】，而且这个问题仍然在困扰着制造业。解决这一问题的根本方法在于 制订一个能统一支持产品整个生命周期内各种活动( 包括设计、分析、制造、质量控 制、检验等) 的数据模型标准。2 0 世纪8 0 年代人们就已经开始关注这个问题，当时 i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 作为产品几何模型交换标准存在着很多 自身难以克服的缺陷，为了能够找到一个更为有效的产品几何模型交换标准，i s o 组 织了2 0 0 多名专家开始了产品数据新标准的研发工作。经过多年的努力，终于形成了 一种新的产品模型数据转换标准s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e l d a t a ) ，并于1 9 9 4 年正式将它确定为产品数据模型的国际标准( i s o 1 0 3 0 3 ) 。此后。s t e p 被广泛应用于c a d 系统中，实现了不同c a d 系统间的数据共享，并逐渐向其他领域扩 展。但数控系统一直在沿用i s o 一6 9 8 3 ，制造系统的这种现状不仅造成了设计模型与制 造模型之间的不兼容，而且也阻碍了制造技术本身的发展。鉴于这种情况，欧共体于 1 9 9 7 年提出了o p t i m a l 计划，希望能够将s t e p 延伸至自动化制造的底层设备，并且 开发了一种遵从s t e p 标准、面向对象的数据模型( 称为s t e p n c ) 作为铣削加工编程 的数据接口。随后，美国、日本、韩国、瑞士等也纷纷开始进行s t e p - n c 项目的研究， 并已取得了一定的实质性的进展【3 1 。 2 2s t e p 的内涵和体系结构 2 2 is t e p 的产生和发展 随着c a d c a m 系统的发展，c a d 、c a p p 、c a m 不同系统之间的信息交换必须 有产品数据交换标准。产品数据的表达和交换标准的制定起源于2 0 世纪7 0 年代末美国 国家标准局开发的初始图形交换规范i g e s ，之后不断的扩充和升级。产品数据交换标 准s t e p 出国际化组织在1 9 8 3 年提出来的，在制定过程中广泛汲取了产品数据交换规范 p d e s 和初始图形交换规范i g e s 等研究工作中的经验和技术，是一个关于产品数据的计 算机可理解的表示和交换的国际标准。s t e p 标准技术为c a d c a m 系统提供了种不 依赖具体系统的中性机制，它规定了产品设计、制造以至于产品全生命周期内所需的 有关产品形状、数据模型、材料、加工方法、装配顺序、检验测试等方面信息的定义 北京化工大学醐l 学位论立 和数据交换的外部描述，能够解决生产过程中产品信息的共享以及从根本上解决 c i m s 信息的集成问题。 s t e p 标准是关于数字化产品信息表达与交换的国际标准，涉及几何、拓扑、公差、 属性、装配关系等的表达与交换，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中的产品数据【4 】，并且在不同的c a d c a m 系统间进行交 换时保持数据的一致性与完整性 5 】。中国陆续将其制定为同名国家标准，标准号为 g b t 1 6 6 5 6 。s t e p 最大的优点在于其开放性的结构和可扩展性，能满足全球制造企业 设计和制造的需要( 6 】。s t e p 标准提供了一种形式化的数据标准化描述机制一一 e x p r e s s 【_ ”，这种语言是目前唯一广泛采用的可以描述三维实体复杂性的语言，它吸 收了许多语言的特性，特别是面向对象语言【引，既能描述任意工程信息的结构也能描 述其间的约束关系。因此，利用e x p r e s s 语言可以将s t e p 向任意应用领域扩展。s t e p 还采用应用协议来保证语义的一致性，应用协议说明了如何用s t e p 标准的集成资源来 解释产品数据模型，满足工业需求，即根据不同应用领域的实际需要，选定标准的逻 辑子集或加上必须补充的信息作为标准，强制要求各应用系统在交换、传输与存储产 品数据时符合应用协议的规定 9 l 。s t e p 标准包括两大部分：基层结构和信息模型。基 层结构部分主要规定了检测、文件格式、编程界面等诸多共性问题，大部分已完成。 信息模型部分定义与行业有关的应用协议及资源信息。其中应用协议是s t e p 的主要内 容，也是s t e p 数据交换的基础。目前，除通用机械和电子外，大多数行业的应用协议 尚在开发和完善阶段。已制订或f 在制订的有关工程设计与制造方面的s t e p 应用协议 有3 8 个( a p 2 0 1t a p 2 3 8 ) 1 0 1 。 2 2 2s t e p 的特点 s t e p 与i g e s 相比较，从内容和方法上都有很大发展，其不同之处如下：i g e s 是美国国家标准局制定的国家标准；而s t e p 是国际标准化组织制定的国际标准。 i g e s 着重于单一零件；而s t e p 既支持单个零件，也支持装配件。 i g e s 用文本文件 定义；而s t e p 用e x p r e s s 来定义数据模型，是可以为机器理解的定义方式。i g e s 的重点在产品的几何信息；而s t e p 不仅包括几何信息，还包含制造、检测和商业等产 品整个生命周期的信息。i g e s 无实施需求，无实施的测试和评估，有许多不完全相 容的对标准不同子集的实施；s t e p 有严格定义的实施需求，不允许部分子集的实施， 一致性测试方法与工具是标准的一部射”】。 北京化工大学硕上学位论文 2 2 3s t e p 的结构组成和文件内容 机械产品有限元模型应用 i 。+ 一。j| 特殊应用 1 生成元素 i 。凳芸”1u m ! 一 文件格式和 结构 图2 1s t e p 标准的层次结构 s t e p 采用全新的设计思想，其体系结构可分为3 个层次结构：应用层、逻辑层、 物理层如图2 1 所示，其中不仅包括几何数据，而且包括制造特征、材料特征、公差 等各种非几何数据，所提供的信息能够直接为c a d c a e c a m 系统所理解。应用层包 括应用协议等，这是面向具体应用的层次，用专门术语描述的某种应用模型，是与应 用有关的一个层次。逻辑层包括通用资源和应用资源以及由这些资源组成的产品模 型。产品模型是由通用形式化语言e x p r e s s 描述的。物理层包括具体的数据交换实现 方法，它通过一定的规则，将e x p r e s s 描述的产品模型转变成计算机易懂的形式，给 出具体在计算机上的实现方式。 s t e p 标准的内容主要由6 大部分组成 1 2 】： 标准的描述方法( d e s c r i p t i o nm e t h o d s ) 。e x p r e s s 语言有强大的描述信息模型 的能力，并使所描述的模型既要能为计算机所处理，又要为人读懂理解。 集成资源( i n t e g r a t e dr e s o u r c e s ) 。集成资源是用e x p r e s s 描述的集成产品模型，它 分为通用资源和应用资源。通用资源是不依赖具体应用的通用产品信息描述，应用资 源是通用资源的引用和延伸，是为多种应用服务的信息需求，如绘图资源( d r a f t i n g r e s o u r c e s ) 、电子功能( e l e c t r i c a lf u n c t i o n a l ) 、有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 等。 应用协议a p ( a p p l i c a t i o np r o t o c o l s ) 。i s o1 0 3 0 3 标准中已制订多种应用协议，如 二维图协议( 2 dd r a u g h t i n ga p ) 、三维图协议( 3 dd r a u g h t i n ga p ) 、边界表示实体模 型协议( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o ns o l i dm o d e l sa p ) 等等。 北京化t 大学硕一l 学位论文 一致性测试( c o n f o r m a n c et e s t i n g ) 。s t e p 标准订有一致性测试过程、测试方法 和测试评价标准【1 3 】。 实现方法( i m p l i m e n t a t i o nm e t h o d s ) 。s t e p 标准规定了1 1 项评价标准，大致划分 为4 个等级：文件交换、工作格式( w o r k i n gf o r m ) 交换、数据库交换和知识库 ( k n o w l e d g eb a s e ) 交换。 抽象测试集。 2 2 4s t e p 中性文件的工作原理 s t e p 以e x p r e s s 语占作为产品数据模型的形式化描述工具，能够完整、无歧义 地定义某类产品，形成该类产品的数据模型，但它只是一种概念模式，要进行产品数 据的交换必须通过某种具体的形式实现。规定中性文件中产品数据描述的格式，然后 将s t e p 标准应用协议中的产品数据模型按照一定的映射规则映射至i j s t e p 中性文件， 形成由中性文件来完成具体的产品数据的描述，这便形成t s t e p 中性文件。 s t e p 中性文件由两部分组成i h 】：头部段和数据段。每段只能在中性文件中出现 一次，且头部段必须是中性文件的第一段。数据段是由e x p r e s s 语言定义的实体类型 的实例集合。 头部段：关键字为h e a d e r ，提供有关整个中性文件的信息。 数据段：关键字为d a t a ，包含了需要交换的产品数据。 中性文件的格式如下： s t e p ； h e a d e r ； 头部段内容 e n d s e c ： d a t a ： 数据段内容 e n d s e c ； e n d s t e p ： 保留字s t e p 和e n d s t e p 分别表示中性文件的开始和结束。 中性文件的头部段包含了一些对整个中性文件有关的信息。头部段内的一些实体 的语法与数据段中交换数据的实体相同。只是头部段中的实体不必有实体实例名：这 是因为这些实体不会被别的实体所引用。每个文件中的头部段必须出现一次，且必须 r 北京化工大学硕_ r i ：学位论文 出现在文件开头。头部段中有3 个实体必须出现，并按下列次序出现： f i l ed e s c r i p t i o n 、f i l en a m e 、f i l es c h e m a ，它们是数据交换模型的一部 分。除了这些标准定义的实体外，用户可在头部段增设自己定义的实体，用于给出与 用户有关或实现其他有关的特定信息，这些实体被标准处理器处理时可以被忽略，不 影响中性文件结构的通用性。用户自定义的实体在实体类型关键字前要加一个惊叹 号。 中性文件的数据段包含要交换的产品数据，是 刍e x p r e s s 语言定义的概念模式中 实体的实例。实体的实例由对应实体属性的参数构成。数据段在文件中必须出现一次， 且必须出现在头部段后面。实体的实例构成方式有两种： 第一种，直接构成方式，如同给函数传递参数一样。例如： # 9 5 = c a r t e s i a n _ p o i n t ( ，( 1 5 0 0 0 0 ，9 0 0 0 0 ，4 0 0 0 0 ) ) ： # 1 6 = p l a n a rf a c e ( ，撑4 ，( 抖1 9 ) ，# 7 7 ，群6 3 ) ； # 1 9 = p l a n ef i n i s hm i l l i n g ( ，1 0 0 0 0 ，$ ，# 3 9 ) ： 第二种，使用数据域( s c o p e ) 结构。数据域结构提供了在某一范围内定义和引用 实体的机制。数据域以保留字s c o p e 开始， 体自身也可以具有数据域结构，也就是龅， 况而定。 以保留字e n d s c o p e 结束。数据域内的实 数据域可以嵌套。使用哪种方式视具体情 厂i厂一； 系统a 系统b 一一一一r 一一 图2 2 以s t e p 文僻：标准交换产品数据 每种实体都在对应的中性文件中有其对应的定义格式，关于这一点，可以参考相 应的s t e p 标准。利用s t e p 中性文件实现不同系统之间的数据交换时，双方系统通过 叫 一竺 一攀 一肿 翌 北京化工大学硕士学位论文 物理文件交换数据。数据发送方通过s t e p 文件的前处理器把内部数据转换成s t e p 文 件，数据接收方通过后处理器读入s t e p 文件中的数据，形成自己系统内的数据，这两 个过程是互逆的，如图2 2 所示。 2 3s t e p 向c a x 领域及c n c 领域的扩展 2 3 1s t e p 标准的应用 在目前c a d 系统数据交换接口中，常用的有g k s 图形核心系统、p h i g s 程序员层 次交互图形系统、c g m 计算机图形元文件编码、c g i 计算机图形接口编码、i g e s 初始 图形交换规范、s t e p 产品数据交换标准共6 种类型。其中只有s t e p 的适用领域较广， 在机械、电子、航空航天、汽车、船舶等工程领域都有广泛的应用，概括而言有两个 方面：一方面是产品开发和发放部门的应用，包括产品全生命周期的设计、分布及并 行作业、产品数据的长期存档等等；另一方面是来自c a x 应用系统供应商和d b m s 供 应商的需求，包括接口标准化和概念模型的标准化，以解决跨企业、多平台、多种存 储机制、多种网络结构的管理等方面的问题。 2 3 2 机械产品信息内容 该内容包括：一般信息，如零件名、零件号、外廓尺寸、材料、重量、件数、 设计者等。技术要求，如热处理、喷涂、特种检验等。几何信息，如线框表示、 几何拓扑表示、实体表示等。形状特征信息，如面、体、过渡等形状特征、特征参 数等。精度信息，如形状公差、位置公差、尺寸公差、表面粗糙度等。其他信息， 如工艺、) j o t 、质检、装配等信息。产品生命周期包括产品的设计、制造、使用、维 护等。产品信息的交换是指信息的存储、传输、获取和存档。由于产品在各个生命阶 段所产生的信息多而复杂，且不同过程有不同的需要。立f l c a d 阶段主要是几何结构形 状信息；c a p p 阶段主要是加工工艺信息。 2 3 3 向c a x 领域的扩展 产品模型数据交换标准s t e p 是传统制造模式下解决系统信息集成的重要工具之 一【1 ”。目前，国内许多企业采用t c a d 、c a p p 、c a m 等单元技术，在应用中常常遇 到不同应用系统之间信息集成和数据交换问题和产品开发过程的数据和资源管理，及 产品开发过程的人员、应用工具的管理问题 1 6 。随着c a x 技术在工程中的广泛应用， 用户越来越需要在不同的c a x 系统之问进行准确无误的数据交换，这就需要建立一个 统一的信息结构来对不同系统的产品数据进行描述和通信，于是产生了产品数据交换 北京化工大学硕一 ：学位论文 规范。s t e p 标准与c a x 系统相结合，对零件产品数据采用统一的产品模型，并且根 据c a d c a p p c a m 的需求，制定了相应的应用协议，例如j w a p 协议。j w a p 是 i s o 。1 0 3 0 3 中汽车工业机械设计过程的核心数据a p 2 1 4 的子集。j w a p 包括精度模式、 全局模式、几何拓扑模式及形状特征模式4 部分，分别定义了描述零件几何拓扑、形 状特征、精度等信息的实体类，并通过实体间的引用关系建立零件特征信息模型【1 7 l 。 该应用协议工具允许用户输入按j w a p 应用协议生成s t e p 中性文件，若用户输入不符 合j w a p 的s t e p 文件，需要按工具提供的界面建立相应的e x p r e s s 描述实体之间的 子超类关系及实体的属性类型等，自动补充，w a p 应用协议，以保证输入s t e p 文件的 正确性。常见的实体建模技术有“边界表示法”b r e p ( b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n ) 和“构 造实体几何法”c s g ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 。如果在这里我们采用精确的b 。r e p 表示，其信息量可以满足机械零件c a d 、c a p p 、c a m 的信息要求。c a x 系统之间的 信息交换与共享，可以通过s t e p 中性文件，实现c a d c a m 集成，也可以采用系统提 供的s d a i 接口功能，通过相应的函数库编写a p i 接口( 应用编程接口，s t e p 中规定实 现的方法之一，它给出了应用软件对s t e p 数据的标准存取界面，以使应用软件独立于 数据存取系统) ，设计s t e p 的前、后处理器，实现c a d c a p p c a m ，c a e 等c a x 的集 成，如图2 3 。集成c a d 、c a p p 系统要想实现知识的跨平台交互使产品信息模型直接 为设计服务，最关键的内容是产品信息的中性标准表达【1 8 】。 应用协议 ! 文 f 暮1 悸 r a p i l 一模 块 幽2 - 3 基s t e p 的c a x 集成 s t e p 虽然实现了c a x 系统之间的数据共享，但由于面向设计的数据模型 ( a p - 2 0 3 、a p 一2 1 4 等) 不包含加工信息，不能作为c a m 阶段的数据模型，设计者也不 能直接在三维模型上表示出加工技术要求，因此在一般情况下通常需要经过以下转 换：( 1 ) 设计者将三维c a d 模型转化为二维图样并在上面标注技术要求后再送制造者 ( c a m ) ；( 2 ) c a m 人员根据图样与文字说明重新在c a m 系统中生成三维模型； 面罂 了一 北京化工人学瑚j 一学位论文 ( 3 ) c a m 系统生成g 、m 代码后送c n c 系统加工。最近制订的应用协议a p 2 2 4 将从根 本上消除c a d 与c a m 之问的隔阂。s t e pa p 2 2 4 是用于制造领域的应用协议，包含了 制造领域所必需的所有信息，包括材料，零件的几何结构、尺寸和精度，以及管理信 息等1 9 】。目前的a p 2 2 4 在s t e p c a d 数据中加入了关于构型特征的信息。在不久的将 来它将支持制造机械零件时所有必要的信息，包括几何形状、尺寸、公差、表面粗糙 度、特征定义以及其他技术要求。完善后的a p 2 2 4 将实现c a d 、c a m 之间的无缝连 接，从根本上解除制造领域对二维图样的依赖 2 0 , 2 1 1 。 2 3 4 向c n c 领域的扩展 数控机床是自动化制造的基础设备，也是产品从概念到物化的最后一个环节。从 第一台数控机床直至当前正在研制的开放式c n c ，数控程序一直采用g 、m 代码 ( i s o 6 9 8 3 ) 。在当前形式下，这种编程标准主要存在以下问题：( 1 ) 现场编程或修改 困难，对于比较复杂的加工对象，g 、m 代码一般需要事先由后处理程序生成；( 2 ) g 、 m 代码只定义了机床的运动和开关动作，不包含产品数据的其他信息，因此c n c 系统 根本不可能了解产品，更不可能真正实现智能化；( 3 ) 从c a d c a m 系统n c n c 系统的 传输过程是单向的，在d n m 现场对加工代码的修改无法自动反馈到上游过程，难以支 j 寺先进制造模式；( 4 ) 由于覆盖面太窄，厂商不得不开发各自的扩充功能和专有指令， 造成不同控制系统之间互不兼容；( 5 ) 不支持基于样条数据的五轴铣和高速加工；( 6 ) 生产准备时间长，生产效率低。 为了解决上述问题，欧美各国开展了s t e p 向c n c 领域的扩展研究，提出了 s t e p n c 的概念。s t e p n c 是设计模块和制造模块之间基于s t e p 建立的新的接口标 准( i s o 1 4 6 4 9 ) 。它定义了一种称为a p 一2 3 8 的应用协议，要求c n c 系统直接使用符合 s t e p 标准( i s o 1 0 3 0 3 第2 l 以及4 2 4 3 部分) 的c a d 一- - - 维产品数据模型( 包括工件几何数 据、设置和制造特征) ，加上工艺信息和刀具信息，直接产生加工程序来控制机床。 其间，c a m 系统( 包括操作者) 只负责加入工艺信息和刀具信息而不必进行后处理。新 的数据模型以制造特征( 如孔、型腔、螺纹、倒角等) 进行编程。加工程序以“工作步 骤”( w o r k i n gs t e p s ) 作为基本模块。工作步骤是在产品模型中定义的对机床具体动作 的概括性描述，内容涉及三维几何信息、刀具信息、制造特征与工艺信剧埘。 2 4s t e p n c 简介 传统的数控系统采用i s o 6 9 8 3 标准，即g 、m 代码指定机床坐标轴的运动，而不 北京化工大学硕士学位论文 是面向加工过程的。这种数控标准随着时代的发展，其本身的局限性逐渐表现出来： 程序量庞大、语义存在歧义、不具有互换性、丢失大量有用信息、不能进行双向反馈 等【2 3 i 。为了解决这些问题，国际标准化组织制订了一个新的n c 编程接口国际标准 i s o 1 4 6 4 9 ，并于2 0 0 1 年成为国际标准草案，以取代目前的i s o 6 9 8 3 编程接口标准i 洲。 由于s t e p - n c 数控系统克服了传统数控编程的缺点，并且能直接读取基于s t e p 的产 品信息，使得制造系统的各个环节( c a d 、c a p p 、c a m 、c n c 、p d m 、e r p ) 形成一 条信息的“高速直通公路”，实现了企业内部的设计、制造、加工、管理的无缝网络 连接，因此也成为国内外研究的一个重要方向。 s t e p - n c 是s t e p 向数字化制造领域的扩展。它是为c n c 数控系统重新定义的程 序代码标准，是设计模块和制造模块之间基于s t e p 建立的新的接口标准。它要求c n c 数控系统直接使用符合s t e p 标准的c a d - - 维产品数据模型，再综合工艺和刀具等信 息进行加工【2 5 】。s t e p n c 定义了一个新的s t e p 应用协议，l 1 a p 2 3 8 应用协议( 就是前 面提到的a p 2 3 8 ) 。a p 2 3 8 作为c a m 和c n c 系统之间的接口标准，其内容涵盖了从产 品建模到加工的全过程，包括c a d 产品数据模型几何信息( a p 2 0 3 ，a p 2 1 4 ) 、公差定 义( a p 一2 1 9 ) 和特征定义( a p 2 2 4 ) 。因此由c a d 系统产生的产品模型数据经过c a p p 、 c a m 添加工艺信息和刀具信息之后，形成a p 2 3 8 文件，就可以直接被s t e p - n c 数控 机床所读取。到目前为止，s t e p - n c 标准草案( i s od i s 1 4 6 4 9 ) 已经形成，包括基本 概念和规则( p a r t l ) 、通用数据( p a r t l 0 ) 、数控铣削加工( p a n l l ) 、铣削刀具( p a r t l l l