第三讲STEPNC、开放数控

第三讲

STEP-NC、开放数控

哈尔滨工业大学机电学院

数控技术研究室

2012年4月月15日一、产品数数据交换标准STEP-NC1.1概述目前的动向是:开放式数控系统、高速高精加工系统、STEP-NC1.G代码标准存在的问题：数控技术诞生后的50多年来，信息交换标准一直是ISO6983数控标准，即G代码标准。它的特点是面向加工过程。

①信息量低级、量少。只规定刀具运动，没有工件材料尺寸形状公差等②现场编程修改困难。③影响产品信息交换，单向传递，不能双向传递。④产品信息定义不完善，只有运动和开关量，没完整的产品信息，影响智能化。⑤需要后置处理。⑥对使用要求高，必须了解数控系统，G代码和机床功能。⑦生产准备时间长，效率低。1.2STEP-NC标准的产生1.产生：数控发展已50多年了，编程还在采用G、M代码、地址字的程序格式（ISO6983），它是面向运动和开关控制的语言。限制了CNC系统的开放性和智能化发展的需要，使CNC与CAM技术之间形成了瓶颈。体现不出IT（信息）技术与MT（制造）技术的结合：CAD/CAM/CAE/PDM…限制了制造业的发展。为此国际标准化组织ISO制定了“产品模型数据交换标准”

STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）

（ISO10303）产品模型数据转换标准STEP，是面向对象的数据模型，将此扩展到数控领域，形成了STEP-NC新标准（ISO-14649）要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型（包括工件几何数据、设置、制造特征信息），加上工艺信息，直接作为数控系统的输入产生加工程序来控制机床。这样，可以消除CAM与数控系统之间的信息流瓶颈，支持产品全生命周期的信息高速公路，解决了目前数字制造系统中信息模型不统一、系统不兼容等问题，它使从设计到制造阶段的信息流更加畅通，而且可以双向流动，为网络制造、集成制造、并行工程和敏捷制造等提供基础条件。

2.STEP-NC（1）STEP-NC数据模型

STEP-NC为“新型的CNC控制器数据模型”标准，它是从CAM到CNC的数据模型。STEP、STEP-NC是中性的,采用面向对象的语言:EXPRESS,以面向对象的形式,将产品的设计信息与制造信息联系起来，

STEP-NC数控系统能进行CAD/CAM/CNC一体化的加工。STEP-NC为CNC系统重新规定CAD/CAM与CNC之间的接口，可以进行数据交换。CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型,不用后置处理程序，直接在CNC内部产生的加工程序,用来控制机床。

（2）STEP-NC程序包括哪些内容：根据STEP-NC（ISO14649）,任意零件的数控加工都被当作一个方案:工程方案(project)；

加工计划（workplan）:加工计划实现方案；

工步(workingstep):计划包含一系列工步,并通过工步将数据模型中的几何信息和工艺信息联系在一起（工艺通过操作实现）。

几何信息的基本内容为一系列的制造特征(manufacturing_feature)，

制造特征包括孔（hole）、槽（slot）、平面（plane）等加工特征（machining_feature）,以及组合特征(compound_feature)、过渡特征（transition_feature）等。

操作（operation）反映了工艺，是对一定加工行为的概括性描述，包括一定的工艺方法、刀具(machining)、走刀策略(strategy)、工艺参数（technology）和机床的辅助功能(machine_functions)等。从编程角度看:

工步是STEP-NC数控程序的基本单位。数控程序通过工步调用一定的操作对具体的特征进行加工。

一个特征通常由若干工步完成;

不同的工步可以调用不同的操作，但每一个工步只能包含唯一的特征和唯一的操作。方案加工计划

工步机床功能工艺铣削加工操]作平面铣削周边铣削钻削操作制造特征加工特征平面沟槽孔麻花钻端铣刀面铣刀加工刀具切削刀具2-5轴铣削策略渐进渐缩策略程序结构工艺参数机床辅助功能工艺方法几何信息刀具走刀策略继承关系包含关系（3）STEP-NC数据的集成方式

3.STEP-NC数控程序处理流程STEP-NC是从制造系统的集成需要出发为CNC定义外部数据接口，重在描述加工目标和实施条件，而不是具体的机床运动。STEP-NC数控程序是“一些与加工有关的面向对象信息加上一定的加工策略”，既不能逐行解释执行，也不能直接转化为传统CNC的控制代码。STEP-NC程序需经STEP-NC控制器，其流程如下：首先，系统需要将STEP-NC程序翻译为CNC系统的内部数据，然后根据加工要求和受控机床的资源状况，对加工方案进行规划或优化并转化为数控代码，最后实时控制机床完成加工。其中实时控制由CNC系统完成。

数控程序处理流程翻译规划控制STEP-NC控制器4.STEP-NC数控程序的翻译和信息提取STEP-NC数控程序是按照ISO10303—21规定编写的文本文件，主要包括文件头段和数据段两部分。文件头段是对文件的管理信息、编写标准等的说明。数据段以PROJECT语句为切入点，按照ISO14649标准，描述具体的几何信息和工艺信息。

数控系统读取数控程序时要将其翻译为内部数据格式。下图表示STEP-NC数据的转换方法：STEP-NC程序翻译器C++数据EXPRESS铣削规范EXPRESS2C++工具软件C++类库、头文件

STEP-NC数据转换方法

其中，EXPRESS2C++为从EXPRESS语言向C++转换的工具软件，目的是将由EXPRESS（ISO10303—11）语言定义的STEP-NC规范，影射为C++类库，以作为翻译模块的包含文件和连接库。翻译模块据此将数控程序中的EXPRESS实体（ENTITY）提取出来并转化为C++对象。

5.工艺信息的处理与规划⑴数控系统内的基本工艺规划问题零件的数控加工涉及许多工艺问题，对于传统的CNC而言，工艺规划是外部系统（CAPP/CAM、机床操作者等）的任务，CNC只需要严格的按照指令控制机床即可。但对于STEP-NC控制器而言，除了基本的控制功能外，还必须具有一定的工艺规划能力（内部工艺规划）。当然，数控系统内部的工艺规划功能并不能取代外部系统，而是在其基础上进行的。

一般地，外部工艺规划主要从宏观上解决数控加工中的基本问题和必要的实施措施，如确定被加工特征（孔、槽、面等）、必要的工步、及其执行顺序等。对于复杂特征（如组合孔），还需要提供不同的工艺组合供选用。最终生成的数控程序包括几何信息和工艺信息，并一同送入数控系统。数控系统内部一般只需解决那些与受控机床和加工条件密切相关的问题。关的问题。目前的STEP-NC数据模型比较庞杂，有关标准也没有明确数控系统与外部系统在工艺问题上的划分。对于

一般意义上的STEP-NC控制器，可按以下原则制定功能：①接受基本加工要求与方法STEP-NC程序的基本框架：零件的几何信息、技术要求（公差、表面质量等）、基本的工艺方法、工步序列、加工时的走刀安全面、刀具规格及冷却等要求。按ISO14649的要求，以上这些信息必须明确。②与具体加工有关或者由多种选择的技术性问题包括进退刀方式和路线、切削用量、走刀方式和路径、换刀位置等。这些信息被定义为选择型，数控程序中可以提供参考值或极限，也可以不给出（用$表示）。这些问题一般由数控系统根据给出的基本信息和自身的加工条件自行确定。③机床运行中的细节性问题包括刀具的快移路线，是否需要换刀和确切的换刀时机，以及开/关令却液的具体时机等这些细节性问题（信息）数控程序中通常不涉及。由控制器或操作者现场确定。⑵切削用量的确定每个工步切削用量的确定是STEP-NC控制器内部的主要决策性问题之一。⑶加工方案的连续化工步只是一些离散过程，从控制机床角度来看，STEP-NC程序提供的工步序列不足以生成完整的控制方案，还需要CNC自动插入一些必要的操作过程一般可按一下步骤进行

步骤一辅助工步

首先检查每个工步是否需要辅助工步。辅助工步是指在每个工步之前为了改善工艺性而插入的工步，一般不影响最终加工结果。例如，加工型腔时需要加一个钻孔工步。步骤二换刀操作与快移操作

检查每个工步（包括辅助工步）执行之前是否需要换刀，要需要，自动插入一个换刀操作；否则，插入一个快移操作。

步骤三机床M功能的加入

检查每个工步对机床M功能的要求，确定必要的开关转换操作（由PLC执行）,一般不影响刀具运动。可选择在工步或操作之前、之后或之中某时刻进行。6.STEP-NC研制情况STEP-NC是当前世界各国正在开展的研究项目。欧洲、美国、韩国、日本都在积极的进行，而且关于STEP-NC

的研究已取得了实质性的进展。法那科、西门子数控系统公司都宣布将执行STEP-NC标准。1.3STEP-NC标准的内容

STEP-NC定义了一个新的应用协议AP-238，作为CAM与CNC之间数据交换的具体规范。1.

AP-238

AP-238包括从产品概念到成品（零件）全过程所需的全部信息。其中有：三维几何信息--AP-203/AP214；特征信息---AP-224；工艺信息（如车、铣、放电加工等）--AP-219；检测信息---AP-219等等。2.

STEP-NC

标准（草案）内容：

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（Part1）；通用数据（Part10）；数控铣削加工工艺（Part11）；刀具、铣削刀具（Part111）等。

正在制定的STEP-NC标准有：数控车削加工（Part12）；放电加工（Part13）；木材和玻璃加工（Part14）；检测（Part15）等。3.标准通用数据（程序中数据段结构）

包括二大部分:

工件（Workpiece指成品，由工程对象project指定）和

工作计划（Workplan）。工件上需去除的材料的区域由一系列加工特征（Machining-feature：如平面、复杂曲面、孔等）定义。工作计划包括若干工作步骤（Workingstep），简称工步。工步将具体的加工特征与具体的操作（Machining-operation）联系起来。操作（operation）本身是ISO-14649定义的一个面向对象的概念，涉及加工方法、刀具、刀轨、工艺策略等。Machining-feature加工方法Project–Workplan-Workingstep（加工特征）

刀具(工件对象)（加工计划）（工步）Machining-operation刀轨（加工操作）

工艺参数策略

1.4STEP-NC数控程序结构1.STEP-NC数控程序编制的原则：

采用了ISO-10303数据格式和面向特征的编程原则。以工作步骤为加工流程的的基本单位。将特征与技术信息联系到一起。每个工作步骤只定义一个具体操作（干什么、如何干、只能用一种刀具和一种策略）2.程序结构：程序结构分为文件头部分和数据段

文件头部分以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，首先要有一个PROJECT（工程对象）语句。其后的内容可分为三部分：

工作与可执行语句（Executable，包括工步、一般NC功能如信息显示等、流程控制）。

技术描述（刀具、机床功能、加工策略等）

几何描述（几何数据、加工特征等）数据段以ENDSEC为程序结束标志。3.

例子(西门子公司开发的，其中的斜体为特意加入的说明)HEADER;文件头部开始语句…ENDSEC;

文件头部分结束DATA;

数据段开始#1=PROJECT(Workplan#10);#1加工对象（工程）由工作计划

#10完成#10=Workplan(#20,#35,…)

;#10包括#20工步、#35工步、…

…#20=Machining-Workingstep(,#21(feature),#22(Machining);#20加工工步，包括：#21加工特征、#22加工操作#21=Round

hole(‘HoleM6’,,…);被加工的是M6‥,圆周孔#22=Drilling(#(Tool),,,#(technology),#(Machine-functions);钻削加工（刀具、工艺、机床功能）…#35=Machining-Workingstep(…);#35为加工工步…其它加工工步ENDSEC;数据段程序结束说明：文件程序名、编者、日期、注释

4.STEP-NC特点：废弃了传统的数控程序，无后置处理，无G、M码ISO14649（STEP-NC）的目标为：①改进CAD/CAM系统与CNC控制器之间的连接，数据传递。不采用刀具运动编程，而采用工作步骤面向对象的概念。工作步骤相应于高级特征和过程参数。CNC对工作步骤解析为坐标的运动和刀具的动作。②数据模块必须包括所有的复杂级别（从加工时，指令的CAD几何数据到离散值的简单轴运动）。③CNC程序设想可以放在新开发的CNC控制器上,也可能放在分离的支持和改进现有CNC控制器的高级系统上（包括各种网络）。④对于数控程序的新标准将提供机床操作者更多的柔性、功能、统计表的编辑定义、相关控制和几何过程的修正。⑤新标准允许操作者因为专用机床和技术，而执行专门的功能。⑥对于最终用户新的标准提供统一的编程格式，使程序准备更快、更廉价。

⑦较少的后置处理，而且更标准化。在数控编程级CAD/CAM系统和CNC系统之间的数据交换将更方便。1.5STEP-NC为计算机数控(CNC)提供的发展空间STEP-NC的发展使得STEP标准扩展到自动化加工的底层设备，建立了一条贯穿整个制造过程的高速公路。将影响相关的CAX技术（CAD、CAPP、CAM、CAE、PDM（产品数据模型）、ERP（企业资源计划）等）刀具,机床,夹具,先进生产模式等。主要有以下几方面：⑴数控编程界面；⑵数控系统的开放性；⑶数控系统的智能化；⑷CAM和CNC之间的功能重新划分（嵌入式CAM）；⑸加工质量和效率，CNC改变被动执行者的地位；⑹数据共享与网络制造。二、开放式数控（OPENCNC）2.1开放数控的产生和发展：1.产生的原因

当今的CNC控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去，要求透明，因此需要开放结构的数控系统。

现在的CNC技术（其核心为CNC控制器和驱动技术）及结构为专用的软硬件，远落后于PC的主流技术。升级困难，各厂家产品不兼容，成本高。用户界面不灵活，网络功能弱，系统维护培训昂贵。2.发展情况：

美国：OMAC1981年，国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始了一项名为“下一代控制器（NGC）”的计划，并成立了“美国国家科学制造中心”，该计划于1991年终止，完成了“开放式系统体系结构标准（SOSAS）”。

1995年，在NGC的基础上，由美国国防部资助又开始了由20个公司合作的“OASAY”计划，目的是建立8个控制器并在6个不同的系统平台上测试这8个控制器。

1994年美国汽车工业为了解决自身发展过程中碰到的一系列问题，由克莱斯勒、福特和通用三家大汽车公司开始了一项名为：

“开放式模块化体系结构控制器（OMAC-OpenModularArchitectureControls）”的计划。

欧洲：OSACA1992年在欧洲，启动了一项“自动化系统中控制器的开放系统体系结构（OSACA-OpenSystemArchitectureforControlswithinAutomationSystems）”的联合计划。由22家欧州的机床生产商、控制开发商、控制集成商和研究机构参加，后来扩大到27名会员。日本：OSEC

1995年日本六家公司:东芝机器制造公司、丰田机器厂、

MAZAK公司、日本IBM、三菱电子公司和SML公司共同实施了“控制器开放系统环境计划。OSEC-OpenSystemEnvironmentforControllers”的计划。

OMAC、OSACA、OSEC是在当前开放式控制系统领域内有很大影响的三个计划。这几大开放数控系统计划正在执行中，已有了自己的标准和样机产品。2.2开放性：开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化(用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯)，而且对实时性和可靠性要求很高。其特点：①可移植性：在保持应用模块功能的情况下，不需任何变化就可以应用到不同的平台上。②可扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。③功能可裁减：④互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根据定义相互交换数据。⑤可维护性：用户修方便。⑥统一的人机界面。2.3结构：目前开放的数控系统结构类型3种：

①基于PC的CNC系统（软数控：SoftCNC）：全方位开放。以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要解决实时性的问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标轴电机。

②

PC嵌入式:把一块多轴运动控制卡插入传统的PC中，运动卡运行以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。PC作为人机接口平台。

易实现，研究单位和高校。

③

PC+CNC

（融合系统

专业厂家认为CNC系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，像PC的死机现象是不允许的。已生产的大量CNC系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取了：增加一块PC板，提供键盘，使PC与

CNC

联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。专业CNC系统厂家（如fanuc，siemens等）现在都这样做。2.4系统结构

系统组成(1)系统软件平台

采用WindowsNT和美国Venturcom公司的RTX(Real-TimeExtension)作为系统的软件平台。(2)系统硬件平台

选用工业PC机和SoftSERCANS通讯卡为系统的硬件平台。(3)外