分析在数控行业中STEP-NC兴起原因

　　1 G代码对数控技术发展的阻碍

　　1.1 数控技术的发展趋势

　　自从1952年美国麻省理工学院伺服机构实验室研制出世界上第一台三坐标数控铣床以来，数控系统在制造工业，特别是航空航天工业中被广泛应用。数控技术无论在硬件或软件方面，发展都很快，已经经历了六代。随着技术、市场、生产组织结构等方面的快速变化，数控技术发展面临着许多新的挑战。不断出现新的加工需求，要求数控系统具有快速、高效、经济的面向客户的模块化和软/硬件重构能力;改变以往数控系统的封闭性设计模式，降低生产厂家对控制系统的高依赖性和对数控软/硬件，以及控制策略的耦合性，适应未来车间面向任务和订单的生产模式。要想达到这一目的，最有效的途径就是实现开放性。能够让数控系统的制造商、集成者和用户自由地选择数控装置、驱动装置、伺服电动机和应用软件等数控系统的各个组成要素，用规范的、简单的方法将这些要素组合起来，完成某一任务，这样就出现了开放式数控系统。

　　目前开放式数控系统还缺乏统一、明确的概念。美国电气和电子工程师协会(IEEE)是这样定义开放系统的：“具有下列特性的系统可称为开放系统：符合系统规范的应用，可运行在多个销售商的不同平台上，可与其他的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面”。针对开放式数控系统的应用需求，普遍认为，开放式数控系统具有以下五个基本特征：可互换性、可移植性、可伸缩性、互操作性和可扩展性。这也是衡量数控系统开放程度的准则。

　　20世纪80年代，美国发起了下一代控制器(Next Generation Controller，NGC)的计划，企图通过联合行动实现基于互操作和分级式软件模块的“开放体系结构标准规范”(Specification for an Open System Architeeture Standard，SOSAS)，以达到加强其工业基础，恢复其制造业霸主地位的目的，在世界范围掀起了新一轮竞争。自1992年以来，欧盟、美国和日本等制造业发达国家相继开展了大规模的开放式数控系统的国际化工程，主要有：欧洲OSACA项目、日本OSEC项目和美国OMAC项目。

　　目前，对于数控系统的研究已经超越了开放式数控的研究，向着更深的内涵和更广的外延方向发展。从内涵方面发展看，数控系统正向着高性能、网络化和智能化的方向发展。其中智能化主要表现为加工运动规划、推理决策能力，以及加工环境的感知能力、制造网络数控系统通信能力、智能编程和智能监控等。通过采用先进的自适应、自动调节技术和人工智能技术，使得数控系统中具有模拟、延伸和扩展的智能行为的知识处理活动。智能数控系统通过对影响加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、切削深度、坐标移动和主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态，保证产品的生产在最佳状态下生产率最高。数控系统的外延也不断扩展，表现为各种先进制造模式的不断出现和发展，比如并行工程、敏捷制造、动态联盟、柔性制造和集成制造等，这些制造模式实际上是将企业内部的不同部门或是不同企业之间的资源整合，实现优势互补，快速响应市场需要，打破了传统制造模式，而更加适应多元的市场需要。

　　综上所述，可以看出随着数控系统的不断发展，对其提出了相对于传统数控更高的要求，但是也出现了如下一些问题。

　　对开放式数控系统来说，真正的开放式，其接口必须符合标准。数控系统的接口可分为两组——外部接口和内部接口。其中外部接口包括数控系统与企业管理网的接口、与伺服系统及I/O设备的接口以及数控加工程序接口。而目前加工程序接口G代码虽然符合ISO6983，但是各个厂商对其进行扩展，导致其对相应硬件的依赖，导致程序接口不可能实现真正的开放。而从数控系统的内涵发展来看，要实现数控系统的智能化，数控系统必须了解产品加工特征的几何信息和各种加工工艺信息等整体数据模型，才能进行路径规划和智能推理决策，以便通过自适应采取相应的加工决策。而目前G代码却没有包含这些信息，只是包含了坐标轴控制的一些简单信息和一些辅助功能信息;从数控系统的外延发展趋势来看，不同企业间必须能够进行产品全生命周期数据模型的交流和共享，才能进行合作和优势互补。但是用于加工零件的G代码却依赖于相应的硬件，不具有互换性。

　　1.2 G代码的缺点

　　1)现场编程或修改非常困难，对于稍具复杂性的加工对象，G代码一般需要事先由后处理程序生成，增加了信息流失或出错的可能性。

　　2)G代码只定义了机床各个坐标轴对刀具中心的运动和开关动作，是一种面向过程的编程代码，而不包含产品数据的其他信息，因此CNC系统不可能获得完整的产品信息，更不可能真正实现智能化。

　　3)从CAD/CAM系统到CNC系统的传输过程是单向的，难以支持先进制造模式。

　　4)由于厂商和最终用户开发的许多扩展功能未能标准化，因此零件程序在不同的数控系统之间不具有互换性。

　　5)在机床上不能实现实时刀具路径生成、碰撞、检验、图形加工可视化和复杂NC程序修改等功能。

　　6)ISO6983和它的扩展部分在不同的数控机床和计算机辅助系统(CAX)之间不能进行双向数据交换。

　　由此可见，尽管G代码在全世界范围被广泛接受和使用，但是逐渐成为数控技术进一步发展的瓶颈，需要一种新的数控加工程序标准来解决上述问题。

　　2 STEP的出现和发展

　　随着经济全球化趋势的不断发展;使得制造产业、制造技术和产品逐步走向国际化，导致制造业在全球范围内重新分布和组合。正是在这种背景和需求下，随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，网络化制造产生并得到很快的发展。网络化制造是利用先进制造技术、网络技术和现代通讯技术，根据市场和用户的需求，针对某一具体产品，为弥补企业自身制造能力的不足，需从其他企业获得制造资源和技术资源的支持，迅速将在地理位置上分散的企业联合起来，构建一个相互协作、优势互补的虚拟企业联盟，充分利用各联盟企业的制造资源和技术资源，以最快的速度以及合理成本实现产品生产制造的过程。

　　网络化制造的最显著特征是快速、柔性、资源和信息的共享。网络化制造的实质是动态联盟的组建。无论是在动态联盟组建过程中，还是动态联盟组建后的实际实施过程中，动态联盟各盟员间都需要进行信息的交互。但是，各盟员间的计算机系统和网络系统是异构的;信息处理为多平台;各盟员间的CAX、产品数据管理(PDM)和企业资源计划(ERP)也是千差万别，存在着不兼容性;产品形式复杂多样，信息间的关系错综复杂，涉及到产品的全生命周期。因而，在这种分布、异构和异质环境中，如何实现信息集成与共享、信息的高效传输是网络化制造的基础和核心。

　　为了解决这一难题，世界各国研制开发了各种不同的图形交换标准，如美国的DXF、IGES、PDES，法国的SET，德国的VDAIS、VDAFS，ISO的产品模型数据交换标准(Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP)等。其中，运用比较广泛的是美国的初始图形交换规范(Initial Graphics Exchange Specification，IGES)和ISO的STEP标准。IGES图形交换标准出现较早，1980发布第一版，之后为了适应CAD/CAM领域软/硬件技术的发展，进行了三次修改，其第四版于1988年发布。STEP国际标准1994年才真正形成，但是由于它具有前者所没有的种种优点，因此大有取代前者的趋势。

　　国际标准化组织ISO制定的产品数据模型的表达和交换标准STEP(国标ISO10303)，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、属性和装配关系等的表达与交换，旨在为产品全生命周期内的数据交换提供统一的规范，解决制造业中计算机环境下设计和制造(CAD/CAM)的数据交换和企业数据共享的问题。STEP标准提供了一种不依赖具体系统，能够描述产品全生命周期的中性机制，在产品的全生命周期做到信息共享。

　　STEP最大的优点在于其开放性的结构和可扩展性。它拥有自己的信息描述语言EXPRESS。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，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EXPRESS语言可以将STEP向任意应用领域扩展。目前每年举行3次由世界范围内200多名产品数据专家参加的STEP修定会，负责STEP的创建、维护和扩展工作。

　　STEP标准为制造信息集成与共享提供一种方法和工具。因而，为了实现动态联盟各盟员间信息的集成与共享，须采用STEP标准的建模方法进行系统信息的分析，并用EXPRESS表达最终的信息模型。

　　当前，常用的CAD软件都支持STEP标准应用协议(如AP203、AP214)的子集，从而为CAD系统之间的产品数据共享提供了基础。CAD下游的各专业应用系统，包括CAM、CAE、CAPP等，也可以STEP中性文件为基础，实现与CAD的系统集成。同时，STEP中性文件还为产品数据在不同版本的CAX系统之间的继承提供了可能，使产品开发和设计具有延续性。

　　3 STEP在制造领域的延伸——STEP-NC

　　3.1 STEP-NC概况

　　由于CNC所使用的G代码本身所具有局限性和缺点，并且和CAD/CAPP/CAM所使用的数据格式标准(STEP)的不兼容性，使数控系统己经不能适应现代化制造业生产发展和技术发展的需要，迫切需要一种新的编程接口，来取代G代码，使CAD/CAPP/CAM和CNC使用统一的数据模型和程序结构，实现信息的无损和双向传送。

　　正是在这种情况下，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，重新定义了面向铣削加工的编程接口，从而提出了STEP—NC(STEP Compliant Data Interface for Numerical Controls)的概念。它将产品模型数据转换标准STEP扩展至CNC领域，旨在以STEP统一表征CNC加工过程中涉及的全部信息，是设计模块和制造模块之间基于STEP建立的新的接口标准，实现CAD/CAM和CNC之间的无缝连接，为数控系统提供了完整的产品数据，为发展数控系统的开放性、智能化和网络化奠定基础。

　　它要求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。STEP-NC定义了一个新的STEP应用协议，即AP238应用协议(ISO10303-AP238)。AP238作为CAM和CNC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CAD产品数据模型几何信息(AF203/AP214)、公差定义(AP219)和特征定义(AP224)。因此由CAD系统产生的产品模型数据经过CAPP、CAM添加工艺信息和刀具信息之后，形成AP238文件，就可以直接被STEP-NC数控机床所读取。

　　3.2 STEP-NC优点

　　1)可消除数控程序对数控系统的依赖性。STEP-NC数据接口是一种中性描述，不依赖于具体的CAM系统、数控系统或机床。这显然会极大地提高数控程序的可移植性和系统的柔性，在一定程度上解决制造系统间的兼容性问题。

　　2)与STEP直接进行信息交换。在企业内部，利用STEP作为数据交换标准，实现产品信息从设计(CAD)、工艺设计(CAPP)到制造(CAM)、底层加工设备(CNC)以及信息管理(PDM、ERP)，即从上到下的无瓶颈传送，实现企业内部从设计到加工的纵向产品全生命周期的信息高速公路。这将会大大方便系统间的信息交换和共享，为并行工程、敏捷制造等先进生产模式打下基础。

　　3)实现与CAD/CAM双向数据交换，避免了后置处理过程。为了优化生产过程和提高成品质量，经常需要对NC程序加以修改。但采用G代码，这些改动无法反馈到CAM系统，因为生成NC程序时记录最初加工需求的信息已经丢失了。而使用STEP-NC就会减少信息丢失的问题。同时CAM系统和数控系统既能重新解释这些最终用户和供应商定义的代码扩展部分，也能通过数据库存储这些信息，以避免在加工车间再进行多余的代码测试。

　　4)加工现场可得到较全面的信息。STEP-NC完整的信息模型可以保证数控机床的操作者或CNC系统对被加工件有全面的了解。通过现场编程界面，机床操作者在加工前可以直观地了解到最终产品。通过提供完整的结构化数据模型，在整个生产的每个阶段都避免了信息丢失，不再需要为机床设计专用后置处理器。这对于数控系统的智能化相当重要。

　　5)以传统的数据接口为基础的NC程序，仅能修改进给速度和切削速度等工艺参数。而使用STEP-NC可以有效地修改各种工艺参数。例如使用传统的数据接口，减少切削深度只能离线处理，因为有关信息只有在CAD/CAM系统中才能得到。

　　6)使网络化制造成为现实。STEP-NC能直接进行信息交换，实现了基于STEP-NC的CNC系统与基于STEP的所有CAX系统之间的双向无缝连接，使用XML(eXtensible Markup Language)可方便地在网上传输产品信息，为网络化制造创造条件。

　　7)实践证明，使用STEP-NC建立单一数字化产品模型数据库可以极大地提高生产率。据统计，使用新的标准接口，加工车间减少了35%的路径规划时间，75%的图样生成时间，50%的中小型零件加工时间。

　　4 结 语

　　正是具有这些G代码不可比拟的优点和基于STEP的CAD/CAM之间的无缝连接，以及支持各种先进的制造模式，使STEP-NC成为世界工业化国家研究的热点。据美国STEPTools公司的预测，STEP-NC控制器将在本世纪的第—个十年内出现，届时人们将会看到自动化制造的全新景象。但是，目前用于生成STEP-NC程序并用于加工的成熟专业软件还没有出现，这有待于专业结构进一步开发。同时，STEP-NC程序是面向对象的编程方式，因此对程序的使用者来说需要更多的时间进行培训，在某种程度上限制了它的推广。