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1、基于STEPNC的工艺设计和工步序列优化技术摘要：数控技术诞生50年来，它已取得了很大的发展，CNC系统已成为现代制造系统中的核心组成部分。然而，-直以来，数控系统主要采用国际标准ISO 6983作为NC编程的数据接口，这种数据接口使得当前CNC系统存在着许多不足之处。当前，国际标准化组织ISOTC184/SCI正在制定能够满足CAC/CAM与CNC系统进行数据交换的标准-STEP-NC(ISO 14649)。伴随着STEP-NC标准的制定，-种基于STEP-NC的CNC(STEP-CNC)系统引起了世界范围内的广泛重视。STEP-NC数据接口的出现，不但为实现智能化、柔性化和开放式的CNC系
2、统奠定了基础，而且也为CNC系统与其它系统间的信息交流和共享提供了可能。本文首次对STEP-NC及其在零件整个制造过程中的应用技术进行了全面而深入的研究。在深入分析和研究STEP-NC数据模型的基础上，对其在CNC系统、工艺设计以及CAD/CNP/CNC系统集成方面等的应用技术分别进行了深入的研究。关键词: STEP-NC; STEP-CNC; 工步序列优化; CAD/CAPP/CNC系统集成AbstractCNC technology was born 50 years ago, it has achieved great development, and CNC system has be
3、come the core of modern manufacturing system components. However, all along, digital control system ISO 6983 international standard used mainly as an NC programming data interface, data interface that makes the current CNC systems, there are many shortcomings. Currently, the International Organizati
4、on for Standardization ISOTC184/SCI being developed to meet the CAC / CAM and CNC system for data exchange standard - STEP A NC (ISO 14649). With the STEP standards for a NC, a NC based on STEPs CNC (STEP a CNC) system caused the world wide attention. STEP data interface of a NC appearance, not only
5、 intelligent, flexible and open CNC system laid the foundation, but also for the CNC system and other systems of information exchange and sharing possible.This is the first of STEP NC and in the parts of a whole manufacturing process technology for the application of a comprehensive and in-depth stu
6、dy. STEP-depth analysis and research in a data model based on the NC, its in the CNC system, process design and CAD / CNP / CNC systems integration and other application technology were carried out in-depth study.Key words: STEP-NC; STEP-CNC; process step sequence optimization; CAD / CAPP / CNC syst
7、em integration一，导言自从20世纪50年代第-台数控机床诞生以来，数控技术已经取得了日新月异的发展，特别是与今天迅速发展的电子工业和计算机技术相结合，更显示出其优越的性能，数控机床己经成为航空、航天、造船、汽车等工业部门中必不可少的加工设备。然而，一直以来，数控系统主要采用国际标准ISO 6983作为NC编程的数据接口，这种数据接口使得当前CNC系统存在着许多不足之处。今天，国际标准化组织ISO TC184/SCl正在制定能够满足CAD/CAM与CNC系统进行数据交换的标准STEP-Ne(ISO 14649)。伴随着STEP-Ne的制定，一种基于STEP-NC的CNC系统引起了世
8、界范围内的广泛重视。STEP-NC数据接口的出现，不但为实现CAD/CAM与CNC系统之间的信息交流和共享提供了可能，而且也为实现智能化的CNC系统奠定了基础。下面将着重对STEP-NC及其目前对它的应用研究和发展进行概述和分析。智能化和集成化是现代制造系统未来的发展趋势之一。虽然通过产品数据交换标准 (standard for the exchange of product model data，STEP) 以及计算机技术和信息通信技术，可以在一定程度和范围内实现 CAD/CAPP/CAM系统之间的信息集成和共享，但是与作为现代制造系统核心基础的数控加工的集成问题多年来却很少得到重视，CAD
9、/CAM系统-直采用 ISO 6983向CNC系统传送NC程序。可见，为了在计算机辅助系统 (Computer Aided system，CAs)与CNC系统之间实现数据共享与交换，现代CNC系统还需要进-步完善和发展，以满足基于信息的现代制造系统如智能化与网络化制造的需要。因此，目前国际标准化组织正在制定能满足CAS系统与CNC系统进行数据交换的标准STEP- NC(ISO 14649)，其目的是取代目前普遍使用的NC编程接口标准 ISO6983，提供一种不依赖任何具体系统的中性机制。STEP-NC本质上是STEP标准在NC领域的扩展。STEP定义了CAD设计数据标准，STEP-NC基于ST
10、EP并包含了制造信息，它详细说明了各种NC工艺方法的信息内容和语意。它用制造信息注释产品/零件设计信息，制造信息包括材料、制造特征、工具需求、工步等信息。STEP-NC定义了一个新的STEP应用协议(AP238)作为CAM与CNC之间的数据交换规范。AP238涵盖了产品从设计到成品全过程的所需的全部信息，如三维几何信息(AP203/AP214)、特征信息(妙224)、制造信息和检测信息(AP219)等。STEP-NC是欧盟ESPRITIV297OS计划(1999-2001)的STEP-NC项目的名称。1994年至1996年，德国阿亨工业大学在欧盟项目OPTIMAL (ESPRITlll5643
11、)中就开始研究这种数据模型。在这个项目中，基于STEP的三维铣削模型数据模型首次用作CAM和CNC的接口。在后续的项目ESPRJTW297OS中，研究范围扩大到2.5D铣削和其它加工方法如车削和电火花加工 (Electron Discharge Machining，EDM)。STEP-NC已经得到世界范围内广泛认同，2002年初，由欧美、美国、瑞士和韩国组成的联盟在国际性项日IMSS兀P-NC中继续对其进行完善。目前，ISO 14649的总体框架和铣削数据模型己经于2001年发布了国际标准草案(Draft International standard，DIS)，其它加工方法的数据模型定义很快将
12、会发布。到目前，STEP-NC国际标准谁案 (ISO DIS14649)已经形成。有关的基本规则与铣削加工的标准(草案)已完成，包括概述与基本原理(Part l: overview and Fundamental principles)、通用的工艺数据 (part10:generalproeessdata)、铣削工艺数据(Part 1:process data for milling)和铣削刀具(part111:tools for milling) 等。正在制定的STEP-NC标准有:车削加工数据(part12: process data for turning)、电火花加工(part13:
13、process data for EDM)、木材和玻璃加工 (part14)、检测(part15)等。STEP-NC标准在世界范围内不断获得越来越多的支持。随着STEP-NC标准的建立，人们越来越重视基于STEP-NC的CNCSTEP-CNC系统的研究和开发。由于STEP-NC提供各种“加工什么”(即产品信息)和“怎样加工”(工艺过程)的信息，所以STEP-CNC能够支持各种智能化功能，而基于 ISO 6983的传统的CNC系统则无法实现。STEP-NC作为一个CAD/CAM和CNC系统之间进行信息交换的数据接口，相比于传统的 ISO 6983具有以下的特点和优点: (1)STEP-NC与ST
14、EP兼容。CNC系统不需要转换就可直接使用三维CAD数据控制机床。(2)在 ISO 6983中，信息流自顶向下(从CAD经CAM到CNC系统)，缺少协同支持。而采用STEP-NC能够在CAD/CAM与CNC系统之间实现双向数据传送，这样可直接将在机床上修改的信息反馈给上游的CAD/CAM系统或工艺规划部门，在系统之间实现信息和知识共享，同时也为不同部门实现协同工作提供了-种机制。(3)STEP-NC采用特征技术，容易实现 CAD/CAM/CAPP/CNC的信息集成。(4)基于STEP-NC的CNC系统能够直接读取自由曲线曲面信息，因此能够使用样条插补技术，以改善加工表面质量。(5)STEP-N
15、C提供了-种中性机制，与CAD/CAM系统、机床或CNC系统制造商无关，程序具有良好的互操作性和可移植性。(6)采用STEP-NC能够使CNC系统的功能更加丰富和实现智能化。基于STEP-NC的CNC系统可以输入完整的零件信息和加工过程信息，这样CNC系统就可以实现刀具路径自动生成、刀具自动选择、工艺支持、自动进刀和退刀、安全性检查以及加工过程优化等功能，为CNC系统进行自主加工提供了基础。(7)STEP-NC使CNC系统更可靠、更安全、更容易使用。据 Super Model项目估算，在中小批量生产中，使用STEP-NC可以减少零件编程时间35%、减少生产准备时间75%、减少零件加工时间50%
16、，以及取消4500多个后置处理程序。(8)STEP-NC采用面向对象的方法和特征技术，了吏NC程序具有很高的结构化程度。(9)基于STEP-NC的CNC系统使用图像接口(UI)，编程界面好，使现场编程和程序修改方便、容易。可见，STEP-NC着眼于全生命周期产品数据的无纷生接，为CNC系统的开放性和智能化提供了广阔的发展空间，同时也解决了CNC系统与CAX系统之间的双向信息交换问题，为真正实现开放式CNC系统和网络化制造奠定了坚实的基础，必将对现代自动化制造技术的发展产生巨大而深远的影响。第二章STEP-NC简介为了方便和更好地理解本论文的研究内容，有必要首先对一些相关的概念进行简单介绍。ST
17、EP-NC实质上是在STEP的基础上，将其应用范围扩展到CNC系统，这从其名称亦可看出，因此，在介绍STEP-NC之前首先要对STEP作-简单介绍。制定STEP-NC标准的目的是使NC程序具有可交换性，即在CAD、CAM和CNC系统之间实现信息共享，从而能够快速完成从CAD到产品加工的整个技术准备过程。随着几何造型技术的发展，20世纪70年代后期各种CAD系统逐渐得到广泛应用。鉴于在大型企业中各种信息交换量，特别是所制造产品的定义(描述)数据量很大，通过蓝图这-传统手段进行交换，其效率远远不能满足计算机辅助技术的需求，于是人们开始提出希望通过计算机进行高效率、高正确率的数据交换，以及制定数据交
18、换标准的要求。产品数据交换标准的制定工作，最初是由设在美国的CAM-I公司开始的，差不多相同的时间，美国政府部门及工业界人士在美空军ICAM程序的基础上，由美国国家标准局NBS协调，开发了-个数据交换方法，即著名的初始图形交换规范 IGES(Initial Graphics Exchange Specification)。IGES是目前世界上最著名的标准之-，许多著名的计算机硬件/软件产品厂商都声称在产品中支持它。1984年，IGES组织设置了-个研究计划称为 PDES(Production Data Exchange Specification)。其计划的目标就是从根本上克服IGES的弱点(
19、如文件太长，有些数据不能表达等)，它的显著特点是着重于产品模型信息的交换，而不仅仅是几何和图形数据的传递。这种产品模型的信息应能直接为CAD/CAM所理解，除了几何数据，还应包含许多非几何数据，例如制造特征、公差、材料特性、表面处理要求等。PDES不论是开发标准的方法论还是在标准结构和内容方面，它都有重大的突破和创新，为STEP标准的制定奠定了基础。1983年12月，国际标准化组织ISO设立了TC184工业自动化系统技术委员会，下设第4分委会SC4，即工艺品数据表达与交换分委会，该分委会主要负责制定STEP (standard for the Exchange of product Model
20、 Data)国际性产品模型交换标准。STEP标准在ISO中的正式代号为ISO 10303，是-个用来表示产品数据，并可进行交换的、计算机可理解的国际标准。其目的是提供了-种不依赖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，在产品的整个生命周期做到信息共享。当前世界上绝大多数的CAD软件系统都支持STEP文件格式的输出。当采用STEPNC 作为CAD/CAM和CNC数据交换的接口后，作为连接产品设计和产品制造桥梁的CAPP(计算机辅助工艺设计)系统，不论其从功能上还是从设计原理上都将区别于传统的CAPP系统。在基于STEPNC的CAPP(简称STEP-CAPP)系统中，工艺设计采用
21、的是-种支持柔性化加工的非线性工艺设计方法，这种设计方法不再仅仅生成-种加工工艺方案，而是生成多种加工工艺方案。为此，在本章节中将对STEP-CAPP系统的功能结构和非线性的工艺设计原理和过程进行详细分析和研究，同时，还将深入研究基于精英选择策略的遗传算法在工步序列优化中的应用技术。三，基于STEPNC 的工艺设计和工步序列优化技术3.1传统的计算机辅助工艺过程设计工艺过程设计是连接产品设计和产品制造之间的桥梁，是制造系统的重要组成部分。长期以来，尤其是在-些中小落后企业，工艺设计都是依赖于工艺人员的个人积累的经验而完成的。20世纪60年代末，人们开始在工艺过程设计领域应用计算机技术，进行计算
22、机辅助工艺过程设计的研究和开发工作。到目前为止，国内外己开发多种形式的CAPP应用系统，这些系统己在实际中得到了广泛应用。当前，随着网络技术和信息交流技术的发展和成熟，传统的CAPP系统不再仅仅是-个孤立的制造子系统，现代CAPP系统的发展正在逐步体现现代制造思想，向基于网络和数字化环境、以信息集成和工艺知识为主体、实现工艺设计和信息管理-体化的制造工艺信息系统发展191。然而，不论当前的CAPP系统是何种类型，其工艺设计的基本原理仍然是基于线性的工艺设计，即首先规划出主要特征的工艺方法并进行排序后形成初步的工艺路线，然后再将次要特征的工艺及热处理、检验等辅助工序添加初始的工艺路线中，最后再进
23、行详细的工艺设计，如制造资源和工艺参数的选取等等，这种传统的设计方法所生成的工艺路线是单-线性的。由于在工艺设计时没有充分考虑到制造车间的资源优化分配和加工时可能出现的意外情形，因而这种单-线性的工艺规程不但没有达到最优化而且不能满足柔性化制造的需求。3.2基于STEP-NC的CAPP系统3.2.1STEP-CAPP 系统的功能在传统的制造系统中，CAPP和CAM是两个功能完全不相同的系统，狭义的CAM系统是指数控加工程序编制和刀具轨迹的仿真。而在基于STEP-NC的应用环境下，CAPP系统与CAM系统互相交叉互相融合，基于STEP-NC的CAPP(简称STEP-CAPP )系统包含了CAM系
24、统的大部分功能。它以CAD系统输出的描述零件几何信息和工艺信息的STEP文件为输入，以描述零件加工的中性STEP-NC(ISO14649)文件为输出。因此，STEPCAPP系统不但要进行常规的工艺设计活动，而且还要具有制造特征的识别和提取以及工艺路线优化功能，当设计完工艺路线和工序内容后，还需要将工艺文件自动转化为数控加工的STEP-NC文件，即STEP-CAPP 系统还要具有数控文件自动生成功能。STEP-CAPP工艺设计原理和特点根据以上对STEP-NC文件结构和信息描述特点的详细分析，可以得出，基于STEP-NC的工艺设计是以制造特征为对象，以加工工步为设计核心的工艺设计过程，-个制造特
25、征可以对应多个加工工步，加工工步是设计的基本单位。工艺设计时首先分别设计出零件上各个制造特征的加工操作方法，然后将制造特征和所对应的各个加工操作-进行组合形成加工工步，最后，将所有的加工工步进行任意组合排列，形成多条加工工步序列(即STEP-NC中的work PLAN，加工计划)。由于在形成加工计划之前，工步序列之间的顺序是不确定的，即是非线性的，因此，这种以面向制造特征为对象的工艺设计方法决定了STEP-CAPP系统中的工艺设计是-种非线性的工艺设计过程。由于非线性工艺设计能够生成多条可供选择的工艺路线，所以为柔性化的制造和工艺路线的优化奠定了基础。3.3STEP-CAPP中的非线性工艺设计
26、3.3.1非线性工艺设计原理非线性工艺规划早在上个世纪90年代就被提了出来，许多学者都对它进行了研究,其目的是为了实现工艺设计与其它制造活动的集成，如与调度的集成等。非线性工艺规划不但增加了加工系统的柔性化而且还能够实现资源的优化配置和使用，在设计时他们虽然也应用了基于特征的工艺设计思路，但基本上还是以成组技术为技术支撑。非线性工艺设计(NLPP，Non-linear process plan)与传统的工艺设计相比较，它不再仅仅生成-条固定的工艺路线，而是生成-系列可供选择的多条工艺线路。非线性工艺设计是通过基于特征的设计思路来实现的，它首先将零件上所有制造特征的所有可能加工方法罗列出来，并通
27、过网状的AND/OR图来表达，如图5-2所示的例子。上面的(c)图中节点标识“SA”表示该节点之后的各分支之间是“与”的关系;节点标识“50”表示其后各分支之间是“或”的关系。对于是“与”关系的多个分支来说，它们之间的顺序是不确定的，而这正是体现了工艺设计的“非线性”。例如，从(c)中的工艺序列AND/OR图可以看出，对于特征5和6还可以看成是-个通槽(特征8)，因此根据上图该零件可形成14种工步序列，它们分别是:1.1-8-2-7-3-42.1-8-2-7-3(4)(即特征3与特征4的工步合并为-个工步)3.1-3-4-8-2-74.1-3(4)-8-2-75.1-3-4-2-5-6-76.
28、1-3-4-2-5(6)-7(即特征5与特征6的工步合并为-个工步)7.1-3-4-2-7-5-68.1-3-4-2-7-5(6)9.1-2-5-6-7-3-410.1-2-5-6-7-3(4)11.1-2-5(6卜7-3-412.1-2-7-5(6)-3-413.1-2-5(6)-7-3(4)14.1-3(4)-2-5(6)-7由于这种非线性的工艺设计能够生成多种可供选择的工艺线路，从而使得加工车间层能够柔性地处理加工现场出现的突发事件，例如当发生刀具折断或机床故障时，车间层可以从备用的多条工艺线路中选择另外的工艺方法来代替原有的工艺方法，此外，非线性工艺设计还为工艺路线的优化奠定了基础。3
29、.3.2STEP-CAPP中的非线性工艺设计过程下面我们以铣削类的加工为例来说明STEP-CAPP的非线性工艺设计过程。(1)以制造特征为对象进行加工操作选择输入给STEP-CAPP系统的CAD文件可能是APZO3文件或是AP224文件，在进行工艺设计之前首先要从这些文件中识别和提取出零件上的组成特征，这些特征可能是设计特征也可能是制造特征，某些设计特征和制造特征是相-致的，但有些设计特征和制造特征是不相同的，所以在提取出设计特征后还要将其映射成制造特征。然后根据工艺知识和特征的加工精度要求，分别进行制造特征的加工操作选择。对于每个制造特征，常常对应多个操作加工。(2)将操作和特征进行组合形成
30、工步，并进-步生成工步序列,当将所有制造特征的加工操作选择完成后，将各个制造特征与其对应的每个加工操作进行组合，形成加工工步，同时还可以对每个加工操作进行详细的设计。将所有的加工工步进行任意组合排列，形成多条加工工步序列。(3)有效工步序列的生成,假如零件上M个制造特征,共有N个加工工步，则可知N个加工工步可生成P=N!种工步序列，这显然是很庞大的。要从众多的工步序列中选择出合理和优化的工步序列来，仅仅依靠经脸是远远不够的。而且，由于N!个工步序列是通过工步进行任意组合形成的，因此必然存在着大量的不合理的，即无效的工步序列。因此，在进行工序序列优化之前，首先应该将无效的工步序列转化成有效的工步
31、序列集，然后在此基础上，再通过-定的优化技术进行工步序列的优化。有效工步序列是按照-定的工步排序原则生成的，对于在加工中心上加工的零件来说，-般主要是铣削类和孔类加工，因此根据-般的工艺知识可得出如下的工步排序原则:1)“先面后孔”的原则。因为作为精基准的平面在最初的工序中应该首先加工出来。而且，平面加工以后，使平面上的支承孔的加工更方便，钻孔时可减少钻头的偏斜，扩孔和铰孔时可防止刀具崩刃。2)“粗精分开，先粗后精”的原则。对于每个制造特征，应该按照先粗加工、后半精加工，最后精加工的顺序进行。如果铣削类的特征与钻孔类的特征之间存在基准关系，则应该首先进行铣削类特征的粗加工和精加工，然后再进行孔
32、类的粗加工和精加工，如下列的工步序列:粗铣-精铣-钻孔-(锐)扩孔-攻丝-绞孔。3)“转位次数最少”的原则。为了提高加工效率和保证加工质量，希望在-次转位的情况下，尽量完成更多的工步加工。如对于要求不高的平面、健槽等铣削类特征，可将粗精铣安排成顺次连接的两个工步，以缩短工艺过程，提高生产效率;对于相同尺寸的孔类，同种工步尽量组合成-个工步来完成。在实际零件加工中，在进行工步序列有效化之前，首先根据上面的工序排序原则，建立工步约束规则表，然后再根据-定的算法通过计算机自动进行工步序列有效化。在这里，我们采用文献夕l所给定的方法进行工步序列的有效化。具体步骤如下:1)对于任意-个工步序列，将其顺次
33、存入-个双向链表LL中，采用双向链表的用途是为了方便地进行工步的删除和插入操作;2)在链表LL中挑选出那些无任何关系约束的工步，同时记录下它们在链表LL中的位置，将这些无关系的工步依次保存于-个新链表LLI中，剩下的工步序列则形成-个新的双向链表LLZ。3)对链表LLZ进行遍历，遍历从该链表的尾部开始，即将尾部的元素(工步)作为当前的遍历点，然后在该链表中找出所有的按照工步约束关系应排在当前遍历点之后的工步，将这些工步取出并按照其原来的顺序组成子链表LLZI，将链表LL21插入到当前遍历点之后，重新生成新链表LLZ，当前遍历点也移动到新链表的尾部元素，对该新遍历点采用以上相类似的方法进行处理，
34、如此反复直到链表最末元素满足所有的工步约束关系为止。4)将当前遍历点移动到其前-个元素(工步)，使该元素成为新的遍历点，方法同步骤(3)。当链表中所有工步都处理完，则转化过程结束。5)将原先从链表LL中取出的-组没有约束关系的工步(链表LLI)按照原来的位置重新填回到链表LL中。整个转换过程结束。下面通过-个例子演示上面的算法流程。a.取出任意-个工步序列，并将其顺次存入双向链表LL中c.上面的操作5、9和13是属于和其它元素之间没有相互关系的工步。现假设操作6、10和12按照约束关系应排在操作3之后，所以将6、10和12取出组成-个子链表LL21，并将其置于操作3之后，组成新的链表LLZ。这
35、时，将当前遍历点指针指向操作12，采用上述相同的方法对操作12进行约束判断和处理。d.当将链表LL2中所有的元素遍历完后，将操作5、9和13按照他们原来的位置重新放回到最后生成的链表LL2中，最后得到的链表LL如下所示:通过上面的转换操作，即可将那些无效的工步序列转换成有效的工步序列。四，结语本文重点研究了基于STEP-NC的CAPP系统中的工艺设计特饭，由于STEP-NC数据模型是以面向对象的原理来描述数据，这里的对象是指加工工步，通过加工工步将制造特征和加工操作相联系起来，因此，在STEP-CAPP系统中，是以加工工步为基木设计单位，以加工操作为核心来进行工艺设计。同时，由于它支持非线性的
36、工艺设计，因此它可以同时生成多条工艺设计方案，这不但增加了工艺设计的柔性，而且还为工艺设计优化奠定了基础。本节后半部分重点研究了基于精英选择策略的遗传优化算法在工艺优化中的应用，并通过最后的实例验证了该算法有效性和合理性。参考文献【1】陈涛、叶佩青、汪劲松，基于STEP-NC和XML的CAD/CAM/CNC集成技术，现代制造工程，2004，第8期:9-12【2】刘亚东、李从心等，造应用高速切削技术的 CAD/CAM/CNC集成系统研究，2008年10月，第5期:44-46【3】胡革非、杜世昌等，基于制造特征的高速加工的CAD/以 M/CNC的集成，电器技术与自动化，2003，第3期:57-60
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