富宏亞，胡 泊，韓德東

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

隨著計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，機械設(shè)計領(lǐng)域的數(shù)字化程度已經(jīng)較高，各種計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）/計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）軟件的應(yīng)用也很廣泛，基本圖形交換規(guī)范（Initial Graphics Exchange Specification，IGES）和產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（STandard for the Exchange of Product model data，STEP）等通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)使得不同CAD/CAM系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換更加流暢。在加工端，新型的計算機數(shù)控機床已經(jīng)基本取代了傳統(tǒng)的通用加工機床和專用加工設(shè)備。常用的工控機和嵌入式控制器都具備較強的可開發(fā)性，即使是傳統(tǒng)的封閉式數(shù)控系統(tǒng)，也可以通過外接計算機模塊擴展更多的功能，開放式數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)更是為智能數(shù)控技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。然而，在CAD/CAM技術(shù)與數(shù)控技術(shù)飛速發(fā)展的背后，依然存在數(shù)據(jù)傳輸上的瓶頸，這就是機床數(shù)字控制標(biāo)準(zhǔn)ISO 6983，即通常所說的“G代碼”。為解決這一問題，歐洲的一些企業(yè)、高校與研究機構(gòu)共同合作，以面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，建立了一種兼容于STEP標(biāo)準(zhǔn)的編程接口——STEP－NC。STEP－NC最主要的特點是采用高層信息來表示完整的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，使得CAD/CAM系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。STEP－NC包含了智能加工必需的產(chǎn)品信息，因此是智能數(shù)控系統(tǒng)理想的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)［1－2］。

1 STEPNC標(biāo)準(zhǔn)簡介－

STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)是歐洲的一些企業(yè)、高校和研究機構(gòu)首先聯(lián)合開發(fā)的，之后美國與韓國也加入了開發(fā)過程，開展了ESPRITⅢ計劃、歐洲STEP－NC計劃、Super Model計劃和IMS計劃等地區(qū)性與全球性的研究計劃［3－5］。目前已經(jīng)制定了編號為ISO 14649和ISO 10303AP－238的兩套國際標(biāo)準(zhǔn)，兩者的區(qū)別在于前者是較為獨立的一套標(biāo)準(zhǔn)，后者則是STEP標(biāo)準(zhǔn)中的一個應(yīng)用協(xié)議。歐盟和其他地區(qū)的研究一般是基于ISO 14649的，而美國的研究一般是基于ISO 10303AP－238的。STEP－NC數(shù)據(jù)模型以層級式結(jié)構(gòu)完整地表示了與零件加工相關(guān)的全部信息，包括任務(wù)描述、工藝描述、工具描述和幾何描述4個主要部分。文件格式一般采用Part－21格式和可擴展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）格式，前者適用于系統(tǒng)間以物理文件為主要信息交換方式的使用環(huán)境，而后者適用于系統(tǒng)間以互聯(lián)網(wǎng)為主要信息交換方式的使用環(huán)境。目前，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型與表達(dá)方式進(jìn)行了介紹，因此不再詳細(xì)描述［6－9］。

STEP－NC有很多優(yōu)勢［2，6］：①在產(chǎn)品信息描述方面具有完整性，提供了完整的和結(jié)構(gòu)化的幾何信息與制造信息數(shù)據(jù)模型，從而避免產(chǎn)品制造過程中各個環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換；②在加工任務(wù)描述方面具有簡潔性和直觀性，明確地描述了需要加工的制造特征與加工方法，而不是單純的機床動作，為數(shù)控系統(tǒng)提供了更多的高層信息；③在數(shù)控加工方面具有智能性，數(shù)控系統(tǒng)能夠根據(jù)高層產(chǎn)品數(shù)據(jù)對加工過程進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量；④在信息表達(dá)方面具有通用性和可重用性，由于STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)采用高層產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達(dá)零件信息，不需要針對特定環(huán)境進(jìn)行后置處理，因此STEP－NC文件能夠不經(jīng)修改地使用在不同的加工設(shè)備上，當(dāng)加工環(huán)境發(fā)生變化時，之前的STEP－NC文件依然可以重復(fù)使用；⑤在信息傳輸方面具有雙向性和便捷性，由于STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)能夠應(yīng)用于產(chǎn)品制造的各個環(huán)節(jié)，下游環(huán)節(jié)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的修改可以直接保存并反饋給上游環(huán)節(jié)，同時STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)支持XML格式傳輸，適用于網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境。因此，許多企業(yè)和研究機構(gòu)都在廣泛開展STEP－NC相關(guān)技術(shù)的研究。

2 STEP－NC數(shù)控技術(shù)研究現(xiàn)狀

到目前為止，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)基本完成了通用加工數(shù)據(jù)、銑削和車削等常見加工數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)都開展了關(guān)于STEP－NC應(yīng)用的研究，主要有以下5個研究方向：STEP－NC制造系統(tǒng)架構(gòu)研究、基于STEP－NC的CAD/計算機輔助工藝規(guī)劃（Computer Aided Process Planning，CAPP）/CAM 技術(shù)研究、STEP－NC數(shù)控技術(shù)研究、基于STEP－NC的檢測與反饋技術(shù)研究和基于STEP－NC的智能加工技術(shù)研究。

2．1 STEP－NC制造系統(tǒng)架構(gòu)研究

歐洲的研究機構(gòu)與企業(yè)在STEP－NC應(yīng)用方面的研究起步較早，亞琛大學(xué)WZL實驗室與一些企業(yè)合作，搭建了第一個STEP－NC原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于銑削加工。以 HyperFact、SoloCAM和Catia V5作為CAD/CAM 模塊，用于生成STEP－NC程序，在車間中使用的是西門子Sinumerik 840D數(shù)控系統(tǒng)和與之配套的ShopMill數(shù)控編程工具，用于讀入STEP－NC文件，然后在內(nèi)部轉(zhuǎn)換成中間代碼，再由數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行加工［10］。斯圖加特大學(xué)ISW實驗室則建立了用于車削的STEP－NC原型系統(tǒng)，其核心是自行開發(fā)的CAM軟件工具STEPTurn，能夠讀取、處理和輸出用于車削加工的STEP－NC文件［11］。美國的Super Model計劃也建立了STEPNC原型系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上與歐洲原型系統(tǒng)相似，只是在數(shù)據(jù)交換時采用了ISO 10303AP－238標(biāo)準(zhǔn)［1］。

由于傳統(tǒng)的STEP－NC制造系統(tǒng)架構(gòu)在使用STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)時需要轉(zhuǎn)換為各種中間數(shù)據(jù)，在效率與功能上沒有顯著提升，不能充分發(fā)揮STEP－NC的優(yōu)勢，在近期的研究中很少采用。為解決這一問題，需要針對STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)的特點重新設(shè)計制造系統(tǒng)架構(gòu)，建立先進(jìn)的STEP－NC制造系統(tǒng)架構(gòu)，主要特點是CAD/CAM/CNC數(shù)字鏈的集成、加工與檢測集成和分布式網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)。例如，奧克蘭大學(xué)的Wang和Xu提出了集成CAD，CAPP，CAM和CNC的STEP兼容制造系統(tǒng)架構(gòu)，能夠讀取通用STEP－NC文件并進(jìn)行工藝再規(guī)劃，轉(zhuǎn)換為專用的STEP－NC文件［12］。巴斯大學(xué)的 Newman對 CAx數(shù)字鏈互操作性的實現(xiàn)方法以及信息交互方法進(jìn)行了分析，提出以STEP－NC為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立互操作制造系統(tǒng)的理念［13］。Hardwick提出一種具備STEP信息讀取、顯示與驗證功能和加工信息處理功能的STEP－NC制造系統(tǒng)，系統(tǒng)包含各種CAD、CAM以及CNC模塊，各模塊間通過應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）進(jìn)行通信，可以完成從工藝規(guī)劃到加工檢測的全部任務(wù)［14］。美國NIST建立了一種具備加工和檢測功能的層級式控制系統(tǒng)FBICS，通過EXPRESS語言建立加工數(shù)據(jù)模型并以STEP－NC文件格式輸出，自動生成工藝計劃并對零件進(jìn)行加工和檢測［15］。維戈大學(xué)的Campos提出一種基于STEP－NC的可追溯制造體系，通過一系列方法將產(chǎn)品制造過程中的重要信息保存起來，當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷時，制造者可以通過分析制造過程信息來確定問題的根源［16－17］。Wang等提出一種分布式協(xié)同加工平臺（Distributed Interoperable Manufacturing Platform，DIMP），該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，以STEP－NC作為數(shù)據(jù)模型，在異構(gòu)CAD/CAM/CNC系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，利用面向服務(wù)的方式對用戶需求進(jìn)行響應(yīng)［18］。哈爾濱工程大學(xué)的黃雪梅將IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)中的功能塊概念引入STEP－NC控制器的設(shè)計中，將數(shù)控系統(tǒng)與可編程邏輯控制器（Progrmmable Logic Controller，PLC）等底層生產(chǎn)設(shè)備抽象為功能塊，通過工業(yè)總線的連接組成分布式控制體系［19－20］。Laguionie提出一種以STEP－NC為數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的可擴展集成制造系統(tǒng)（eXtended Manufacturing Integrated System，XMIS），通過產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)的連接，集成產(chǎn)品生命周期的各個環(huán)節(jié)；同時利用制造信息管道將處于不同位置的系統(tǒng)相連接，采用橫向、縱向和放射狀混合的信息流動方式實現(xiàn)全球化制造［21］。先進(jìn)STEP－NC制造系統(tǒng)架構(gòu)是當(dāng)前研究的重點，產(chǎn)生了很多新的應(yīng)用領(lǐng)域與概念，系統(tǒng)功能更加強大和完善，并向著全球化制造方向發(fā)展。

2．2 基 于 STEP－NC 的 CAD/CAPP/CAM 技 術(shù)研究

在這一領(lǐng)域主要的科學(xué)問題與技術(shù)難點是制造特征識別理論與方法和工藝規(guī)劃策略。很多研究團(tuán)隊都致力于STEP－NC文件的輸入、處理和輸出以及工藝規(guī)劃方法的研究，以建立完整的基于STEPNC的CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)。所采用的主要方法與技術(shù)有：基于特征的技術(shù)、基于知識的系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊集合理論與模糊邏輯、Petri網(wǎng)絡(luò)、基于智能體的技術(shù)和基于互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)等［22－23］。

STEP Tools公司在STEP－NC應(yīng)用研究方面取得了很多成果，并開發(fā)了能夠生成STEP－NC文件的CAM軟件工具STEP－NC Machine和一組用于軟件開發(fā)的平臺ST－Developer。STEP－NC Machine可以讀入包含刀具軌跡數(shù)據(jù)的ATP/CL文件或G代碼和包含幾何數(shù)據(jù)的STEP文件或包含完整產(chǎn)品數(shù)據(jù)的STEP－NC文件，然后在界面中進(jìn)行顯示、編輯與仿真，最終輸出用于在特定機床進(jìn)行實際 加 工 的 STEP－NC 文 件。ST－Developer包 含ROSE C＋＋、Java和SDAI C三個類庫，以及一致性測試與編輯工具、信息建模工具、文件轉(zhuǎn)換工具和工程工具等［5］。Newman和Nassehi等建立了一個基于智能體的CAM系統(tǒng)AB－CAM，該系統(tǒng)能夠讀取STEP－NC文件，然后為每個制造特征指定一個智能體，智能體對制造特征的加工進(jìn)行規(guī)劃，最后經(jīng)過多智能體協(xié)作生成完整的工藝流程并輸出STEP－NC 文 件 或 G 代 碼［24－25］。NIST 將 EXPRESS數(shù)據(jù)映射為C＋＋數(shù)據(jù)，建立了SCL類庫，用于在軟件中開發(fā)與STEP－NC相關(guān)的功能，例如讀入Part－21文件并提取其中的信息，或者將信息以Part－21格式輸出。目前，STEPcode開源計劃正在繼續(xù)SCL類庫的開發(fā)［26－27］。一些研究采用軟件開發(fā)平臺與CAD軟件內(nèi)核進(jìn)行二次開發(fā)的方式，開發(fā)了STEP－NC文件讀取、顯示、制造特征識別以及輸出的軟件工具［28－29］。Dipper研究了多個制造特征交叉形成的新特征在EXPRESS語言與CAD軟件中的表達(dá)，然后利用Open CASCADE內(nèi)核進(jìn)行了相關(guān)軟件工具的開發(fā)［30］。

基于STEP－NC的工藝規(guī)劃可分為離線規(guī)劃、在線規(guī)劃和實時規(guī)劃［31］。離線規(guī)劃是通過外部的CAM軟件進(jìn)行特征轉(zhuǎn)換、資源選擇和工藝條件確定等工作，最終生成STEP－NC數(shù)控程序，離線工藝規(guī)劃又可進(jìn)一步分為宏觀工藝規(guī)劃和微觀工藝規(guī)劃，分別對應(yīng)通用STEP－NC數(shù)據(jù)生成和本地STEP－NC數(shù)據(jù)生成［21］；在線工藝規(guī)劃和實時工藝規(guī)劃是在數(shù)控系統(tǒng)上實現(xiàn)的，前者根據(jù)加工設(shè)備的具體情況對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，后者根據(jù)機床的運行狀況實時地對刀具軌跡以及工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。目前的研究大部分采用了離線規(guī)劃方式。例如，浦項科技大學(xué)的Suh等開發(fā)了一個車間編程系統(tǒng)PosSFP，實現(xiàn)了STEP－NC文件讀取、特征識別、工藝規(guī)劃、STEP－NC文件輸出和顯示等功能。在PosSFP內(nèi)部采用圖形化的工藝流程圖（Process Sequence Graph，PSG）來表示工藝流程，以工步（Workingstep）和AND－OR關(guān)系為基本節(jié)點，完整列出所有可行的工藝路線，控制器可以按照一定的機制選擇合理的加工順序［32］。Chung和Shin提出一種以STEP－NC為數(shù)據(jù)模型的非線性工藝規(guī)劃方案和用于復(fù)合機床的工藝優(yōu)化算法，并在Turn－STEP系統(tǒng)上對算法進(jìn)行了驗證，然后設(shè)計了一個針對多通道復(fù)合機床的編程系統(tǒng)［33－34］。Laguionie等針對STEP－NC提出了多線程制造概念，即用一個統(tǒng)一的數(shù)字鏈處理銑削、車削、電火花線切割和快速成型等多種加工任務(wù)，這一體系將各種加工設(shè)備集成在一起，以應(yīng)對同一零件需要多種加工方法加工的情況［35］。STEP－NC包含豐富的產(chǎn)品信息，這對于加工仿真來說是一個很好的條件，可以在仿真過程中引入機床、夾具和刀具模型，同時還可以添加動力學(xué)參數(shù)，使得加工仿真的真實性更強，并且能夠為工藝優(yōu)化提供參考。奧克蘭大學(xué)的Kadir以STEP－NC數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)設(shè)計了一種高精度仿真系統(tǒng)，充分利用SETP－NC數(shù)據(jù)模型中所包含的高層產(chǎn)品信息，同時通過傳感器對機床狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，更加精確地反映實際加工的特性［36－37］。

2．3 STEP－NC數(shù)控技術(shù)研究

STEP－NC制造系統(tǒng)的一個顯著特征就是工藝規(guī)劃和刀具軌跡生成等CAM功能在CNC實現(xiàn)，這使得同一數(shù)控程序文件可以在不同的加工環(huán)境中應(yīng)用。但是目前所使用的絕大多部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)都采用G代碼或其他底層運動控制代碼作為輸入，因此實現(xiàn)STEP－NC文件的讀取是其推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵。STEP－NC程序解釋方法可分為三類［38］：

（1）間接解釋讀取STEP－NC文件，然后翻譯成G代碼。該方式能夠兼容以前的設(shè)備，但不能完全發(fā)揮STEP－NC的優(yōu)勢，其原理和CAM后置處理生成G代碼相同。

（2）直接解釋直接根據(jù)STEP－NC文件、機床功能數(shù)據(jù)和刀具數(shù)據(jù)生成軸運動指令，如果機床具備檢測探頭，則可以將檢測結(jié)果也作為刀具軌跡生成的依據(jù)。

（3）自適應(yīng)解釋根據(jù)加工狀態(tài)信息對工藝參數(shù)和刀具軌跡實施優(yōu)化。實現(xiàn)這些功能的基礎(chǔ)是STEP－NC信息的完全讀取，不僅包括ISO 14649中所包含的工藝信息，還應(yīng)包括ISO 10303中所包含的零件幾何信息與制造特征信息。

最初的STEP－NC數(shù)控系統(tǒng)都是采用間接解釋方法，利用外部CAM軟件或內(nèi)部CAM模塊完成后置處理，將STEP－NC程序轉(zhuǎn)換為中間代碼。Wang設(shè)計了一個基于功能塊的即插即用系統(tǒng)，可以提取STEP－NC文件中的信息，并輸出G代碼［39］。Habeeb等利用STIX類庫開發(fā)了用于處理ISO 10303AP－238信息的軟件工具，最后以6K運動代碼輸出［40］。Hardwick提出的方法是通過CAM插件或軟件將CAM系統(tǒng)對加工規(guī)劃的結(jié)果以AP－238文件的方式輸出，再通過中間轉(zhuǎn)換器將AP－238文件轉(zhuǎn)換為數(shù)控系統(tǒng)可識別的TCP運動代碼［41］。

開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展為STEP－NC程序的直接解釋創(chuàng)造了條件。浦項科技大學(xué)在STEP－NC數(shù)控系統(tǒng)方面的研究成果有很多：首先設(shè)計了STEPNC智能數(shù)控系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，從功能、數(shù)據(jù)接口和具體實施三個層面對系統(tǒng)設(shè)計需求進(jìn)行了分析，然后提出了一個包含SFP/TPG、公共數(shù)據(jù)庫和控制模塊三部分的STEP－NC數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)［42］。之后又進(jìn)一步完善了系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，并將其命名為自治STEP兼容數(shù)控系統(tǒng)（Autonomous STEP－compliant CNC，ASNC），并提出了用公共對象請求代理體系 結(jié) 構(gòu) （Common Object Request Architecture，CORBA）總線作為系統(tǒng)內(nèi)各模塊間的接口［32］。最終形成了完整的“Korea STEP－NC”數(shù)控系統(tǒng)體系，系統(tǒng)包含五部分：車間編程系統(tǒng)（PosSFP）、刀具軌跡生成器（PosTPG）、刀具軌跡顯示器（PosTPV）、人機界面（PosMMI）和數(shù)控系統(tǒng)核心（PosCNC），各模塊間通過CORBA進(jìn)行通信，通過公共數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換［43］。后續(xù)研究還包括用于車削加工的STEP－NC數(shù)控系統(tǒng)TurnSTEP、根據(jù)車削加工G代 碼 反 推 出 零 件 STEP－NC 模 型 的 算 法 等［44－46］。Kramer以NIST開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)加工指令（Canonical Machining Commands，CMC）為基礎(chǔ)，分別針對ISO 14649和AP－238開發(fā)了兩個解釋器，能夠根據(jù)STEP－NC文件所描述的加工任務(wù)生成CMC指令，但是沒有與控制器相結(jié)合［15］。蘭紅波等提出一種多智能體結(jié)構(gòu)的STEP－NC數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)，各個智能體間相互協(xié)作，共同完成STEP－NC智能數(shù)控系統(tǒng)的各種功能，實現(xiàn)了STEP－NC程序的解釋翻譯和現(xiàn)場編輯功能，并提供了一個現(xiàn)場工藝規(guī)劃和仿真的支持平臺［47－48］。李鵬提出一種基于Linux Rtai的SETP－NC開放式智能數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)，采用Java和ST－Developer為開發(fā)環(huán)境，利用加工專家系統(tǒng)對工藝規(guī)劃提供支持與指導(dǎo)，并開發(fā)了工業(yè)實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線與伺服系統(tǒng)進(jìn)行通信［49－50］。朱曉明對STEP－NC數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，以3軸銑削開放式數(shù)控系統(tǒng)為平臺，實現(xiàn)了STEP－NC文件的讀取和加工［51］。一些學(xué)者還針對XML格式STEP－NC文件的解釋與網(wǎng)絡(luò)化STEP－NC數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究［52－54］。

目前還沒有采用自適應(yīng)解釋方法的STEP－NC數(shù)控系統(tǒng)，由于大部分系統(tǒng)都只能對STEP－NC文件中的工藝信息進(jìn)行提取和利用，對于幾何信息一般只用于圖形顯示。在今后的研究中，開放式數(shù)控系統(tǒng)和智能加工將是STEP－NC數(shù)控系統(tǒng)的重要技術(shù)支撐，并實現(xiàn)STEP－NC文件的自適應(yīng)解釋。未來的數(shù)控系統(tǒng)不僅能夠讀取STEP－NC并實現(xiàn)加工，還可以根據(jù)零件特性與加工環(huán)境進(jìn)行自主決策，對加工過程進(jìn)行優(yōu)化。

2．4 基于STEP－NC的檢測與反饋技術(shù)研究

在基于STEP－NC的檢測與反饋研究方面，主要研究方向是STEP－NC數(shù)據(jù)模型建立、檢測工藝規(guī)劃與閉環(huán)加工系統(tǒng)研究。Zhao在基于STEP－NC的閉環(huán)加工和在線測量等方面進(jìn)行了深入研究，首先為在線測量提出了相應(yīng)的STEP－NC數(shù)據(jù)模型，設(shè)計了相應(yīng)的閉環(huán)加工架構(gòu)，同時開發(fā)了一個STEP－NC解釋器，能夠根據(jù)STEP－NC文件中的測量工步進(jìn)行相關(guān)檢測操作；之后對現(xiàn)有的計算機輔助檢測工藝規(guī)劃研究進(jìn)行了分析和總結(jié)，并對基于STEP－NC的加工與檢測工藝規(guī)劃集成進(jìn)行了討論；接著提出一種基于在線檢測與測量的認(rèn)知制造體系結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)加工、檢測與反饋工藝規(guī)劃的集成；還討論了相關(guān)STEP標(biāo)準(zhǔn)的擴充，以便將STEP中現(xiàn)有的幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)和公差標(biāo)準(zhǔn)與制造特征標(biāo)準(zhǔn)、測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)，提出了一種支持在線自動檢測工藝規(guī)劃的STEP數(shù)據(jù)模型［55－57］。

閆亮針對三坐標(biāo)測量機對基于STEP－NC的檢測工藝規(guī)劃進(jìn)行了研究，提出一種“高低分層規(guī)劃”的檢測工藝規(guī)劃原理，將檢測工藝規(guī)劃分為高層檢測工藝規(guī)劃和底層檢測工藝規(guī)劃，分別生成面向檢測對象與面向?qū)嶋H檢測過程的檢測工藝流程，采用CATIA二次開發(fā)的方法開發(fā)了檢測工藝規(guī)劃原型系統(tǒng)，并討論了閉環(huán)制造系統(tǒng)的建立［58］。鄭聯(lián)語進(jìn)一步對基于STEP－NC的在機檢測和檢測結(jié)果反饋與處理進(jìn)行了研究，并提出了基于STEP－NC的閉環(huán)加工系統(tǒng)框架，以及支持CAPP/CAM 系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)雙向閉環(huán)的高層過程控制器［59］。Brecher提出了一個閉環(huán)加工原型系統(tǒng)，首先由軟件工具將檢測結(jié)果保存下來，然后轉(zhuǎn)換STEP－NC文件并反饋給操作者［60］。

在基于STEP－NC的加工檢測研究方面，最重要的目標(biāo)是實現(xiàn)加工與檢測的集成，進(jìn)而建立一個閉環(huán)制造系統(tǒng)，使產(chǎn)品的設(shè)計、制造、檢測與修改成為整體。目前在這方面的研究還不是很多，而且大多采用了對傳統(tǒng)加工模式進(jìn)行修改的實現(xiàn)方式，對STEP－NC的應(yīng)用還不充分。

2．5 基于STEP－NC的智能加工技術(shù)研究

在智能加工中一般采用的方法是以人工智能算法、專家系統(tǒng)和傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，對加工參數(shù)進(jìn)行離線優(yōu)化或根據(jù)加工狀態(tài)對加工參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。

在加工參數(shù)離線優(yōu)化方面，主要方法是以一個或幾個因素為目標(biāo)，例如加工時間、生成成本或零件表面粗糙度等，然后在一定的約束下對工藝流程及加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。例如，Zhang提出了一種以表面粗糙度為目標(biāo)的工藝規(guī)劃系統(tǒng)，通過分析STEPNC文件中的幾何數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)，利用理論殘留高度算法估計出切削后的表面粗糙度，由操作者根據(jù)需求選擇新的加工參數(shù)，最后更新STEP－NC文件并輸出［61］。胡天亮提出一種以切削時間和單件生產(chǎn)成本為目標(biāo)函數(shù)，對STEP－NC車削加工的工藝參數(shù)進(jìn)行離線優(yōu)化的算法［62］。Mokhtar對STEP－NC中的交叉制造特征的加工工藝規(guī)劃進(jìn)行了研究，以幾何約束為基礎(chǔ)，定義了制造特征的本地與全局優(yōu)先級，然后開發(fā)了一個基于規(guī)則的工藝規(guī)劃系統(tǒng)，實現(xiàn)零件幾何模型顯示和加工程序輸出等功能［63－64］。歐陽華兵等提出一種面向STEP－NC的基于混合式遺傳算法的工藝路線優(yōu)化方法，以加工成本最低為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)優(yōu)化約束條件，通過遺傳算法的復(fù)制、交叉和變異等操作實現(xiàn)有效工藝路線的優(yōu)化決策，得到滿足車間要求的最優(yōu)或接近最優(yōu)的工藝路線［65］。他們還提出一種基于加工特征聚類的零件裝夾規(guī)劃方法，基于加工特征制造優(yōu)先級規(guī)則對加工單元進(jìn)行聚類分組，形成零件的裝夾方案集，隨后通過專家打分和評定策略對這些裝夾方案集進(jìn)行排序，生成符合零件裝夾要求的裝夾規(guī)劃方案［66］。實時智能控制與非實時智能控制的結(jié)合是STEP－NC的優(yōu)勢之一，通過分析每一次的加工數(shù)據(jù)，可以對加工參數(shù)進(jìn)行修正。關(guān)于STEP－NC與智能加工相結(jié)合的研究還處于起步階段。Ridwan提出一種進(jìn)給速率優(yōu)化算法，并對粗加工和精加工兩種情況進(jìn)行了區(qū)分，以切削力和切削功率為約束，對切削狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和分析，并不斷優(yōu)化切削參數(shù)［67］。之后Ridwan又進(jìn)一步提出了基于加工狀態(tài)監(jiān)測的STEP－NC智能數(shù)控加工方法，并建立了具有離線優(yōu)化、加工狀態(tài)監(jiān)測和知識收集與評估功能的STEP－NC智能數(shù)控系統(tǒng)［68］。

目前，對于STEP－NC智能加工的研究還較少，但在今后的研究中，基于STEP－NC的智能加工將成為一個研究熱點。同時，智能加工能夠充分體現(xiàn)STEP－NC的優(yōu)勢，也對數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)提出了更高的要求。

3 分析與展望

經(jīng)過十多年的發(fā)展，常用加工方法的STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)制定已基本完成，相關(guān)研究也很多。通過對近10年來的STEP－NC相關(guān)研究領(lǐng)域成果的分析和總結(jié)，歸納出當(dāng)前研究中存在的不足與未來的發(fā)展方向：

（1）在STEP－NC制造系統(tǒng)架構(gòu)研究方面，初期的主要方案是在傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，添加用于處理STEP－NC數(shù)據(jù)的插件。這種方案沒有針對STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)的特點對系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃與設(shè)計，不能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，與以G代碼為數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的制造系統(tǒng)相比，效率和功能上不占優(yōu)勢，因此在之后的STEP－NC制造系統(tǒng)架構(gòu)研究中很少采用。但是這一方案可以最大程度地兼容現(xiàn)有加工設(shè)備，減少系統(tǒng)升級的成本。目前的研究熱點是先進(jìn)制造系統(tǒng)與STEP－NC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合，以集成化、分布式和網(wǎng)絡(luò)化等架構(gòu)為基礎(chǔ)，以STEP－NC為數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，擴展制造系統(tǒng)的功能，提高產(chǎn)品制造過程的開放性、交互性與智能性。這種方案能夠充分利用STEP－NC文件中包含的高層產(chǎn)品信息，為零件設(shè)計、工藝規(guī)劃、零件加工和檢測等環(huán)節(jié)的智能化提供數(shù)據(jù)上的支持，同時為各環(huán)節(jié)間的交互創(chuàng)造了條件，因此將成為未來智能數(shù)控系統(tǒng)的主流形態(tài)。但是很多先進(jìn)制造系統(tǒng)架構(gòu)還停留在概念階段，在具體應(yīng)用中只實現(xiàn)了部分系統(tǒng)功能，例如基于STEP－NC的工藝規(guī)劃、文件解釋和加工仿真等。而在基于STEP－NC數(shù)控加工、在線工藝規(guī)劃、閉環(huán)加工和智能加工等核心環(huán)節(jié)上還沒有成熟的理論與方法，這些將成為未來一段時間需要解決的主要科學(xué)問題。同時，先進(jìn)制造系統(tǒng)需要更加智能化的制造設(shè)備，而傳統(tǒng)制造設(shè)備的更新?lián)Q代還需很長時間，因此在STEP－NC的應(yīng)用和推廣過程中會遇到很多阻力。如何在先進(jìn)STEP－NC制造系統(tǒng)架構(gòu)中充分利用現(xiàn)有的制造設(shè)備，將成為未來一段時間需要解決的主要技術(shù)難點。

（2）在基于STEP－NC的CAD/CAPP/CAM 技術(shù)研究方面，主要的科學(xué)問題與技術(shù)難點是制造特征識別理論與方法和工藝規(guī)劃策略。從目前的情況來看，大部分研究的重心在于STEP－NC文件處理軟件的開發(fā)。主流的CAD/CAM軟件都具備了生成和讀取包含AP－203/AP214數(shù)據(jù)的STEP文件的功能，而且在幾何模型處理、顯示和操作等方面具有強大的功能，但是不能讀取STEP－NC文件。STEP Tools公司開發(fā)的STEP－NC Machine軟件能夠讀取、處理和輸出STEP－NC文件，但與常用的CAD/CAM系統(tǒng)相比，功能還不夠完善。將兩者的優(yōu)勢相結(jié)合的合理方案是利用CAD/CAM軟件提供的二次開發(fā)組件實現(xiàn)與零件幾何模型處理相關(guān)的功能，利用軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)與STEP－NC文件處理相關(guān)的功能。Catia、UG和Open CASCADE等CAD/CAM軟件都提供了功能強大的二次開發(fā)套件，ST－Developer和SCL類庫等開發(fā)包為STEPNC文件處理軟件的開發(fā)提供了便利。在制造特征識別、工藝規(guī)劃與刀具軌跡生成方面，基本上直接沿用了原有的CAD/CAM系統(tǒng)功能，即手工選取加工平面，手工輸入或部分自動確定工藝路線和加工參數(shù)，通過后置處理生成刀具軌跡，然后通過G代碼或其他中間指令輸出。在一些研究中開發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)能夠以STEP－NC文件的形式輸出，但是需要在后續(xù)環(huán)節(jié)中轉(zhuǎn)換為中間代碼才能被數(shù)控系統(tǒng)所識別。工藝規(guī)劃大多采用離線方式，而且需要很多人工操作，缺乏自主規(guī)劃與推理功能。CAPP是機械加工領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是STEP－NC制造系統(tǒng)的一項核心技術(shù)，因此是這一領(lǐng)域的研究重點。

（3）在 STEP－NC 數(shù)控技術(shù)研究方面，STEPNC文件的讀取和處理是核心。從目前的研究來看，基于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的研究都采用間接解釋方法，通過外置或內(nèi)置的CAM組件將STEP－NC文件轉(zhuǎn)換為G代碼或其他中間運動控制代碼。這種方案和傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)一樣，只利用了底層的運動控制指令，沒有利用STEP－NC所包含的高層產(chǎn)品信息，因此不能發(fā)揮STEP－NC的優(yōu)勢，而且多次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程也降低了生產(chǎn)效率。隨著開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，STEP－NC文件的直接解釋成為了現(xiàn)實。同時，開放式數(shù)控系統(tǒng)能夠根據(jù)需求進(jìn)行擴展，為智能數(shù)控技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。從目前的開放式STEP－NC數(shù)控系統(tǒng)研究情況來看，大部分系統(tǒng)在實際加工中只能嚴(yán)格按照STEP－NC文件內(nèi)部所規(guī)定的工藝路線與加工參數(shù)進(jìn)行加工，缺乏自主規(guī)劃和決策能力。在STEP－NC文件的自適應(yīng)解釋研究方面，還處于探索階段。STEP－NC數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是智能化和網(wǎng)絡(luò)化，STEP－NC包含豐富的高層產(chǎn)品信息，為數(shù)控系統(tǒng)的智能化提供了數(shù)據(jù)上的支持；STEP－NC文件能夠以XML格式輸出，為數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化提供了便利。未來一段時間的主要研究重點在于STEP－NC文件直接解釋方法的進(jìn)一步完善和自適應(yīng)解釋方法的進(jìn)一步探索。

（4）在基于STEP－NC的檢測與反饋技術(shù)研究方面，主要內(nèi)容是標(biāo)準(zhǔn)的制定和相關(guān)理論與技術(shù)的研究。目前關(guān)于檢測與反饋的STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，還處于制定階段。需要建立相應(yīng)的STEP－NC數(shù)據(jù)模型，表達(dá)需要檢測的內(nèi)容、檢測方法、檢測結(jié)果和檢測工步等，并建立完整的檢測工藝規(guī)劃、檢測結(jié)果反饋和檢測結(jié)果處理機制。在基于STEP－NC的檢測與反饋技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，主要研究方向是閉環(huán)加工理論與方法。主要科學(xué)問題與技術(shù)難點在于檢測結(jié)果的反饋與處理機制。從目前的研究來看，對于檢測結(jié)果的處理機制還不夠完善，只考慮了對本次加工誤差的修復(fù)，沒有更深入地討論誤差產(chǎn)生的根源。檢測內(nèi)容只包含加工結(jié)果，沒有考慮加工過程狀態(tài)信息，對于兩者間的關(guān)系沒有進(jìn)行分析。在閉環(huán)加工實現(xiàn)方法上大多沿用了以往的制造系統(tǒng)，雖然能夠?qū)z測結(jié)果反饋給上游環(huán)節(jié)，但是各環(huán)節(jié)間的聯(lián)系不夠緊密，沒有實現(xiàn)工藝規(guī)劃、加工和檢測各環(huán)節(jié)的有機結(jié)合和協(xié)同工作。隨著開放式數(shù)控技術(shù)和智能數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，基于STEP－NC的閉環(huán)加工理論與方法將進(jìn)一步完善，同時通過與智能加工的結(jié)合，最終實現(xiàn)工藝規(guī)劃、零件加工、加工過程監(jiān)測和加工結(jié)果檢測各個環(huán)節(jié)的集成，建立起更加完善的閉環(huán)制造系統(tǒng)。

（5）在基于STEP－NC的智能加工技術(shù)研究方面，主要方向是加工參數(shù)的離線優(yōu)化和實時調(diào)整。目前大多數(shù)研究都是針對加工參數(shù)離線優(yōu)化的，在工藝規(guī)劃過程中，利用各種人工智能算法和專家系統(tǒng)進(jìn)行推理和計算，在滿足一定約束的條件下選擇一組最優(yōu)的加工參數(shù)，然后寫入STEP－NC文件中，由數(shù)控系統(tǒng)讀取并加工。這一模式與以往的加工參數(shù)優(yōu)化過程基本相同，只是在信息交換過程中應(yīng)用了STEP－NC標(biāo)準(zhǔn)；而數(shù)控加工過程中的智能加工一般是根據(jù)實時采集的加工狀態(tài)對部分加工參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整，以達(dá)到降低切削力、抑制振動和溫度補償?shù)饶康?，沒有充分利用STEP－NC中所包含的高層信息。因此在目前的研究中還沒有建立起完善的基于STEP－NC的智能加工理論與方法體系。隨著數(shù)控系統(tǒng)功能的不斷增強，可以將STEP－NC中的高層信息、實時加工過程狀態(tài)信息和加工結(jié)果檢測信息同時輸入數(shù)控系統(tǒng)，建立智能信息處理機制，對三者間的的關(guān)系進(jìn)行分析，在加工前、加工中和加工后不斷對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的參數(shù)保存在STEP－NC文件中，最終建立起完整的基于STEP－NC的智能加工理論與方法體系。這將是未來的研究熱點之一。

總之，STEP－NC將作為下一代數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入標(biāo)準(zhǔn)，得到廣泛應(yīng)用。未來的STEP－NC制造系統(tǒng)將以開放式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以智能化為主要特征，以全球化為工作模式，最終建立一個集成產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工與檢測的協(xié)作式制造系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

STEP－NC將帶來機械制造業(yè)的下一次變革，新標(biāo)準(zhǔn)的實施使各國的設(shè)備制造商回到同一起跑線上，因此我國應(yīng)當(dāng)抓住機遇，爭取盡早研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、穩(wěn)定可靠的應(yīng)用系統(tǒng)，在新一輪的國際競爭中占據(jù)有利地位。應(yīng)將以下5個方面作為重點研究領(lǐng)域：STEP－NC制造系統(tǒng)架構(gòu)研究、基于STEP－NC的 CAD/CAPP/CAM 技術(shù)研究、STEPNC數(shù)控技術(shù)研究、基于STEP－NC的檢測與反饋技術(shù)研究和基于STEP－NC的智能加工技術(shù)研究。其中基于STEP－NC的 CAD/CAPP/CAM 技術(shù)研究和STEP－NC數(shù)控技術(shù)研究構(gòu)成了STEP－NC制造系統(tǒng)的核心與基礎(chǔ)。目前，在STEP－NC制造系統(tǒng)架構(gòu)研究方面更多的是概念結(jié)構(gòu)，先進(jìn)制造系統(tǒng)與STEP－NC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合將成為未來的主要發(fā)展方向。閉環(huán)加工與智能加工將是未來數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，能充分體現(xiàn)STEP－NC的優(yōu)勢，并能夠使數(shù)控系統(tǒng)與CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的交互性與協(xié)作性更強?？傊?，國內(nèi)STEP－NC技術(shù)發(fā)展之路任重而道遠(yuǎn)。

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