在CNC中生成step文件的方案.docx
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在CNC中生成step文件的方案
在CNC中生成step文件的方案
摘 要
STEP-NC(ISO14649)是STEP标准在CNC领域的新扩展,重新规定了CAX与CNC之间的接口,将产品的设计信息与制造信息完整联系起来,消除CAM的后处理系统,实现了CAX与CNC之间双向无缝信息流通,极大地方便了系统间的信息交换和共享。
根据STEPTOOL公司的预测,STEP-NC将在未来十年内逐渐成为数控技术的最终标准。
论文在详细研究STEP-NC体系原理的基础上,针对一个具体的CAD文件,开发了“STEP-NC程序生成器V1.0”。
目的在于从程序的层面,用软件方式来实现CAD文件的特征自动提取,最终生成STEP-NC程序源代码。
程序生成器V1.0采用面向对象的软件开发思想,基于VisualC++6.0中MFC的Dialog形式建立,利用MFC类库的软件资源,实现系统预定的功能。
系统主要部分有2个功能模块,第一模块是特征提取,利用DXF图形交换文件进行二次开发,对CAD文件进行基于STEP-NC制造特征的提取,并生成与之相应的EXPRESS实体语句。
第二模块是ISO14649源代码自动生成,在VisualC++6.0下,实现由零件特征EXPRESS语句生成相应程序源代码,以及零件完整的ISO14649源代码生成。
论文重点分析了STEP-NC体系结构特点、建模语言EXPRESS、数据模型及加工程序文件,构造利于加工信息表述的系统核心数据库,建立了STEP-NC的形式化描述语言EXPRESS到C++语言的映射。
为“STEP-NC程序生成器V1.0”的进一步研究和开发工作,做了必要的基础性的研究工作。
图[31]表[12]参[65]
关键词:
产品数据交换标准;ISO14649;制造特征;STEP-NC;VC++
分类号:
(TH164)
Abstract
STEP(ISO14649)expendsSTEPstandardsintotheareaofCNCandredefinitionthedatainterfacebetweenCNCandCAXandintegratesthedatainformationofproductdesignandmanufacturingwell.IteliminatespostprocessorsystemofCAMandrealizestheseamlessbir-directionalinformationstreambetweenCAMsystemandCNC.Itmakesinformationexchangingandsharingamongsystemsconveniently.AccordingtoSTEPTOOL'sforecast,STEPwillbecometheultimatestandardofNCtechnologygraduallyinthenextdecade.
OnthebaseofstudyingpriceplesofSTEPsystem,aimingatspecificCADfile,“STEP-NCprogramgeneratorV1.0”isinvented,whichintendstousesoftwaremethodintheprogramleveltorealizeautomaticextractionoffeatures,andgenerateSTEP-NCsourcecodeeventually.
BasedonMFCDialogformofVisualC++6.0andutilitiyingobject-orientedthinkingofsoftwareandMFCsoftwareresource,theProgramgeneratorV1.0isestablishedtorealizeanticipatedfunctionofprogramsystem.Thesystemhastwofunctionalmodulesmainly.ThethefirstmoduleisafeatureextractionwhichusesDXFdrawingexchangingfilestodevelopsecondarytoextractfeaturesofCADfilebasedonSTEP-NCfeatureandgeneratescorrespondingENTITYEXPRESSstatement.ThesecondfunctionalmoduleisaboutautomaticgenerationofsourcecodeofISO14649.underVisualC++6.0developingenvirionment,generaingcorrespondingresoureofpartfeaturefromapartfeatureEXPRESSstatementandgeneratingcompleteISO14649sourcecode.
PapersfocusesonSTEParchitecturefeatures,modelinglanguageEXPRESS,data-modelandconstructscoredatabasewhichcanexpressinformationwell.AndmappingfromformaldescriptionoftheC++languagetoEXPRESSlanguageisestablished.doingthenecessarybasicresearchfor"STEP-NCProgrameGeneratorV1.0"furtherresearchinganddevelopingwork.
Figure[31]table[12]reference[65]
KeyWords:
step;ISO14649;Manufacturingfeature;STEP-NC;VC++
Chinesebookscatalog:
TH164
Contents
注释说明清单
AIMApplicationInterpretedModel应用解释模型
AMTAdvancedManufacturingTechnology先进制造技术
APIApplicationProgramInterface应用编程接口
APSApplicationProtocols应用协议
ARMApplicationReferanceModel应用参考模型协议模式
CTEC1ear-TextEncoding正文编码
DAIDataAccessInterface数据访问接口
ISO-DISDraftInternationalStandard国际标准草案
SDAIStandardDataAccessInterface标准数据存取界面
STEPStandardfortheExchangeProductModelData产品数据模型交换标准
STEP-NCDatamodelforComputerizedNumericalControllersISO14649计算机数字控制器数据模型
引 言
制造业是国民经济和综合国力的支柱产业。
决定制造业最主要的因素是技术的创新和领先。
先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology,AMT)是制造业不断吸收机械、电子、计算机与通信、控制理论、人工智能及现代系统管理等方面的新成果,并将其综合应用于产品设计、制造全过程,实现优质、高效、灵活生产,达到理想的技术经济效益和社会效益,提高对产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称[1-6]。
数控加工技术是先进制造技术中的一个重要分支,它集传统的机械制造技术与计算机技术、现代控制、信息处理、网络技术等于一体,是机械制造业的共性和基础技术。
数控加工技术把传统制造业推进到了信息化制造时代,是现代工业实现自动化、柔性化生产的基础。
1952年美国把计算机技术应用到了机床上,全世界第一台数控机床诞生。
在其后的50年间数控系统的信息交换都是基于ISO6983标准,采用G,M代码描述如何(HOW)加工,其本质特征是面向加工过程,目前是越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要[7]。
为此,国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准STEP-NC。
产品信息的标准化是当前制造业信息化发展的一种趋势,STEP-NC是采用STEP规范的数控领域数据接口标准。
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模型信息的标准化。
STEP-NC的控制器将不再使用G、M代码来编程,而使用STEP标准的三维产品数据模型加上工艺和刀具信息直接产生加工程序[8]。
STEP-NC采用符合STEP(ISO10303)的三维几何模型,加上工艺信息后直接作为数控系统的编程语言(AP238),消除CAM与数控系统之间的信息流瓶颈,并基于STEP建立起支持产品全生命周期的数据标准。
不仅可以解决目前数字制造系统中信息模型不统一、系统不兼容等问题,更重要的是,它使从设计到制造阶段的信息双向流动,为真正实现制造业信息化提供基础条件[9]。
1绪论
1.1STEP标准简介
1.1.1传统G、M代码不足
传统数控系统一直沿用从CAM到CNC控制器的ISO6983数据标准(也称为RS274D)。
IS06983的本质特征是面向过程,描述如何加工。
文件包含一系列机床主轴控制指令:
G代码定义刀具运动;M代码定义辅助操作。
首先RS274D的代码没有给CNC指明加工对象和加工原理信息,也无法在控制器上进行优化。
机床销售商为了控制各自机床的新特性,将专用代码添加到各自版本的RS274D中,导致许多程序的互不兼容,最大的CAM软件支持后置处理器多达4500种左右[10]。
其次是现在的CAD/CAM系统以及CNC控制器虽然已经能处理3D数据,但从设计到制造过程仍然没有充分使用3D信息。
最后,目前的CNC与CAD/CAM之间的数据交换为单向传输,落后的IS06983接口远不能满足数控技术高速发展的需要,其主要缺陷见表1-1。
表1-1ISO6983主要问题
Table1-1MainissueofISO6983
缺陷
影响
现场编程/修改非常困难,对于稍复杂的加工对象,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
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它信息
无法获得完整的产品信息,不能实现智能化。
从CAD/CAM到CNC的传输过程是单向的
不能支持先进制造模式
覆盖面太窄,厂商需要开发各自的扩充功能和专有指令
不同控制系统之间不兼容
生产准备时间长
生产效率低
不支持基于样条数据的五轴铣和高速加工
不适应数控技术高速发展
由于目前ISO6983数据标准不能使CNC系统获得完整的产品数据信息,并且造成控制系统之间互不兼容。
随着CAX技术的快速发展和越来越普遍的应用,大量的越来越复杂的3D设计数据在制造过程中造成了越来越多的信息误解和识别错误。
据报道,由于各个企业采用不同系统、不同数据格式而造成产品数据之间相互不兼容给全球制造业造成的损失己多达900亿美元,并且这个问题仍然困扰着人们[11]。
因此产品数据模型的统一和共享对制造业变得越来越重要!
1.1.2STEP的产生与现状
1.STEP的产生
STEP(StandardfortheExchangeProductModelData)标准是国际标准化组织(ISO)工业与自动化与集成技术委员会(TC184)下属的第四分委员会(SC4)开发的,目的是为了使产品信息在不同的应用系统之间的交换保持完整性和一致性以实现产品数据能在全球范围内共享,标准号ISO10303。
STEP提供了一个独立于任何一个CAX系统的中性机制来描述整个产品生命周期的产品数据,是一个关于产品数据计算机可理解的表示和交换的国际标准。
STEP的一整套标准称为应用协议(ApplicationProtocols),用以在不同的应用环境中描述产品信息,使之能够共享代码和数据,因此新增协议能够继承原有协议的定义。
在STEP的相关协议中,AP201和AP203等面向几何、拓扑的应用协议应用最为广泛,而对于全局产品数据模型,则还需要AP224和AP214的支持。
STEP应用协议AP214与AP224分别定义了面向CAD与CAPP的形状特征模型,为特征建模的标准化提供了依据——任意CAX系统的特征模型只要与STEP特征模型兼容,就可以通过STEP工具共享特征信息[12]。
STEP标准的核心是一系列可以拿来重复使用的工程定义目录多项应用议定书(APs)。
简单地说,STEP为CAD产品数据标准提出了定义,其内容包括:
几何、拓扑、公差、关系、属性、构件、结构及其他内容。
STEP能描述产品整个生命周期的信息数据,保证产品数据的完整和一致,保证信息理解的一致性[13]。
不仅适合于中性文件交换,而且是实现和共享产品数据库以及产品数据长期存档的基础[14]。
1.1.3STEP标准的体系结构及特点
1.核心思想
STEP的核心思想包括:
层次结构概念(应用层、逻辑层、物理层)、EXPRESS信息建模语言定义产品数据模型、多种信息交换途径等[15]。
2.体系结构组成
(1)STEP的组成[16]
STEP标准包括五个方面的内容,见表1-2。
表1-2STEP标准主要方面的内容
Table1-2MaincontentofSTEPstandard
序号
内容
Part-1
描述方法(DescriptionMethods)
Part-2
集成资源(IntegratedResources)
Part-3
应用协议(ApplicationProtocols
Part-4
实现方法(ImplementationMethods)
Part-5
—致性测试(ConformanceTesting)
和抽象测试集(AbstractTestSuites)
这五个方面的内容又被分成七个系列文件:
0、10、20、30、40、100和200系列,表1-3列出了各系列文件。
表1-3STEP的7个系列文件
Table1-3SevenseriesofSTEPdocuments
0系列
1
Overview&FundamentalPrinciple/概述和基本原则
10系列:
描述方法
11
EXPRESSLanguage/EXPRESS语言
20系列:
实现方法
21
PhysicalFileFormat/物理文件格式
22
STEPAccessInterface/STE/存取接口
30系列:
一致性测试方法
31
ConformanceTestingMethodandFramework
–GeneralConcepts/一致性测试方法与框架概念
32
RequirementonTestConf.AsseamentProcesss/一致性测试要求
33
AbstractTestSuitespec/抽象测试成套规范
34
AbstractTestMethodforeachImplementationMethod
/对每个实现方法的抽象测试
40系列通用产品模型
41
GenericProductDataModel/基本产品数据模型
42
ShapeRepresentation/形状表示
43
ShapeInterface/形状接口
续上表1-3
44
ProductstructureConfigurationManagement/产品结构管理
45
Material/材料
46
Presentation/显示
47
Tolerancer/公差
48
FormFt/形状特征
49
ProductLifeCycleSupport/产品生命周期支持
100系列:
应用资源
100
DraftingResources/绘图资源
102
ShipStructures/船舶结构
103
ElectricalFunctional/电子功能
104
FiniteElementAnalysis/有限元分析
105
Kinematics/运动学
200系列:
应用协议
201
ExplicitDraughting/二维图协议
202
Droughtingwith3-DGeometry/三维几何图协议
203
ConfigurationControlled3-DProductDefinition/三维产品定义设置
204
BoundaryRepresentationSolidModelsAP/边界表示实体模型协议
205
SculpturedSurfacesAP/雕塑曲面应用协议
ProductConfiguration&ChangeManagement/产品设置和更改管理
(2)STEP体系结构
STEP采用全新的设计思想,将七个系列文件构成如图1-1所示的三个层次结构:
应用层、逻辑层、物理层。
应用层:
是面向具体应用的层次,包括应用协议及对象抽象测试集,用专门术语(IDEF1X)描述的某种应用信息模型;
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EXPRESS描述的;
物理层:
包括具体的数据交换实现实现方法,它是通道一定规则,将EXPRESS描述的产品模型转变成易懂的正文编码(C1ear-TextEncoding)形式。
STEP的这种结构的优点是将产品的信息描述与为进行数据交换而采用的实现方法分开处理。
集成资源:
是用EXPRESS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(40系列)是不依赖具体应用的通用产品信息描述;应用资源(100系列)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、电子、有限元分析等;EXPRESS语言是定义对象、描述概念模式的形式化建模语言。
利用这种形式化语言,能够保证描述的难确性、一致性和可读性。
它不仅提供了对集成资源中产品模型的描述机制,而且它也支持各种应用协议中的产品信息描述。
应用协议:
是支持STEP在广泛应用领域的基础,它以文件方式说明如何用标准STEP的集成资源来解释不同应用系统的信息需求,即根据不同应用领域的实际需要,对集成资源进行选取、修改、补充特殊的约束、关系、属性,形成应用解释模型(AIM)。
(3)数据交换实现方法
STEP有三种实现方法:
文件交换,应用编程接口(API)和数据库。
文件交换:
是最常用的一种交换方法,它是通过WSN语言(WirthSyntaxNotation)将EXPRESS语言描述的产品数据模则转换成易读的正文编码——含有标题段和数据段顺序文件。
应用编程接口法:
也称标准数据访问技术(SDAI),应用程序利用STEP的SDAI来获取和操作数据,不必关心原有应用软件及其数据结构的定义形式。
数据库交换:
通过共享数据库实现的,数据库的内部格式与应用解释模型的格式一致,应用系统可以直接向数据库进行查询、存储数据。
(4)产品模型描述
STEP采用面向对象的信息建模方法,它所描述的产品信息分成基本模型和应用模型两部分。
基本模型是各种应用模型的基础,与产品应用领域无关。
它包括下述部分信息模型:
几何模型(Geometry),拓扑模型(Topology).形状模型(Macrogeometry),形状特征模型(FormFeature),公差模型(Tolerancing),表面状况模型(SurfaceCondition),材料模型(Material),显示模型(Presentation)。
应用模型是这些基本模型上的附加信息。
这些附加信息对产品的应用领域是必不可少的。
STEP产品数据规范涉及机械、电子、航空、航天、造船、汽车、建筑等多项有关工业领域,为许多应用领域提供了统一产品信息描述方法。
2.STEP特点及其优势
STEP是由许多个分部组成。
它的基本分部己经完成并公布,其它部分多数正在制定和发展中。
这部分标准除了专门的工业信息外,还包括了一些通用领域如:
测试过程、文件格式和编程接口。
STEP主要部分见表1-4:
表1-4STEP内容组成及完成情况
Table1-4ContentandaccomplishmentofSTEP
名称
内容
制定完成情况
基层结构
主要规定了测量、文件格式、编程界面等共性问题,
大部分已完成
信息模型
定义与行业有关的应用协议及资源信息。
其中应用协议是STEP的主要内容,是STEP数据交换的基础
已制定或正在制定的有关工程设计与制造方面的STEP应用协议共38个(AP201-AP238)
STEP把产品信息的表达和用于数据交换的实现方法区分开来。
它把所有分标准分成六类,每一类包含若干Part,这些类及相应包含的部分编号如表1-5[17-21]。
表1-5六类STEP产品信息
Table1-5SixsortsofSTEPproductioninformation
类别
编号
备注
描述方法类
Part11-Part19
/
集成资源类
一般资源
应用资源
/
Part41-Part99
Part101-Part199
应用协议类
Part201-Part1199
/
一致性测试方法论和框架类
Part31-Part39
/
抽象测试集类
Part1201-Part2199
对应与应用协议的
Part201-1199
实现方法类
Part21-Part290
/
STEP的主要优点主要见表1-6[22]。
表1-6STEP优点
Table1-6AdvantagesofSTEP
优点
具体表现
现状
可扩展性
描述三维实体复杂性语言EXPRESS可以将STEP向任意工业领域扩展
在数控领域的新标准STEP-NC
描述数据结构,定义约束关系,防止二义性
支持三维产品数据、包括设计、分析、制造、测试、检验零部件或机构所需的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等数据的表达与交换
/
国际性标准
从应用需要角度出发,按照用户的总体需要,由用户的群体制订,功能性较好,不会轻易被修改[23]
新版本CAD增加了STEP接口
1.2产品数据交换标准STEP-NC
1
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