0 引言

　　數控(Numerical contr01，NC)是數字制造的起源，是先進制造的核心技術之一。現代的計算機數控(computer Numerical control，CNC)機床在注重單機高速、高效、高精度、高可靠性的同時，正向著開放性、智能化、網絡化等方向發展。同時，隨著計算機輔助設計(computer Aided Design，CAD)和計算機輔助制造(computer Aided Manufacturing，CAM)技術在數控編程和加工領域的廣泛應用，如何實現CAD／CAM系統與CNC機床的集成，成為學術界和制造業關注的焦點。于是，人們提出了一種與產品模型數據交換標準(STandard for theExchange of Product model data，STEP)(ISO10303)兼容的數控數據接口(STEP-compliant NCdata interface，STEPNC)，作為新的數控編程規范來取代目前廣泛應用的ISO 6983(G代碼)。經過數年的研發和論證，STEP—NC的基本數據模型已被接受為國際標準(ISO 14649)。學術界普遍認為，充分利用這種sTEP兼容式的數控加工(STEPCompliant Nc Manufacture)將會極大地提高制造業的競爭力。同時人們也意識到，以STEPNC取代傳統的G代碼編程不但是CAM與CNC接口的改變，而且是對現代制造系統及技術的巨大挑戰和發展機遇。

　　STEP-NC最早由歐洲的OPTIMAL(EsPRITIII 8643，1994～1997)項目組提出，該計劃針對銑削工藝定義了第一版sTEPNc數據模型。2000年前后，歐共體、瑞士、美國、韓國等相繼啟動了STEPNC研究計劃，并共同承擔了智能制造系統(Intelligent Manufacturing system，IMs)組織的研究項目(IMS STEP-NC)。STEPNc隨之成為世界性的研究熱點，文獻[5]對此作了較為詳盡的綜述。近年來，隨著數據模型和驗證系統的研發，STEP兼容式數控加工的實現方法和技術逐漸成為STEP-NC研究的重點，如何實現和推廣STEPNC在數控加工領域的應用，以及如何借助STEPNC實現相關系統的無縫集成，已成為學術界和企業界共同追逐的目標。

1 STEP-NC概要

　　1.1 基本思想和特點

　　STEP-NC要求數控編程擯棄過去那種描述具體機床動作和刀具運動的做法，而是采用與CAD／cAM模型兼容的數據模型作為CAM系統與CNC之間的數據接口，以面向對象的方式采用高級語言描述加工任務。

　　STEPNC不依賴于具體的CAM系統或數控系統，因而既有利于數控編程，又提高了數控程序的可移植性;其次，基于STEPNC的數控程序較全面地描述工件的制造信息，為現場檢查甚至優化加工方案(智能加工)提供了基礎條件；再次，STEPNC將STEP的應用范圍延伸到底層制造領域，從而實現CAD，CAM，CNC之間的無縫連接，減少中間環節，使產品設計與制造系統之間的信息流動更加通暢，而且可以基于同一數據模型實現加工現場數據的回溯，對于加工過程的數據更新、方案優化和知識獲取等有著重要的意義。另外，STEPNC的這些特點使得產品的設計和制造可以擺脫系統平臺和物理位置的束縛，實現異地設計、異地規劃和異地制造的目標，為并行工程、敏捷制造等先進生產模式提供了技術基礎。

1.2 核心概念

　　STEP-NC是一種旨在全面描述零件幾何信息和數控加工工藝信息的數據模型。它將面向對象的方法引入到數控編程領域，通過特征、工步等一系列特有的概念描述零件的數控加工同題。

　　特征是工件上具有特定幾何形狀的一部分。STEPNC中的特征專指制造特征(manufacturingfeature)，與cAD中的特征概念之間沒有一一對應的關系。其制造特征分為域特征(region)、2．5軸制造特征(Tw05D manufacturing feature)和過渡特征(transition feature)。

　　零件的加工是通過對工件上一系列特征的加工來實現的，具體方法稱為操作。Iso 14649中，操作可以是對工件某一部分進行加工處理的過程，即機加工操作(machiningoperation)，也可以是一次快速移動(rapitmovement)或探測(toucnprobing)。根據加工工藝的不同，機加工操作可以是銑削操作(millingmachiningoperation)，也可以是車削(turningmachiningoperation)或其他操作。通常一個機加工操作中不能有刀具或工藝參數(technology)的變動。具體操作信息通常包括工藝方法、刀具(machining_tool)、走刀策略(strategy)、工藝參數、機床輔助功能(machine_functions)等。

　　STEP-NC程序的執行順序是通過一系列可執行體(executable)來體現的。值得一提的是，操作雖然是特征的具體實現方法，但它本身不是可執行體。可執行體包括工作計劃(workplan)、Nc功能(NC function)和工步(workingstep)。其中工步是對工件制造過程中機床具體動作的概括性描述，即運用一定的操作(operation)完成某一任務，被認為是STEP NC數控程序的基本單位。

2 STEP-Nc的實現方法

　　2.1 從數據模型到數控程序

　　2.1.1 基于應用參考模型的實現方案

　　STEP-NC在許多方面(如建模語言、文件格式等)參考或直接引用了sTEP(ISO 10303)，因而被公認是一種與sTEP兼容的數據模型，但關于兩者的準確關系卻存在著分歧。部分研發人員[B3認為，STEP-NC的實施必須優先考慮數控加工的特殊需要(而不是sTEP方法論)，它應該：①利于編程；②提供全面的信息；③以合理的數據結構將數控加工中的幾何信息和制造信息組織起來。

　　基于這一觀點，ISO／TC 184／SCl(國際標準化組織工業自動化系統和集成委員會物理裝置控制分委員會)制訂了一個獨立的標準ISO 14649。所以在一定意義上，STEP-NC(ISO 14649)與sTEP是兩個標準。正因為如此，ISO 14649中給出的數控程序并沒有特意使用STEP的集成資源，而是將ISO 14649中的EXRESS定義實體直接映射為STEPNC程序中的實體實例(參閱Iso 1464911附錄F)。這樣得到的數控程序與一般的STEP文件在形式上顯然存在著差異。

2.1.2基于應用解釋模型的實現方案

　　也有一部分研發人員認為，STEPNC是sTEP向數控加工領域的拓展，或者是數控領域的sTEP，因而應當與sTEP完全兼容。基于這一觀點，ISO／TC 184／sc 4(工業數據分委員會)將sTE卜NC作為sTEP的一部分，具體地說是其中的一個應用協議，即STEP AP 238或ISO 10303238。

　　通常，按照sTEP方法，一種應用協議的實際應用(如本文中的數控編程)需經過以下過程：①進行功能分析，建立應用活動模型(Application ActivityModel，AAM)；②對AAM進行抽象，建立應用參考模型(Application Reference Model，ARM)}③根據AAM和ARM，從集成資源中抽出所需資源構件(unit of unctionality)，增加約束、關系和屬性，建立應用解釋模型(Application Interpretation Modei，AIM)；④將AIM映射為具體的文件結構和具體應用系統程序設計語言(如c++，Java等)的描述形式;⑤用程序設計語言實現應用系統的功能。因此，如果將STEP-NC看作是sTEP的一個應用協議，則ISO 14649中定義的數據模型相當于ARM，應該先映射為AIM后才能進一步映射為STEPNC數控程序的文件結構

　　雖然(按照上述觀點)STEP AP 238的范疇更大，但實際上,ISO／TC 184／sc 4目前正在制訂的STEP AP 238主要側重于AIM。STEP Tools公司推出的工具(sT_P1an，sTMachine等，http：／／www．steptools．com)也都是面向AIM的。

　　2.1.3 兩種實現方法的比較

　　STEP—NC是為現代計算機數控機床制訂的一種與STEP兼容的數據接口，而STEPNC的ARM和AIM代表了數據模型建立過程中的兩個階段，表達的對象和內容是一致的，只是描述方式不同。從STEPNc的ARM向AIM映射可以充分利用STEP的資源構件，并保持與STEPCAD，STEPcAM(分別指CAD和CAM領域的數據模型)等的一致；另一方面，這種轉化降低了數控程序的可讀性，增加了后續處理的難度。通常ARM更接近應用領域，便于人類的理解，但沒有實現與sTEP的完全兼容；而AIM更抽象、更復雜一些，但真正體現了與STEP的兼容。

　　基于ARM和基于AIM的數控程序都采用STEP中規定的文件格式(ISO 1030321)，但由于二者在定義方式上的差異，同一個概念(如圖3中的Machiningworkstep)反映在數控程序中的組織形式也往往不同。語句#10為機加工工步按照IsO 14649中的定義直接映射到數據文件(數控程序)的實例，其安全面、被加工特征和操作分別通過#52，#16和#19以屬性的形式給出。語句#160#173#194#315則是由STEP AP_238映射到文件中的形式，其中#194給出了工步的標志；#173將特征和工步聯系到一起；#160將操作和工步聯系到一起；#315指定了操作的安全面，從而間接地將安全面和工步聯系到一起。從這個實例可以看出兩種方案各有優點，但卻存在著矛盾(實現STEP_NC與sTEP的完全兼容或者保持sTEP_NC的簡潔性)。文獻[11]對此也進行了分析，認為在表達同一概念時，AIM數據通常是ARM數據的3倍～7倍。獻[8]認為，AIM不僅造成了數據量的巨增，而且在某些地方甚至偏離了ISO 14649，從而加大了STEP-NC實現的難度。文獻[12]則針對文件的實時翻譯和處理問題，對這兩種方案進行了測試，并提供了對AIM有利的結論。該文獻認為，盡管AIM形式的數據需要較長的處理時間，但這兩種形式的文件都可以直接用作計算機數控機床的實時控制。

　　2.2 應用系統的接口方法研究

　　2.2.1 基本方法

　　STEP-NC數據的交換在理論上(參照STEP的實現方法)有四種方式：文件交換、工作單交換、數據庫交換和知識庫交換。文件交換是最基本的一種方式，即通過物理文件(ISO 1030321)實現數據交換，是當前采用的方式。由于ExPREss本身不是一種實現語言，在實現具體應用系統時還必須將STEPNC的ExPREss描述(ARM或AIM)映射

　　為程序設計語言(如c++，Java等，)，然后用程序設計語言實現sTEP-Nc數據的處理。圖5以Rev01ved_flat(軸肩)為例，表示了利用Java實現對STEPNC數據解釋的基本方法。

　　2.2.2 應用參考模型格式物理文件接口方法

　　Weck[63針對sTEPNC銑削工藝的ARM開發了一套翻譯工具，利用c++實現了數控系統的STEP-NC接口(外部文件向內部數據的翻譯)。其基本方法可以概括為：通過對ExPREss規范的編譯生成基本的c++類和方法(對于兼容性要求較高的應用系統，一般需要專門的工具)，然后通過c++類和方法實現對sTEPNc文件的讀寫和信息處理，最后轉化為數控系統的控制數據。該方法代表了sTEPNc(ARM格式數控程序)翻譯器的基本實現原理。文獻[13]和文獻[14]則基于這一基本方法分別實現了sTEfLNc程序的雙向翻譯。

　　2.2.3 應用解釋模型格式物理文件的實現方法

　　如前所述，由于從ARM到AIM的映射，AIM格式的sTEpNc文件通常非常復雜，一般需要借助專門的工具進行處理。從sTEP的角度，標準數據存取接口(standard Data Access Interface，SDAI)是一種有效的方法，它是sTEP標準中定義的數據存取接口規范(IsO 1030322)i目的是使產品數據的存取和管理與應用系統的具體結構相分離。換言之，只要產品數據模型的ExPREss描述一致，即便是不同的系統也可以實現信息集成。SDAI獨立于編程語言，相當于一套抽象的應用編程接口(Aplication Programm Interface，API)規范和功能定義。用具體編程語言對應SDAI各個接口所定義的功能編制相應的接口函數，稱為語言聯編(1anguage binding)。目前可以與SDAI進行聯編的編程語言有c，C++，Java等，但應用范圍尚局限于設計領域。

　　為了降低STEP-NC數據處理的復雜性，伴隨著AP 238的研發，美國的sTEP—Nc研發組定義了一些專用類，稱為sTIx(sTEP Index library)。STIX是從sT-Developer丁M的ROsE庫中擴展出來的一部分c++類，專門用于sTEP AP 238(Inte—grated-cNcLschema)數據結構的查尋。基于這一方法，文獻[15]利用STIX實現了從STEP—NC程序到數控車床內部數據的轉換，文獻[16]利用sTIx開發了一個STEP-NC銑削程序的解釋器。

　　2.2.4 基于可擴展標記語言的網絡化接口方法

　　為了便于STEP—NC程序的網上傳輸和對異構系統的集成，可擴展標記語言(eXtensible MarkupLanguage，xML)被用于STEPNC程序的描述。文獻[17]用MsxML 3.0作為xML翻譯器，用visual C++實現了銑削數控系統對xML格式sTEPNc數據的接口；文獻[18]則針對sTEP兼容式車削數控系統，重點研究了基于xML的數據處理技術；文獻[19]則針對遠程協同問題研究了STEPlNc應用系統的xML接口方法。XML是一種優秀的網絡語言，它對推動sTEP_Nc的實施，尤其是基于STEP／STEP-NC的網絡制造技術有著非常積極的意義。但值得一提的是，xML在sTEP_Nc中的應用只是數控程序的一種表現形式或者是應用系統的一種實現方式，是建立在STEPNc的ExPREss模型之上的，并非新的數據模型。ExPREss是一種強有力的產品建模語言；而xMI。雖然是一種十分成功的網絡傳輸語言，但起初并沒有考慮產品數據模型的特殊性，因而二者在語義方面頗具差異，將完整的STEPNC數據模型從ExPREss向xML的映射仍然有很多問題需要解決。關于STEP／STEPNC領域的xML接口基本方法請參閱IsO 1030328(標準草案)。

3 應用技術研究和發展趨勢

　　3.1 應用領域的拓展

　　隨著STEPNC在銑削領域的驗證和逐漸被接受，研發工作正向著其他工藝領域拓展。

　　　　另外，STEPNC的AIM(通用模型和銑削)也被接受為標準草案(IsO／DIs 10303238)。為了降低復雜性，AP 238在實際開發過程中被分成四個一致性類(conformance class)供選用：CC1(刀具路徑)只包含主要功能單元及應用對象，CC2(刀具路徑+幾何形狀)在cCl基礎上加入了工件的幾何形狀，CC3(基于特征的描述)加入了制造特征的信息，CC4包含了完整的AP 238數據。這四個類都是AP 238的子集，包含的信息范圍依次擴大。文獻[20]對其中的CC1進行了測試，文中利用AP 238的CC1文件在不同配置的五軸數控機床(內裝解釋器)上進行了實際零件的加工實驗，認為其中的刀位數據具有可移植性。

除此之外，文獻[21]研究了STEP;NC在線切割工藝中的應用并開發了一個原型系統；文獻[22]研發了快速原型工藝的sTEPNc數據模型；文獻[23]研究了與雕刻藝術有關的制造特征，并初步定義了有關sTEP_Nc數據模型，期望借助sTEPNc實現基于知識的加工策略。這些研究大大擴展了STEPNC的應用領域。

　　3.2 數控編程愛CAD／CAPP／CAM

　　數控編程實際上是一個工藝規劃和程序代碼編制的過程。STEP;NC不僅重新定義了數控程序，還意味者數控編程單元和數控加工單元在功能方面的重新劃分。文獻[24]針對鈑金零件研發了一個STEP兼容式計算機輔助工藝設計(computer Aided Process Planning，CAPP)原型系統，旨在采用STEP數據模型實現幾何信息和工藝信息的集成；文獻[25]研究了STEP-NC車／銑工藝數據的集成問題，主要側重于車削零件上非回轉特征的加工。

　　為了充分利用STEP-NC數據模型的優勢，文獻[26]提出將非線性規劃技術引入到加工現場的基本方案，希望通過數控系統的智能化實現數控加工的動態規劃和控制；文獻[27]將Agent技術應用到工藝規劃中，提出通過MFA(manufacturing featureagent)實現基于特征的工藝規劃和編程。

　　為了適應STEPNC的特殊需要，文獻[13]還提出了一種新的現場編程系統SFP(Shop n00r programming)結構，并實現了一個原型系統，主要用于STEP文件向ISO 14649文件或G代碼的轉換；文獻[14]針對目前的技術狀況，提出了基于STEP-NC的三種CAD／cAM實現方案，其中方案1用于在傳統CAD／CAM系統中加STEP—NC接口，方案2要求在cAD／cAM系統內提供對sTEP-Nc數據結構的支持，方案3則要求系統本身采用sTEpNc核心數據結構。該文獻還按照第二種方案實現了一個基本的原型系統(ABCAM)。考慮到現有商業CAD／CAM軟件的需要，sTEP T001s公司還開發了一些軟件工具(如ST_Plan)作為這些軟件的插件，以輔助實現基于STEP／STEP-Nc的數控編程。這些基本方法和原型系統為基于STEP／STEPNC的數控編程準備了基礎條件。

　　3.3 STEP-NC控制器

　　如果僅考慮數據接口問題，則實現sTEPNc控制器最直接的方法，便是在傳統數控的基礎上加裝翻譯器和相應的人機界面。其中的翻譯器相當于一個通用處理器，負責將sTEPc程序轉化為必要的G代碼和M代碼后再輸入Nc內核。基于該方法，歐洲的sTEP_NC研究計劃實現了世界上第一臺sTEP_Nc控制器原型機(銑削)；文獻[15]通過對HERCUs Pc200車床進行改造并開發相應的翻譯器，實現了一個車削加工的控制器原型機；文獻[17]基于一臺簡易機床(sAKAI mm250s3)和PC機．實現了一個直接用xML格式STEP—NC程序驅動的數控銑床。

　　這種方法主要有以下不足：①數控系統仍然只是數控程序的忠實執行者，對上游系統的依賴性大；②太部分數據在從sTEP-Nc到G代碼的轉化過程中丟失，而且數據轉化是單向的；③總體上沒有充分發揮新數據模型的優勢。因此，文獻[26]提出了一種智能型sTEPNc的框架結構，采用內嵌cAM和動態規劃技術，以實現零件的智能加工。在此基礎上，文獻[28]分析了智能數控的類型，給出了基本的實施策略并提出了將Agent技術用于STEPNC控制器的基本方案。文獻[26]和文獻[28]的核心思想是將STEPNC控制器改造為一個集微觀工藝規劃與控制功能于一體的集成系統。基于這一基本思想，文獻[29]等開發了一個STEP-Nc車削數控系統(TurnsTEP)。TurnsTEP包括代碼生成、代碼編輯、自治控制等模塊，實際上相當于一個cAM／CNC集成系統。TurnsTEP原型機的開發展示了STEPNC控制器的巨大潛力和優勢。但是，由于數控加工的高可靠性要求，智能sTEPNc控制器的研發總體上進展緩慢。

　　為了便于在傳統數控的基礎上實現sTEP—Nc控制器，文獻[30]面向實際應用設計了一種稱為BNCL(base numerical controllanguage)的低級語言作為sTE卜Nc接口和數控內核之間的橋梁，并提出了一種基于虛擬機BvM(BNCL virtual machine)和虛擬硬件BVH(BNCL virtual hardware)的軟件結構。該方案的主要優勢在于對多語言環境的支持和系統柔性，從另一個角度為目前的STEpNC控制器研發工作提供了一種參考意見。

　　3.4 相關技術和應用研究

　　文獻[31]給出了一個基本的sTEP兼容式檢測框架，提出用sTEPNC檢測模型(Iso 1464916草案)、sTEP AP 219，以及尺寸測量接口標準(Dimensional Measuring Interface Standard，DMIS)等實現檢測方案與加工方案的集成，以便在加工階段通過對工件的檢測，及早發現問題并予以糾正。這種基于統一數據模型的在線檢測技術是實現STEPNC條件下閉環數控加工(規劃、加工和檢測集成)的重要手段，目前的研究主要集中在探測方案的自動生成和探測工步(Probingworkin98tep)的規劃方面。

　　文獻[32]則進一步提出利用檢測數據進行動態規劃，從而形成一個閉環的規劃和加工流程(CAPP／CAM／CNC)，并且展示了一個原型系統，文獻[33]則探討了低層數據(數字伺服驅動信息)的回饋方法；文獻[34]研發了一個原型系統，采用Agent和神經網絡技術獲取數控加工單元的信息，以實現對分布式數控加工系統的集成和控制。目前關于檢測的sTEPNc數據模型尚處于研發階段。由于sTEPNc控制器研發的相對滯后，如何利用傳統實現sTEP兼容式數控加工自然也成了一個重要的研究方向。文獻[35]研究了基于制造特征(ISO 14649)的零件建模、工藝規劃及數控編程技術的集成技術，重點探討了多智能體技術在工藝規劃方面的應用，用Java語言實現了一個原型系統MASCAPP。它直接利用sTEPNc的制造特征進行零件(僅包含簡單銑削特征)建模，然后生成西門子840D控制器的數控程序。文獻[36]則在此基礎上針對車銑中心的sTEPNC數據處理技術，開發了一個基本的CAPP系統，該系統能夠根據用戶的輸入自動生成符合ISO 1464912的文件，轉化為MPF文件后在西門子控制器上執行。

4 結束語

　　近年來，國內外學者在STEP-NC領域進行了許多探索和嘗試。關于STEP-NC的實現方法，盡管目前還存在一些爭議，但兩種方法在技術上都是可行的，下一階段的主要任務是研發高效且實用的數據處理工具。隨著實現方法的日臻完善，應用系統的接口問題自然迎刃而解。從技術角度看，以后的主要任務將集中在：①數據模型的擴展和完善；②高效STEP—NC接口工具的研發；③支持STEP-NC的CAD／CAM系統的開發；④智能化STEP-NC控制器的實現技術}⑤加工階段知識的獲取與回饋，以及有關系統和數據的集成等。