STEP-NC目錄第1章 STEP標準概述第2章 STEP-NC標準概述第3章 開發工具的研究及其應用第4章 系統的總體設計第5章 三維實體數據模型的建立第6章 制造特征的自動識別第7章 工藝規劃設計第8章 STEP文件的信息生成第9章 基于STIX庫的STEP-NC解釋器第10章 網絡化制造信息交換與平臺設計第11章 實例分析與仿真加工第12章 結論與展望第1章STEP標準概述制造系統是一個涉及到多種過程、多種行為和多種對象的復雜系統。隨著數字制造技術在制造業中的廣泛應用，制造過程的各個階段都在向著數字化的方向發展，并形成了相應的功能系統，為構建數字制造系統打下了堅實的基礎。對產品的形成過程而言就涉及到CAD、CAPP、ERP、CAM、CNC、CAQ等單元系統。顯然，這些分系統的集成是構建數字制造系統的關鍵問題。所謂集成就是根據應用目的定義數據模型和按數據模型表示數據，并在各子系統之間實現數據交換和共享的技術和方法。為實現產品全生命周期內的各系統定義統一的數據模型，而制訂開發了STEP標準。通過STEP中性文件實現任意系統之間的數據交換。盡管目前的STEP應用范圍還主要限于CAD領域，它的體系結構和信息描述語言保證它能夠在統一的規范下向產品生命周期內的各個領域擴展。1.1 STEP標準概述STEP是產品模型數據交換標準（STandard for Exchange of Product Model Data）的非正式縮寫。它是國際標準化組織（ISO）制定的一種用于交換和共享數字化產品信息的國際標準，代號為ISO10303。它的目的是提供一種不依賴具體系統的中性機制來描述產品整個生命周期內的產品數據，同時保持數據的一致性和完整性。產品數據的這種描述，不僅適合于物理文件交換，而且是實現和共享產品數據庫及產品數據的長期存檔的基礎。STEP標準的核心部分由以下幾部分組成：描述產品數據的形式化建模語言EXPRESS語言規范、STEP實現方法、集成資源和一致性測試標準等，還有各個應用協議及STEP標準規定的用來測試某一應用是否與STEP標準一致的抽象測試套件。STEP使用形式化的數據規范語言EXPRESS來描述產品數據的表達。形式語言的使用提高了數據表達的精確性和一致性，有利于在計算機上實現。1.2 EXPRESS語言EXPRESS語言是一種形式化信息建模語言，用于說明某一領域中的對象（object）、對象所具有的信息單元以及對對象的限制與許可的操作。EXPRESS語言是一項國際標準（ISO10303-11），用于描述STEP標準中其他部分的信息需求。EXPRESS語言具有許多優點，以至于它在各工業領域內獲得廣泛的應用，具體優點如下：l 語言不僅能夠為人所理解，而且能被計算機處理，描述的形式化使計算機自動檢查和處理的能力得到提高。l EXPRESS語言能夠區分STEP涉及的復雜內容。l EXPRESS語言與具體的實現無關。l 語言的重點放在實體（Entity）的定義上，實體的定義包括實體的屬性和施加的約束條件。l EXPRESS語言經歷了國際標準化的進程，成為能夠滿足工業需求的標準語言。EXPRESS語言作為一種描述產品全生命周期產品數據的模式語言，既吸收了許多種計算機語言的概念和特點，如Ada，Algol，C，C+，Euler，Modula-2，Pascal，PL/1，SQL等，又吸收了面向對象技術繼承機制，并且擁有豐富的數據類型，還增加了一些新功能，形成了很強的信息表達能力，它不僅用在STEP標準中，在STEP標準之外也獲得廣泛的應用。EXPRESS語言不是一種程序設計語言，如C+語言，也不是一種功能接口語言，如CORBA/IDL，它只是一種描述性語言，不具備輸入輸出語句。EXPRESS語言的基礎是模式（schema），每種模型由若干模式組成，這些模式包含了模型的定義，并且提供了將信息模型進行細分的機制。模式內又分為類型說明（type）、實體（entity）、規則（rule）、函數（function）與過程（procedure）。重點是實體，實體代表了真實世界中的物體，并可以有非常復雜的繼承關系。實體由數據（data）與行為（behavior）定義。數據用來說明要處理的實體的性質，行為表示限制與操作。1.2.1 EXPRESS語言的數據類型EXPRESS 語言的數據類型有簡單數據類型、聚合數據類型、命名數據類型和構造數據類型，共有4 大類15 種，分別為：l 7 種簡單類型：數(NUMBER)，實數(REAL)，整數(INTEGER)，邏輯值(LOGICAL)，布爾(BOOLEAN) ，字符串(STRING) 和二進制(BINARY) ；l 4 種聚合型：數組(ARRARY)，集合(SET )，表(LIST)，包(BAG) ；l 2 種命名數據類型：實體型(ENTITY) 和定義數據類型；l 2 種構造數據類型：枚舉型(ENUMERATION) 和選擇類型(SELECT) ；對于描述簡單對象可以用簡單類型數據,而復雜對象往往要通過多種類型數據組合來描述。1.2.2 EXPRESS語言實體之間的關系EXPRESS語言定義的實體可以是相互獨立的，但有時為了更方便、準確的表達信息，也可以是相互之間有聯系的。實體之間的關系主要有以下兩種：（1） 子類和超類的關系，即一個實體是另一個實體的子類（SUBTYPE）或超類（SUPERTYPE）。子類可以繼承超類的屬性。（2） 一個實體是另一個實體的屬性，即實體中嵌套實體。子類和超類說明是實體說明中一個重要部分。在一個模式中，各實體的子類和超類說明構成了實體之間的繼承關系圖，為復雜對象信息建模提供了強有力的工具。EXPRESS語言的強大之處主要體現在它的面向對象的繼承機制。在繼承關系上它引入了三個關系算子：ONEOF、AND、ANDOR，這三個繼承算子可以任意組合、嵌套使用，使得和其他的面向對象語言比較，它的繼承機制更加貼近于產品數據自然的繼承機制，可以更加方便地描述對象之間的復雜關系。從語義上講，ONEOF算子表示被運算的實體之間是互斥的關系，這些實體不能被同時實例化。AND算子表示被運算的實體在應用的過程中有可能結合在一起，只須生成一個新的公共實體。ANDOR算子表示被運算的實體之間有自由結合的機會，從而可能生成一系列新的實體。1.2.3 EXPRESS語言的表達式和函數EXPRESS語言的表達式也很多，除了一般的算術、邏輯、字符表達與運算外還增加了實體的實例運算，如實例相同（：= ：），實例不同（： ：）。表達式中還有一種Query表達式，可以用來查詢ENTITY（實體）的內容，如查詢圓實體中有無圓心在坐標原點的實例。在標準函數方面除了具有一般的ABS，SIN，COS，TAN，ASIN，ACOS，ATAN，SQRT，LOG等外，還有適用于建模的函數，如：a) Used in（實體實例中用過的屬性）；b) Type of（變量的類型）；c) Size of（集合變量的元素總數）；d) Hiindex，Hibound，Loindex，Lobound（均為求集合變量的上下界限值。對于Array來說，Index與bound沒有區別，返回的均是聲明的上下標。但對于Bag、List、Set，Hibound of返回的是其聲明的上界，Hiindex則是其實際的元素值。Lobound返回的是1，而Loindex則是聲明的下界）；e) Roles of（查詢某個實例曾被某處引用過，返回引用的模式名、實體名與屬性名）。在執行語句方面，也有與一般編程語言類似的賦值語句、Case語句、Ifthenelse語句、Repeat語句等。此外，還有Escape語句、Skip語句、With語句等。為了使模型減少冗余，EXPRESS語言特設了接口語句，利用Use from、Reference from語句可以將別處的模式或模式內的實體引用過來而不必重復編寫。Use句中被引用的實體如同在本模式中的局部中聲明的一樣，而Reference句所引用的實體聲明仍留在原模式中，只是本模式引用時可以進入。1.3 STEP Part21文件STEP Part21是STEP標準中交換文件結構的純正文編碼標準，是STEP標準的一個實現方法，它指定了使用文本編碼的產品數據的交換結構格式，它所描述的產品數據的概念模型是用EXPRESS語言描述的。這種文件格式適合在不同計算機系統之間交換產品數據。1.3.1 STEP Part21文件格式STEP Part21文件有固定的格式，文件開頭首先以ISO-10303-21開始，末尾以END-ISO-10303-21結束。包含頭段和數據段，頭段以“HEADER”開始，以“ENDSEC”結束，包含了文件名，作者，組織，時間，文件說明，所使用的系統，文件模式等文件基本信息。數據段以“DATA”開始，以“ENDSEC”結束，數據段是文件中最重要的一部分，包含了文件所要描述的內容，文件中可以有多個數據段。文件的頭段部分包含了整個文件的基本信息。由file_description, file_name, file_schema等實體組成。file_description實體指定了文件的簡單描述。其定義如下：ENTITY file_description;description : LIST 1:? OF STRING (256);implementation_level : STRING (256);END_ENTITY;description：文件內容簡介。implementation_level：文件結構中的編碼所符合的規范以及該編碼所用的可選一致性的標識。這一屬性值應該是“2；1”或“2；2”，以指出對本標準當前版本的一致性（交換文件結構符合一致性級別1的應該是“2；1”，符合一致性級別2的值應該是“2；2”）。file_name實體中給出了供人閱讀的文件的基本信息。其定義如下：ENTITY file_name;name : STRING (256) ;time_stamp : STRING (256) ;author : LIST 1 : ? OF STRING (256) ;organization : LIST 1 : ? OF STRING (256) ;preprocessor_version : STRING (256) ;originating_system : STRING (256) ;authorization : STRING (256) ;END_ENTITY;name：文件名。times_tamp：文件創建的時間。author：作者名和信箱地址。organization：作者所在的單位或組織。preprocessor_version：創建文件的系統，包括系統名和版本。originating_system：產生文件數據的系統。authorization：被授權發送文件的人的姓名和信箱地址。file_schema實體指定數據段中的實體實例所屬的EXPRESS模式。定義如下：ENTITY file_schema;schema_identifiers : LIST 1:? OF UNIQUE schema_name;END_ENTITY;TYPE schema_name = STRING(1024);END_TYPE;此實體描述STEP文件所使用的模式。schema_identifiers :模式名。1.3.2 STEP Part21文件中的數據類型在STEP Part21交換文件中使用了6種簡單數據類型：整型（integer），實型（real），字符串（string），實體實例名（entity instance name），枚舉（enumeration），二進制（binary）。（1）整型。整型數必須是一阿拉伯數字序列，前面可以有“+”或“-”，如果沒有符號則默認為正數。（2）實數。實數要有一個十進制尾數，也可以有一個十進制指數，尾數和指數之間有大寫“E”。尾數由一系列阿拉伯數字組成，可以有小數點，前面可以有“+”或“-”號。指數由一系列阿拉伯數字組成，前面可以有“+”，“-”號。（3）字符串。Part21文件中的字符串由字母和數字組成，用兩個單引號（）表示，空字符串用兩個連續的單引號表示。在一個字符串內部單引號本身用兩個連續的單引號表示，反斜杠（“”）用兩個連續的反斜杠(“”)表示。（4）實體實例名。一個實體實例名由#號后面跟一個無符號整型數組成，此整型數可以包含一個或多個阿拉伯數字的組合，如果只有一位數字，此位數字不能是“0”。（5）枚舉類型。枚舉型變量的值由大寫字母或數字表示，由大寫字母開始，用點號分隔。一個給定的枚舉值由EXPRESS模式和與它相關的枚舉類型聲明確定。（6）二進制型。二進制型是由一系列0或1組成。（7）LIST類型。LIST類型以“（”開始，以“）”結束，其中的元素用“，”隔開，可以有任意層嵌套。1.4 EXPRESS語言與Part21交換格式的映射用Part21物理文件交換產品信息是實現STEP標準的方式之一，產品信息是由EXPRESS語言描述的，因此必須要把EXPRESS語言映射到Part21物理文件格式。EXPRESS語言包括TYPE，ENTITY，CONSTRAIN，約束規范和規則描述等。只有EXPRESS語言中的數據類型和TYPE，ENTITY能被映射到Part21交換結構中，其他元素不能被映射。1.4.1簡單數據類型的映射簡單數據類型的映射見表1-1。EXPRESS簡單數據類型Part21數據類型整型（INTEGER）Integer字符串（STRING）String布爾型（BOOLEAN）枚舉型（Enumeration）（T，F）邏輯型（LOGICAL）枚舉型（Enumeration）（T，F，U）實數型（REAL）Real二進制（BINARY）Binary數值型（NUMBER）Real表1-1 EXPRESS簡單數據類型到Part21格式的映射布爾型和邏輯型變量可以看作是預先定義的枚舉型變量，其值分別是（T，F）和（T，F，U）。1.4.2聚合數據類型的映射聚合數據類型的映射如表1-2所示。如果聚合類型的變量為空，則用“（）”表示，變量中的元素實例類型與EXPRESS中定義的類型一樣。如果EXPRESS的屬性是多維ARRAY類型，則被映射成list的嵌套形式。EXPRESS聚合數據類型Part21類型LISTListARRAYListSETListBAGList表1-2 聚合數據類型的映射1.4.3定義數據類型的映射簡單定義類型（沒有ENUMERATION（枚舉型）或SELECT（選擇類型）的TYPE（定義類型）類型）的映射方法可以參照以上兩節中的方法。枚舉型（ENUMERATION）變量映射為枚舉型變量，若變量值為小寫字母，則應轉換成相應的大寫字母，并用點號分隔。EXPRESS的select數據類型定義了一組數據類型，稱為“select-list”，它的值是選擇數據類型的實例。如果select-list中的類型為實體類型，則映射為實體實例名，如果是簡單定義類型，使用與簡單定義類型相同的映射方法，如果select-list中的類型是枚舉型，則映射為枚舉型，如果select-list的類型為select（或嵌套select）類型，則按上述方法映射。1.4.4實體類型的映射實體類型實例分為簡單實體實例和復雜實體實例，簡單實體實例是指不是任何實體的子類的實例，所有其他的實體實例稱為復雜實體實例。例如，如果一個超類不是任何實體的子類那么它的一個實例就是簡單實體實例，任何子類的實例都是一個復雜實體實例。只有EXPRESS的顯式屬性才能映射到交換結構中。對于簡單實體實例，它的每一個顯式屬性都可以直接映射到交換結構中，各個屬性的順序與EXPRESS實體定義中的順序一致，如果EXPRESS實體類型中沒有顯式屬性，那么映射到交換結構中其參數為空。如果顯式屬性被聲明為OPTIONAL，意思為該屬性的值為可選，如果一實例中該屬性有值則按該屬性的類型進行映射，如果該屬性沒有值，則用“$”表示。導出屬性（derived）不能映射到交換結構中，如果子類中的導出屬性定義了超類中的屬性，并且原屬性為顯式屬性，那么超類中的原屬性用“*”表示。如果一個實體實例（第一個）是另一個實體實例（第二個）的屬性，那么第一個實體實例以實體實例名的形式映射到交換結構中，第二個實體實例在交換結構的數據段中定義，在數據段中第二個實體實例出現在“=”前面。1.5 EXPRESS描述到C+模式的映射EXPRESS語言不是一種程序設計語言，它只是一種描述性語言，因此在實現STEP標準，操作STEP數據時要把EXPRESS語言映射到其他高級語言。EXPRESS語言是面向對象的，而C+語言也是面向對象的，因此可以把EXPRESS語言映射到C+語言。映射方法如下：1.5.1簡單數據類型的映射簡單數據類型的映射比較容易實現，字符串型（STRING）當長度為1時映射為C+的字符型（char），長度不為1時映射為字符指針（char *），邏輯型（LOGICAL）映射為C+中的整型，其值為0，1，2，分別代表假、真、不確定。對于二進制型（BINARY）映射成C+的一個類。具體映射情況見表1-3。EXPRESS數據類型C+數據類型NUMBER（數值型）doubleINTEGER（整型）longREAL（實型）doubleSTRING（字符串）長度為1：char長度大于1：char *BOOLEAN（布爾型）boolLOGICAL（邏輯型）enum(0,1,2)BINARY（二進制型）新類表1-3 簡單數據類型的映射1.5.2 聚合數據類型的映射聚合數據類型是基本數據類型的集合，而基本數據類型又可以是簡單數據類型、聚合數據類型、命名數據類型等。EXPRESS提供的聚合數據類型有四種：LIST（列表）、BAG（包）、SET（集合）、ARRAY（數組）。不同的聚合類型有不同的特點和操作，每種類型又是具有相同類型值的集合，因此聚合數據類型映射成C+中的類。類的名稱為聚合類型名+Of+元素類型名，每個類中定義相應的成員變量和操作函數，具體情況見表1-4。EXPRESS聚合類型C+類在C+中名稱LIST（列表）類ListOf+元素類型名BAG（包）類BagOf+元素類型名ARRAY（數組）類ArrayOf+元素類型名SET（集合）類SetOf+元素類型名表1-4 聚合數據類型的映射1.5.3命名數據類型的映射命名數據類型包括定義數據類型和實體定義數據類型。1 定義數據類型的映射對于簡單數據類型的映射按照簡單數據類型的映射方法映射，用C+中的typedef代替TYPE。對于枚舉數據類型映射為C+中的enum（枚舉）類型，對于選擇數據類型（SELECT）映射成一個類，對于其他數據類型按照相應數據類型的映射方法映射，用C+中的typedef代替TYPE。如表1-5所示。EXPRESS定義數據類型C+類型簡單數據類型按簡單數據類型的映射方法映射枚舉數據類型（ENUMERATION）enum類型選擇數據類型（SELECT）union類型其他數據類型按各自映射方法映射表1-5 定義數據類型的映射2實體數據類型的映射實體數據類型是比較重要的數據類型，它里面又包含其他數據類型或其他實體，還可能有關系算子和約束規則等。實體數據類型映射成C+中的一個類。實體中的屬性映射成該類的數據成員，約束規則映射成成員函數，也就是把約束和實體捆綁在一起，約束規則包括值域規則（WHERE）、導出屬性（DERIVE）、逆向屬性（INVERSE）、唯一性規則（UNIQUE）、全局規則（RULE）等。該實體的超類和子類實體分別映射為該實體對應的類的父類和子類。表示實體繼承關系的三個關系算子的映射方法：在一個子類、超類圖中，任意一個實體在向C+語言轉換時，不僅要繼承它的超類屬性，而且要考慮它本身為超類的情況。由于超類的一個實例可能也是它的一個或多個子類的實例，所以要由程序自動生成所有子孫類的組合，超類的實例可以是這些組合的一個實例。在轉換時首先把所有的實體都換成相應的實體名，通過在實體名間進行算子所定義的運算，然后生成可能的子孫類名的組合，最后生成包含type-union結構的類代替原來的類。1.5.4 映射實例分析實體AA的EXPRESS描述如下：ENTITY AA； SUBTYPE OF（BB）； a1：REAL； a2：REAL； a3：STRING（3）； a4：LIST1：？ OF INTEGER；WHERE a1*2 + a2*2 = 1.0；END_ENTITY；映射為C+類：class BB；class ListOfInteger；class AA：public BB private： double a1; double a2;char * a3;ListOfInteger a4;public: double where_rule(); ；/其他成員函數；實體AA是BB的子實體，在C+中AA映射為BB的子類，a1、a2為實型映射為C+中的double，a3為長度為3的字符串映射為字符指針，a4為整型數的列表映射為C+的類ListOfInteger，局部規則WHERE映射為成員函數where_rule()。1.6 STEP標準的實現方式實現方式是指用什么方法或形式在具體領域中實現信息交換。STEP標準的實現方式即實現STEP數據系統的方式。STEP數據系統是指符合STEP概念模型并滿足其一致性標準的數據系統，STEP數據系統的實現可以劃分為由低到高四個層次：文件交換、工作格式交換、共享數據庫交換、知識庫交換。（1）文件交換。文件交換是指通過STEP交換格式文件（即STEP物理文件）實現數據的交換。在這一層，標準化的只是文件格式和數據的EXPRESS模型。如果在某個具體的應用系統中，沒有采用STEP的標準數據模型，而是采用各自特定的數據結構（如現有的CAD系統），也可以按STEP標準的要求，將輸出數據轉換成STEP格式的文件，但是這不是應用STEP標準的主要意圖，僅僅限于讓現有的系統臨時適應輸出符合STEP標準文件的要求。（2）工作格式就是用EXPRESS描述的產品模型在內存中的映象，是以二進制格式給出的公共文件。不同的應用程序可以依次存取或改變這些數據而無需像文件交換那樣移動文件，這就是所謂的工作格式交換。它的實現需定義標準的數據存取機制。（3）共享數據庫交換是在集成環境下，經常需要在CAD、CAPP、CAM、CAE以及其它系統之間傳遞信息。由于所傳遞的數據量大，結構復雜，采用文件交換的方式很難滿足要求，因此需要采用數據庫交換方式。這是較高層次上的交換，包括存取數據的數據庫管理系統的使用。它適應數據共享的要求。應用程序通過標準的數據庫管理系統語言（如SQL）或標準數據存取接口（如SDAI）來訪問數據。數據庫管理系統的其它功能，如數據字典等也被用來為應用系統解釋EXPRESS模型。在概念模型上所定義的約束也應同時在此定義。該層交換可實現多用戶對數據的同時存取，即實現了數據的共享。該層的開發目標是解決跨企業、多平臺、多存儲機制、多種網絡管理方面的問題。（4）知識庫交換可對STEP模型施加復雜的約束，并用人工智能對模型及有關數據進行處理，此外，還可望提供實施STEP的更先進的工具。該層的開發目標是不僅能完成傳統上所有數據庫管理系統所能完成的操作，還要具備知識及規則驅動的能力，另外，還期望對一個企業內的幾個數據庫管理系統的集成更易管理。該層尚處于定義和開發階段，還未提供標準界面。STEP標準的這幾種實施方法其復雜程度不同，采用何種方式應根據實施的目標和應用水平而定。第一、二種方式用在較簡單的應用中，若實施的目標是對運行性能要求較高的工程應用，第一、二種交換方式均無法滿足要求，這時必須采用共享數據庫交換方式。第2章 STEP-NC標準概述2.1 STEP-NC標準概述數控機床已經發明50多年了，雖然硬件和軟件技術的發展給加工技術帶來了飛速發展，但是數控系統的輸入編程仍然以ISO6983標準為基礎，采用傳統的G、M代碼語言。這種只針對刀具路徑和機器狀態進行描述的數控程序由于缺少智能性，制約了數控技術進一步的發展。隨著信息技術的快速發展，制造業的全球化已經不僅僅是簡單地域性擴大的概念，更需要大量的產品信息在不同的系統和設備之間進行傳送。制造業迫切需要統一的信息標準，以求在信息共享和信息傳遞中，保持信息的一致性和完整性。STEP標準的出現，使得制造業可在整個企業過程鏈中使用統一的標準。它允許在不同的和不兼容的計算機平臺上分享和交換數據信息。但對于數控機床要實現數據標準的統一，現有的數控編程標準ISO6983滿足不了這一要求。為此，國際上制定了一種新的CNC系統標準ISO14649（STEP-NC）,它是STEP標準向NC領域的擴展和延伸。開發和推廣這個標準的首要目的是在不同CAX系統之間通過標準的中性文件來進行數據交換，進而為實現CAX與CNC之間雙向無縫連接提供了有效途徑。STEP-NC是歐共體于1997年通過OPTIMAL 計劃提出的一種遵從STEP 標準并面向對象的數據模型，用作數控加工編程的接口標準，并于2001年底形成了國際標準草案ISO-DIS-14649，它由以下部分組成：Part1:概述及基本概念Part2：語言綁定及原理Part3：Java語言綁定Part9：術語表Part10：通用加工數據Part11：銑削加工數據Part111：銑削刀具Part12：車削加工數據Part13：EDM加工數據Part50：通用加工數據應用解釋模型Part51：銑削加工數據應用解釋模型Part52：車削加工數據應用解釋模型Part53：EDM加工數據應用解釋模型Part2、Part3是根據ISO10303標準進行綁定的，Part10是ISO10303對獨立過程數據的應用參考模型（ARM）,ISO10303對特殊技術的應用參考模型加在Part10之后。Part50是不依賴于工藝數據的ISO10303應用解釋模型（AIM）, ISO10303對特殊技術的應用解釋模型加在Part50之后。STEP-NC的本質特征是面向對象，描述的是加工什么（what）,而不是如何加工（how），它包括了工件的所有加工任務，從毛坯件到成品件的所有信息都包含在加工任務中。加工過程是以“工步（Working steps）”作為基本模塊。工步是對機床具體動作的概括描述，內容涉及三維幾何信息、刀具信息、制造特征與工藝信息。這為機床的智能化提供了發展空間，機床在完全“了解”產品的條件下可以根據具體情況調整或優化具體的操作。2.1 STEP-NC數據模型STEP-NC數據模型中包含了加工工件的所有任務，其基本原理是基于制造特征(如孔、型腔、螺紋、倒角等) 進行編程，而不是直接對刀具與工件之間的相對運動進行編程。它通過一系列的加工任務，描述零件從毛坯到最終成品的所有操作，內容涉及工件實體的三維幾何信息、刀具信息、制造特征與工藝信息，并將這些信息提供給加工車間的CAM系統。其中，幾何信息采用STEP 數據格式描述，CNC系統可以直接從CAD系統讀取STEP數據文件，從而消除了由于數據類型轉換而可能導致的精度降低問題；加工操作信息包括了所有工步的詳細參數，如工藝特征代碼、刀具、加工策略等數據。STEP-NC定義的AP-238 的應用協議，要求CNC系統直接使用符合STEP標準的CAD三維產品數據模型(包括工件三維幾何數據與制造特征信息)、加工工藝信息和刀具信息，產生加工程序，進而控制加工過程。此過程覆蓋了產品從概念到制成品所需的全部信息。圖2-1所示為一個簡化的STEP-NC數據模型。圖2-1中的工件是指最終的零件成品，工件上需要去除材料的區域由一系列制造特征定義。零件的加工過程被定義成若干個工步序列，一個零件的加工步驟決定了哪些加工操作(如鉆、銑削)將被執行，同時這里的操作本身也符合ISO 14649中采用的面向對象的概念，它包含了工藝信息、刀具信息、加工策略和刀具路徑等信息。需要指出的是，STEP-NC數據模型可以從工件屬性、制造特征屬性、刀具路徑屬性分別提取工件幾何特征量、制造特性屬性和刀具幾何特征量，并將其反饋到加工規劃部門，對預先定義的參數化路徑、刀具路徑、切削方式等進行修改，迅速實現加工路徑和加工方法的優化。圖2-1 STEP-NC數據模型2.2 STEP-NC文件結構基于STEP-NC的數控程序廢棄了傳統數控程序中,直接對坐標軸和刀具動作進行編程的做法，采用了ISO-10303數據格式和面向特征的編程原則。它以工作步驟作為加工流程的基本單位，將特征與技術信息聯系到一起。每個工作步驟只定義一種操作（“干什么”、“如何干”等，但只能用一種刀具和一種策略）。程序本身也采用ISO-10303規定的文件格式，從結構上可分為兩部分：文件頭和數據段，其結構如圖2-2所示。文件頭以“HEADER”為標記，以“ENDSEC”結束，主要包括文件名、編程者、日期以及注釋等。數據段以“DATA”開始，也以“ENDSEC”結束，包含了加工零件所需的所有信息和操作任務。根據規定，它首先要一個PROJECT語句，其后的內容可分為三部分：工作計劃與可執行語句（WORKPLANE AND EXECUTION）、技術描述（Technology）、幾何描述（Geometry description）。以工程（PROJECT）實體實例開頭，它是加工任務的起點。每個符合ISO10303-21的STEP-NC數據段中必須包括工程實體實例。STEP-NC文件中的工作計劃以線性順序或給定順序的執行方案相結合。可執行語句有三種：工作步驟、NC功能和程序結構。如果要改變操作順序，只需改動程序的這部分即可。除了工作步驟以外，零件程序次序中還包括其他NC功能描述。圖2-2 STEP-NC文件結構技術描述：含有工作計劃中所有工作步驟詳細、完整的定義，它包括刀具參數、加工參數以及其他工藝數據。描述了工件所有表面的定義、零件的區域及其特征和與表面特征對應的工作步驟。幾何描述：以STEP格式描述了工件幾何數據，工作步驟中的加工特征。2.3 AP238與ISO14649目前，有兩種STEP-NC應用標準，即ISO14649和AP238。STEP-NC的應用參考模型（ARM）是ISO14649；應用解釋模型（AIM）是AP238，它是STEP-NC的技術定義。這兩個標準可以看成是STEP-NC兩種不同的實現方法，應用參考模型更接近應用領域，便于人們理解；而應用解釋模型則較抽象且程序更分散、復雜，但更能保證與現有的STEP標準兼容，并盡可能利用STEP的集成資源。這兩種標準在本質上是相同的，只是在表現形式上有所不同，而一般使用STEP表達方法和技術體系的程度如何是使用兩種標準的重要區別。AP238應用解釋模型文檔將ISO14649不同部分定義的信息需求（即應用參考模型）轉換為STEP-NC的應用解釋模型。以ISO14649 Part10、Part11、Part111的信息需求為基礎，應用參考模型中描述應用協議中包含的內容，應用解釋模型描述這些內容在實現方法上是如何表達和如何交換的。AP238的優點在于繼承了ISO10303標準，與STEP的一些應用協議具有相同的基礎，將設計與制造完全集成在一起。AP238的幾何描述與AP203/AP214相同，特征描述與AP224相同，公差定義與AP219相同并包括從ISO14649映射的解釋模型，請見圖2-3。這樣極大促進了STEP-NC的發展和應用，一方面利用STEP的數據表達模型，減少了STEP-NC標準的復雜程度，另一方面又可以與STEP之間相互兼容，在實際應用中，只要對STEP接口做一些修改即可。如果在CAM中發現問題，可以直接使用STEP協議的數據模型反饋到CAD中，實現數據的雙向流動。圖2-3 AP238的集成模式2.4 AP238 應用協議STEP AP238應用協議是由國際標準化組織ISO第184技術委員會下的第4分會第3組（ISO TC 184/SC4/WG3）制定的，其全稱為計算機數字控制器的應用解釋模型，它涵蓋了產品從概念到成品零件全過程所需的全部信息，其應用協議包括如下功能單元：（1）測量（measure）測量功能單元，通過物理變量的值和單位量級在允許范圍內的變化來描述物理量。（2）工程（project）工程功能單元指定加工程序的開始位置和附加管理信息。（3）工件（workpiece）工件功能單元指出加工程序將要加工的機械零件，包括零件的材料、表面狀況、特征等信息。（4）制造特征（manufacturing feature）制造特征功能單元描述了識別機械零件產品所需要的信息。這些形狀描述了由加工操作去除的材料的體積。該功能單元描述了通過2D視圖（如：頂部、底面和其他特征面）沿掃描線來構成特征的信息。（5）執行（executable）執行功能單元描述了加工程序流程和由數字控制執行的非加工活動，包括：加工順序、聯動控制、條件控制流和描述條件控制流的條件所必需的邏輯表達式和變量元素。此功能單元還指定了描述零件加工中所需定位和刀具信息等。（6）操作（operation）操作功能單元描述了執行數控加工操作所必須的獨立的技術信息。（7）刀具路徑（tool path）刀具功能單元描述了刀具預設軌跡信息或者可轉換為精確數控運動的移動參數信息，包括：刀尖軌跡信息、刀具初始點、主軸運動信息以及使用樣條曲線和其他曲線描述的路徑和運動速度信息。（8）銑削工藝數據（process data for milling）銑削工藝數據描述了數控加工中銑削和孔加工所需信息，包括：銑削加工和孔加工的工藝參數和策略信息。（9）銑削刀具（cutting tools for milling）銑削刀具功能單元指定了描述銑削和孔加工所需的刀具信息。（10）車削特征（turning feature） 車削特征功能單元描述了機械加工零件的形狀信息，這些形狀是從零件上車削去除的材料體積。（11）車削工藝數據（process data for milling）車削工藝數據功能單元描述了數控加工中車削所需的信息，包括車削工藝參數信息和策略信息。（12）車削刀具（cutting tools for turning）車削刀具功能單元描述了車削加工中所需的刀具信息。（13）幾何尺寸和公差（geometric dimensioning and tolerancing）幾何尺寸和公差功能單元描述了幾何尺寸和制造中允許的公差變動范圍信息。此外，該功能單元還描述了有參考基準的幾何量公差，如：直線度或平面度，包括：單參考基準信息，通用參考基準，基準角度和公差帶。（14）管理（management） 管理功能單元描述了機械產品或加工程序管理方面的信息，包括：審核、安全規范、人員、日期等。 其中，工程功能單元、工件功能單元、特征功能單元、執行功能單元，刀具路徑功能單元、測量功能單元和操作功能單元是在Part10基礎上使用的，銑削工藝數據功能單元是以Part111-1為基礎的。2.5 STEP與STEP-NC的關系在STEP應用協議中，AP203（Configuration Controlled 3D Design of Mechanical Part and Assemblies）定義了三維實體產品的幾何形狀結構，是產品管理的基礎性、通用性協議。它也是STEP中最早開發和最完善的部分。STEP雖然實現了CAD系統間的數據共享，但產品的制造過程仍然非常不方便。由于STEP僅限于面向設計的數據模型，不包含制造信息，不能直接作為制造階段的數據模型，設計者也無法直接在三維實體模型上表示出技術要求。因此，一般情況下的設計、制造過程仍然需要進行以下轉換：（1）設計者將三維CAD模型轉化為二維圖樣并在上面標注技術要求后送制造者（CAM）。（2）CAM人員根據圖樣與文字說明重新在CAM系統中生成三維模型。（3）CAM系統生成G、M代碼后送CNC系統加工。圖2-4 STEP與STEP-NC的關系STEP AP224協議（Mechanical Product Definition for Process Planning Using Machining Feature）是STEP向制造領域拓展的第一個應用協議。AP224在STEP-CAD數據的基礎上加入了工藝要求方面的描述，包括材料要求、尺寸及公差、應用說明以及文件管理信息等。AP224中還定義了一系列的制造特征，基本上能夠滿足CAM領域的要求。STEP-NC是STEP進一步向加工領域擴展的結果，主要作為CAM與CNC之間數據交換的接口。STEP-NC本身的數據模型就是采用EXPRESS語言定義的，數控程序遵循STEP文件格式，其中對幾何信息的描述采用了基本的STEP語法，對制造特征采用STEP AP224中的定義。STEP-NC是STEP標準向制造領域的擴展，所以STEP-NC也屬于STEP標準，但在信息含量上遠遠超過STEP標準。其對應的STEP應用協議稱為AP238（ISO TC184/SC4），涵蓋了從設計到制造所需的所有信息，其中包括了幾何信息（AP203/AP214）、特征信息（AP224）、工藝信息、檢測信息（AP219）等。2.6 STEP-NC對數控技術的影響STEP-NC既是正在完善中的CNC接口標準，又是提升現代CNC的實施技術。它為CNC開放性和智能化提供了廣闊的發展空間，同時它也解決了CNC與CAX之間雙向無縫連接的核心問題。它的出現是數控技術領域的一次革命，對于數控技術的發展乃至整個制造業將產生深遠的影響，主要表現如下：（1）STEP-NC引發了一種嶄新的制造和產品理念。傳統產品的理念是有形的真實產品，而新的產品理念是數據模型。在傳統的制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上，而基于STEP-NC標準的制造中，任何合適的機床設備具有兼容STEP-NC的CNC后，都可以加工零件。還可通過互聯網接入產品數據模型庫，被指定的機床能夠在任何地方通過網絡與其他機床共享或交換數據。對制造企業而言，參與高度競爭的全球供應鏈，這種靈活性至關重要，通過互聯網將形成一個全球化的CNC系統。（2）采用基于STEP-NC的信息模型，加工過程中的產品信息還可以被上游系統直接閱讀，實現信息在設計模塊與制造模塊之間的雙向數據流傳輸。采用ISO6983標準的程序若有改動，信息不能反饋到設計部門。而STEP-NC程序能將修改信息反饋到設計部門且保存在數據庫中，避免進行多余的代碼測試。（3）STEP-NC標準使得零件全生命周期使用了統一的信息標準。使得制造系統中的各功能模塊（CAD、CAPP、CAM、PDM、MRP、ERP等）之間形成了一條“高速公路”，實現設計、制造、管理等的無縫鏈接。（4）STEP-NC使得CNC更加智能化。STEP-NC文件能在任何滿足條件的CNC機床上運行，因此不需要后置處理器。優化CNC的控制功能，可簡化NC代碼，也可簡化一些復雜的加工任務，比CAD/CAM系統離線處理更加有效。（5）STEP-NC可以大幅度的減少設計時間、提高加工效率。STEP Tools公司的研究表明：STEP-NC的應用將使目前的加工工藝規劃（CAM）時間減少35%，生產數據的準備（CAD）時間減少75%，加工（CNC）時間減少50%（以五軸和高速加工為例）。第3章 開發工具的研究及其應用在課題的研究過程中，我們使用了美國STEP Tools公司提供的ST-Developer來完成有關數據轉換，讀取，操作的功能。ST-Developer是一個完整的開發環境，應用這個開發環境可以管理和操作EXPRESS信息模型和用EXPRESS定義的數據。3.1 ST-Developer簡介ST-Developer是一個由一組軟件工具組成的完整的開發環境，借助該環境用戶可以開發STEP應用程序，建立、管理用EXPRESS語言描述的信息模型，并可對STEP數據進行一致性檢測。ST-Developer包含SDAI C，C+聯編等開發環境，利用這些聯編可以開發應用軟件操作存儲于面向對象數據庫（OODB），關系數據庫（RDB）和順序文件中的STEP數據。另外，ST-Developer包含一組軟件工具用于EXPRESS信息建模和視圖定義，STEP一致性測試。ST-Developer的一個重要組成部分是ROSE C+類庫，它使應用程序讀、寫、創建、操作STEP數字產品信息成為可能，它是ST-Developer的基礎。ROSE是一種基于內存的數據庫管理系統，提供給用戶一系列C+類庫，對內存中EXPRESS定義的實體（經處理變成C+類以后）進行操作。ST-Developer的每個工具都是由ROSE類庫開發的。ST-Developer中的工具結構圖如圖3-1所示。圖3-1 ST-Developer的組成ST-Developer是一個工具集，它提供了一系列工具，能夠處理STEP數據和EXPRESS