STEP-NC

STEP -NC是一個面向對象的新型NC編程數據接口國際標準（ISO 14649），它於1996開始制訂，在2001年底成為國際標準草案（Draft International Standard, DIS），由國際標準化組織ISO/TC184工業數據技術委員會正式命名為ISO14649，其目的旨在取代在數控工具機中廣泛使用的ISO 6983標準。

基本原理

STEP- NC的基本原理是基於製造特徵進行編程，它告訴CNC的是“加工什麼”，而不是直接對刀具運動進行編程，以及告訴CNC“如何加工”的具體動作.加工流程是以工作步驟(working step)作為基本單位，將特徵與技術信息聯繫到一起，每個工作步驟只定義一種操作(“乾什麼’，如何乾等”，僅能用一種刀具和一種策略).STEP- NC通過任務描述(鑽中心孔、鑽孔、粗加工、精加工…)把工件的加工程式傳到加工車間，在車間可以根據實際的需要對加工程式進行修改，修改後的加工過程信息可以保存並返回到設計部門，使經驗和知識能更好地交換和保留，也實現了產品生命周期數據的共享。

數據模型

為了在CAM系統和CNC系統之間進行信息交換時完整全面的表達信息，必須建立合適的數據模型(如圖1所示)。ISO14649使用面向對象的方式定義的數據模型避免了信息的丟失，它把每一個加工步驟都定義成獨立的對象，每個對象又包含各種描述性的屬性.通過嚴格的分離幾何數據、運算元據、加工數據等這些數據，簡化了信息的存儲和訪問，使不同模組之間可進行信息的交換.零件的加工過程被定義成一個工步序列，一個基於幾何信息的工步確定了哪些操作被執行，而這種面向對象的操作本身又包含了工藝信息、刀具信息、加工策略等。

圖1

發展需求

隨著數控技術的迅猛發展，控制系統由早期的硬體連線方式發展到現在的基於PC的開放式數控系統。儘管硬體技術和軟體技術的飛速發展給CNC的高速/高精度加工奠定了基礎，但NC加工中所採用的編程方式還是基於19世紀60年代所開發的ISO6983（G/M代碼） 標準，這種代碼僅僅包括一些簡單的運動指令（如G01、G02）和輔助指令（如M03、M08），而不包含零件幾何形狀、刀具路徑生成、刀具選擇等信息，使得CNC與CAD/CAM通道之間形成瓶頸。數控加工中編程困難、設計與加工等信息不能完全共享的問題限制了數控系統的進一步發展，使其面臨新的變革。

為了解決這些問題，歐共體於1997年提出了OPTIMAL計畫，將STEP（Standard for the Exchange of Product model date，ISO 10303）標準延伸到自動化製造的底層設備，開發了一種STEP-NC的數據模型，作為銑削加工編程的數據接口。該接口遵從STEP標準，具有面向對象的特徵。STEP-NC將產品模型數據轉換標準STEP擴展到CNC領域，重新制訂了CAD/CAM與CNC之間的接口，它要求CNC系統直接使用符合 STEP標準的CAD三維數據模型（包括工件幾何數據、參數配置和製造特徵）、工藝信息和刀具信息直接產生加工程式。

研究現狀

歐美已經啟動了幾個有關STEP-NC的項目，如：OPTIMAL、MATRAS、STEP-NC和Super Model Project等。其中歐洲的STEP-NC項目旨在實現和測試銑削加工數據接口，共有20多個CAD/CAM、NC和數控工具機領域的企業和研究機構參與了該項目的研究工作。2001年，符合STEP-NC標準的二維半和三維數控銑削加工過程已經在Siemens、FIDIA公司以及歐洲開放式體系結構 OSACA的CNC原型系統中得以實現，其性能在實驗室環境中已得到驗證。原型系統已在第一個用戶——Daimler Chrysler公司進行評價，已測試了多面體零件的鑽孔加工和二維半數控銑削加工過程，下一步將是測試三維數控銑削加工過程。

2000 年，美國STEP Tools公司在國家標準技術協會NIST的資助下起動了為期3年的“超級模型”（Super Model）項目。該項目（全稱為Model Driven Intelligent Control of Manufacturing）的主要目標是建立一個適合於銑削、車削的資料庫和軟體工具，驗證CNC工具機能否直接讀取3D設計和製造數據，進行快速、安全和智慧型化的零件製造。2001年，Super Model 項目與韓國開展的國際IMS STEP-NC項目中的內容合併。2000年6月韓國POHANG科技大學的STEP-NC技術國家研究實驗室NRL-SNT開始了為期5年（分2個階段進行）的STEP-NC研究計畫，重點開展車削STEP-NC中從數據模型到智慧型化加工相關技術的研究。日本於2001年啟動了名為“數字大師” （DIIGITAL MASTER）的項目，雖然該項目未列入國際IMS STEP-NC項目中，但研究工作與STEP-NC建模有關。國際IMS STEP-NC項目於2001年啟動，參加的國家與地區有歐盟、瑞士、美國以及韓國等，並於2003年在德國的亞琛（Aachen）市開始實施了一個 IMS STEP-NC車間。

韓國為了使CAD/CAM系統與CNC控制器能隨時交換數據，STEP Tools公司建立了STEP-NC資料庫的操作規範體系和自維護、管理體系。2000年，該公司完成了第一階段的目標，在第三屆IRB （Industrial Review Board）會議上演示了利用“超級模型”完成具有某種加工特性的加工對象銑削全過程。另外，該公司還與Lawrence Livermore國家實驗室合作，在OMAC的基礎上開發出了STEP-NC接口。

此後，STEP-NC 組織在世界範圍內召開了一系列會議，如2001年在德國漢諾瓦（Hanover）召開了開展STEP-NC工作的會議，確定了最終用戶、系統供應商、以及學術研究夥伴的組成。2001年10月在德國亞琛（Aachen）召開了用於銑削的會議，由最終用戶對基於西門子的2維半銑削加工解決方案進行了檢測及評估。2001年11月在義大利召開了STEP-NC的輪廓切削試驗會議，對第一個用於木材、玻璃及石材輪廓切削的STEP-NC原型進行了檢測及評價。 2002年8月在德國斯圖加特討論了車削工藝，制定了開展後續工作的時刻表。2001年12月在瑞士日內瓦會議上對第一個用於電火花加工的原型STEP- NC系統進行了測試及評估。2002年9月在德國烏爾姆討論了將CMM集成到STEP-NC中的可能性。2002年11月在德國斯圖加特會議中確定了檢驗、電火花加工以及輪廓切削中的關鍵要素。2002年10月IMS STEP-NC項目會議討論了用於AP238協定的車削數據模型及相關注釋。找到了車削模型中的注釋解決方案。2002年12月在美國Boeing公司用 CATIL軟體生成了一個STEP-NC零件程式，然後在西門子公司的一台具有STEP-NC功能的工具機上進行了運行，證明STEP-NC可支持多種不依賴於NC編程的工具機。2003年6月在德國斯圖加特會議上介紹了銑削、車削、電火花加工以及輪廓切削的當前進展。2003年3月12日召開的IMS STEP-NC 會議，主要的議題是數據交換的方式，STEP Tools公司演示了將AP-203檔案格式（STEP標準）快速轉換成AP238檔案格式（STEP-NC標準）的過程。2004年10月將在德國亞琛 （Aachen）召開STEP-NC檢測方面的會議，內容涉及：討論用於檢測內容的數據模型定義的進展工作、討論STEP-NC檢測中關鍵問題的解決方案。

發展趨勢

STEP-NC標準僅完成了一部分，國內外對基於STEP-NC的數控技術研究處於起步階段，但其發展勢頭強勁。已獲得的研究成果表明，該技術將對數控技術乃至機械製造業帶來深遠的影響，主要體現在以下幾個方面：

數控工具機將廢棄沿用已久的G、M等代碼（ISO 6983），代之以更加高效、易於理解和操作更方便、描述性更強的數控語言。這種數控程式通過一系列的加工任務（工作步驟）描述製造過程中的所有操作，以面向對象（而不是面向動作）的編程使得現場編程界面大為改觀。根據目前的進展推測，STEP-NC的廣泛套用將在2021年實現，G、M代碼將從此成為歷史。

CAD/CAM/CNC之間可實現無縫連線。CAD/CAM與CNC的雙向數據流動，使得設計部門能夠清楚的了解到加工實況，並且可根據現場編程返回來的信息對生產規划進行及時快速的調整，生產效率可得到極大的提高。另外，CAD、CAM、CNC之間的功能將會重新劃分：CAM系統的巨觀規劃將與CAD系統集成，微觀功能將與CNC集成。

實現完全意義上的開放式智慧型數控加工。由於ISO-6983（G/M代碼）的加工信息量過少，因此各工具機生產商對G代碼都進行了基本語義外的擴展，造成各種類型的數控工具機控制系統之間互不兼容，阻礙數據的交流和信息共享，形成“信息孤島”，難以實現系統的開放性。與此相反，如採用STEP-NC標準，其數據格式、接口標準完全一致，且STEP-NC數據包含了加工產品所需的所有信息，對於STEP-NC控制器而言，它只需要告訴CNC要加工的內容，具體動作由CNC自行決定，使程式具有良好的互操作性和可移植性，為CNC系統的開放性和智慧型化奠定了穩固的基礎。

網路化設計/製造成為現實。現代製造企業通過網路共享各種信息，同時由於全球製造企業採用統一的 STEP-NC數據接口標準，企業之間的數據流動可以在基於PC機的CNC工具機與資料庫伺服器之間直接進行，操作人員只需要對資料庫中的三維工件模型進行簡單的參數設定，就可以使工具機實現預期動作。不難想像，在基於網路化製造的基礎上，大量的數位化產品模型資料庫將會出現，數字製造更趨多元化。