STEP－NC数控技术研究进展

富宏亚，胡 泊，韩德东

（哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

随着计算机技术和信息技术的发展，机械设计领域的数字化程度已经较高，各种计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）/计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）软件的应用也很广泛，基本图形交换规范（Initial Graphics Exchange Specification，IGES）和产品模型数据交换标准（STandard for the Exchange of Product model data，STEP）等通用数据标准的出现使得不同CAD/CAM系统间的数据交换更加流畅。在加工端，新型的计算机数控机床已经基本取代了传统的通用加工机床和专用加工设备。常用的工控机和嵌入式控制器都具备较强的可开发性，即使是传统的封闭式数控系统，也可以通过外接计算机模块扩展更多的功能，开放式数控系统的出现更是为智能数控技术的发展创造了有利条件。然而，在CAD/CAM技术与数控技术飞速发展的背后，依然存在数据传输上的瓶颈，这就是机床数字控制标准ISO 6983，即通常所说的“G代码”。为解决这一问题，欧洲的一些企业、高校与研究机构共同合作，以面向对象的数据模型为基础，建立了一种兼容于STEP标准的编程接口——STEP－NC。STEP－NC最主要的特点是采用高层信息来表示完整的产品数据，使得CAD/CAM系统与CNC系统可以直接进行数据交换。STEP－NC包含了智能加工必需的产品信息，因此是智能数控系统理想的数据传输标准［1－2］。

1 STEPNC标准简介－

STEP－NC标准是欧洲的一些企业、高校和研究机构首先联合开发的，之后美国与韩国也加入了开发过程，开展了ESPRITⅢ计划、欧洲STEP－NC计划、Super Model计划和IMS计划等地区性与全球性的研究计划［3－5］。目前已经制定了编号为ISO 14649和ISO 10303AP－238的两套国际标准，两者的区别在于前者是较为独立的一套标准，后者则是STEP标准中的一个应用协议。欧盟和其他地区的研究一般是基于ISO 14649的，而美国的研究一般是基于ISO 10303AP－238的。STEP－NC数据模型以层级式结构完整地表示了与零件加工相关的全部信息，包括任务描述、工艺描述、工具描述和几何描述4个主要部分。文件格式一般采用Part－21格式和可扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）格式，前者适用于系统间以物理文件为主要信息交换方式的使用环境，而后者适用于系统间以互联网为主要信息交换方式的使用环境。目前，已经有很多文献对STEP－NC标准的数据模型与表达方式进行了介绍，因此不再详细描述［6－9］。

STEP－NC有很多优势［2，6］：①在产品信息描述方面具有完整性，提供了完整的和结构化的几何信息与制造信息数据模型，从而避免产品制造过程中各个环节之间的数据格式转换；②在加工任务描述方面具有简洁性和直观性，明确地描述了需要加工的制造特征与加工方法，而不是单纯的机床动作，为数控系统提供了更多的高层信息；③在数控加工方面具有智能性，数控系统能够根据高层产品数据对加工过程进行优化，进而提高生产效率与产品质量；④在信息表达方面具有通用性和可重用性，由于STEP－NC标准采用高层产品数据表达零件信息，不需要针对特定环境进行后置处理，因此STEP－NC文件能够不经修改地使用在不同的加工设备上，当加工环境发生变化时，之前的STEP－NC文件依然可以重复使用；⑤在信息传输方面具有双向性和便捷性，由于STEP－NC标准能够应用于产品制造的各个环节，下游环节对产品数据的修改可以直接保存并反馈给上游环节，同时STEP－NC标准支持XML格式传输，适用于网络化制造环境。因此，许多企业和研究机构都在广泛开展STEP－NC相关技术的研究。

2 STEP－NC数控技术研究现状

到目前为止，国际标准化组织已经基本完成了通用加工数据、铣削和车削等常见加工数据标准的制定，国内外许多研究机构都开展了关于STEP－NC应用的研究，主要有以下5个研究方向：STEP－NC制造系统架构研究、基于STEP－NC的CAD/计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning，CAPP）/CAM 技术研究、STEP－NC数控技术研究、基于STEP－NC的检测与反馈技术研究和基于STEP－NC的智能加工技术研究。

2．1 STEP－NC制造系统架构研究

欧洲的研究机构与企业在STEP－NC应用方面的研究起步较早，亚琛大学WZL实验室与一些企业合作，搭建了第一个STEP－NC原型系统，该系统用于铣削加工。以 HyperFact、SoloCAM和Catia V5作为CAD/CAM 模块，用于生成STEP－NC程序，在车间中使用的是西门子Sinumerik 840D数控系统和与之配套的ShopMill数控编程工具，用于读入STEP－NC文件，然后在内部转换成中间代码，再由数控系统进行加工［10］。斯图加特大学ISW实验室则建立了用于车削的STEP－NC原型系统，其核心是自行开发的CAM软件工具STEPTurn，能够读取、处理和输出用于车削加工的STEP－NC文件［11］。美国的Super Model计划也建立了STEPNC原型系统，在结构上与欧洲原型系统相似，只是在数据交换时采用了ISO 10303AP－238标准［1］。

由于传统的STEP－NC制造系统架构在使用STEP－NC标准时需要转换为各种中间数据，在效率与功能上没有显著提升，不能充分发挥STEP－NC的优势，在近期的研究中很少采用。为解决这一问题，需要针对STEP－NC标准的特点重新设计制造系统架构，建立先进的STEP－NC制造系统架构，主要特点是CAD/CAM/CNC数字链的集成、加工与检测集成和分布式网络化结构。例如，奥克兰大学的Wang和Xu提出了集成CAD，CAPP，CAM和CNC的STEP兼容制造系统架构，能够读取通用STEP－NC文件并进行工艺再规划，转换为专用的STEP－NC文件［12］。巴斯大学的 Newman对 CAx数字链互操作性的实现方法以及信息交互方法进行了分析，提出以STEP－NC为数据标准建立互操作制造系统的理念［13］。Hardwick提出一种具备STEP信息读取、显示与验证功能和加工信息处理功能的STEP－NC制造系统，系统包含各种CAD、CAM以及CNC模块，各模块间通过应用程序接口（Application Programming Interface，API）进行通信，可以完成从工艺规划到加工检测的全部任务［14］。美国NIST建立了一种具备加工和检测功能的层级式控制系统FBICS，通过EXPRESS语言建立加工数据模型并以STEP－NC文件格式输出，自动生成工艺计划并对零件进行加工和检测［15］。维戈大学的Campos提出一种基于STEP－NC的可追溯制造体系，通过一系列方法将产品制造过程中的重要信息保存起来，当产品出现缺陷时，制造者可以通过分析制造过程信息来确定问题的根源［16－17］。Wang等提出一种分布式协同加工平台（Distributed Interoperable Manufacturing Platform，DIMP），该系统采用模块化结构，以STEP－NC作为数据模型，在异构CAD/CAM/CNC系统间进行数据交换，利用面向服务的方式对用户需求进行响应［18］。哈尔滨工程大学的黄雪梅将IEC 61499标准中的功能块概念引入STEP－NC控制器的设计中，将数控系统与可编程逻辑控制器（Progrmmable Logic Controller，PLC）等底层生产设备抽象为功能块，通过工业总线的连接组成分布式控制体系［19－20］。Laguionie提出一种以STEP－NC为数据交换标准的可扩展集成制造系统（eXtended Manufacturing Integrated System，XMIS），通过产品生命周期管理系统的连接，集成产品生命周期的各个环节；同时利用制造信息管道将处于不同位置的系统相连接，采用横向、纵向和放射状混合的信息流动方式实现全球化制造［21］。先进STEP－NC制造系统架构是当前研究的重点，产生了很多新的应用领域与概念，系统功能更加强大和完善，并向着全球化制造方向发展。

2．2 基 于 STEP－NC 的 CAD/CAPP/CAM 技 术研究

在这一领域主要的科学问题与技术难点是制造特征识别理论与方法和工艺规划策略。很多研究团队都致力于STEP－NC文件的输入、处理和输出以及工艺规划方法的研究，以建立完整的基于STEPNC的CAD/CAPP/CAM系统。所采用的主要方法与技术有：基于特征的技术、基于知识的系统、人工神经网络、遗传算法、模糊集合理论与模糊逻辑、Petri网络、基于智能体的技术和基于互联网的技术等［22－23］。

STEP Tools公司在STEP－NC应用研究方面取得了很多成果，并开发了能够生成STEP－NC文件的CAM软件工具STEP－NC Machine和一组用于软件开发的平台ST－Developer。STEP－NC Machine可以读入包含刀具轨迹数据的ATP/CL文件或G代码和包含几何数据的STEP文件或包含完整产品数据的STEP－NC文件，然后在界面中进行显示、编辑与仿真，最终输出用于在特定机床进行实际 加 工 的 STEP－NC 文 件。ST－Developer包 含ROSE C＋＋、Java和SDAI C三个类库，以及一致性测试与编辑工具、信息建模工具、文件转换工具和工程工具等［5］。Newman和Nassehi等建立了一个基于智能体的CAM系统AB－CAM，该系统能够读取STEP－NC文件，然后为每个制造特征指定一个智能体，智能体对制造特征的加工进行规划，最后经过多智能体协作生成完整的工艺流程并输出STEP－NC 文 件 或 G 代 码［24－25］。NIST 将 EXPRESS数据映射为C＋＋数据，建立了SCL类库，用于在软件中开发与STEP－NC相关的功能，例如读入Part－21文件并提取其中的信息，或者将信息以Part－21格式输出。目前，STEPcode开源计划正在继续SCL类库的开发［26－27］。一些研究采用软件开发平台与CAD软件内核进行二次开发的方式，开发了STEP－NC文件读取、显示、制造特征识别以及输出的软件工具［28－29］。Dipper研究了多个制造特征交叉形成的新特征在EXPRESS语言与CAD软件中的表达，然后利用Open CASCADE内核进行了相关软件工具的开发［30］。

基于STEP－NC的工艺规划可分为离线规划、在线规划和实时规划［31］。离线规划是通过外部的CAM软件进行特征转换、资源选择和工艺条件确定等工作，最终生成STEP－NC数控程序，离线工艺规划又可进一步分为宏观工艺规划和微观工艺规划，分别对应通用STEP－NC数据生成和本地STEP－NC数据生成［21］；在线工艺规划和实时工艺规划是在数控系统上实现的，前者根据加工设备的具体情况对加工参数进行优化，后者根据机床的运行状况实时地对刀具轨迹以及工艺参数进行调整。目前的研究大部分采用了离线规划方式。例如，浦项科技大学的Suh等开发了一个车间编程系统PosSFP，实现了STEP－NC文件读取、特征识别、工艺规划、STEP－NC文件输出和显示等功能。在PosSFP内部采用图形化的工艺流程图（Process Sequence Graph，PSG）来表示工艺流程，以工步（Workingstep）和AND－OR关系为基本节点，完整列出所有可行的工艺路线，控制器可以按照一定的机制选择合理的加工顺序［32］。Chung和Shin提出一种以STEP－NC为数据模型的非线性工艺规划方案和用于复合机床的工艺优化算法，并在Turn－STEP系统上对算法进行了验证，然后设计了一个针对多通道复合机床的编程系统［33－34］。Laguionie等针对STEP－NC提出了多线程制造概念，即用一个统一的数字链处理铣削、车削、电火花线切割和快速成型等多种加工任务，这一体系将各种加工设备集成在一起，以应对同一零件需要多种加工方法加工的情况［35］。STEP－NC包含丰富的产品信息，这对于加工仿真来说是一个很好的条件，可以在仿真过程中引入机床、夹具和刀具模型，同时还可以添加动力学参数，使得加工仿真的真实性更强，并且能够为工艺优化提供参考。奥克兰大学的Kadir以STEP－NC数据模型为基础设计了一种高精度仿真系统，充分利用SETP－NC数据模型中所包含的高层产品信息，同时通过传感器对机床状态进行监测，更加精确地反映实际加工的特性［36－37］。

2．3 STEP－NC数控技术研究

STEP－NC制造系统的一个显著特征就是工艺规划和刀具轨迹生成等CAM功能在CNC实现，这使得同一数控程序文件可以在不同的加工环境中应用。但是目前所使用的绝大多部分数控系统都采用G代码或其他底层运动控制代码作为输入，因此实现STEP－NC文件的读取是其推广和应用的关键。STEP－NC程序解释方法可分为三类［38］：

（1）间接解释读取STEP－NC文件，然后翻译成G代码。该方式能够兼容以前的设备，但不能完全发挥STEP－NC的优势，其原理和CAM后置处理生成G代码相同。

（2）直接解释直接根据STEP－NC文件、机床功能数据和刀具数据生成轴运动指令，如果机床具备检测探头，则可以将检测结果也作为刀具轨迹生成的依据。

（3）自适应解释根据加工状态信息对工艺参数和刀具轨迹实施优化。实现这些功能的基础是STEP－NC信息的完全读取，不仅包括ISO 14649中所包含的工艺信息，还应包括ISO 10303中所包含的零件几何信息与制造特征信息。

最初的STEP－NC数控系统都是采用间接解释方法，利用外部CAM软件或内部CAM模块完成后置处理，将STEP－NC程序转换为中间代码。Wang设计了一个基于功能块的即插即用系统，可以提取STEP－NC文件中的信息，并输出G代码［39］。Habeeb等利用STIX类库开发了用于处理ISO 10303AP－238信息的软件工具，最后以6K运动代码输出［40］。Hardwick提出的方法是通过CAM插件或软件将CAM系统对加工规划的结果以AP－238文件的方式输出，再通过中间转换器将AP－238文件转换为数控系统可识别的TCP运动代码［41］。

开放式数控系统的发展为STEP－NC程序的直接解释创造了条件。浦项科技大学在STEP－NC数控系统方面的研究成果有很多：首先设计了STEPNC智能数控系统的框架结构，从功能、数据接口和具体实施三个层面对系统设计需求进行了分析，然后提出了一个包含SFP/TPG、公共数据库和控制模块三部分的STEP－NC数控系统架构［42］。之后又进一步完善了系统的框架结构，并将其命名为自治STEP兼容数控系统（Autonomous STEP－compliant CNC，ASNC），并提出了用公共对象请求代理体系 结 构 （Common Object Request Architecture，CORBA）总线作为系统内各模块间的接口［32］。最终形成了完整的“Korea STEP－NC”数控系统体系，系统包含五部分：车间编程系统（PosSFP）、刀具轨迹生成器（PosTPG）、刀具轨迹显示器（PosTPV）、人机界面（PosMMI）和数控系统核心（PosCNC），各模块间通过CORBA进行通信，通过公共数据库进行数据交换［43］。后续研究还包括用于车削加工的STEP－NC数控系统TurnSTEP、根据车削加工G代 码 反 推 出 零 件 STEP－NC 模 型 的 算 法 等［44－46］。Kramer以NIST开发的标准加工指令（Canonical Machining Commands，CMC）为基础，分别针对ISO 14649和AP－238开发了两个解释器，能够根据STEP－NC文件所描述的加工任务生成CMC指令，但是没有与控制器相结合［15］。兰红波等提出一种多智能体结构的STEP－NC数控系统架构，各个智能体间相互协作，共同完成STEP－NC智能数控系统的各种功能，实现了STEP－NC程序的解释翻译和现场编辑功能，并提供了一个现场工艺规划和仿真的支持平台［47－48］。李鹏提出一种基于Linux Rtai的SETP－NC开放式智能数控系统架构，采用Java和ST－Developer为开发环境，利用加工专家系统对工艺规划提供支持与指导，并开发了工业实时以太网现场总线与伺服系统进行通信［49－50］。朱晓明对STEP－NC数控加工的关键技术进行了研究，以3轴铣削开放式数控系统为平台，实现了STEP－NC文件的读取和加工［51］。一些学者还针对XML格式STEP－NC文件的解释与网络化STEP－NC数控系统进行了研究［52－54］。

目前还没有采用自适应解释方法的STEP－NC数控系统，由于大部分系统都只能对STEP－NC文件中的工艺信息进行提取和利用，对于几何信息一般只用于图形显示。在今后的研究中，开放式数控系统和智能加工将是STEP－NC数控系统的重要技术支撑，并实现STEP－NC文件的自适应解释。未来的数控系统不仅能够读取STEP－NC并实现加工，还可以根据零件特性与加工环境进行自主决策，对加工过程进行优化。

2．4 基于STEP－NC的检测与反馈技术研究

在基于STEP－NC的检测与反馈研究方面，主要研究方向是STEP－NC数据模型建立、检测工艺规划与闭环加工系统研究。Zhao在基于STEP－NC的闭环加工和在线测量等方面进行了深入研究，首先为在线测量提出了相应的STEP－NC数据模型，设计了相应的闭环加工架构，同时开发了一个STEP－NC解释器，能够根据STEP－NC文件中的测量工步进行相关检测操作；之后对现有的计算机辅助检测工艺规划研究进行了分析和总结，并对基于STEP－NC的加工与检测工艺规划集成进行了讨论；接着提出一种基于在线检测与测量的认知制造体系结构，以实现加工、检测与反馈工艺规划的集成；还讨论了相关STEP标准的扩充，以便将STEP中现有的几何尺寸标准和公差标准与制造特征标准、测量技术标准和测量结果标准相关联，提出了一种支持在线自动检测工艺规划的STEP数据模型［55－57］。

闫亮针对三坐标测量机对基于STEP－NC的检测工艺规划进行了研究，提出一种“高低分层规划”的检测工艺规划原理，将检测工艺规划分为高层检测工艺规划和底层检测工艺规划，分别生成面向检测对象与面向实际检测过程的检测工艺流程，采用CATIA二次开发的方法开发了检测工艺规划原型系统，并讨论了闭环制造系统的建立［58］。郑联语进一步对基于STEP－NC的在机检测和检测结果反馈与处理进行了研究，并提出了基于STEP－NC的闭环加工系统框架，以及支持CAPP/CAM 系统与CNC系统双向闭环的高层过程控制器［59］。Brecher提出了一个闭环加工原型系统，首先由软件工具将检测结果保存下来，然后转换STEP－NC文件并反馈给操作者［60］。

在基于STEP－NC的加工检测研究方面，最重要的目标是实现加工与检测的集成，进而建立一个闭环制造系统，使产品的设计、制造、检测与修改成为整体。目前在这方面的研究还不是很多，而且大多采用了对传统加工模式进行修改的实现方式，对STEP－NC的应用还不充分。

2．5 基于STEP－NC的智能加工技术研究

在智能加工中一般采用的方法是以人工智能算法、专家系统和传感器技术为基础，对加工参数进行离线优化或根据加工状态对加工参数进行在线调整。

在加工参数离线优化方面，主要方法是以一个或几个因素为目标，例如加工时间、生成成本或零件表面粗糙度等，然后在一定的约束下对工艺流程及加工参数进行优化。例如，Zhang提出了一种以表面粗糙度为目标的工艺规划系统，通过分析STEPNC文件中的几何数据和加工数据，利用理论残留高度算法估计出切削后的表面粗糙度，由操作者根据需求选择新的加工参数，最后更新STEP－NC文件并输出［61］。胡天亮提出一种以切削时间和单件生产成本为目标函数，对STEP－NC车削加工的工艺参数进行离线优化的算法［62］。Mokhtar对STEP－NC中的交叉制造特征的加工工艺规划进行了研究，以几何约束为基础，定义了制造特征的本地与全局优先级，然后开发了一个基于规则的工艺规划系统，实现零件几何模型显示和加工程序输出等功能［63－64］。欧阳华兵等提出一种面向STEP－NC的基于混合式遗传算法的工艺路线优化方法，以加工成本最低为目标函数，根据优化约束条件，通过遗传算法的复制、交叉和变异等操作实现有效工艺路线的优化决策，得到满足车间要求的最优或接近最优的工艺路线［65］。他们还提出一种基于加工特征聚类的零件装夹规划方法，基于加工特征制造优先级规则对加工单元进行聚类分组，形成零件的装夹方案集，随后通过专家打分和评定策略对这些装夹方案集进行排序，生成符合零件装夹要求的装夹规划方案［66］。实时智能控制与非实时智能控制的结合是STEP－NC的优势之一，通过分析每一次的加工数据，可以对加工参数进行修正。关于STEP－NC与智能加工相结合的研究还处于起步阶段。Ridwan提出一种进给速率优化算法，并对粗加工和精加工两种情况进行了区分，以切削力和切削功率为约束，对切削状态进行监测和分析，并不断优化切削参数［67］。之后Ridwan又进一步提出了基于加工状态监测的STEP－NC智能数控加工方法，并建立了具有离线优化、加工状态监测和知识收集与评估功能的STEP－NC智能数控系统［68］。

目前，对于STEP－NC智能加工的研究还较少，但在今后的研究中，基于STEP－NC的智能加工将成为一个研究热点。同时，智能加工能够充分体现STEP－NC的优势，也对数控系统的开发提出了更高的要求。

3 分析与展望

经过十多年的发展，常用加工方法的STEP－NC标准制定已基本完成，相关研究也很多。通过对近10年来的STEP－NC相关研究领域成果的分析和总结，归纳出当前研究中存在的不足与未来的发展方向：

（1）在STEP－NC制造系统架构研究方面，初期的主要方案是在传统的制造系统架构的基础上进行改造，添加用于处理STEP－NC数据的插件。这种方案没有针对STEP－NC标准的特点对系统进行整体规划与设计，不能充分发挥其优势，与以G代码为数据传输标准的制造系统相比，效率和功能上不占优势，因此在之后的STEP－NC制造系统架构研究中很少采用。但是这一方案可以最大程度地兼容现有加工设备，减少系统升级的成本。目前的研究热点是先进制造系统与STEP－NC数据标准的结合，以集成化、分布式和网络化等架构为基础，以STEP－NC为数据传输标准，扩展制造系统的功能，提高产品制造过程的开放性、交互性与智能性。这种方案能够充分利用STEP－NC文件中包含的高层产品信息，为零件设计、工艺规划、零件加工和检测等环节的智能化提供数据上的支持，同时为各环节间的交互创造了条件，因此将成为未来智能数控系统的主流形态。但是很多先进制造系统架构还停留在概念阶段，在具体应用中只实现了部分系统功能，例如基于STEP－NC的工艺规划、文件解释和加工仿真等。而在基于STEP－NC数控加工、在线工艺规划、闭环加工和智能加工等核心环节上还没有成熟的理论与方法，这些将成为未来一段时间需要解决的主要科学问题。同时，先进制造系统需要更加智能化的制造设备，而传统制造设备的更新换代还需很长时间，因此在STEP－NC的应用和推广过程中会遇到很多阻力。如何在先进STEP－NC制造系统架构中充分利用现有的制造设备，将成为未来一段时间需要解决的主要技术难点。

（2）在基于STEP－NC的CAD/CAPP/CAM 技术研究方面，主要的科学问题与技术难点是制造特征识别理论与方法和工艺规划策略。从目前的情况来看，大部分研究的重心在于STEP－NC文件处理软件的开发。主流的CAD/CAM软件都具备了生成和读取包含AP－203/AP214数据的STEP文件的功能，而且在几何模型处理、显示和操作等方面具有强大的功能，但是不能读取STEP－NC文件。STEP Tools公司开发的STEP－NC Machine软件能够读取、处理和输出STEP－NC文件，但与常用的CAD/CAM系统相比，功能还不够完善。将两者的优势相结合的合理方案是利用CAD/CAM软件提供的二次开发组件实现与零件几何模型处理相关的功能，利用软件开发平台实现与STEP－NC文件处理相关的功能。Catia、UG和Open CASCADE等CAD/CAM软件都提供了功能强大的二次开发套件，ST－Developer和SCL类库等开发包为STEPNC文件处理软件的开发提供了便利。在制造特征识别、工艺规划与刀具轨迹生成方面，基本上直接沿用了原有的CAD/CAM系统功能，即手工选取加工平面，手工输入或部分自动确定工艺路线和加工参数，通过后置处理生成刀具轨迹，然后通过G代码或其他中间指令输出。在一些研究中开发的CAD/CAM系统能够以STEP－NC文件的形式输出，但是需要在后续环节中转换为中间代码才能被数控系统所识别。工艺规划大多采用离线方式，而且需要很多人工操作，缺乏自主规划与推理功能。CAPP是机械加工领域的关键环节之一，也是STEP－NC制造系统的一项核心技术，因此是这一领域的研究重点。

（3）在 STEP－NC 数控技术研究方面，STEPNC文件的读取和处理是核心。从目前的研究来看，基于传统数控系统的研究都采用间接解释方法，通过外置或内置的CAM组件将STEP－NC文件转换为G代码或其他中间运动控制代码。这种方案和传统数控系统一样，只利用了底层的运动控制指令，没有利用STEP－NC所包含的高层产品信息，因此不能发挥STEP－NC的优势，而且多次数据转换的过程也降低了生产效率。随着开放式数控系统的发展，STEP－NC文件的直接解释成为了现实。同时，开放式数控系统能够根据需求进行扩展，为智能数控技术的发展创造了条件。从目前的开放式STEP－NC数控系统研究情况来看，大部分系统在实际加工中只能严格按照STEP－NC文件内部所规定的工艺路线与加工参数进行加工，缺乏自主规划和决策能力。在STEP－NC文件的自适应解释研究方面，还处于探索阶段。STEP－NC数控系统的发展趋势是智能化和网络化，STEP－NC包含丰富的高层产品信息，为数控系统的智能化提供了数据上的支持；STEP－NC文件能够以XML格式输出，为数控系统的网络化提供了便利。未来一段时间的主要研究重点在于STEP－NC文件直接解释方法的进一步完善和自适应解释方法的进一步探索。

（4）在基于STEP－NC的检测与反馈技术研究方面，主要内容是标准的制定和相关理论与技术的研究。目前关于检测与反馈的STEP－NC标准尚不完善，还处于制定阶段。需要建立相应的STEP－NC数据模型，表达需要检测的内容、检测方法、检测结果和检测工步等，并建立完整的检测工艺规划、检测结果反馈和检测结果处理机制。在基于STEP－NC的检测与反馈技术应用领域，主要研究方向是闭环加工理论与方法。主要科学问题与技术难点在于检测结果的反馈与处理机制。从目前的研究来看，对于检测结果的处理机制还不够完善，只考虑了对本次加工误差的修复，没有更深入地讨论误差产生的根源。检测内容只包含加工结果，没有考虑加工过程状态信息，对于两者间的关系没有进行分析。在闭环加工实现方法上大多沿用了以往的制造系统，虽然能够将检测结果反馈给上游环节，但是各环节间的联系不够紧密，没有实现工艺规划、加工和检测各环节的有机结合和协同工作。随着开放式数控技术和智能数控技术的发展，基于STEP－NC的闭环加工理论与方法将进一步完善，同时通过与智能加工的结合，最终实现工艺规划、零件加工、加工过程监测和加工结果检测各个环节的集成，建立起更加完善的闭环制造系统。

（5）在基于STEP－NC的智能加工技术研究方面，主要方向是加工参数的离线优化和实时调整。目前大多数研究都是针对加工参数离线优化的，在工艺规划过程中，利用各种人工智能算法和专家系统进行推理和计算，在满足一定约束的条件下选择一组最优的加工参数，然后写入STEP－NC文件中，由数控系统读取并加工。这一模式与以往的加工参数优化过程基本相同，只是在信息交换过程中应用了STEP－NC标准；而数控加工过程中的智能加工一般是根据实时采集的加工状态对部分加工参数进行实时调整，以达到降低切削力、抑制振动和温度补偿等目的，没有充分利用STEP－NC中所包含的高层信息。因此在目前的研究中还没有建立起完善的基于STEP－NC的智能加工理论与方法体系。随着数控系统功能的不断增强，可以将STEP－NC中的高层信息、实时加工过程状态信息和加工结果检测信息同时输入数控系统，建立智能信息处理机制，对三者间的的关系进行分析，在加工前、加工中和加工后不断对工艺参数进行优化，并将优化后的参数保存在STEP－NC文件中，最终建立起完整的基于STEP－NC的智能加工理论与方法体系。这将是未来的研究热点之一。

总之，STEP－NC将作为下一代数控系统的数据输入标准，得到广泛应用。未来的STEP－NC制造系统将以开放式结构为基础，以智能化为主要特征，以全球化为工作模式，最终建立一个集成产品设计、工艺规划、加工与检测的协作式制造系统。

4 结束语

STEP－NC将带来机械制造业的下一次变革，新标准的实施使各国的设备制造商回到同一起跑线上，因此我国应当抓住机遇，争取尽早研制出具有自主知识产权、稳定可靠的应用系统，在新一轮的国际竞争中占据有利地位。应将以下5个方面作为重点研究领域：STEP－NC制造系统架构研究、基于STEP－NC的 CAD/CAPP/CAM 技术研究、STEPNC数控技术研究、基于STEP－NC的检测与反馈技术研究和基于STEP－NC的智能加工技术研究。其中基于STEP－NC的 CAD/CAPP/CAM 技术研究和STEP－NC数控技术研究构成了STEP－NC制造系统的核心与基础。目前，在STEP－NC制造系统架构研究方面更多的是概念结构，先进制造系统与STEP－NC数据标准的结合将成为未来的主要发展方向。闭环加工与智能加工将是未来数控系统发展的趋势，能充分体现STEP－NC的优势，并能够使数控系统与CAD/CAPP/CAM系统的交互性与协作性更强。总之，国内STEP－NC技术发展之路任重而道远。

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