基于STEP-NC的铣削加工智能化工艺规划系统及其实现

欧阳华兵

(上海电机学院机械学院，上海 200245)

为了实现产品信息在CAD/CAPP/CAM/CNC间的双向数据交换、集成与共享，德国Aachen大学WZL机床研究所于1994年在其所承担的欧洲项目OPTIMAL中首次提出了STEP-NC的概念。此后，STEP-NC引起了全球许多国际化组织、团体和科研院所的重视，欧盟、美国、瑞士、日本、韩国等工业发达国家也相继加入了STEP-NC的研究队伍中，启动了STEP-NC相关的研究项目，典型的有:欧洲的OPTIMAL，美国的 Super Modal和日本的 Digital Master［1－2］等。2001 年成立了国际性研究组织 IMS STEPNC，组织制定了一种全新的CNC产品数据接口标准ISO 14649(简称为STEP-NC)，该标准与STEP标准完全兼容，是STEP标准向CNC领域的扩展。目前有关STEP-NC的研究主要集中在两个方面:(1)建立和完善STEP-NC标准，将该标准扩展到不同的工业应用领域中;(2)面向STEP-NC标准的工业化应用，推动STEP-NC尽快投入到实际工业应用中［3］。

基于STEP-NC的加工程序由零件几何信息和加工信息组成，采用基于零件加工特征和加工工步的方式来描述零件的加工过程，与传统ISO 6983标准的G/M代码不同，它不再依赖于机床的刀具运动语句，无需任何处理就能在所有基于STEP-NC的CNC系统中运行［4－5］。由于 STEP-NC标准对于数控加工的意义不仅表现在数据接口的变化，而且还表现在它将打破数控系统生产商在机床数控系统方面的垄断地位，使零件的加工程序不再完全依赖于具体的数控系统，从而在很大程度上解决了零件制造过程中存在的数据共享和信息集成等问题［6］。

基于STEP-NC标准的数控系统将是未来数控技术发展的一个重要方向，而STEP-NC标准的核心则体现在基于零件加工特征的智能化工艺规划中。因此，在面向STEP-NC标准的数控加工中，对基于零件加工特征的智能化工艺规划展开研究就显得至关重要。

针对上述问题，文中重点对基于STEP-NC铣削加工的智能化工艺规划系统展开系统研究，构建了基于STEP-NC铣削加工的智能化工艺规划系统框架，重点阐述了该系统所涉及的若干关键技术，并开发了相应的原型系统。

1 铣削加工智能化工艺规划系统框架

基于STEP-NC标准的铣削加工数据模型采用面向对象的方法及特征技术，STEP-NC的加工程序就是以零件加工特征与加工操作组合而成的加工工步序列，它采用了与传统基于ISO 6983标准完全不同的中性文件表示机制，加工特征描述了零件几何形状及其加工信息;加工操作描述了加工特征所采用的加工方法、刀具和工艺参数等［7］。因此，面向 STEP-NC铣削加工的CAPP系统与传统的CAPP系统存在极大的差异，必须对其进行专门研究。

根据STEP-NC铣削加工CAPP系统的特点，构建了面向STEP-NC铣削加工的智能化工艺规划系统(Intelligent Computer Aided Process Planning System Based on STEP-NC，ST-ICAPP)，该系统的总体结构框架如图1所示。

图1 ST-ICAPP系统总体框架

该原型系统包括零件特征信息层、零件装夹规划层、非线性工艺路线智能规划层、数控加工程序的生成层等4个层次。

2 ST-ICAPP系统若干关键技术问题

基于STEP-NC铣削加工的智能化ST-ICAPP系统旨在根据零件的设计模型信息，进行工艺路线的智能化决策，生成加工零件的最优工艺路线，为后期零件加工活动提供数据准备。下面对ST-ICAPP系统所涉及的若干关键技术:几何特征提取及其加工特征识别、基于可制造性分析的零件装夹规划、零件智能化工艺路线生成与优化和STEP-NC加工程序生成等进行阐述。

2.1 几何特征提取及加工特征识别

几何特征提取根据零件设计模型STEP AP 203中性文件，获取工艺规划等后期工艺活动所需加工特征及其特征参数。由于STEP AP 203中性文件不符合面向工艺设计STEP AP 224工艺文件要求，故须将STEP AP 203文件转换为STEP AP 224文件。

为此，采用对STEP AP 203中性文件进行解析的策略，将采用EXPRESS语言描述的实体数据类型转换为ACCESS数据库类型的数据，再通过提取出中性文件中的实体几何信息及其拓扑信息，将不同实体信息存储到数据库相应表格中，以便对其进行操作和处理［8］，其算法流程如图 2 所示［9］。

吸取上述化学镀镍溶液1 mL，置于300 mL烧杯中之后加水至100 mL，接着用氢氧化钠溶液调节试液的pH至11.5，再加30%的双氧水1 mL，试液中未出现氢氧化镍沉淀。放置24 h使双氧水分解后再加入30%的双氧水1 mL，也没有沉淀生成，24 h后再加30%的双氧水1 mL，仍未见沉淀生成。可见用双氧水氧化柠檬酸，需要一次性加入一定的量之后才能使柠檬酸失去配位能力。

图2 基于STEP-NC的加工特征识别

另外，由于当前大多数CAD系统都采用特征造型方式来构建零件三维实体模型，其输出的STEP文件采用边－面－体格式表示，这与面向STEP-NC标准所采用的加工特征集描述零件的方式不同［10］。根据保存在数据库中的实体几何和拓扑信息，提出了对这些信息进行特征识别的策略［8］。为了保证加工特征符合STEP-NC标准，还需为加工特征添加相应的工艺信息，生成包含加工特征集的STEP AP 224文件，从而为下游工艺规划提供相应的输入信息。

2.2 基于可制造性分析的零件装夹规划

为了保证所生成工艺路线的合理性，在零件工艺规划之前还应对零件的工艺性及可制造性进行分析与评价，减少工艺规划问题求解的复杂性，保证所生成的工艺路线具有可制造性，提高工艺路线规划的效率［10－11］。

为了判断整个零件是否具有可制造性，可拆分为组成该零件的所有加工特征是否具有可制造性。如果有任何一个加工特征不能满足可制造性要求，则必须对其进行修改，同时系统还会出现相应的错误提示信息;反之，如果所有加工特征都满足可制造性要求，系统机械分析每个加工特征所对应的可行刀具进给方向 (TAD)，实现满足零件可制造性的装夹规划，为特征加工操作方案生成提供支持。

针对加工特征的可制造性评价问题，提出了面向STEP-NC的基于启发式搜索的零件聚类装夹规划算法［12］。该算法按照刀具进给方向 (Tool Access Direction，TAD)及其装夹约束条件，判断每个加工特征的所有潜在的加工方法，如果不满足加工方法条件，则认为该特征无法加工，返回零件的重新设计建议;只有当所有的加工特征都存在可行加工方法时，才将这些加工特征与其加工方法组合构成STEP-NC的加工工步，随后再按照刀具更换次数最少的原则，实现对零件的合理装夹，完成基于可制造性分析的零件装夹规划，并为后期工艺路线生成与优化提供合理的数据准备。

2.3 零件工艺路线的智能化生成与优化

与常规工艺路线规划不同，面向STEP-NC的非线性工艺路线以基于加工特征的工步为对象，将零件的工艺路线规划过程拆分为组成该零件所有加工特征的工步规划组合，这在一定程度上降低了工艺路线规划的复杂性。

在工艺路线设计过程中，以符合ISO 14649标准并满足可制造性要求的加工特征为研究对象，基于ISO 14649 Part 11、12标准的工艺知识实现对每个加工操作类型的智能化推理与决策，其算法流程如图3所示［13］。

图3 基于智能搜索的混合式GA算法工艺路线优化

首先给出了智能获取工步中加工操作、机床和刀具等主要信息的人工神经网络算法;进而提出了一种基于人工神经网络的反向推理方法，用于生成加工特征的所有可行加工方案;提出了采用模糊逻辑算法的智能化求解策略，实现了铣削加工过程中加工参数的智能优化选择;基于STEP-NC的非线性工艺路线规划模型，提出了采用加工操作优先图 (OPG)的智能搜索和遗传算法相结合的混合式工艺路线生成及优化算法，以加工成本最低为约束条件，实现零件工艺路线的智能化决策与优化。

2.4 STEP-NC数控加工程序生成

生成的STEP-NC工艺路线是否合理，还需进一步进行仿真测试和验证。为了保持系统的完整性，该原型系统还对STEP-NC数控加工程序生成过程进行了相应处理。

为了使STEP-NC数控加工程序能与基于G代码的常规CNC控制器相兼容，在生成STEP-NC数控加工程序时，考虑采用两种不同的输出方式:一种是直接根据STEP-NC工艺规划文件生成符合STEP-NC控制器的数控加工程序;另一种是对STEP-NC加工代码进行转换，生成符合ISO 6983标准的G代码加工程序，以便于在常规CNC数控机床上进行加工。

3 ST-ICAPP原型系统实例验证

以Microsoft Windows7为平台，以面向对象、支持网络和数据库的VB.NET为编程开发工具，以大型商用软件SolidWorks 2011作为CAD开发平台，充分利用 SolidWorks API函数［14］，以 Microsoft Access 2010为数据库管理系统，运用前文所述的面向STEP-NC铣削加工的智能化CAPP系统若干关键技术，重点对该原型系统开发展开研究。

ST-ICAPP原型系统的用户接口采用VB.NET的ActiveX Automation技术，通过SolidWorks提供的API函数，实现零件公差、表面粗糙度、材料等设计信息和工艺信息的访问。为了使该原型系统与Solid-Works系统完全兼容，采用动态链接库DLL形式的COM组件，以插件方式集成到SolidWorks平台的菜单中，提供了与SolidWorks完全兼容的友好工作环境，实现ST-ICAPP各模块相应功能的有效集成、功能定制与扩展。ST-ICAPP原型系统的主菜单如图4所示。

图4 ST-ICAPP系统主菜单

为了演示ST-ICAPP原型系统在零件非线性工艺规划中的应用，对前文所述面向STEP-NC铣削加工的智能化工艺路线规划的理论方法进行验证，以图5所示的实例零件为例，对该零件的非线性工艺规划的几个关键过程进行说明，该零件材料为45号钢，毛坯采用方料。

图5 实例零件模型、设计特征及其加工特征的识别

3.1 零件特征识别

通过SolidWorks打开已构建的零件三维模型，点击“ST-ICAPP”→“零件信息获取”→“特征识别”菜单，系统运行特征识别算法，将零件的设计特征转换为相应的加工特征，并以特征树的形式显示在SolidWorks的特征管理器，生成符合STEP-NC标准的加工特征序列，如图5所示。

单击特征树的每个特征将在零件模型上动态高亮显示该特征模型，如单击特征树中的不规则槽按钮，即可显示其对应的模型。

3.2 工艺信息处理

在完成加工特征识别后，为了生成符合STEP-NC标准的加工特征，还需为加工特征添加相应的工艺信息。

ST-ICAPP原型系统主要考虑了零件尺寸公差、几何公差、表面粗糙度、零件材料及其材料硬度等工艺信息，下面以零件尺寸公差处理对其进行说明。

点击“ST-ICAPP”→“获取零件信息”→“工艺信息处理”菜单，在SolidWorks属性管理器页弹出工艺信息处理页面，如图6所示。选择某一个加工特征，展开“工艺信息处理”属性管理器窗口中的特征参数、定位基准尺寸及几何公差、表面粗糙度及材料硬度等选项栏，添加缺少的工艺信息。如图6中选择孔特征，显示出其直径值大小为5 mm，分别输入该孔的上、下偏差+0.05和－0.05，系统将该孔半径及其上下偏差值以一定的格式进行存储，为后续工艺规划提供工艺信息。

图6 加工特征的工艺信息处理

另外，通过定位基准尺寸及几何公差，可对特征的定位尺寸及其几何公差进行设置;通过表面粗糙度和材料硬度分别设置待加工特征表面的表面粗糙度值及其加工材料硬度。对上述两种公差信息的处理可采用类似特征参数的处理方法。

3.3 基于可制造性的零件装夹规划

在获取零件信息后，点击“ST-ICAPP”→“零件装夹规划”菜单。系统按TAD为每个加工特征选择可行的TAD，生成零件的装夹规划，如图7所示。

图7 基于可制造性的零件装夹规划

3.4 零件工艺路线的优化

根据已识别出的加工特征及其生成的可行加工工步序列，以零件加工成本最小作为工艺路线优化的目标函数，采用基于精英策略的混合式遗传算法进行求解，最终实现零件工步序列的优化，生成最优或近似最优的零件工艺路线。

点击“ST-ICAPP”→“零件工艺路线优化”菜单，弹出如图8所示参数设置界面，用户可采用默认方式，也可交互编辑相关参数，如遗传算法的种群大小、最大迭代次数、交叉概率、变异概率和动态选择策略等，系统将采用遗传算法进行计算，获取满足零件加工成本最低的零件工艺路线，实现零件工艺路线的优化。

图8 工艺路线优化的参数设置

点击“ST-ICAPP”→“显示优化后的工艺路线”菜单，还可查看已生成的最优工艺路线，如图9所示，该工艺路线以特征树形式在SolidWorks属性管理器页中显示。如果用户不满意，还可继续更改设置，重新生成零件的工艺路线。图9中箭头分别表示不规则槽1特征的粗铣和轮廓精铣加工操作。

图9 生成的零件最优工艺路线

4 结论

从数控铣削加工角度出发，以开发符合STEP-NC标准的智能化ST-ICAPP系统为主要研究目标，阐述了该系统开发过程所涉及的若干关键技术问题。基于SolidWorks平台开发了面向STEP-NC铣削加工的STICAPP原型系统，分析了该原型系统实现的总体框架，并结合典型零件实例的工艺路线规划，对所构建的ST-ICAPP原型系统的具体应用过程中涉及的主要关键问题进行了说明，验证了ST-ICAPP系统的关键技术，进一步表明文中所阐述基于STEP-NC铣削加工智能化工艺规划系统的合理性和可行性。

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