1 G代碼對數(shù)控技術(shù)發(fā)展的阻礙

　1.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢

　自從1952年美國麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)實驗室研制出世界上第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床以來，數(shù)控系統(tǒng)在制造工業(yè)，特別是航空航天工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。數(shù)控技術(shù)無論在硬件或軟件方面，發(fā)展都很快，已經(jīng)經(jīng)歷了六代。隨著技術(shù)、市場、生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)等方面的快速變化，數(shù)控技術(shù)發(fā)展面臨著許多新的挑戰(zhàn)。不斷出現(xiàn)新的加工需求，要求數(shù)控系統(tǒng)具有快速、高效、經(jīng)濟的面向客戶的模塊化和軟/硬件重構(gòu)能力;改變以往數(shù)控系統(tǒng)的封閉性設(shè)計模式，降低生產(chǎn)廠家對控制系統(tǒng)的高依賴性和對數(shù)控軟/硬件，以及控制策略的耦合性，適應(yīng)未來車間面向任務(wù)和訂單的生產(chǎn)模式。要想達到這一目的，最有效的途徑就是實現(xiàn)開放性。能夠讓數(shù)控系統(tǒng)的制造商、集成者和用戶自由地選擇數(shù)控裝置、驅(qū)動裝置、伺服電動機和應(yīng)用軟件等數(shù)控系統(tǒng)的各個組成要素，用規(guī)范的、簡單的方法將這些要素組合起來，完成某一任務(wù)，這樣就出現(xiàn)了開放式數(shù)控系統(tǒng)。

　目前開放式數(shù)控系統(tǒng)還缺乏統(tǒng)一、明確的概念。美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)是這樣定義開放系統(tǒng)的：“具有下列特性的系統(tǒng)可稱為開放系統(tǒng)：符合系統(tǒng)規(guī)范的應(yīng)用，可運行在多個銷售商的不同平臺上，可與其他的系統(tǒng)應(yīng)用互操作，并且具有一致風(fēng)格的用戶交互界面”。針對開放式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用需求，普遍認(rèn)為，開放式數(shù)控系統(tǒng)具有以下五個基本特征：可互換性、可移植性、可伸縮性、互操作性和可擴展性。這也是衡量數(shù)控系統(tǒng)開放程度的準(zhǔn)則。

　20世紀(jì)80年代，美國發(fā)起了下一代控制器(Next Generation Controller，NGC)的計劃，企圖通過聯(lián)合行動實現(xiàn)基于互操作和分級式軟件模塊的“開放體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”(Specification for an Open System Architeeture Standard，SOSAS)，以達到加強其工業(yè)基礎(chǔ)，恢復(fù)其制造業(yè)霸主地位的目的，在世界范圍掀起了新一輪競爭。自1992年以來，歐盟、美國和日本等制造業(yè)發(fā)達國家相繼開展了大規(guī)模的開放式數(shù)控系統(tǒng)的國際化工程，主要有：歐洲OSACA項目、日本OSEC項目和美國OMAC項目。

　目前，對于數(shù)控系統(tǒng)的研究已經(jīng)超越了開放式數(shù)控的研究，向著更深的內(nèi)涵和更廣的外延方向發(fā)展。從內(nèi)涵方面發(fā)展看，數(shù)控系統(tǒng)正向著高性能、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。其中智能化主要表現(xiàn)為加工運動規(guī)劃、推理決策能力，以及加工環(huán)境的感知能力、制造網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)通信能力、智能編程和智能監(jiān)控等。通過采用先進的自適應(yīng)、自動調(diào)節(jié)技術(shù)和人工智能技術(shù)，使得數(shù)控系統(tǒng)中具有模擬、延伸和擴展的智能行為的知識處理活動。智能數(shù)控系統(tǒng)通過對影響加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速做出實現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對進給速度、切削深度、坐標(biāo)移動和主軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)進行實時控制，使機床的加工過程處于最佳狀態(tài)，保證產(chǎn)品的生產(chǎn)在最佳狀態(tài)下生產(chǎn)率最高。數(shù)控系統(tǒng)的外延也不斷擴展，表現(xiàn)為各種先進制造模式的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，比如并行工程、敏捷制造、動態(tài)聯(lián)盟、柔性制造和集成制造等，這些制造模式實際上是將企業(yè)內(nèi)部的不同部門或是不同企業(yè)之間的資源整合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，快速響應(yīng)市場需要，打破了傳統(tǒng)制造模式，而更加適應(yīng)多元的市場需要。

　綜上所述，可以看出隨著數(shù)控系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對其提出了相對于傳統(tǒng)數(shù)控更高的要求，但是也出現(xiàn)了如下一些問題。

　對開放式數(shù)控系統(tǒng)來說，真正的開放式，其接口必須符合標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)控系統(tǒng)的接口可分為兩組——外部接口和內(nèi)部接口。其中外部接口包括數(shù)控系統(tǒng)與企業(yè)管理網(wǎng)的接口、與伺服系統(tǒng)及I/O設(shè)備的接口以及數(shù)控加工程序接口。而目前加工程序接口G代碼雖然符合ISO6983，但是各個廠商對其進行擴展，導(dǎo)致其對相應(yīng)硬件的依賴，導(dǎo)致程序接口不可能實現(xiàn)真正的開放。而從數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)涵發(fā)展來看，要實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的智能化，數(shù)控系統(tǒng)必須了解產(chǎn)品加工特征的幾何信息和各種加工工藝信息等整體數(shù)據(jù)模型，才能進行路徑規(guī)劃和智能推理決策，以便通過自適應(yīng)采取相應(yīng)的加工決策。而目前G代碼卻沒有包含這些信息，只是包含了坐標(biāo)軸控制的一些簡單信息和一些輔助功能信息;從數(shù)控系統(tǒng)的外延發(fā)展趨勢來看，不同企業(yè)間必須能夠進行產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)模型的交流和共享，才能進行合作和優(yōu)勢互補。但是用于加工零件的G代碼卻依賴于相應(yīng)的硬件，不具有互換性。

　1.2 G代碼的缺點

　1)現(xiàn)場編程或修改非常困難，對于稍具復(fù)雜性的加工對象，G代碼一般需要事先由后處理程序生成，增加了信息流失或出錯的可能性。

　2)G代碼只定義了機床各個坐標(biāo)軸對刀具中心的運動和開關(guān)動作，是一種面向過程的編程代碼，而不包含產(chǎn)品數(shù)據(jù)的其他信息，因此CNC系統(tǒng)不可能獲得完整的產(chǎn)品信息，更不可能真正實現(xiàn)智能化。

　3)從CAD/CAM系統(tǒng)到CNC系統(tǒng)的傳輸過程是單向的，難以支持先進制造模式。

　4)由于廠商和最終用戶開發(fā)的許多擴展功能未能標(biāo)準(zhǔn)化，因此零件程序在不同的數(shù)控系統(tǒng)之間不具有互換性。

　5)在機床上不能實現(xiàn)實時刀具路徑生成、碰撞、檢驗、圖形加工可視化和復(fù)雜NC程序修改等功能。

　6)ISO6983和它的擴展部分在不同的數(shù)控機床和計算機輔助系統(tǒng)(CAX)之間不能進行雙向數(shù)據(jù)交換。

　由此可見，盡管G代碼在全世界范圍被廣泛接受和使用，但是逐漸成為數(shù)控技術(shù)進一步發(fā)展的瓶頸，需要一種新的數(shù)控加工程序標(biāo)準(zhǔn)來解決上述問題。

　2 STEP的出現(xiàn)和發(fā)展

　隨著經(jīng)濟全球化趨勢的不斷發(fā)展;使得制造產(chǎn)業(yè)、制造技術(shù)和產(chǎn)品逐步走向國際化，導(dǎo)致制造業(yè)在全球范圍內(nèi)重新分布和組合。正是在這種背景和需求下，隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化制造產(chǎn)生并得到很快的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)化制造是利用先進制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)，根據(jù)市場和用戶的需求，針對某一具體產(chǎn)品，為彌補企業(yè)自身制造能力的不足，需從其他企業(yè)獲得制造資源和技術(shù)資源的支持，迅速將在地理位置上分散的企業(yè)聯(lián)合起來，構(gòu)建一個相互協(xié)作、優(yōu)勢互補的虛擬企業(yè)聯(lián)盟，充分利用各聯(lián)盟企業(yè)的制造資源和技術(shù)資源，以最快的速度以及合理成本實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)制造的過程。

　網(wǎng)絡(luò)化制造的最顯著特征是快速、柔性、資源和信息的共享。網(wǎng)絡(luò)化制造的實質(zhì)是動態(tài)聯(lián)盟的組建。無論是在動態(tài)聯(lián)盟組建過程中，還是動態(tài)聯(lián)盟組建后的實際實施過程中，動態(tài)聯(lián)盟各盟員間都需要進行信息的交互。但是，各盟員間的計算機系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是異構(gòu)的;信息處理為多平臺;各盟員間的CAX、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)和企業(yè)資源計劃(ERP)也是千差萬別，存在著不兼容性;產(chǎn)品形式復(fù)雜多樣，信息間的關(guān)系錯綜復(fù)雜，涉及到產(chǎn)品的全生命周期。因而，在這種分布、異構(gòu)和異質(zhì)環(huán)境中，如何實現(xiàn)信息集成與共享、信息的高效傳輸是網(wǎng)絡(luò)化制造的基礎(chǔ)和核心。

　為了解決這一難題，世界各國研制開發(fā)了各種不同的圖形交換標(biāo)準(zhǔn)，如美國的DXF、IGES、PDES，法國的SET，德國的VDAIS、VDAFS，ISO的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP)等。其中，運用比較廣泛的是美國的初始圖形交換規(guī)范(Initial Graphics Exchange Specification，IGES)和ISO的STEP標(biāo)準(zhǔn)。IGES圖形交換標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，1980發(fā)布第一版，之后為了適應(yīng)CAD/CAM領(lǐng)域軟/硬件技術(shù)的發(fā)展，進行了三次修改，其第四版于1988年發(fā)布。STEP國際標(biāo)準(zhǔn)1994年才真正形成，但是由于它具有前者所沒有的種種優(yōu)點，因此大有取代前者的趨勢。

　國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的表達和交換標(biāo)準(zhǔn)STEP(國標(biāo)ISO10303)，是關(guān)于數(shù)字化產(chǎn)品信息表達與交換的國際標(biāo)準(zhǔn)，涉及幾何、拓?fù)洹⒐睢傩院脱b配關(guān)系等的表達與交換，旨在為產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)交換提供統(tǒng)一的規(guī)范，解決制造業(yè)中計算機環(huán)境下設(shè)計和制造(CAD/CAM)的數(shù)據(jù)交換和企業(yè)數(shù)據(jù)共享的問題。STEP標(biāo)準(zhǔn)提供了一種不依賴具體系統(tǒng)，能夠描述產(chǎn)品全生命周期的中性機制，在產(chǎn)品的全生命周期做到信息共享。

　STEP最大的優(yōu)點在于其開放性的結(jié)構(gòu)和可擴展性。它擁有自己的信息描述語言EXPRESS。這種語言是目前唯一廣泛采用的可以描述三維實體復(fù)雜性的語言，既能描述任意工程信息的結(jié)構(gòu)，也能描述其間的約束關(guān)系。因此，利用EXPRESS語言可以將STEP向任意應(yīng)用領(lǐng)域擴展。目前每年舉行3次由世界范圍內(nèi)200多名產(chǎn)品數(shù)據(jù)專家參加的STEP修定會，負(fù)責(zé)STEP的創(chuàng)建、維護和擴展工作。

　STEP標(biāo)準(zhǔn)為制造信息集成與共享提供一種方法和工具。因而，為了實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟各盟員間信息的集成與共享，須采用STEP標(biāo)準(zhǔn)的建模方法進行系統(tǒng)信息的分析，并用EXPRESS表達最終的信息模型。

　當(dāng)前，常用的CAD軟件都支持STEP標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用協(xié)議(如AP203、AP214)的子集，從而為CAD系統(tǒng)之間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享提供了基礎(chǔ)。CAD下游的各專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，包括CAM、CAE、CAPP等，也可以STEP中性文件為基礎(chǔ)，實現(xiàn)與CAD的系統(tǒng)集成。同時，STEP中性文件還為產(chǎn)品數(shù)據(jù)在不同版本的CAX系統(tǒng)之間的繼承提供了可能，使產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計具有延續(xù)性。

　3 STEP在制造領(lǐng)域的延伸——STEP-NC

　3.1 STEP-NC概況

　由于CNC所使用的G代碼本身所具有局限性和缺點，并且和CAD/CAPP/CAM所使用的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)(STEP)的不兼容性，使數(shù)控系統(tǒng)己經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化制造業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和技術(shù)發(fā)展的需要，迫切需要一種新的編程接口，來取代G代碼，使CAD/CAPP/CAM和CNC使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和程序結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)信息的無損和雙向傳送。

　正是在這種情況下，1997年歐共體通過OPTIMAL計劃，開發(fā)了一種遵從STEP標(biāo)準(zhǔn)、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，重新定義了面向銑削加工的編程接口，從而提出了STEP—NC(STEP Compliant Data Interface for Numerical Controls)的概念。它將產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)STEP擴展至CNC領(lǐng)域，旨在以STEP統(tǒng)一表征CNC加工過程中涉及的全部信息，是設(shè)計模塊和制造模塊之間基于STEP建立的新的接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)CAD/CAM和CNC之間的無縫連接，為數(shù)控系統(tǒng)提供了完整的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，為發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)的開放性、智能化和網(wǎng)絡(luò)化奠定基礎(chǔ)。

　它要求CNC系統(tǒng)直接使用符合STEP標(biāo)準(zhǔn)的CAD三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型(包括工件幾何數(shù)據(jù)、設(shè)置和制造特征)，加上工藝信息和刀具信息，直接產(chǎn)生加工程序來控制機床。STEP-NC定義了一個新的STEP應(yīng)用協(xié)議，即AP238應(yīng)用協(xié)議(ISO10303-AP238)。AP238作為CAM和CNC系統(tǒng)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容涵蓋了從產(chǎn)品建模到加工的全過程，包括CAD產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型幾何信息(AF203/AP214)、公差定義(AP219)和特征定義(AP224)。因此由CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)經(jīng)過CAPP、CAM添加工藝信息和刀具信息之后，形成AP238文件，就可以直接被STEP-NC數(shù)控機床所讀取。

　3.2 STEP-NC優(yōu)點

　1)可消除數(shù)控程序?qū)?shù)控系統(tǒng)的依賴性。STEP-NC數(shù)據(jù)接口是一種中性描述，不依賴于具體的CAM系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)或機床。這顯然會極大地提高數(shù)控程序的可移植性和系統(tǒng)的柔性，在一定程度上解決制造系統(tǒng)間的兼容性問題。

　2)與STEP直接進行信息交換。在企業(yè)內(nèi)部，利用STEP作為數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)產(chǎn)品信息從設(shè)計(CAD)、工藝設(shè)計(CAPP)到制造(CAM)、底層加工設(shè)備(CNC)以及信息管理(PDM、ERP)，即從上到下的無瓶頸傳送，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部從設(shè)計到加工的縱向產(chǎn)品全生命周期的信息高速公路。這將會大大方便系統(tǒng)間的信息交換和共享，為并行工程、敏捷制造等先進生產(chǎn)模式打下基礎(chǔ)。

　3)實現(xiàn)與CAD/CAM雙向數(shù)據(jù)交換，避免了后置處理過程。為了優(yōu)化生產(chǎn)過程和提高成品質(zhì)量，經(jīng)常需要對NC程序加以修改。但采用G代碼，這些改動無法反饋到CAM系統(tǒng)，因為生成NC程序時記錄最初加工需求的信息已經(jīng)丟失了。而使用STEP-NC就會減少信息丟失的問題。同時CAM系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)既能重新解釋這些最終用戶和供應(yīng)商定義的代碼擴展部分，也能通過數(shù)據(jù)庫存儲這些信息，以避免在加工車間再進行多余的代碼測試。

　4)加工現(xiàn)場可得到較全面的信息。STEP-NC完整的信息模型可以保證數(shù)控機床的操作者或CNC系統(tǒng)對被加工件有全面的了解。通過現(xiàn)場編程界面，機床操作者在加工前可以直觀地了解到最終產(chǎn)品。通過提供完整的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型，在整個生產(chǎn)的每個階段都避免了信息丟失，不再需要為機床設(shè)計專用后置處理器。這對于數(shù)控系統(tǒng)的智能化相當(dāng)重要。

　5)以傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口為基礎(chǔ)的NC程序，僅能修改進給速度和切削速度等工藝參數(shù)。而使用STEP-NC可以有效地修改各種工藝參數(shù)。例如使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，減少切削深度只能離線處理，因為有關(guān)信息只有在CAD/CAM系統(tǒng)中才能得到。

　6)使網(wǎng)絡(luò)化制造成為現(xiàn)實。STEP-NC能直接進行信息交換，實現(xiàn)了基于STEP-NC的CNC系統(tǒng)與基于STEP的所有CAX系統(tǒng)之間的雙向無縫連接，使用XML(eXtensible Markup Language)可方便地在網(wǎng)上傳輸產(chǎn)品信息，為網(wǎng)絡(luò)化制造創(chuàng)造條件。

　7)實踐證明，使用STEP-NC建立單一數(shù)字化產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)庫可以極大地提高生產(chǎn)率。據(jù)統(tǒng)計，使用新的標(biāo)準(zhǔn)接口，加工車間減少了35%的路徑規(guī)劃時間，75%的圖樣生成時間，50%的中小型零件加工時間。

　4 結(jié) 語

　正是具有這些G代碼不可比擬的優(yōu)點和基于STEP的CAD/CAM之間的無縫連接，以及支持各種先進的制造模式，使STEP-NC成為世界工業(yè)化國家研究的熱點。據(jù)美國STEPTools公司的預(yù)測，STEP-NC控制器將在本世紀(jì)的第—個十年內(nèi)出現(xiàn)，屆時人們將會看到自動化制造的全新景象。但是，目前用于生成STEP-NC程序并用于加工的成熟專業(yè)軟件還沒有出現(xiàn)，這有待于專業(yè)結(jié)構(gòu)進一步開發(fā)。同時，STEP-NC程序是面向?qū)ο蟮木幊谭绞剑虼藢Τ绦虻氖褂谜邅碚f需要更多的時間進行培訓(xùn)，在某種程度上限制了它的推廣。