第２４卷２００５年第１期
１月
机械科学与技术
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖ０１．２４Ｎｏ．１
Ｊａｎｕａｒｙ２００５
刘日良文章编号：１００３—８７２８（２００５）０１＿００９０－０４
ＳＴＥＰ．ＮＣ２．５Ｄ铣削工步的运动特征及其数据模型
刘日良，张承瑞
（山东大学机械工程学院，济南２５００６１）
摘要：在ＳＴＥＰ．ＮＣ条件下，计算机数控系统必将向着智能化方向发展。ｓＴＥＰ—ＮＣ程序的翻
译，加工任务的规划以及加工过程的实时控制是其中的必备功能。为了适应智能型ＳＴＥＰ－ＮＣ控制器中基于特征的刀轨描述方法的需要，本文通过对ｓＴＥＰ．Ｎｃ铣削模型的总结和归纳，提出了运动特征的概念。运动特征以面向特征的方式从运动空间和运动属性２方面来描述刀具与工件的相对运动。据此，文中将ＩＳ０１４６４９标准草案中的２．５Ｄ铣削工步分为３类，分析了它们的运动特征，并用ＥｘＰＲＥｓｓ（Ｉｓ０１０３０３．１１）语言定义了数据模型，以作为ｓＴＥＰ—Ｎｃ控制器规划模块和控制模块之间的接口数据模型。
关键词：ＳＴＥＰ—Ｎｃ；计算机数控；数控铣削；工步；运动特征
中图分类号：ＴＨｌ６４；ＴＰ２７３＋．５文献标识码：Ａ
ＣｏｎｃｅｐｔａｎｄＤａｔａＭｏｄｅｌｏｆＭｏｔｉｏｎＦｅａｔｕｒｅｓｆｏｒＳＴＥＰ－ＮＣ２．５ＤＭｎＵｎｇＷｏｒｋｉｎｇ－Ｓｔｅｐｓ
ＵＵＲｉ．１ｉａｎｇ．ＺＨＡＮＧＣｈｅｎｇ．ｍｉ
．（Ｓｃｈ００１ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａ】Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５００６１）
滴血大教堂
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｉｔｈＳＴＥＰ．ＮＣａｓｄａｔａｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ
ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓ（ＣＮＣ）ａｒｅｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｅｖｏｌｖｅｉｎｔｏｉｎｔｅＵｉｇｅｎｔｓｙｓｔｅｍｓ．ＩｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＳＴＥＰ－ＮＣｐｒｏｇｒａｍ，ｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｒｅａｌ．ｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌａｒｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳＴＥＰ．ＮＣｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｏｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｒｅ－ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｆｅａｔｕｒｅ－ｂａｓｅｄｔｏｏｌｐａｔｈｄｅｓｃ“ｐｔｉｏｎｉｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｃｅｎａｒｉｏｓ，ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｍｏｔｉｏｎｆｅａ—ｔｕｒｅ（ＭＦ）ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒＳＴＥＰ—ＮＣｍｉｌｌｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｕｍｍａｒｙｏｆｔｈｅＳＴＥＰ—ＮＣｗｏｒｋｉｎｇ－ｓｔｅｐｓ．ＭＦｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏＩａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅｂｙｂｏｔｈｉｔｓｍｏｔｉｏｎｓｃｏｐｅａｎｄｉｔｓｍｏｔｉｏｎａｔｔｒｉｂｕｔｅｓｉｎａｆｂａｔｕｒｅ．ｂａｓｅｄｗａｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔ，ｔｈｅ２．５Ｄｍｉｌｌｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇ－ｓｔｅｐｓｄｅｆｉｎｅｄｉｎｔｈｅｄｒａｆｔｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄＩＳ０１４６４９ａｒｅｇｒｏｕｐｅｄｉｎｔｏ３ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｄａｔａｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｉｒｍｏｔｉｏｎｆｅａｔｕｒｅｓａｒｅｄｅ６ｎｅｄｉｎＥＸＰＲＥＳＳ（ＩＳ０１０３０３－１１）Ｉａｎｇｕａｇｅ．ＴｈｅＭＦｄａｔａｍｏｄｅｌｃａ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＴＥＰ－ＮＣ；ＣＮＣ；ＣＮＣｍｉｌｌｉｎｇ；Ｗｏｒｋｉｎｇ—ｓｔｅｐ；Ｍｏｔｉｏｎｆｅａｔｕｒｅ
计算机辅助制造（ｃＡＭ）和计算机数控（ｃＮＣ）是数字制造的２大支撑技术。近年来，欧美等提出并积极倡导一种新的ｃＡＭ／ｃＮｃ接口规范，称为ｓＴＥＰ－Ｎｃ。ｓＴＥＰ—ＮＣ数据模型是在ｓＴＥＰ（ＩｓＯ１０３０３）三维几何模型基础上加入工艺信息后形成的，用以取代传统的Ｇ代码（Ｉｓｏ６９８３）。目前，部分ｓＴＥＰ—ＮＣ标准化工作已完成并形成了新的国际标准（Ｉｓ０１４６４９）草案…，包括总则（ＩｓＯ１４６４９一１）、通用数据模型（Ｉｓ０１４６４９—１０）、数控铣削模型（ＩＳＯ１４６４９．１１）和铣
收稿日期：２００３一ｌｌ一２５
基金项目：山东省自然科学基金项目（Ｙ２００３ＦｌＯ）和山东大学青年自然科学基金项目资助
作者简介：刘日良（１９６８一），男（汉），山东，副教授。博士研究生Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｒｉｌｉａｎｇ＠ｓｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ削刀具（ＩｓＯ１４６４９－１１１）等。标准中采用ＥｘＰＲＥｓｓ（ＩｓＯ１０３０３—１１）语言详细定义了数控铣削加工的数据接口。
从ＩＳＯ６９８３到ＩｓＯ１４６４９，数控程序从形式和内容上都将发生巨大的变化。首先，ｓＴＥＰ—Ｎｃ程序（基于ＩｓＯ１４６４９的数控程序）是ＩＳＯ１０３０３．２１格式的文本文件，其中的每一条语句都是对一定对象、属性或方法的描述而不是具体的运动指令，无法逐条执行。其次，ｓＴＥＰ—Ｎｃ程序所传递的信息已远远超越了传统数控程序的范畴，其中采用了面向对象的方法着重描述加工目标和实施要求而将与具体机床有关的操作细节留待ｃＮｃ处理。这意味着未来的计算机数控系统将由单一的控制功能向着集决策与控制功能于一体的集成系统发展。因此，自ｓＴＥＰ．ＮＣ概念提
出以来ＳＴＥＰ—ＮＣ控制器（面向ｓＴＥＰ．ＮＣ的计算机数控系 万方数据
第１期刘日良等：ｓＴＥＰ－Ｎｃ２．５Ｄ铣削工步的运动特征及其数据模型９１
统）一直是研究的热点。
欧洲的ＳＴＥＰ—ＮＣ项目开发了第一台ｓＴＥＰ－Ｎｃ控制器。从根本上讲，它实际上是一台加装了ｓＴＥＰ—ＮＣ翻译器和人机界面的ｓｉｅｍｅｍｓ８４０Ｄ系统Ｈ１。美国的研究项目开发了一个ＳＴＥＰ—Ｎｃ数据库（称为Ｓｕｐｅｒｍｏｄｅｌ）及一系列工具软件，以支持从设计到制造的数据集成”一１。韩国的ｓｕｈ等提出，为了充分发挥ｓＴＥＰ—Ｎｃ数据模型的优点应开发智能型的ｓＴＥＰ—Ｎｃ控制器，并且就ｓＴＥＰ・Ｎｃ控制器的框架结构和实施策略等进行了研究，指出目前的刀轨生成算法不是基于特征的，因而难以适用于智能型ＳＴＥＰ－Ｎｃ控制器”’。本文作者们在进行研发ｓＴＥＰ—Ｎｃ控制器的过程中也发现了这个问题，分析认为要解决这个问题，首先应解决基于特征的刀轨描述问题。为此，本文提出了运动特征的概念，并针对ＩｓＯ１４６４９中２．５Ｄ铣削模型参照Ｉｓ０１４６４９一ｌｌ利用ＥｘＰＲＥｓｓ（Ｉｓ０１０３０３—１１）语言定义了其数据模型。
资源状况
加工知识
技术诀窍
图ｌｓＴＥＰ．Ｎｃ控制器中的信息流程
１运动特征的概念
加工程序的翻译、自主加工前的规划以及加工过程的实时控制是ｓＴＥｐ．ＮＣ控制器必备的功能。图１表示了ｓＴＥＰ—Ｎｃ控制器中加工信息的基本流程，其中翻译模块的主要功能是根据相关的ＥｘＰＲＥｓｓ规范将ＳＴＥＰ・Ｎｃ程序中的特征信息、工艺信息等转化为系统的内部数据。规划模块在外部规划系统（ｃＡＰＰ／ｃＡＭ）的工作基础上根据受控机床的具体条件进行细化和优化，如工步的排序与优化、工艺参数的确定、刀轨规划等。控制模块则根据规划结果监控加工过程，基本功能类似于目前的ｃＮＣ内核。作为数控程序的基本单位，工步代表了利用一定的工艺方法、刀具、走刀策略、工艺参数等对一定制造特征的一次操作过程。其数据模型过于庞杂，所以难以直接应用于运动控制。图１中实线部分表示了ＳＴＥＰ－Ｎｃ控制器的一般实施方式，即在规划阶段结束后重新生成运动代码。图ｌ中虚线部分表示了规划与控制模块之问基于特征的接口方式。按照这种方式，规划阶段不产生线段形式的刀轨数据或代码，而是生成每个工步的运动特征，由控制模块直接进行处理或插补运算。相对于前者而言，这种方式有以下积极意义：
（１）将基于特征的方法延伸到了控制阶段，是实现基于特征的插补和控制的基本要求；
（２）整个工作流程（从数控程序的翻译到规划再到控制）的信息流畅通起来，为控制器内的动态决
策和控制提供了基础。
你快乐过生活运动特征是对工步进行总结和抽象而得到一种数据模型，其内容可分为２部分：运动空间和运动属性。运动空间描述该工步中刀具参考点可到达的区域（图２）。它主要取决于制造特征、刀具、加工方式等。运动属性则描述刀具在该区域内运动时的方式和参数。
图２制造特征及其运动空间
图３反映了工步和运动特征的关系。２者都是基于特征的，都是对加工操作的概括性描述。但２者的侧重点不同，信息含量也不同。工步重在完整地描述加工任务和方法；丽运动特征则描述刀具的运动，不包含特征和刀具的几何信息，所以工步与运动特征之间不具有严格的对应关系。另外，２者的应用阶段不同，工步作为描述加工任务的基本单位，主要应用于ＳＴＥＰ—ＮＣ控制器的规划阶段；运动特征则仅作为ｓＴＥＰ．ＮＣ控制器内部之间的接口数据形式。
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图３工步与运动特征的关系
２２．５Ｄ铣削工步的运动特征
２．５Ｄ铣削工步指面向ＳＴＥＰ－ＮＣ铣削模型中２．５Ｄ制造特征的铣削加工工步，操作类型包括２．５Ｄ铣削（Ｐｌａｎｅ
人类简史在线阅读 万方数据
机械科学与技术第２４卷
ｍｉｕｉｎｇ，Ｓｉｄｅｍｉｌｌｉｎｇ，Ｂｏｔｔｏｍａｎｄｓｉｄｅ
ｍｉｌｌｉｎｇ）以及钻削类操作。切削时一般只有主轴单独进给或者是其余两轴联动。本文根据其运动空间的特点将这一类工步的运动特征分为３种类型，分别称为Ａ、口和Ｃ类运动特征。下面分别介绍（在下面的定义中，凡未说明的数据类型都可以在Ｉｓ０１４６４９．１、．１０、－ｌｌ或－１１１中找到）。
２．１Ａ类运动特征
Ａ类运动特征主要针对钻削类工步。这类工步的加工对象通常为圆孔类特征，但也可能是槽、型腔等（作为辅助工步）。刀具通常为麻花钻、丝锥、铰刀等，刀具的运动参考点一般为刀尖或端面圆心。
整个钻削工步是刀具从一定高度（退刀面）垂直到达切削深度后返回退刀面的过程。切削深度一般不等于孔深（图４（ａ））。整个过程可以只有一次，也可以有多次进刀和退刀过程（图４（ｂ））。进给速度也可以按一定规律变化。但不管哪种情况，刀具的运动轨迹都是一条垂直线段Ｐ。Ｐ２。所以Ａ类运动特征的运动空间可通过３个参数予以确定，即钻孔位置Ｐ。、退刀面高度Ｐ。Ｐ。和钻削深度Ｐ。Ｐ：。
一＿●
Ｐｌ一
弱踢场
尸，
（ａ）运动空问
图４Ａ类运动特征示例
Ａ类运动特征的运动属性主要包括主轴转速、进给速度、退刀速度、底部滞留时间等。考虑到刀具次数和速度变化的因素，在下面的ＥｘＰＲＥｓｓ定义中，Ａ类特征被分为３类子特征。Ｍｏｔｉｏｎ—
ｆｅａｔｕｒｅ—Ａ被定义为抽象型，其中定义了主轴转速、转向、标准进给速度、标准退刀速度、底部滞留时间等。Ｍｏｔｉｏｎ—ｆｅａｔｕｒｅ—Ａ。是其父类的简单继承，代表了经一次恒速进给即可完成加工的情况。Ｍｏｔｉｏｎ—ｆｅａｔｕｒｅ—Ａ：表示进给速度按一定规律变化的情况，新添的２个变量描述进给速度的变化规律及其与主轴转速的同步关系。ｍｏｔｉｏｎ—ｆｅａｔｕｒｅｊ３代表了需要多次进刀的情况，其中ｒｅｔｒａｃｔ—ｄｉｓｔａｎｃｅ表示每次的退刀量，当退刀量小于或等于零时每次都退回退刀面，其余３个参数表示每次的进给量和滞留时间。
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ＡＢＳＴＲＡＣＴＳＵＰＥＲＴＹＰＥ０Ｆ（０ＮＥ０Ｆ（ｍｏｔｉｏｎ—ｆ色ａｔｕｒｅ—＿ＡＩ’ｍｏｔｉｏｎｊ宅ａｔｕｒｅ—－Ａ２，ｍｏｔｉｏｎ—ｆｅａｔｕｒｅ—Ａ３））
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ＥＮＤＥＮＴＩＴＹ
２．２Ｂ类运动特征
曰类运动特征主要
应用于槽类特征和轮廓
红楼梦读后感2000字类特征等的加工，加工目
标是通过刀具在一定深
快捷键截图度从始点沿一定路径运
动到终点来实现的。刀
具的运动空间可以通过
深度和路径来描述，其中
路径可以由多条线段组
成，可以是封闭的也可以
是不封闭（图５）。工艺
图５日类运动特征示例
参数主要包括主轴转速、进给速度、路径走向（顺时针或逆时针，当路径封闭时确定刀具进给方向）等。完整的工步还包括进刀和退刀２个阶段。进刀是指刀具从退刀面到达切削始点的过程；退刀指刀具从切削终点返回退刀面。在下面的定义中，路径的定义采用了Ｉｓ０１４６４９一ｌＯ中的轮廓（Ｐ曲ｌｅ）类型，对进退刀阶段的描述沿用了Ｉｓ０１４６４９—１１中的数据模型（ａｐｐｒｏａｃｎ—ｒｅｔｒａｃＩ—ｓｔｒａｔｅｇｙ）。
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ｄｅｐｔｈ：ｌｅｎｇｔｈ—ｍｅａｓｕｒｅ；
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外国节日有哪些ｓｔａｎ—ｐｏｉｎｔ：ｃａｎｅｓｉａｎ—ｐｏｉｎｔ；
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四世同堂的作者ＥＮＤ—ＥＮＴＩＴＹ
方
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第ｌ期刘日良等：ＳＴＥＰ－ＮＣ２．５Ｄ铣削工步的运动特征及其数据模型９３
２．３Ｃ类运动特征
Ｃ类运动特征主要厂＝
应用于型腔、平面等特征＞
的加工。这些特征的面，ｃ；
积较大，刀具通常在一定Ｐ。
的范围进行多次往复的
运动（图６）。刀具的运动空间一般可通过深度图６ｃ类运动特征示例
．ｐ２
Ｐ３
Ｐ６
Ｐ７
和一个封闭区域（如图中的矩形Ｐ。＾Ｐ７Ｐ。）进行描述。运动方式与采用的策略（环切、行切等）有关。Ｉｓ０１４６４９—１ｌ中定义了６种方式：ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ，ｂｉｄｉ∞ｃｔｉｏｎａＩ，ｃｏｎｔｏｕｒ—ｐａｒａＪｅＵ，Ｋｄｊｒｅｃｔｉｏｎａｌ一ｃ叩ｌｏｕｒ，ｃｏｎｌｏｕｒ－ｂｊｄｉｒｅｃｔｉ∞ａ１，ｃｏｎｔｏｕｒ—ｓｐｉｒａｌｏ
在下面的定义中，封闭区域被定义为ｃｌｏｓｅｏ—ｐ娟ｌｅ型，ｉｔｓ—ｓｃｒａｔｅｇｙ—ｔｙ
ｐｅ用以代表走刀策略，ｆｅ明一ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ表示刀具位于始点时的进给方向，ｓｔｅｐｏＶｅｒ表示偏移量，ｓｔｅｐｏｖｅｒ—ｄｉｆ∞￡ｉｏｎ表示偏移方向，ｐａｌｈ—ｄｉｒｅｃｆｉ彻指环切时的走刀方向。
ＴＹＰＥｓｌｒａｔｅｇｙ—ｔｙｐｅ＝ＥＮＵＭＥＲＡＴＩＯＮＯＦ（ｕｎｉｄｉｒｅｃ—ｔｉｏｎａｌ，ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ，ｃｏｎｔｏｕｒ—ｐａｒａｌｅｌｌ，ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ一ｃｏｎｔｏｕｒ，ｃｏｎｔｏｕｒ—ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ，ｃｏｎｔｏｕｒ—ｓｐｉｒａｌ）；
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ＥＮＤ—ＥＮＴＩＴＹ
３结束语
Ｉｓ０１４６４９通过较全面的信息模型和面向对象的形式重新规定了计算机数控的数据接口，为数控系统的智能化提供前所未有的有利条件。另一方面，数控加工最终仍然是通过刀具与工件的相对运动实现的。为了充分发挥新数据模型的优势，基于特征的算法对ｓＴＥＰ．Ｎｃ控制器而言是十分必要的。本文提出了运动特征的概念并定义了基本的数据模型，旨在从理论上为基于特征的运动描述方法和控制算法的研究以及ｓＴＥＰ．Ｎｃ控制器的研发工作提供参考。
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Ｃ哪ｐｕ“ＩｒＡｉｄｅｄＭ曩ｎｕｌｈｃｔｕｒｉⅡｇ，２００２．１５（２）：１６８～１７７（上接第８９页）
４结论
对去除拓扑优化中数值不稳定现象的理论和算法进行了深入研究，提出的一种综合过滤算法能够有效抑止拓扑优化中的棋盘格和网格依赖性等数值不稳定性现象。
【参考文献】
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ＭｅｔｈｏｄｓｉｎＡｐｐＩｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅ血ｇ，１９８８，７ｌ【２］ＭｌｅｊｎｅｋＨＰ，ｓｃｈｉ唧ａｃｈｅｒＲ．Ａｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｔｏｏｐｔｉ・ｍａｌｍａｔｅｒｉａｌｄｉｓ晡ｂｕｔｉｏｎ８ｎｄ３ｈａｐｅｎｎｄｉ“ｇ［Ｊ】．ｃｏｍｐｕｔｅｒ
Ｍｅ也ｏｄｓｉｎＡｐｐＩｉｅｄＭｅｃｈａ山船ａｎｄＥｎｇｉｎ∞ｒ蛔ｇ。１９９３，１０６［３】ｓｉｇｍｕｎｄ０．Ｄ髂ｉｇｎｏｆＭ８ｔｅｒｉａＩｓｔｍｃｔｕｒｅｓｕｄｎｇＴｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔ萱ｍｋａ廿ｏｎ［Ｄ］．ＰｈＤｔｈｅｓｉｓ。ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆｓｏｌｉｄＭｅｃｈａｎ—
ｉｃ８。ＴｅｅｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅ措ｉｔｙｏｆＤｅｎｍａｒｋ。１９９４
［４］ｓｉｇｍｕｎｄＯ．ＭＢｔｅｄａｌ３ｗｉｔｌＩｐｒｅ∞ｒｉｂｅｄｃｏｎ毗ｉｔｕｔｉｖｅｐ哪ｍｅｔｅｒ８：帅ｊｎｖｅ玮ｅｈｎｍ皑朋ｉ盟ｔｊｏｎｐ而ｂｌｅｍ［Ｊ］．Ｉｎｔｅ脚ａ岵佃ⅢＪｏｕ皿ａＪ
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［５］ＤｉａｚＡ。ｓｉ印ｍｎｄＯ．ｃｈｅｃｋｅｒｂｏａｒｄｐａｔｔｅｍ８ｉｎｌａｙｏｕｔｏｐｔｊｍｉｚａ－６０ｎ［Ｊ】．ｓｔｒｑｃ‘ｕｒａｌｏｐ６ｍ虹ａｔｉｏｎ，１９９５，ｌＯ：４０一４５
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万方数据
