网络化制造与STEP-NC技术研究

摘要

现代制造业正朝向网络化、全球化、智能化等方向发展，因而以网络化制造手段来改造制造企业，使企业能快速响应市场，尽可能的满足个性化市场的需求，是现代制造业必须面临的课题。网络化制造正是在这种背景下产生的，网络化制造是在网络环境下对计算机集成制造、智能制造、敏捷制造等先进制造模式与技术的综合、深化与实现，并将随着各种先进制造技术和信息技术的发展而发展。网络化制造是经济全球化和信息革命时代的必然产物，是网络经济时代先进制造技术和网络技术相结合的必然结果。 STEP-NC是近年来欧、美、韩等工业发达国家面向现代计算机数控系统提出的一种新的数据接口规范，用以取代沿用已久的ISO 6983(G代码)。迄今已完成了部分标准化工作并形成了新的国际标准(ISO 14649)草案。STEP-NC是STEP(ISO 10303)向数控加工领域的拓展，它要求基于STEP的CAD模型，加上工艺数据后直接作为CNC的输入，以STEP-NC取代ISO 6983对于数控系统乃至数字制造系统的发展有着深远的积极意义。 基于STEP-NC的数控程序是一种中性描述，它不依赖于具体的CAM系统、数控系统或机床，这显然会极大地提高数控程序的可移植性，在一定程度上解决制造系统间的兼容性问题。STEP-NC对实现数控系统的智能化是相当重要的，STEP-NC将STEP的应用范围延伸到数控加工领域后可望实现CAD、CAM、CNC之间的无缝连接，直接进行信息的双向交换，经过优化的加工方案可以方便地回溯到上游系统，这将会大大方便系统间的信息交换和共享，为其他相关技术提供基础性条件，这也决定了数控系统必然向着集决策与控制功能于一体的集成系统方向发展。 本文在相关项目基金的资助下，首先综述了国内外STEP-NC技术与网络化制造技术的发展概况，并对研究现状进行了比较全面的总结。在此基础上，对基于STEP-NC的网络化制造系统框架及网络化传输方法、对基于STIX库的STEP-NC程序信息处理方法以及解释器等相关技术进行系统深入的研究。本论文的具有创新意义的主要研究工作有如下几个方面： (一) 研究了基于STEP-NC的产品制造信息的网络化描述，重点研究了XML的编程接口，EXPRESS语言和xML语言之间的映射方法及实现方法。从STEP-NC程序结构入手，建立了面向特征的STEP-CNC系统实现框架，从技术角度出发，确定了现实可行的数控系统研究方法和工作流程。 (二) 研究AP238文件的信息结构，提出了基于STIX库的AP238文件信息提取方法，并以实例详细说明了AP238文件头段信息和数据段信息提取中具体函数的使用方法，实现了AP238文件信息的提取。 (三) 研究基于STEP-NC的工艺规划优化方法及原理，通过分析STEP-NC文件的信息结构，采用遗传算法优化工艺路线，将数据信息写入应用程序中，生成符合STEP标准的数据格式文件。 (四) 对基于STIX库实现信息处理功能的STEP-NC解释器进行深入研究，通过创建符合AP238协议中实体定义项对应的C++类，运用STIX库函数，依据AP238文件信息结构逐一识别储存加工零件所需的所有操作任务和具体信息。建立了基于STIX库的STEP-NC程序解释器系统。 (五) 研究网络化制造中的Multi-Agent技术的应用。重点研究STEP/XML转换器，XML数据分析器，XML浏览器的方法及实现流程，描述了系统中包含的多个Agent的结构及实现方法，构建了一种新的基于STEP-NC的网络化协同制造系统框架。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1网络化制造技术的产生

1.1.2基于STEP-NC的CNC技术

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.2.1网络化制造的研究现状

1.2.2 STEP-NC的研究现状

1.3课题的来源及论文主要研究内容

1.3.1课题的来源

1.3.2论文主要研究内容

第2章STEP-NC标准及相关应用协议研究

2.1 STEP标准

2.1.1 STEP标准概述

2.1.2 EXPRESS语言

2.1.3 STEP Part21文件

2.1.4 EXPRESS语言与Part21交换格式的映射

2.1.5 STEP标准的实现方式

2.1.6 STEP标准的应用

2.2 STEP-NC标准

2.2.1 STEP-NC标准概述

2.2.2 STEP-NC的数据模型

2.2.3 STEP-NC的程序结构

2.2.4 STEP-NC的实现方式

2.2.5 ISO14649(ARM)与STEP AP238(AIM)

2.2.6 STEP-NC中的重要概念

2.2.7 STEP与STEP-NC的关系

2.2.8 STEP-NC程序与传统数控程序的比较

2.2.9 STEP-NC的特点

2.2.10 STEP-NC对未来制造业的影响

2.3相关应用协议简介

2.3.1 STEP AP224协议简介

2.3.2 STEP AP238协议简介

2.4 ST-Developer开发工具

2.4.1 ST-Developer的功能说明

2.4.2 Windows NT下的ST-Developer

2.4.3 ST-Developer的工具简介

2.4.4 ROSE库和STIX库的研究

2.4.5 STEP-NC数据的读写

2.4.6 STEP-NC数据对象的操作

2.5本章小结

第3章基于STEP-NC的产品制造信息的网络描述

3.1 XML标准简介

3.1.1 XML语言的产生和发展

3.1.2 XML的应用

3.2 XML相关技术

3.2.1文档模式技术

3.2.2文档解析技术

3.2.3 XML样式和链接技术

3.2.4文档查询技术

3.3 XML Schema

3.3.1 XML Schema整体结构

3.3.2 Schema语法

3.3.3 XML Schema的数据类型

3.3.4属性声明

3.4 XML编程接口

3.4.1文档对象模型(DOM)

3.4.2简单XML应用编程接口(SAX)

3.4.3 DOM和SAX的使用时机

3.5 EXPRESS与XML之间的映射方法研究

3.5.1 EXPRESS语言中的模式(SCHEMA)的映射

3.5.2 EXPRESS语言中数据类型的映射

3.5.3 EXPRESS语言中函数和过程的映射

3.5.4 EXPRESS语言中规则的映射

3.5.5 EXPRESS语言实体之间关系的映射

3.6 EXPRESS与XML映射的实现方法

3.7 STEP Part21物理文件的XML描述

3.8本章小结

第4章AP238文件的信息处理与工艺规划

4.1 AP238文件的数据结构

4.1.1头段信息

4.1.2数据段信息

4.2基于STIX库的信息处理方法

4.3 AP238文件信息处理

4.3.1头段信息处理

4.3.2数据段信息处理

4.4基于特征的工艺规划技术

4.4.1特征定义

4.4.2描述过程和最终形状的特征

4.5工艺规划系统的建立

4.5.1工艺规划设计

4.5.2工艺规划系统的功能模块

4.6工艺规划系统的编译环境及接口设计

4.6.1 ROSE C++类库的组成

4.6.2 ROSE C++类库的函数功能

4.7非线性工艺规划设计

4.7.1非线性工步序列

4.7.2应用遗传算法

4.7.3零件加工方案组合及优化的数学模型及示例

4.7.4宏观工艺规划

4.8本章小结

第5章基于STEP-NC的CNC体系结构及解释器设计

5.1基于STEP-NC的CNC系统的体系结构

5.2基于STEP-NC的CNC系统工作过程

5.3面向特征的STEP-CNC系统关键技术

5.3.1基于STIX库的STEP-NC程序解释器

5.3.2面向特征的刀具路径生成技术

5.4 STEP-NC解释器的功能

5.5解释器的结构分析

5.6 STEP-NC解释器的实现

5.6.1制造信息生成模块

5.6.2 刀具信息生成模块

5.6.3特征信息生成模块

5.7实例分析

5.7.1解释器的运行环境

5.7.2解释器提取特征信息的流程

5.7.3解释器提取完整的特征信息图

5.8本章小结

第6章基于STEP-NC网络化制造系统框架构建

6.1系统的网络体系结构

6.2系统数据模型

6.2.1零件与几何特征模型

6.2.2加工特征模型

6.2.3 工艺特征模型

6.2.4设备特征模型

6.3 STEP与XML映射的实现

6.3.1 STEP/XML转换器的实现

6.3.2 XML数据分析器的实现

6.3.3 XML文件浏览器的实现

6.4基于Agent的网络化制造原型系统

6.5 STEP-NC控制器读取XML的方法

6.6基于STEP-NC网络化制造系统框架设计

6.7实例分析

6.8本章小结

第七章结论与建议

7.1结论

7.2建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

作者简介