1 G代碼對數控技術發展的阻礙

　　1.1 數控技術的發展趨勢

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

　　目前開放式數控系統還缺乏統一、明確的概念。美國電氣和電子工程師協會(IEEE)是這樣定義開放系統的：“具有下列特性的系統可稱為開放系統：符合系統規范的應用，可運行在多個銷售商的不同平臺上，可與其他的系統應用互操作，并且具有一致風格的用戶交互界面”。針對開放式數控系統的應用需求，普遍認為，開放式數控系統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。這也是衡量數控系統開放程度的準則。

　　20世紀80年代，美國發起了下一代控制器(Next Generation Controller，NGC)的計劃，企圖通過聯合行動實現基于互操作和分級式軟件模塊的“開放體系結構標準規范”(Specification for an Open System Architeeture Standard，SOSAS)，以達到加強其工業基礎，恢復其制造業霸主地位的目的，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發達國家相繼開展了大規模的開放式數控系統的國際化工程，主要有：歐洲OSACA項目、日本OSEC項目和美國OMAC項目。

　　目前，對于數控系統的研究已經超越了開放式數控的研究，向著更深的內涵和更廣的外延方向發展。從內涵方面發展看，數控系統正向著高性能、網絡化和智能化的方向發展。其中智能化主要表現為加工運動規劃、推理決策能力，以及加工環境的感知能力、制造網絡數控系統通信能力、智能編程和智能監控等。通過采用先進的自適應、自動調節技術和人工智能技術，使得數控系統中具有模擬、延伸和擴展的智能行為的知識處理活動。智能數控系統通過對影響加工系統的內部狀態及外部環境，快速做出實現最佳目標的智能決策，對進給速度、切削深度、坐標移動和主軸轉速等工藝參數進行實時控制，使機床的加工過程處于最佳狀態，保證產品的生產在最佳狀態下生產率最高。數控系統的外延也不斷擴展，表現為各種先進制造模式的不斷出現和發展，比如并行工程、敏捷制造、動態聯盟、柔性制造和集成制造等，這些制造模式實際上是將企業內部的不同部門或是不同企業之間的資源整合，實現優勢互補，快速響應市場需要，打破了傳統制造模式，而更加適應多元的市場需要。

　　綜上所述，可以看出隨著數控系統的不斷發展，對其提出了相對于傳統數控更高的要求，但是也出現了如下一些問題。

　　對開放式數控系統來說，真正的開放式，其接口必須符合標準。數控系統的接口可分為兩組——外部接口和內部接口。其中外部接口包括數控系統與企業管理網的接口、與伺服系統及I/O設備的接口以及數控加工程序接口。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，導致其對相應硬件的依賴，導致程序接口不可能實現真正的開放。而從數控系統的內涵發展來看，要實現數控系統的智能化，數控系統必須了解產品加工特征的幾何信息和各種加工工藝信息等整體數據模型，才能進行路徑規劃和智能推理決策，以便通過自適應采取相應的加工決策。而目前G代碼卻沒有包含這些信息，只是包含了坐標軸控制的一些簡單信息和一些輔助功能信息;從數控系統的外延發展趨勢來看，不同企業間必須能夠進行產品全生命周期數據模型的交流和共享，才能進行合作和優勢互補。但是用于加工零件的G代碼卻依賴于相應的硬件，不具有互換性。

　　1.2 G代碼的缺點

　　1)現場編程或修改非常困難，對于稍具復雜性的加工對象，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軸對刀具中心的運動和開關動作，是一種面向過程的編程代碼，而不包含產品數據的其他信息，因此CNC系統不可能獲得完整的產品信息，更不可能真正實現智能化。

　　3)從CAD/CAM系統到CNC系統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的許多擴展功能未能標準化，因此零件程序在不同的數控系統之間不具有互換性。

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

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

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

　　2 STEP的出現和發展

　　隨著經濟全球化趨勢的不斷發展;使得制造產業、制造技術和產品逐步走向國際化，導致制造業在全球范圍內重新分布和組合。正是在這種背景和需求下，隨著計算機技術和網絡通信技術的不斷發展，網絡化制造產生并得到很快的發展。網絡化制造是利用先進制造技術、網絡技術和現代通訊技術，根據市場和用戶的需求，針對某一具體產品，為彌補企業自身制造能力的不足，需從其他企業獲得制造資源和技術資源的支持，迅速將在地理位置上分散的企業聯合起來，構建一個相互協作、優勢互補的虛擬企業聯盟，充分利用各聯盟企業的制造資源和技術資源，以最快的速度以及合理成本實現產品生產制造的過程。

　　網絡化制造的最顯著特征是快速、柔性、資源和信息的共享。網絡化制造的實質是動態聯盟的組建。無論是在動態聯盟組建過程中，還是動態聯盟組建后的實際實施過程中，動態聯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和網絡系統是異構的;信息處理為多平臺;各盟員間的CAX、產品數據管理(PDM)和企業資源計劃(ERP)也是千差萬別，存在著不兼容性;產品形式復雜多樣，信息間的關系錯綜復雜，涉及到產品的全生命周期。因而，在這種分布、異構和異質環境中，如何實現信息集成與共享、信息的高效傳輸是網絡化制造的基礎和核心。

　　為了解決這一難題，世界各國研制開發了各種不同的圖形交換標準，如美國的DXF、IGES、PDES，法國的SET，德國的VDAIS、VDAFS，ISO的產品模型數據交換標準(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范(Initial Graphics Exchange Specification，IGES)和ISO的STEP標準。IGES圖形交換標準出現較早，1980發布第一版，之后為了適應CAD/CAM領域軟/硬件技術的發展，進行了三次修改，其第四版于1988年發布。STEP國際標準1994年才真正形成，但是由于它具有前者所沒有的種種優點，因此大有取代前者的趨勢。

　　國際標準化組織ISO制定的產品數據模型的表達和交換標準STEP(國標ISO10303)，是關于數字化產品信息表達與交換的國際標準，涉及幾何、拓撲、公差、屬性和裝配關系等的表達與交換，旨在為產品全生命周期內的數據交換提供統一的規范，解決制造業中計算機環境下設計和制造(CAD/CAM)的數據交換和企業數據共享的問題。STEP標準提供了一種不依賴具體系統，能夠描述產品全生命周期的中性機制，在產品的全生命周期做到信息共享。

　　STEP最大的優點在于其開放性的結構和可擴展性。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雜性的語言，既能描述任意工程信息的結構，也能描述其間的約束關系。因此，利用EXPRESS語言可以將STEP向任意應用領域擴展。目前每年舉行3次由世界范圍內200多名產品數據專家參加的STEP修定會，負責STEP的創建、維護和擴展工作。

　　STEP標準為制造信息集成與共享提供一種方法和工具。因而，為了實現動態聯盟各盟員間信息的集成與共享，須采用STEP標準的建模方法進行系統信息的分析，并用EXPRESS表達最終的信息模型。

　　當前，常用的CAD軟件都支持STEP標準應用協議(如AP203、AP214)的子集，從而為CAD系統之間的產品數據共享提供了基礎。CAD下游的各專業應用系統，包括CAM、CAE、CAPP等，也可以STEP中性文件為基礎，實現與CAD的系統集成。同時，STEP中性文件還為產品數據在不同版本的CAX系統之間的繼承提供了可能，使產品開發和設計具有延續性。

　　3 STEP在制造領域的延伸——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所使用的數據格式標準(STEP)的不兼容性，使數控系統己經不能適應現代化制造業生產發展和技術發展的需要，迫切需要一種新的編程接口，來取代G代碼，使CAD/CAPP/CAM和CNC使用統一的數據模型和程序結構，實現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，開發了一種遵從STEP標準、面向對象的數據模型，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。它將產品模型數據轉換標準STEP擴展至CNC領域，旨在以STEP統一表征CNC加工過程中涉及的全部信息，是設計模塊和制造模塊之間基于STEP建立的新的接口標準，實現CAD/CAM和CNC之間的無縫連接，為數控系統提供了完整的產品數據，為發展數控系統的開放性、智能化和網絡化奠定基礎。

　　它要求CNC系統直接使用符合STEP標準的CAD三維產品數據模型(包括工件幾何數據、設置和制造特征)，加上工藝信息和刀具信息，直接產生加工程序來控制機床。STEP-NC定義了一個新的STEP應用協議，即AP238應用協議(ISO10303-AP238)。AP238作為CAM和CNC系統之間的接口標準，其內容涵蓋了從產品建模到加工的全過程，包括CAD產品數據模型幾何信息(AF203/AP214)、公差定義(AP219)和特征定義(AP224)。因此由CAD系統產生的產品模型數據經過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數控機床所讀取。

　　3.2 STEP-NC優點

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

　　2)與STEP直接進行信息交換。在企業內部，利用STEP作為數據交換標準，實現產品信息從設計(CAD)、工藝設計(CAPP)到制造(CAM)、底層加工設備(CNC)以及信息管理(PDM、ERP)，即從上到下的無瓶頸傳送，實現企業內部從設計到加工的縱向產品全生命周期的信息高速公路。這將會大大方便系統間的信息交換和共享，為并行工程、敏捷制造等先進生產模式打下基礎。

　　3)實現與CAD/CAM雙向數據交換，避免了后置處理過程。為了優化生產過程和提高成品質量，經常需要對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，因為生成NC程序時記錄最初加工需求的信息已經丟失了。而使用STEP-NC就會減少信息丟失的問題。同時CAM系統和數控系統既能重新解釋這些最終用戶和供應商定義的代碼擴展部分，也能通過數據庫存儲這些信息，以避免在加工車間再進行多余的代碼測試。

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

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

　　6)使網絡化制造成為現實。STEP-NC能直接進行信息交換，實現了基于STEP-NC的CNC系統與基于STEP的所有CAX系統之間的雙向無縫連接，使用XML(eXtensible Markup Language)可方便地在網上傳輸產品信息，為網絡化制造創造條件。

　　7)實踐證明，使用STEP-NC建立單一數字化產品模型數據庫可以極大地提高生產率。據統計，使用新的標準接口，加工車間減少了35%的路徑規劃時間，75%的圖樣生成時間，50%的中小型零件加工時間。

　　4 結 語

　　正是具有這些G代碼不可比擬的優點和基于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成為世界工業化國家研究的熱點。據美國STEPTools公司的預測，STEP-NC控制器將在本世紀的第—個十年內出現，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軟件還沒有出現，這有待于專業結構進一步開發。同時，STEP-NC程序是面向對象的編程方式，因此對程序的使用者來說需要更多的時間進行培訓，在某種程度上限制了它的推廣。