机床大讲堂第97讲——STEP-NC数控系统人机界面软件设计与实现（下）

机床大讲堂第97讲——STEP-NC数控系统人机界面软件设计
与实现（下）
《制造技术与机床》杂志创刊于1951年，是我国机械工业科技期刊中创刊早、发行量大、影响面广的刊物之一，拥有广泛、专业的读者群体。

本刊属中文核心期刊，中国科技论文统计用刊和《中国学术期刊文摘》摘录用期刊。

STEP-NC数控系统人机界面软件设计与实现（下）
导读为满足STEP-NC数控系统研究需要，在研究STEP-NC 信息模型、程序结构基础上，首先提出STEP-NC数控系统人机界面(MMI)软件的过程模型，并阐述各组成模块的功能。

随后针对STEP-NC数控系统MMI实现的关键问题，设计并实现了信息提取、数据显示、路径生成、切削仿真及G代码生成等功能模块。

并通过STEP-NC 标准的一个测试件实例验证本软件的正确性及有效性。

2.3 刀具路径生成
刀具运动路径虽然不包括在STEP-NC程序内，但STEP-NC程序包括了走刀策略、特征信息、刀具信息和其他参数信息，这些信息构成了生成刀具路径信息的信息来源。

路径规划就是通过这些信息的处理，最后生成刀具路径信息。

刀具路径自动生成的功能使得数控系统操作员根据实际情况可以对加工计划作出一定的调整，例如机床安全平面调整、下刀策略调整等。

这种特性是采用G代码所不具备的，传统的数控加工遇到这种情况往往只能重新进行一次CAM规划。

路径规划的目标是生成总体加工路径，这是一条连续的路径，仅仅生成各个工步的路径还不能达到路径连续的要求。

本文的路径规划工作分为三个步骤完成：①根据加工策略、操作信息、刀具信息、特征几何信息对工作计划中的每一个工步进行路径规划，经坐标变换后得到各工步加工路径信息;②按照工作计划定义的加工工步顺序，规划工步间的路径，生成工步间的过渡路径信息;③连接所有的工步路径和过渡路径，生成连续的刀具单元路径集合。

这些数据作为整个解释器的输出结果，可以被仿真系统和运动控制系统所调用。

图7所示为以ISO 14649示例1为例所生成的刀具路径。

以树状图的形式分类显示了完整的路径信息和各特征的路径信息，双击节点会对相应的路径信息进行三维显示。

2.4 切削仿真
切削仿真功能能够帮助使用者更直观地查看加工的零件、刀具路径及其他相关信息，并能对加工过程进行仿真。

可以减少或者消除因为STEP-NC加工程序错误而导致的机床夹具损坏或刀具折断、工件报废等问题，减少产品设计制造的时间，降低成本。

切削仿真模块主要由以下几个功能组成：
(1)三维模型显示本文通过读取STL文件显示工件三维模型。

STL 文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个顶点的三维坐标及三角形面片的法矢量。

程序中通过遍历三角形面片的3个顶点，可以方便地构造实体。

然后进一步进行实体渲染，以增加工件实体的真实感。

(2)材料去除本文采用基于三角网格的几何仿真方法，通过计算毛坯模型表面三角片顶点与刀具扫掠面之间的距离，计算出各三角片顶点高度值，修改自定义的数据结构，从而实现材料的去除效果。

因此首先需要建立毛坯的数据模型。

本文采用的是三角网格方法来建立毛坯模型。

如图8所示，采用三角面片离散法将毛坯上表面离散为均匀点阵，下表面边界离散成均匀点阵，顺次连接毛坯上表面点阵形成毛坯上表面三角网格，连接上下表面边界点阵构成毛坯侧面网格，底面采用一个四边面片表示。

(3)人机交互基于OpenGL切削仿真的人机交互接口包括：加工路径显示与隐藏、动静控制、仿真速度控制、视角变换。

图9显示的是一个型腔的粗铣加工。

在加工过程中，可以进行调整仿真速度、显示/隐藏路径等操作。

2.5 G代码生成及验证
由于在刀具路径生成模块已经生成了路径信息链表，所以要生成G代码程序文件只需从头开始读取整个路径信息链表，从每个节点中
取出有关的加工工艺参数(如主轴转速、进给速度和冷却液等)，按照指定数控系统的指令格式将其分别转换成相应的F、M、S等功能字，并把刀具轨迹转化为指定的数控系统的G代码指令格式。

由于在不同工步中所使用的刀具可能不相同，在读取下一个节点时，还要判断该节点所使用的刀具是否与上个节点所使用的刀具相同，如果不相同则需要添加换刀功能字。

当路径信息链表中所有节点都转换后，即完成了STEP-NC文件到G代码程序的转换。

G代码程序的生成过程如图10a 所示，生成G代码程序的软件界面如图10b所示。

为验证所生成的G代码的正确性，本文利用VERICUT软件对生成的G代码进行了加工仿真验证。

VERICUT软件是美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统，由NC程序验证模块、机床运动仿真模块等组成，具有很高的国际知名度，在制造业中得到广泛应用。

图11a所示的是在VERICUT软件中对工程的设置，图11b展示的是在VERICUT系统仿真环境中使用FANUC数控机床执行G代码进行仿真加工的结果。

验证了所生成的G代码能够正确反映刀具路径生成模块所得的轨迹计算结果。

3结语
STEP-NC程序包含了产品全生命周期的所有信息，同时消除对CNC系统的依赖性，STEP-NC的提出和发展结束了长期以来数控系统只能被动执行动作的历史，解决了CNC与CAX之间的双向无缝连接问题，为网络制造、虚拟制造、并行工程等先进制造技术和模式提供了技术保证。

因此，相对于G代码来说，具有很大的优势，是未来的一种发展趋势。

本文对基于STEP-NC数控系统人机界面(MMI)软件进行了研究和开发，实现了STEP-NC信息提取，利用程序信息树的形式再现了
STEP-NC文件的数据结构，并根据提取出的工艺信息进行刀具路径的规划，利用OpenGL图形库实现了三维工件显示及加工路径仿真功能，为在商用CNC系统上开发STEP-NC人机界面软件提供了参考。

作者：徐景亮等。