论文摘要
数控技术诞生50年来，它已取得了很大的发展，CNC系统已成为现代制造系统中的核心组成部分。然而，一直以来，数控系统主要采用国际标准ISO 6983作为NC编程的数据接口，这种数据接口使得当前CNC系统存在着许多不足之处。当前，国际标准化组织ISO TC184／SC1正在制定能够满足CAC／CAM与CNC系统进行数据交换的标准——STEP-NC（ISO 14649）。伴随着STEP-NC标准的制定，一种基于STEP-NC的CNC（STEP-CNC）系统引起了世界范围内的广泛重视。STEP-NC数据接口的出现，不但为实现智能化、柔性化和开放式的CNC系统奠定了基础，而且也为CNC系统与其它系统间的信息交流和共享提供了可能。本文首次对STEP-NC及其在零件整个制造过程中的应用技术进行了全面而深入的研究。在深入分析和研究STEP-NC数据模型的基础上，对其在CNC系统、工艺设计以及CAD／CAPP／CNC系统集成方面等的应用技术分别进行了深入的研究。主要研究内容如下：（1）研究了基于STEP-NC的CNC系统。构建了具有智能性的开放式STEP-CNC系统功能体系框架以及基于“通用PC机+PMAC运动控制器”的双CPU控制的硬件体系结构。新型的STEP-CNC系统不但包含了传统CNC系统的全部功能，而且与当前所研究和开发的STEP-CNC系统相比较，具有以下特点：1)具有良好的可扩充性、可移植性和可操作性；2)具有智能性功能；3)支持网络化的制造。（2）在深入研究STEP-NC程序结构的基础上，开发了一个STEP-NC程序解释器。研究了STEP-CNC系统中刀具路径的自动生成方法和过程，提出了以制造特征为对象，以加工工步为设计单位的一种面向对象的刀具路径规划方法。（3）以NURBS曲面加工为示例，研究了STEP-CNC系统中自由曲面加工的刀具路径自动生成方法以及插补技术。提出了基于等参数变化的刀触轨迹生成方法以及能够实现恒速加工的等弧长变化的样条插补技术，并通过一个实例的加工仿真对上述算法的正确性和有效性进行了验证。（4）开发了一个简单且有效的能够适合任何曲面加工的干涉判断和处理算法。（5）在深入分析STEP-NC数据模型的基础上，认为STEP-CAPP中的工艺设计是一种能够满足柔性化加工的非线性工艺设计过程。义中论述了STEP-CAPP系统中工艺设计的特点，并对基于STEP-NC的非线性工艺发计原理和方法进行了详细而深入的研究。（6）研究了基于精英选择遗传算法的加工工步序列优化技术。传统的加工工艺路线是以工序为制造单元，而在基于STEP-NC的加工中，是以加工工步为制造单元，并且面向数控加工（中心）的一种加工过程。本文以由加工工步变换所带来的零件转位、刀具更换等所消耗的辅助加工时间为最短作为优化目标，来进行加工工步序列的优化。针对上述的研究，作者开发了一个简单的STEP-CAPP原型系统，演示了非线性工艺设计的方法和过程，并在此基础上对加工工步序列的优化算法进行了验证。（7）研究了基于STEP-NC／XML的CAD／CAPP／CNC系统集成技术。构建了一个能够支持网络化制造的CAD／CAPP／CNC系统集成框架，并对一些关键的集成技术，如基于STEP-NC的工艺信息建模、制造特征信息建模、以及基于XML的信息表达和信息交换等技术进行了详细而深入的研究。