0 引言

在自由曲面零件制造过程中，五轴数控加工正逐渐取代传统的三轴数控加工；数控(Numerical Control, NC)编程接口标准STEP-NC(ISO14649)取代G代码(ISO6983)也已成为业界共识。

五轴数控技术的核心是插补方法。缘于技术进步，目前工业用的五轴数控系统已不只局限于传统的直线和圆弧插补，一些高端系统还具有样条曲线插补功能。随着研究的深入，越来越多的研究人员意识到非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline, NURBS)曲面直接插补比样条曲线插补更具优势。很多研究者，如北卡罗莱纳州立大学的John等[1]、加利福尼亚大学戴维斯分校的Kevin等[2]、巴黎第十一大学的Xavier等[3]、华中理工大学的陈涛等[4]和哈尔滨工业大学的王永章等[5]都在NC范畴内探讨了五轴曲面直接插补，这些研究虽然都卓有成效且各具特点，但都没有解决将NURBS曲面信息完整地输入到NC系统的问题。

实际上，STEP-NC可以很好地解决该问题。STEP-NC是近年来业界制订的一种新的数控编程接口标准，用以取代沿用已久的ISO 6983(G代码)。遵循STEP-NC标准的NC加工程序能够将CAD系统的零件造型和公差信息，以及CAM系统的工艺规划信息完整无损失地传递给NC系统，其包含的数据信息量是仅能传递刀具轨迹及简单工艺信息的G代码加工程序无法比拟的[6-8]。

正是由于STEP-NC标准具有这些优点，近年来关于将STEP-NC应用于制造领域的研究工作逐渐展开。Hardwick等[9-10]致力于开发产品和工艺数据模型、制造资源数据模型以及制造控制数据模型，并进行了STEP-NC程序设备的无关性展示;Suh等[11]开发了Korean STEP-NC系统，实现了对2.5轴制造特征的铣削加工。随后，他们重点开展了车削STEP-NC中从数据模型到智能化加工相关技术的研究，并与德国Stuggart大学紧密合作，为车削数据模型ISO14649 Part12的建立进行了大量研究工作[12-13]。Brecher等[14]展示了集成有检测操作的闭环加工过程的实验,将一个叶轮的数据反馈给产品模型，分析了工件精度与加工操作的相关性，并进行工艺优化;Rauch等[15]构建了一个用STEP-NC文件直接控制当前工业用NC机床的平台，该平台包括人机接口模块、路径生成模块、CAD重构模块、仿真模块及编程模块等。Benavente等[16]开发了一个基于网络且遵循STEP-NC标准的CAD/CAPP/CAM系统，远程用户可以通过互联网利用该系统完成零件三维造型、工艺规划等工作，并最终得到符合STEP-NC标准的零件加工程序;Cha等[17]对前期研究工作进行了归纳和总结，阐明了制造领域应该尽快落实STEP-NC标准的必要性，并给出了实现STEP-NC在工业领域应用的路线图。

按照国家教育层次高职是介于中职和本科之间的一个层次。从目前来看中职着重于动手能力，而本科着重于理论，不过随着一批本科院校转向应用性本科，本科也开始注重学生的技能。理论上高职生是应该掌握一定的技能知识和理论知识，但实际情况是高职生是既无扎实的理论也无可靠的操作技能，处境比较尴尬。这也迫使高职教育不得不改革，适应环境的变化要求。

此外,还有很多学者在这一领域进行了深入的研究，并取得了大量成果[18-21]。

国内高校研究团队也对STEP-NC技术积极地开展了研究。山东大学较早指出了STEP-NC标准在数控领域的应用前景[22]，研究了基于STEP-NC的在线工艺规划方法[23-24];哈尔滨工业大学开发了以开放式的STEP-NC控制器为核心的闭环加工系统[25]，并在此平台上以切削力为控制对象，利用模糊控制方法实现了实时加工过程控制[26];北京航空航天大学针对闭环制造对测量任务执行及时性和测量结果集成性的要求，提出兼容STEP-NC的在机测量系统，并通过一个飞机零件验证了该系统的有效性[27-28];西北工业大学开发了基于STEP-NC并具有NURBS曲线插补功能的数控系统[29]。

由图5的仿真结果可以看出，改进后的子空间跟踪算法比PASTd算法引起的信号子空间估计误差要小，在信噪比小于8 dB时，该误差幅度较为明显。同样的，由图6的仿真结果可以看出，改进后的子空间跟踪算法比PASTd算法引起的噪声子空间估计误差要小，在信噪比小于8 dB时，该误差幅度较为明显。

由以上研究可以看出，STEP-NC领域的研究重点已经从早期数据模型的完善与修订工作转移到编程、NC、检测等方面，旨在推动STEP-NC技术的实施。但目前大多数研究都是针对基本制造特征(如轴、孔、平面等)进行的，基于STEP-NC多轴曲面加工的研究相对较少。本文开展了这方面的研究工作，所建议的NURBS曲面五轴实时插补方法如图1所示。

本文基于系统涌现理论构建企业价值共创体系价值创造能力评价指标体系和评价模型，并据此对我国膜企业价值共创体系的价值创造能力的综合评价值和主因子评价值进行分析和计算。主要结论如下：

 

1 在STEP-NC中扩充NURBS曲面五轴加工指令

在STEP-NC程序中，加工任务通过一系列加工工步Machining_workingstep来描述，所谓加工工步即为将某一制造特征Manufacturing_feature与特定的操作Operation相关联的对象。制造特征包括零件的几何信息，如平面、孔、型腔等，操作包括工艺方法(铣削或钻削等)、刀具、进刀策略(进退刀方式、行切或环切)、工艺参数(进给速度、主轴转速等)及公差等高层次的工艺信息。

NURBS曲面可以被定义为

第三，旅游业发展水平各指标中与机场关联度最大的是旅游外汇收入。首先，旅游外汇收入代表旅游经济水平，旅游经济水平的提高是带动机场建设的最大原因；其次，旅游外汇收入相对于国内旅游收入往往更能体现某一地区或景区的旅游业发展程度，旅游外汇收入越高代表该旅游目的地具有更加广泛的知名度，具备吸引更远游客到来的能力。在单一指标关联中，与旅游外汇收入关联度最高的是机场密度，旅游目的地的发展水平直接影响该区域内的机场数量。

1.1 在STEP-NC中确定NURBS曲面制造特征

基于STEP-NC标准定义NURBS曲面五轴加工指令，主要包括两方面内容：①确定NURBS曲面作为一种制造特征的描述形式；②根据NURBS曲面五轴加工操作的特点，扩充相关工艺信息描述。

 

(1)

式中：Ci,j为控制点;Wi,j为相应的权因子;Ni,p(u)和Nj,q(v)分别为关于沿u向的第i个p次和沿v向的第j个q次B样条基函数，由式(2)和式(3)递推计算：

因为STEP-NC程序是采用EXPRESS语言遵循ISO10303-21的文本文件，所以要确定EXPRESS语言与C++语言的映射规则。按照映射规则，建立与STEP-NC标准中所描述概念相对应的数据结构，其目的是将采用EXPRESS语言描述的CNC应用对象转变为C++语言描述的系统内部的数据对象。

 

 

 

(2)

 

 

 

(3)

扩充之后，NURBS曲面五轴加工所涉及的工艺信息(如刀具、进退刀方式、加工精度要求、加工策略等)可以通过STEP-NC标准中“操作”实体加以描述。

根据ISO14649对于STEP-NC数据模型的描述，本文建立了如图5所示的STEP-NC译码器类库。该类库主要有三层结构：①最底层是原始数据类型的定义，包括整型、布尔型、字符型、矩阵等基本数据类型；②中间是通用集成资源对象类的定义，包括测量单位、方向、坐标点、坐标系、直线、圆弧、刀具轨迹等对象；③最高层是应用集成资源对象类的定义，包括制造特征(平面、孔、型腔、NURBS曲面)、加工工步、工件、刀具、公差等对象。总之，按照STEP-NC标准中对特征(描述几何信息)、操作(描述工艺信息)等实体的规定，并加以一定简化，转化为由C++描述的数据成员和函数，建立STEP-NC译码器类库。

STEP-NC标准给出了B样条曲面及其若干子类的描述，但并未直接给出NURBS曲面定义。本文遵循标准中针对运算符及新增实体命名的规定，利用标准中已有的有理B样条曲面和带节点B样条曲面派生了NURBS曲面(如图2)，其EXPRESS语言表达如下：

与三轴加工相比，五轴加工增加了两个旋转自由度，本文对UV策略进行了扩充，增加了轴向切削深度(axis_cutting_depth)、前倾角变化裕度(safty_inclination)和侧摆角变化裕度(safty_tilt)，即5轴UV加工策略(5ax_uv_milling)，如图4所示。

2017年10月23日傍晚18:00，黎永兰自主呼吸消失，血压靠大剂量升压药物维持。医院邀请了权威专家进行了会诊，得出了结论是病情危重，自主呼吸基本无法恢复。

包含NURBS曲面的制造特征在STEP-NC标准的描述如图3所示。

因此在STEP-NC程序中，NURBS曲面形状零件的几何信息就用“制造特征”的形式准确描述，并作为加工工步的一部分被完整地输入到数控系统中。

1.2 五轴加工工艺信息的扩展与描述

目前，STEP-NC标准中的铣削操作包括两轴半铣削操作2.5D_milling_operation和自由曲面加工操作Freeform_operation。在自由曲面加工操作中，其加工策略属性条目自由加工策略Freeform_strategy除规定了众多加工操作参数(如允许残留高度、弦高误差、进刀方式)外，还以子类的形式定义了UV策略(uv_strategy)、平面刀具接触策略(plane_cc_strategy)、平面刀具中心策略(plane_cl_strategy)和引导线策略(leading_line_strategy)4种切削方式。其中UV策略属于等参数法，鉴于目前等参数法的计算相对简单，其研究较为成熟，本文采用UV策略作为NURBS曲面的切削方式，并对其进行了扩充。

ENTITY b_spline_surface_with_knots_and_rational_b_spline_surface SUPERTYPE OF(b_spline_surface_with_knots,rational_b_spline_surface);END_ENTITY;

式中和分别表示u向和v向节点矢量。

2 STEP-NC译码器

2.1 STEP-NC类库的建立

与G代码相比，STEP-NC为数控加工提供了一个信息极为完备的数据模型，要实现STEP-NC译码，首先要建立一个与该模型结构和逻辑关系都相适应的、计算机可处理的数据库。因此，本文采用C++语言进行面向对象类库的设计。

随着信息网络社会的到来，传统建筑设计已经难以满足人们的需求，进而产生了现代智能建筑并日益成为时代发展的潮流。智能建筑集成了现代建筑、网络和计算机等先进技术，达到建筑建设经济、智能、舒适与高效的目的。在智能化工程项目建设过程中，需要涉及多方面的技术和复杂的施工建造。为满足整个智能工程的建造需求，确保智能工程的便捷性，整个工程建造应具有较高的整合度。

装配数据需求的多色集个人颜色为任务、物料、工艺和质量视图中节点可能具有的特征包括：任务具有起始和完工时间、执行人、工装设备状态的特征，依次用a11,a12,a13表示；物料具有超差零件、易损伤零件、外协零件的特征，依次用a21,a22,a23表示；工艺具有工时定额、关键工序的特征，依次用a31,a32表示；质量具有重要质检信息、不合格项控制情况、交付质量项的特征，依次用a41,a42,a43表示。因此，多色集的个人颜色记为F(a)={a11,a12,a13,a21,a22,a23,a31,a32,a41,a42,a43}。

据此可知，NURBS曲面由参数基函数的幂次、控制点、节点矢量和权因子确定。

 

 

 

 

与几何和工艺信息有关的类是曲面类CNurbsSurfSegment(如图6)，它与STEP-NC标准中的加工工步相对应，一方面包括NURBS曲面数学描述的基本参数，如基函数的幂次和控制顶点、节点矢量、权因子等成员变量，另一方面包括刀具、UV加工策略、进退刀策略等的加工工艺信息。这些加工工艺信息由自由加工操作类成员变量来表示；上述成员变量均与STEP-NC标准中描述的信息相对应。为了完成曲面插补功能，本文还设计了曲面轨迹规划的路径生成器CNurbsTrajectoryGenerator(如图7)。CNurbsTrajectoryGenerator根据曲面几何信息及工艺信息负责NURBS曲面实时插补，其成员函数提供插补点的计算功能。

 

 

2.2 STEP-NC数控加工程序的信息提取

STEP-NC工件加工数控程序分为程序头段和数据段两部分，数据段是整个程序的核心，包含加工零件所需的全部信息。加工程序的主要组成结构如图8所示，每个STEP-NC文件在数据段中必须含有一个唯一的“PROJECT(工程)”语句，其工作方案由一系列工步组成，每个工步负责将部分几何信息和与之相关工艺信息关联起来，可以认为“工程”是整个程序的根，相应的信息提取流程如图9所示。译码器从程序中读取所有与加工零件相关的工作方案、可执行对象、工步、制造特征和技术参数等，进而提取出几何参数、坐标、加工策略、刀具等数据信息并存储到相应的数据结构中。经过信息提取与处理后，STEP-NC程序由文本文件转变成由一系列工步对象所构成的工步单元链表，该工步链表中的每一个成员都包含与其关联的特征和操作。工步链表可以向刀具路径规划模块提供其所需要的信息以生成刀具轨迹信息。

 

 

3 NURBS曲面五轴插补算法及程序实现

本文采用C++语言编制了NURBS曲面五轴插补程序。该程序能完成刀具路径规划、刀位点及刀具姿态角的计算，以及机床的逆运动学变换等工作，最终生成指令值控制机床的运动，完成复杂曲面零件的加工。程序框图如图10所示。

4 五轴数控铣床样机及零件加工实验

4.1 五轴数控铣床样机

研制的五轴数控铣床样机如图11所示。样机的机械系统采用三轴XK5032型立式铣床，其上配置烟台寰球公司的TK14250A数控可倾回转工作台，以构成五轴系统。

一直以来，农业银行持续不断地探索，并成功创造出许多可以借鉴的经营模式。然而，由于地区、自然、人文、环境、生活方式、经济发展等许多方面的差异，从试点研究的成功模式，并不一定就适应于别的地方。在推广过程中，要结合当地实际情况，逐步改良、灵活运用，精准扶贫。

采用通用工控机作为系统的硬件平台，利用SERCOS接口在控制器和伺服驱动器之间进行数据传输；采用WindowsNT和美国Venturcom公司的RTX(real-time extension)作为系统的软件平台，以软件的方式保证NC系统的实时性。控制软件采用以本文方法自主开发的开放式五轴数控系统。

4.2 零件加工实验

为了检验基于STEP-NC的NURBS曲面五轴加工方法的正确性，对一张由81个控制点成型的同时具有凸、凹两种特性的马鞍形NURBS曲面进行加工。

实验参数为：主轴转速1 000 r/min；进给速度300 mm/min；φ8平底立铣刀；前倾角8°；侧偏角0°；残留高度0.1 mm。

 

 

STEP-NC的加工程序如图12所示。

待加工曲面如图13所示，最终的成形工件如图14所示。

 

 

 

5 结束语

本文定义了遵循STEP-NC标准的NURBS曲面五轴加工指令，保证了五轴数控加工所需的几何及工艺信息的完备性。在CNC系统中验证了NURBS曲面插补算法对凸凹曲面加工的适应能力。切削加工实验结果表明，理论研究中提出的基于STEP-NC的NURBS曲面五轴加工指令及NURBS曲面五轴加工的运动学模型是正确的；给出的NURBS曲面插补算法对凸凹曲面加工均可适应；构建的五轴铣床样机具有很好曲面加工性能。

本文主要针对NURBS曲面开展研究，但机械加工中还有很多其他的几何特征，如何将NURBS曲面和其他几何特征有机地在同一STEP-NC加工程序中有序合理地表述出来，以实现研究成果的工程化，将是下一步研究的内容。

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