传统的数控加工将数控机床限定为简单的执行机构,缺乏智能性,与上游的CAD、CAM系统也存在着模块割裂、信息不能共享的缺点。现在,一种新的数控编程语言STEP-NC为数控加工提供了新的数据模型,它采用高层次、具有工程语义的信息,使数控机床具有智能性。这种高层次的语义信息,也恰好为STEP-NC与CAD/CAM的集成奠定了良好的基础。与网络技术结合,可以发展到基于Internet的集成制造系统。同时开放式的体系结构为解决曲线曲面的直接插补加工问题,提供了前提保证。本文围绕这些相关领域先进技术分四部分展开研究:(1)深入研究了STEP及STEP-NC标准,强调指出在STEP中使用的是设计特征而STEP-NC中使用的是制造特征,制造特征有利于与CAD、CAM的信息集成。在此基础上,提出了面向STEP-NC的制造特征模型,讨论了制造特征的定义原则、分类方法及信息存储结构。制定了特征建模要遵守的规则,提出制造特征的建模思想,就是从毛坯上去除制造特征,与加工过程一致,以此达到信息的集成共享。以Pro/ENGINEER软件为开发平台,以SQL Server 2000数据库管理系统为支持,开发了原型系统,最后给出了制造特征建模的实例。(2)研究并实现了基于制造特征模型的工艺设计。建立以制造特征为核心的工艺知识库,数据表的组织尽量考虑与STEP-NC的实体及实体关系一致,达到信息共享的目的,同时降低工艺设计的难度,方便STEP-NC的生成。工艺决策以制造特征驱动,同时提出并实现了利用优先级进行工步排序的算法,减少了人为因素,实现了自动化。并以已经建立的制造特征模型为实例,进行工艺设计,最终生成了STEP-NC程序,实现了基于制造特征的CAD/CAM与STEP-NC的集成。(3)研究了STEP-NC在Internet上的实现。提出了基于Schema的两步法实现STEP-NC与XML的映射的思想,实现STEP-NC物理格式文件到XML的转换,并且开发了图形化界面,可以以图形化方式直观地查看STEP-NC中的加工信息。同时还开发了STEP-NC物理文件到现有数控机床使用的GM代码的转换接口,并且集成到该图形界面中,可以利用现有机床执行、测试STEP-NC加工数据。另外,提出了XML信息传输的三种模式,并以高级模式为基础,建立了基于SOA架构和WEB服务技术的制造集成框架,给出了实施步骤。同时研究了SOA架构的基本结构、运行方式及WEB服务技术的体系。(4)研究了STEP-NC中曲线、曲面描述及其插补算法。实现了基于泰勒展开式的NURBS曲线实时插补算法。采用进给速度自适应的方法,保证加工精度,即曲线的轮廓误差。另外,利用S型曲线进行加减速处理,提出利用NURBS曲线的对称性进行减速点的预测,解决了速度规划的难题。在高速加工中,在曲线的尖点处,由于曲率半径很小,又要保证轮廓误差,进给速度会发生剧烈波动,这会影响加工精度。提出并实现了尖点预处理的方法,在尖点区域,提前减速,降低加速度,满足机床的动态特性及加工精度的要求。曲线插补算法是曲面插补算法的基础,曲面的直接插补加工比曲线的直接插补更具有实际意义与应用价值。研究并实现了基于参数线法曲面插补算法,利用等参数步长法实现了加工路径的规划,计算简单、速度快。最后通过实例,对算法在实时性、加工精度、速度波动等方面都进行测试及仿真分析,能够满足实际的需要。STEP-NC是开放体系结构,将该算法集成到STEP-NC系统中,就能够解决自由曲线曲面的直接插补加工问题。