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STEP-NC 기술개요 및 구조설계
2000년 1월 21일
서 석
환
포항공과대학교 산업공학과
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64
32
80
현재의 NC 제어기 및 변화의 필요성
 산업자동화 설비의 동작을 제어하는 두뇌기능
 Low level 언어 (ISO 6983)를 읽고 모터의 동작으로 변환시키는 “수동적인” 제어기능을
“폐쇄적”으로 수행하는 장치
 ISO 6983의 한계점; 형상정보, 공정계획정보, 가공정보의 유실
 생산환경의 변화; 상위 기능과의 연계성, 지능화, 개방화 실연 불가
ISO 6983

머신코드 형태의 파트프로그램
- 코드의 판독이 어려움
- 작업 흐름 판독이 어려움
- 부분 수정이 어려움
공정계획 정보 유실
- 공작물 셋업 및 공구 형상에 고정된
축동작
현장이상상황
대처에 어려움
-
CNC 운영
- 가공중 정지 및 가공재개가 어려움
- 공구수명완료 및 공구파손시의 가공지령
재구성, 부분가공이 어려움
Shop floor 와의 인터페이스
- DNC 에서 지원하는 기능에 제한
- G-code 정보로 인터페이스
 제어기 하드웨어 구조에 의존함, 사용자를 배제한 폐쇄적인 구조
 이기종 제어기 간에 파트 프로그램의
교환이 어려움
 공정 계획 파트와 인터페이스 능력 부재
 고속 및 다축가공에 부적합
32
64
format for positioning, line motion
( Data
)
and contouring control systems
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80
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STEP과 ISO 14649
 ISO 6983의 문제점들을 해결하기 위한 새로운 인터페이스 표준 제정
(ISO TC184 SC1)
 현재 CD version ( DIS  확정)
 밀링, 윤곽가공, 선반, 연마, 와이어방전가공, 방전가공기, RP
CAM
PDM
ISO 14649
CAD
STEP Product
Database(s)
ERP
CAE
MRP
CNC
milling
turning
grinding
EDM
etc.
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ISO 14649
 STEP의 정보 교환방식을 수용, 확장된 제어문 정의
 이를 채용한 NC 제어기의 구조나 기능이 제시되지 않은 상태에서 ICS (Information
Contents & Semantics)에 치중:
– CAD 정보를 변환 없이 사용 가능
– 파트프로그램의 용이한 수정 가능
– 구조적이고 계층적인 인터페이스 문법 보유
– 공정계획 파트로의 정보 전달 가능
CD/ DIS, March, 1999
New Interface ISO 14649
CD/DIS, March, 1999
2 1 /2 D Features
Freeform
surfaces
references
STEP Part 203
3D Designs
ISO 10303 (STEP)
uses
features from
uses
STEP AP 224
Machining features
STEP Part 11
Express
STEP Part 21
clear text
encoding
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ISO 14649 ICS의 구성
 가공절차 기술
– 정보 파일의 구성
– 가공피쳐 (Workingsteps)순서
 가공방법 기술
– 가공피쳐 (Workingsteps)정의
– 가공방법, 가공조건 지정
– 공구경로 지정 (옵션)
 공구정보 기술
– 공구 형상/특성
 형상정보 기술
– 가공피쳐의 형상 정보
A. Main program
B. Technology description
work_plan
DESCRIPTION
workplan_item
workpiece
PATH
TYPE
toolpath_list
manuf_feature
CONST
working_step
VAR
region
rapid_movement
FUNCTION
ALIAS
a2_12_mfg_feature
milling_workingstep
EVENT
CHANNEL
shoulder
freeform_
a2_12_D_
PROGRAM
workingstep
workingstep
pocket
{
CONST
hole
shoulder_mfg_data
VAR
referencing
BEGIN
groove
pocket_mfg_data
….
hole_mfg_data
END
}
groove_mfg_data
FUNCTION
referencing
{
referencing
BEGIN
C. Tool description
….
D. Geometry description
END
ID
string |
}
Type kind_of_tool
contour
contour_type
Dim
tool_dimension
tool
length_measure
Teeth integer
surface
tool_position
attribute 지정
optional attribute
상속관계
A
B A가 B를 소유
simple type symbol
entity
type symbol
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Historical Review (ISO 10303: TC184/SC4)
1982
ISO TC184/SC4 meeting : Recognition of
the need for a new standard
ISO TC184/SC4 meeting : start of STEP
1984
July ,
Was hi
ngton
DC
1985
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
March
,
Paris
Demonstration of ESPRIT CAD*I project :
use similar scheme of STEP for
surface/solid/FEM geometry
Toky o
ISO TC184/SC4 meeting : first ballot of
STEP documents
Toky o
ISO TC184/SC4 meeting : division of
STEP into several parts and working
groups
Paris
ISO TC184/SC4 meeting : start to
prepare STEP version 1.0, adopt to
include APs
June,
Goteb
org
AP201 Explicit draughting, AP202
Associative draughting,
IS
AP203 Configuration controlled design,
AP207 Sheet metal die planning and
design
IS
2000
2001
32
64
32
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Historical Review (ISO 14649:TC184/SC1)
1982
1984
1985
1989
1990
1991
1992
1993
1994
Undertake ESPRIT III project 8643,
OPTIMAL
1 Jan.
s tarted
Submit New-Work-Item proposal &
voting in TC184 (related to AMT)
June
Submit ISO 14649 CD (composed of Part
0, 1, 2, 3, Annex to 3, 4, 5)
1995
1996
1997
1998
Feature-Based Inspection and Control
System(FBICS) of NIST (Presentation at
NCMS workshop)
March
5-6,
Ann
Arbor
ISO 14649 Documen tation Status
March
5-6,
Ann
Arbor
March,
DIS
Part 3. Predefined functions
CD
DIS
Part 11. Process data for milling
March,
CD
Part 11/1. Tool sheet for milling
tools
March,
CD
Part 21. STEP AIM for milling
March,
Draft
ver.1
IMS Interregional Proposal 97006
ESPRIT 4, STEP-compliant data
interface for numeric controls (STEPNC)
2001
DIS
Part 2. Language descriptioin in
EBNF
Part 9. Glossary
2000
Geneva
, April
STEP-Compliant Data Interface for
Numeric Controls (Presentation at
NCMS workshop)
Part 1. Overview and fundamental
principles
1999
31 Dec.
finis hed
30 Oct.
1 Jan.
s tarted
31 Dec.
finis h
32
64
32
80
Historical Review (Open Architecture)
1982
OSACA
ESPRIT 6379 : OSACA 1st project
1984
1985
1989
1990
1991
1992
s tart
1993
1994
1995
1996
OSEC
finis he
d
Oct.
s tarted
10 Oct.
tech.
report
s tarted
Oct.
OSEC-II (include 18 company)
and technical report
OSEC position paper publication :
OSEC Architecture and OSECAPI
Oct. 6
OMAC white paper publication,
(Chrysler/Ford/GM)
OMAC
s tarted
finis h &
final
s tarted report,
Apr. 30,
ver.1.5
ESPRIT 22168 : OSACA
information announcement and
recognition
Publication of
"Technologies enabling agile
manufacturing (TEAM) : intelligent
closed loop processing"
1998
Final
report,
Feb. 21
ver.1.4
finis h
ESPRIT 9115 : OSACA 2nd project
OSEC founded (include 6
company)
Publication of OSEC version 1.0
document
OSEC prototype development,
JIMTOF
1997
Jan. 11
1999
2000
2001
32
64
32
80
Historical Review (Open Architecture)
1982
OMAC
Publication of
"Open, Modular Architecture
Controls at GM Powertrain :
Technology and
Implementation" ver1.0
Meeting of aerospace and
automative industry
representatives, Start of OMAC
User Group
1984
1985
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
14-May
Feb. 14
OMAC Detroit meeing
May
14-15
OMAC API SET version 0.19
Working Document
Jan. 1
OMAC Orlando meeting
1999
Feb. 1011
2000
2001
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64
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ISO 14649 인터페이스 시나리오
 인터페이스 코드 프로그래밍
– 파트 형상정보의 추가
– 공정계획 정보의 추가
– STEP을 통한 정보 호환
 Conventional control
– G-code 변환 및 가공 실행
 New control
– 공구경로 해석 및
실행
 New intelligent control
– 자동 공구경로 생성 및 수정
– 자동 공구 선정
– 자동 절삭조건 제공
– 자동 공구 접근 및 빠짐 경로 생성
– 자동 가공영역 계산
– 이상 상태 감지 및 복구
– 가공 상태 및 결과 피드백
New
intelligent
control
New
control
Conventional
control
G-code
interpreter
Intelligent
functions
Post
processing
ISO14649 Interpreter/Referencing
feedback
ISO14649 - Milling
EIU
AP203 AP224
Main
program
Geometry
AP213
Technology
Tool
Part 2 Part 3
Tool path
STEP IR
CAD DB
CAD kernel
STEP IR
ISO 13399
CAPP DB
CAPP kernel
CAM DB
CAM kernel
32
64
32
80
Interface of Intelligent STEP-NC
CAPP kernel
CAD kernel
CAPP DB
CAD DB
STEP IR
AP203 AP224
STEP IR
AP213
CAM kernel
CAM DB
ISO 13399
Part 2 Part 3
Tool path
STEP based New Programming Language (ISO 14649)
MMI
Task
Planning
Task
Execution
Task
Monitoring
Soft Bus (CORBA)
NCK
PLC
Embedded
Kernel
Configuration
Layer
Runtime
Environment
32
64
32
80
An Implementation Architecture of STEP-NC
Graphic
System
System
Config.
Task
Scheduler
Code
Interpreter
MMI
On-line
Inspector
Setup
Manager
Application
CORBA
Interface
Communication System
NCK / PLC
Operating System
System H/W
Operation
Monitor
Driver & Motor
ISO 14649
Config.
Code
System
Generator
…
Tool Path
Generator
Data
Base
X Axis
Y Axis
Z Axis
Spindle
32
64
32
80
An operational flow of STEP-NC
External
interface
Process &
operation
Info. flow
ISO 14649
Code Generator
(Programming
System)
Hardware
interface
Report flow
Reader
Interpreter
ISO 14649
Update feature graph
Feature
Graph
Selection of the next task
If none ?
N
Resource
available?
N
Y
Determination of the
next task (mfg_feature_i)
…
ISO 14649
Information for
mfg_feature_1
2
i
m
Tool Magazine
APC
Fixture
Scheduler
Y
END
N
Decomposition into
Unit features
All areas completely
removable ?
Y
N
Available ?
Find tools
Y
Tool path generator
…
Tool path 1
2
j
n
Generate Tool path for
unit_feature_j, j=1, …, n
Pull
N
G-code
G-code conversion
…
NCK
Y
Executor
Stack empty ?
Emergency handling
Monitor
Y
N
Problem ?
Monitoring
32
64
32
80
ISO 14649 생성시스템
수동입력
자동입력
Machining sequence
Feature 지정
Working step 지정
가공조건 지정
공구지정
AP203 AP224
STEP IR
CAD DB
CAD kernel
ISO 14649 입력 GUI
Tool path
CAM DB
AP213
CAPP DB
CAM kernel
STEP IR
CAPP kernel
• 각종 check
- 입력정보의 타당성
- Conflict
- Redundancy
• Simulator
- Feature based solid
simulation
EXPRESS
STEP
Compiler Visualizer
Lex/Yacc
각종 DB
ISO 14649 코드
32
64
32
80
ISO 14649 인터페이스 코드 예
ISO-10303-21;
Header
HEADER;
FILE_DESCRIPTION(('10303-203 with 10303-224 and
14649-11 extensions'),'2;1');
FILE_NAME('part2','1998-03-03T08:39:19-05:00', ('Charles
R. Gilman'), ('STEP Tools, Inc.'),'ST-DEVELOPER 1.6',,);
FILE_SCHEMA (('CONFIG_CONTROL_DESIGN',
'FEATURE_BASED_PROCESS_PLANNING','MILLING_SC
HEMA', 'TOOL_SCHEMA));
ENDSEC;
DATA('unused','CONFIG_CONTROL_DESIGN');
Shape & Product
...
#97=MANIFOLD_SOLID_BREP('',#98);
...
#212=PRODUCT_DEFINITION_SHAPE('Version','Test Part',#267);
#213=PRODUCT('1','Product','Test Part',(#214,#310));
#214=MECHANICAL_CONTEXT('3D Mechanical Parts',#215,'mechanical');
...
ENDSEC;
DATA('unused','FEATURE_BASED_PROCESS_PLANNING');
#300=APPLICATION_CONTEXT('machanical product definition for process planning
using machining features');
#310=PRODUCT_DEFINITION_CONTEXT('Process Planning',
#300,'manufacturing_planning');
#320=ROUND_HOLE('hole001','central hole",#212,.FALSE.);
...
Feature
ENDSEC;
DATA('unused','MILLING_SCHEMA');
Mfg Data
#510=WORKPIECE((#550),#520,0.005,$,#97,$,(#530,#540));
#520=MATERIAL('2024-T351','Davidson Corp.',.FALSE.);
...
#550=HOLE('Hole001',#560,#510,#600,(#610));
...
#610=HOLE_DRILLING_MANUF_DATA('Drilling001',#620,#670,$,#650,.CW., #650,
#800,#710.TRUE.,#720,#740,#750,#760,#770,#620,0.25,1.25, .FALSE.);
...
/* TOOLPATH has no attributes yet */
#670=TOOLPATH_LIST((#680,#690,#700);
#680=TOOLPATH();
#690=TOOLPATH();
#700=TOOLPATH();
...
ENDSEC;
DATA('unused','TOOL_SCHEMA');
#800=TOOL('Drill-1.0-001',.SPIRALBOHER.,#810,4,#820,1)
...
ENDSEC;
END-ISO-10303-21;
Tool Data
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80
Interpreter
 ISO 14949 코드 입력
 FBCC의 피쳐그래프로 변환
 가공코드의 해석
– Main program, EIU (Executable Information Unit)
– EXPRESS language : Geometry, Technology, Tool
EIU
Translator
Tool
EIU
EIU
Technology
Control
code
Main
interpreter program
Geometry
referencing
Geometry
ISO14649 - Milling
Main
program
Schema
EXPRESS
interpreter Physical
file
referencing
Technology
Feature
graph
Main
program
Tool
FG
Converter
32
64
32
80
Feature graph
 피쳐 단위의 가공공정의 흐름 표현
 순차, AND, OR 관계의 표현
 FBCC 내부의 공정계획 표현
7
3
1
6
4
5
2
An example shape
Feature list
1. Facing
2. Pocket
3. Hole
4. Hole
5. Open pocket
6. Open pocket
7. Hole
5
SO
1
JO
5
2
Start
7
2
SA
6
JA
JA
SA
7
3
4
Feature graph
End
32
64
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Tool path의 구성
Retract plane
Technology
Current Tool Position
ATBM
Translation path
CurrentToolPosition
Start
경유점
End
Approach strategy
Approach angle
Technology
Net cut path’s start
ATBM, MTBR
Cut mode type
Technology
Tool radius
ATBM, MTBR
Approach path
Start
End
Retract strategy
Retract angle
Technology
Net cut path’s end
Tool radius
ATBM, MTBR
Net cut path
Start
경유점
Retract path
End
 경로 사이의 연결관계
※Notation :
: Dependency
: Tool Path
: Tool Path 좌표
….
: Input values
: 진행순서
Start
End
32
64
32
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ISO14649의 공구경로 생성 관련 옵션
• Working step options for tool path generation
starting_point = starting_point_type
strategy = milling_type
axial_cutting_depth = length_measure
radial_cutting_depth = length_measure
approach = approach_retract_strategy
retract = approach_retract_strategy
retract_plane = plane
technology
• Rapid_movement options for tool path generation
(rapid movement between worksteps)
rapid_strategy
sec_plane : Rapid movement using security plane
special : Pre-calculated path for rapid movement
• Milling_type
Unidirectional_milling
first_direction = direction
second_direction = direction
cutmode = cutmode_type
Bidirectional_milling
first_direction = direction
second_direction = direction
cutmode = cutmode_type
Contour_parallel_milling
spiral_direction = rot_direction
cutmode = cutmode_type
Contour_and_bidirectional_milling
first_direction = direction
second_direction = direction
first_cutmode = cutmode_type
spiral_cutmode = cutmode_type
Contour_spiral_milling
rotation_direction = rot_direction
cutmode = cutmode_type
• Technology
spindle_speed
feedrate
coolant
chip removal
• Process_model_type
chatter avoidance
thermal compensation
etc.
• Approach_retract_strategy
Helix
Ramp
- start_point : Ramp start
- angle
- overlap
Tool_axis
Along_path
Zigzag
• Cutmode_type
upcut
downcut
• Rot_direction
CW
CCW
• Starting_point_type
center_point
boundary_point
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32
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Unit features and their tool paths
No.5, Open pocket
No.2, Pocket
No.7, Hole
No.5, Open pocket
Feature Shape
No.1, Facing
Unit Feature
Contour
Parallel
Axis
Parallel
Tool
change
Endmill
Axis
Parallel
Start
Drill
Endmill
Tool
change
Tool
change
Tool path
Face cutter
End
Translation
Approach
Machining
Departure
Down cut
Up cut
Peck drilling
Down cut
32
64
32
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공구경로 생성
• 포켓피쳐
• 미소피쳐 분해
포켓 or 아일랜드
소재형상영역
선가공 영역
가공영역1
가공영역2
21
11
(공구경로 계산)
12
22
13
23
미소피쳐별
공구경로 생성
f
절삭경로 계산
f
32
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32
80
가공상태 감시 및 이상상황 분석 모듈
가공 계획•진도
 Intra-Monitoring 모듈
– 각종 센서 사용
ISO 14649
Information for
mfg_feature_1
2
i
m
– 하드웨어 상태의 검출
…
 Status Analysis 모듈
– 가공진도/하드웨어 상태로부터
공작기계의 문제상황 판단
– 재가공
– 가공계획의 수정
공작기계 상태 검출
spindle load
G-code
Filtering
accelerometer
…
– 부분가공
…
 이상상황 처리 모듈
Tool path 1
2
j
n
dynamometer
ADC
Recording
thermometer
touch probe
Tool path
generation
Analysis
No
이상상태 판단•처리
Abnormal state?
Yes
Emergency handling
No
32
64
32
80
기술에 따른 공정변화
 적용 전
Monitoring
CAD
CAPP
CAM
DNC
Machining
Operation
Finished
Part
 적용 후
Process plan
Tool path generation
ISO 14649
CAD
Machining Operation
Monitoring System
Setup & Inspection
Finished
Part
32
64
32
80
결론 및 요약
 STEP-NC: ISO 14649 부문
– CAD/CAPP/CAM과 다양한 CNC application을 대상
– CAD/CAM 도메인과 CNC를 연결시킴으로서 상위 정보와 shop floor 정보의 information highway
개통 의의
– IMS Project의 일환으로 Aachen 대학을 중심으로 현재는 문법의 제정 단계
– 수년내에 ISO 14649는 새로운 CNC 표준언어로 확정 확실시
 STEP-NC: 제어기 부문
– ISO 14649 정보를 활용하면 다양한 지적기능을 보유하는 자율제어 시스템 구축가능
– 개방형 제어구조가 권역별로 제시되고 구현되고 있는 단계
– ISO 14649 정보에 기반한 지적제어기는 아직 미답의 연구과제
 파급효과 및 대응 (국제적인 기술경쟁력 확보)
– CAD/CAM 시스템에의 ISO 14649 포용 필요
– CNC 제어기의 ISO 14649 판독 능력 필요
– ISO 14649에 기반한 지적제어기의 구현에 관한 연구 필요
– 적극적인 International Interface 필요
– 방대한 연구: 산학연의 연구 개발과 국가적인 정책 배려 필요