北航副教授肖文磊： STEP-NC 数控技术
STEP -NC是一个面向对象的新型NC编程数据接口国际标准（ISO 14649），它于1996开始制订，在2001年底成为国际标准草案（Draft International Standard, DIS），由国际标准化组织ISO/TC184工业数据技术委员会正式命名为ISO14649，其目的旨在取代在数控机床中广泛使用的ISO 6983标准。
STEP- NC的基本原理是基于制造特征进行编程，它告诉CNC的是“加工什么”，而不是直接对刀具运动进行编程，以及告诉CNC“如何加工”的具体动作.加工流程是以工作步骤(working step)作为基本单位，将特征与技术信息联系到一起，每个工作步骤只定义一种操作(“干什么’，如何干等”，仅能用一种刀具和一种策略).STEP- NC通过任务描述(钻中心孔、钻孔、粗加工、精加工…)把工件的加工程序传到加工车间，在车间可以根据实际的需要对加工程序进行修改，修改后的加工过程信息可以保存并返回到设计部门，使经验和知识能更好地交换和保留，也实现了产品生命周期数据的共享。
为了使STEP-NC兼容传统的数控系统,需要在传统数控系统上构建专用的STEP-NC后置处理器。为此,建立了一个通用的后置处理器,以降低构建专用STEP后置处理器的开发工作量和开发难度。采用可扩展标记语言模式下的STEP-NC代码作为输入和基于可扩展样式表语言转换的转换机制,实现面向不同数控加工设备统一化的后置处理过程。根据可扩展样式表语言转换原理和要求,分别开发了EXPRESS-X和P21-P28的文件格式转换器。构建了以P28格式作为输入和以XSLT样式表语言定义机床设备接口格式的通用后置处理器。以一台切削加工机器人和一台三轴数控铣床为应用实例,分别以机器人语言和G代码作为后置处理结果,对后置处理器的功能性和可行性进行了验证。
为了在CAM系统和CNC系统之间进行信息交换时完整全面的表达信息，必须建立合适的数据模型(如图1所示)。ISO14649使用面向对象的方式定义的数据模型避免了信息的丢失，它把每一个加工步骤都定义成独立的对象，每个对象又包含各种描述性的属性.通过严格的分离几何数据、操作数据、加工数据等这些数据，简化了信息的存储和访问，使不同模块之间可进行信息的交换.零件的加工过程被定义成一个工步序列，一个基于几何信息的工步确定了哪些操作被执行，而这种面向对象的操作本身又包含了工艺信息、刀具信息、加工策略等。
一.个人介绍
肖文磊，1984年4月，江西省井冈山市
北京航空航天大学机械工程及自动化学院副教授，博士生导师。
1.1学习经历
2002.09-2006.07 北京航空航天大学 工学学士 专业：机械工程及自动化年级排名第一（1/360），金质奖章获得者，校级本科优秀毕业论文
2006.09-2012.01 北京航空航天大学 工学博士 专业：机械制造及自动化免试直接攻读博士，导师：郇极 教授，研究方向：数控系统、伺服控制技术、工业以太网EtherCAT接口技术
2008.09-2010.09 德国不伦瑞克工业大学机床与制造技术研究所 联合培养博士进修;国家建设高水平大学公派研究生出国留学项目&;资助出国联合培养，导师：Professor Hesselbach（不伦瑞克工业大学校长）， 研究方向：切削加工机器人系统、机器人离线编程技术、机器人三维仿真系统、STEP-NC技术
航空高端装备智能制造工信部重点实验室骨干成员，中国图学学会第七届青年委员、智能工厂专委会副主任委员，北航青年拔尖人才。
主要研究面向航空制造的CAD/CAM、智能数控技术、工业机器人仿真、智能装配技术及装备等研究工作。
承担和参与了民机预研专项、发动机重大专项、科技部重点研发计划、自然科学基金重大仪器专项、国家自然科学基金青年项目等国家级科研项目。
已发表学术论文60余篇，其中Nature子刊1篇。
申请与获批发明专利20余项。获中航工业科学技术奖二等奖、央企熠星创意大赛二等奖、北京航空航天大学教学成果优秀奖一等奖等。
1.2工作经历
2012.04-2014.03 北京大学工学院 力学博士后
博士后研究，导师：董蜀湘 教授，研究方向：压电微马达驱动与控制 北京大学工学院合作单位;厦门海德星科技有限公司;技术顾问
2014.04-至今 北京航空航天大学机械工程及自动化学院 讲师
二级学科：飞行器制造技术
1.3研究领域
数控系统与现场总线技术
面向智能制造的数控内核及底层技术，包括EtherCAT工业以太网现场总线、伺服控制、STEP-NC兼容的CNC数控系统、基于软PLC和PLCopen的数控内核开发、基于MT-Connect的数控系统网络化等。
CAD/CAM与虚拟现实与仿真技术
3D打印CAM系统、工业机器人的仿真与离线编程、生物与CT体数据的绘制与分析、卫星的微重力动力学仿真、飞机应急场景仿真等。
超声电机驱动控制技术
直线超声电机的非线性建模与控制、超声电机的总线式驱动控制器、直线超声电机驱动的精密并联机器人、全闭环直线超声电机驱动的微小型超精密数控机床等。
1.4教学及科研成果
发表论文、专利、专著：
1) W Xiao, J Huan, G Liu, H Shi, et al. A digitally linear piezoelectric bimorph actuator in open-loop model. Applied Physics Letters, 2013.03, 102. (SCI, Q1, IF: 3.302)
2) W Xiao*, L Zheng, J Huan, P Lei. A complete CAD/CAM/CNC solution for STEP-compliant manufacturing. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2015.02, 31(1):1-10. (SCI, Q1, IF: 2.305)
3) W Xiao*, J Huan, S Dong. A STEP-compliant Industrial Robot Data Model for robot off-line programming systems. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2014.04, 30(2): 114-123. (SCI, Q1, IF: 2.305)
4) W Xiao*，H Strauß，T Loohß，HW Hoffmeister，J Hesselbach. Closed-form inverse kinematics of 6R milling robot with singularity avoidance. Journal of Production Engineering Research and Development, 2011, 5/1, 103-110. (EI Journal)
5) W Xiao*, H Huang, G Zhao, A multi-axis motion control solution of linear ultrasonic motors for micro CNC machine tools powered by industrial Ethernet technology (EtherCAT), In: The 30th ASPE Annual Meeting, Austin, Texas, USA, 2015.11. (Conference)
6) W Xiao, Y Liu, R Wang, G Zhao. STEP-compliant data exchange of T-spline models between CAx systems. The 2016 annual CAD Conference, Vancouver, Canada, 2016.06. (Conference)
7) W Xiao*, J Huan. Redundancy and optimization of a 6R robot for five-axis milling applications: singularity, joint limits & collision. Journal of Production Engineering Research and Development, 2012.06(3): 287-296. (EI Journal)
8) W Xiao*, Y Liu, K Loeis. A Universal Virtual Manufacturing System for Cutting Machines. In: IET International Conference on Advanced Technology of Design and Manufacture, Beijing, China, 2010. (Conference)
9) W Xiao*, HW Hoffmeister. Implementation of a NURBS Interpolator in Joint Space of Cutting Robot”. In: CIRP the 2nd International Conference on Process Machine Interaction, Vancouver, Canada, 2010. (Conference)
10) 肖文磊, 郇极. 切削加工机器人与CAD/CAM系统集成化. 机械工程学报，2011, 08, Vol. 47, 52-60. (EI Journal)
11) 肖文磊，郇极. 基于XSLT的通用STEP-NC后置处理器开发 . 计算机集成制造系统，2012, 08, Vol. 18, 2196-2203. (EI Journal)
12) 郇极，肖文磊，刘艳强. 工业以太网EtherCAT冗余和热插拔技术. 北京航空航天大学学报，2009, 02, Vol. 35, 158-161. (EI Journal)
13) Y Liu, W Xiao, J Huan. Distributed NURBS interpolator for high-speed and high precision machining. The International Conference on Automatic Control and Artificial Intelligence (ACAI2012), Xiamen, China, 2012. (Conference)
14) G Liu, X Li, J Chen, H Shi, W Xiao, S Dong. Colossal low-frequency resonant magnetomechanical and magnetoelectric effects in a three-phase ferromagnetic/elastic/piezoelectric composite. Applied Physics Letters. 2012, 101. (SCI, Q1, IF: 3.302)
15) H. Shi, J Chen, G Liu, W Xiao, S Dong. A Piezoelectric Pseudo Bimorph Actuator. Applied Physics Letters. 2013. (SCI, Q1, IF: 3.302)
16) Y Zhang, G Liu, H Shi, W Xiao, et al. Enhanced magnetoelectric effect in ferromagnetic–elastic–piezoelectric composites. Journal of Alloys and Compounds. 2014.11, 613:93-95. (SCI, Q1, IF:2.999)
17) J Huan, Y Jin, W Xiao. CNC system of flexible fixture in aircraft component manufacturing and assembly. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2012, 03, Vol. 29, 54-61. (EI Journal)
18) 郇极，靳阳，肖文磊，郭成军. 适合多种机床结构布局的数控系统5坐标变换库技术. 北京航空航天大学学报. 2012,06:842-848. (EI Journal)
19) HW Hoffmeister, T. Große, M Luig, W Xiao. Algorithmus zum automatisierten Stapeln heterogener Teileströme. HOB die Holzbearbeitung, AGT Verlag, Lugwigsburg, 2012, Ausgabe 3/2012, Seite 96-98, ISSN 0018-3822
20) 王亮，李东升，刘凤贵，肖文磊，冯子明. 飞机壁板类组件数字化装配柔性工装技术及应用. 航空制造技术，2010, 10, 58-61. (EI Journal)
21) 郇极，靳阳，肖文磊.《基于工业控制编程语言IEC 61131-3的数控系统软件设计》. 北京航空航天大学出版社，2011.
22) 一种数控铣削加工机器人用法兰盘”. 实用新型专利. 授权编号：CN 202824804. (Patent)
23) Real-time Industrial Ethernet EtherCAT Communication Control”. 发明专利. 授权编号：US8060677 B2. 专利批准国：美国. 2011.11.15. (Patent)
主要在研项目：
1) 自然科学基金青年基金：面向直线超声电机高性能运动控制的分步综合非线性系统辨识建模；
2) 基金委国家重大科研仪器设备研制专项：超高时空分辨率微型化双光子在体成像系统；
3) 国家实验室重大专项：微小型超精密五坐标并联数控机床；
4) 国家实验室重大专项：航空复杂结构增减材同步复合智能制造系统；
5) 上海商飞客服公司合作项目：面向航空公司培训的三维虚拟系统研究；
二.研究团队的代表性科研成果
(1) 智能数控及其数字孪生
在智能数控方向，通过实验室多年的不断研发与探索，突破了STEP-CNC核心关键技术，为研发下一代智能数控奠定了重要的基础。与此同时，实验室开创性地构建了“面向孪生制造”的智能制造新模式，开发了基于STEP-NC的CPS与数字孪生系统；相关成果已成功应用于中国商飞等航空制造企业。
(2) 面向增材制造的CAD内核
该项目主要研究与开发面向增材制造的工业软件CAD内核。目前，实验室已突破了增材制造点阵设计的核心算法，主要包括晶格结构高效生成算法、周期晶格拓扑优化算法以及非周期晶格拓扑优化算法。开发了产品化的镂空结构增材设计软件模块，相比国外同类商业软件，建模质量更好，且运行效率超出60倍以上。
(3) 基于AR+AI的飞机智能装配
该项目主要研究基于增强现实的高精度实时机器学习航空装配检测技术，主要包括：面向航空复杂装配环境的待检目标实例分割、基于待检目标拓扑关系的场景识别与视角定位、融合增强现实与深度学习的自由视角实时装配检测，为C919大飞机的批量生产提供重要的增效助力。
(4) 大型激光光路仿真软件系统
该项目主要研发面向大型激光光路的仿真软件系统，实现对激光在复杂光路中传输状况的模拟，并提供仿真过程及结果的可视化功能。光路设计可实现模块化操作，通过拖拉拽方式实现各模块间的自由串联。目前，该软件系统已得到成功部署应用。
(5) 面向海量图像数据的超高精度细胞识别与追踪
该项目主要研发了适应海量图像数据的单细胞分辨率智能识别追踪算法，取得了国际上前所未有的超高精度（识别精度99.68%，追踪精度99%），由此发现了新的生物学规律。2020年，研究成果发表于《Nature Cell Biology》，获得基金委官网报道。在此基础上，进一步与北京大学、中科院自动化联合研发了面向脑科学的神经元可视化软件系统。
(6) 制造仿真引擎GPCORE
基于长期的研发积累，推出了完全自主可控的制造仿真引擎GPCORE。主要包括：三维渲染引擎gpScene；STEP-NC建模引擎gpStepNc；铣削加工仿真引擎gpMilling；机床仿真引擎gpMachine；机器人仿真引擎gpRobot等。支撑了多个领域的科研项目，形成了产品级的软件系统。
(7) 基于控制论的新冠疫情感染模型
构建了一种基于控制论的新冠疫情感染模型，创新性的提出了原发型与输入型两类城市疫情预测模型，提出了快速预测疫情发展趋势与推理防控措施的“城市参数等效法”。为疫情防控提供了更可靠的理论依据与工程方法，成功预测了国内多个城市（上海、北京、武汉）的疫情发展趋势。
(8) 开源T样条内核T-SPLINE
作为发起者研发了开源内核T-SPLINE(开源链接：https://github.com/GrapeTec/T-SPLINE )，个人代码贡献量超90%。该项目成为T-spline领域下载量最大的开源内核，并获得维基 百科词条索引。(目前，该项目因故停止更新)
