现代制造业全球化的发展,迫切需要制造设备能够更加开放化和网络化。数控机床作为制造业的核心设备,更应该满足这些需求。这就需要数控系统拥有良好的网络架构,以及智能、高效的加工数据模型。良好的网络架构是指数控系统拥有统一的、跨平台的、能够与其它设备互联的上层Internet网络接口,并且拥有现场级的总线网络。其中实时以太网是现场总线的一个新发展方向。和传统的现场总线相比,实时以太网通讯速度更快、兼容标准以太网、数据包的容量大、布线简洁并且成本更低。对于加工数据模型,传统的G&M代码作为一种底层加工描述语言,丢失了许多上层设计信息,从而制约了数控机床的发展。而STEP-NC的诞生则提供了新的加工数据模型,它支持从设计到加工的双向、全生命周期的加工数据流。本文将上层网络接口、实时以太网以及STEP-NC有机地结合在一起,并对其进行了研究,提出了一种网络化的STEP-NC控制器方案。该方案拥有三类总线：上层网络接口——MTConnect;加工数据总线——STEP-NC;底层硬件总线——实时以太网。对于实时以太网,本文根据数控系统的特点实现了一种改进的实时以太网协议EtherMAC (Ethernet for Manufacturing Automation Control)。基于实时以太网的数控系统,比传统的数控系统更易于模块化和扩展。和其它实时以太网相比,EtherMAC采用了锁存信号触发上发的机制,从而缩短了反馈数据与指令数据的等待时间；从以太网包在底层元器件的延迟与传输特点入手,分析了以太网包的传输延迟及抖动的原因,提出了自己的同步方法。该同步方法可以得到很高的同步精度,并且节点越少同步精度越高,十分适用于数控系统。为了覆盖更广泛的数控应用,本文还提出了基于Windows NT和EtherMAC的解决方案。本文还详细介绍了EtherMAC的工作流程、出错处理等,并给出了基于FPGA的EtherMAC实现方案,包括可以避免数据包冲突的链路层和优化了的数控接口模块,而且通过实验验证了它的实时性能。本数控系统的上层网络接口采用MTConnect。MTConnect是一个新的设备互联标准,并且是跨平台、免版权的。本文介绍了MTConnect的协议结构、工作流程、数据格式以及设备描述方式；然后按照该标准的定义,构建了一个基于MTConnect的机床模型并生成了对应的XML文档。MTConnect本身并不支持对STEP-NC控制器的监控,本文把MTConnect与STEP-NC结合起来,使其能够监视STEP-NC控制器的加工进度。文中给出了基于MTConnect的代理端和客户端在.NET平台下的实现方法,并用其远程监视机床的路径、开关量和进给速率信息。由于没有支持生成STEP-NC加工文件的商业CAM软件,为了测试STEP-NC控制器,本文构建了一个兼容STEP-NC的、面向电路板雕刻的2D CAM模块。该模块既可以作为独立的模块生成STEP-NC加工文件,又可以作为STEP-NC控制器的内嵌CAM模块来生成路径。该CAM模块可以读取ECAD文件(Gerber文件)、刀具定义文件以及机床模型信息、参数,进行工艺规划并定义顺从STEP-NC的加工特征、顺序、操作以及路径,然后生成STEP-NC加工文件。STEP-NC并不支持Gerber文件中基于中心线的轮廓信息,该CAM模块可以将这些图形映射到STEP AP210ARM中,然后再映射到STEP-NC中的加工特征里。其间,一个自定义的"Closed_profile_with_styles" STEP实体用来连接STEP AP210和STEP-NC。该CAM模块给出了面向STEP-NC的电路板加工工艺规划。该工艺规划提供了一个新的多把刀高效组合的加工策略。为了用STEP-NC描述这种情况,本文依据STEP AP238,对ISO14649进行了扩展,使其支持多把刀共享加工特征的情况。该加工策略是一种混合了"Contour_parallel"和"Bidirectional"的加工策略。对于"Contour_parallel"的路径生成,该CAM模块采用基于像素的算法用来计算轮廓。"Bidirectional"加工策略的路径生成,文中也有阐述。最后本文给出了本数控系统的STEP-NC控制器内核的实现,它和实时以太网EtherMAC接口的实现、MTConnect接口的实现一起构成了本文所提出的网络化STEP-NC控制器。本文利用ST-Developer提供的STEP Java库操作STEP实体、实例,并使用工具IKVM.NET来进行Java平台和.NET平台的交互,把与STEP-NC相关的实现移植到.NET平台中。同时,本文还阐述了该控制器所包含的模块：通用STEP解释器,刀具路径生成,加工管理,仿真和机床模型。通用STEP解释器借助于ST-Developer对STEP类提供的架构、面向对象的多态、反射和迭代来实现,并可为网络化的分布式应用程序提供操作STEP的基础接口。另外,该控制器提供了2D、3D仿真,其中3D仿真借助于CADability实现。最后,本文给出了仿真和加工结果。