數(shù)控機床更加開放，可互操作的，智能的技術(shù)評論摘要新一代的計算機數(shù)控（CNC）機器的目的是可移植的，可互操作的，適應(yīng)能力強。近年，G-代碼（ISO6983）已廣泛應(yīng)用于部分編程的數(shù)控機床，但在開發(fā)新一代的數(shù)控機床上也被認為是一個瓶頸。一個叫STEP-NC的新標準正在作為一種新型數(shù)控機床的數(shù)據(jù)模型而發(fā)展起來。數(shù)據(jù)模型是一個通用的標準，專門針對智能化的數(shù)控制造工作站，來實現(xiàn)一個標準CNC控制器和NC代碼生成工具的目標。它被認為是一個實現(xiàn)STEP-NC的數(shù)控機床更加開放的，更強適應(yīng)性的基礎(chǔ)架構(gòu)。本文概述了STEP-NC的未來主義觀點來支持通過全球網(wǎng)絡(luò)的自主制造工作站進行的可互操作的分布式STEP兼容數(shù)據(jù)的解釋，部分智能程序的生成，診斷和維護，監(jiān)測和作業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的智能制造。2005年，愛思唯爾B.V.保留所有權(quán)利。1.介紹從一開始在19世紀的工藝生產(chǎn)到20世紀初所開拓的大規(guī)模生產(chǎn)中已經(jīng)出現(xiàn)了制造系統(tǒng)中一些革命性的配置變化。最被認可的傳統(tǒng)配置制造系統(tǒng)是專用的傳輸（機器）線，它們使大規(guī)模生產(chǎn)在高效率和低成本下進行成為可能。為滿足20世紀70年代和20世紀80年代生產(chǎn)發(fā)展中需要的應(yīng)用范圍更廣的零部件的要求，“靈活”生產(chǎn)得以發(fā)展來滿足這些需求較小的批次不同的生產(chǎn)部分。這些系統(tǒng)使用幾組計算機數(shù)控（CNC）機器來重新編程使不同部分與自動傳送系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)結(jié)合。這些CNC機床在系統(tǒng)中成為核心要點，例如在靈活的傳輸線上，柔性制造系統(tǒng)（FMS）中和柔性制造單元（FMC）中。然而，這些系統(tǒng)的靈活性還是被認為是被限制了的。為了讓制造企業(yè)在面對日益頻繁，不可預(yù)測的市場變化中自信的做好準備，可互操作的更加開放的制造系統(tǒng)是必要的。在可互操作，開放的制造系統(tǒng)的設(shè)計和操作過程中有必要區(qū)分系統(tǒng)上的問題，組件上（即機床和控制）的問題還有減少加速時間的問題。大部分的研究工作都不遺余力地放在了系統(tǒng)的問題上，對組件的問題的研究很少，而減少加速時間的問題就更被人忽視了。在組件層面上，研究工作主要圍繞關(guān)于機床的控制問題。目的在于為模塊化和開放式體系結(jié)構(gòu)控制提供可行的數(shù)控技術(shù)。在任何制造系統(tǒng)中，數(shù)控機床都是其主要成分。需求和新的機遇賦予數(shù)控機床急需的功能，例如，互操作性，適應(yīng)性，靈活性和可重構(gòu)性。為此，有兩個主要問題需要解決，即產(chǎn)品數(shù)據(jù)的兼容性/互操作性和數(shù)控機床適應(yīng)性。至目前為止，很少有研究在這一領(lǐng)域開展，但由于被稱為STEP-NC的新的CNC數(shù)據(jù)模型的發(fā)展，出現(xiàn)了一股研究活動在設(shè)法解決上述的問題。本文報道了這些研究活動，并試圖解決數(shù)控機床的互操作性和適應(yīng)性的問題。目前的CNC技術(shù)的障礙今天的數(shù)控機床設(shè)計在如多軸控制，誤差補償和多工藝制造（例如，聯(lián)合車/銑/激光和磨床）的幫助下很好的發(fā)展起來了。但與此同時，這些功能的編程任務(wù)越來越困難而且機床本身也較難適應(yīng)。為緩解這一問題已經(jīng)付出了一些努力，特別是開放式體系結(jié)構(gòu)控制的趨勢方面，基于OSACA5和開放式模塊化結(jié)構(gòu)控制器（OMAC）6，第三方軟件可用于在控制器內(nèi)工作于標準的Windows操作系統(tǒng)下。對于軟件控制器的應(yīng)用是一個公認的未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，PLC的邏輯編輯在軟件中而不是硬件。雖然這些事態(tài)發(fā)展都提高了軟件工具和數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，但供應(yīng)商和用戶仍在尋求一個共同的語言，它集成了CAD，CAPP，CAM，CNC，每個階段的知識轉(zhuǎn)換不會丟失信息。雖然有很多的輔助工具支持NC制造，但從系統(tǒng)到系統(tǒng)的適應(yīng)性和互操作性問題，仍然被看作是限制更廣泛地使用這些工具的關(guān)鍵問題之一。2.1產(chǎn)品數(shù)據(jù)的兼容性和互操作性數(shù)控機床完成產(chǎn)品的設(shè)計和制造生命周期，往往不在于他們必須與上游子系統(tǒng)進行溝通，如CAD，CAPP，CAM。像SET，VDA和初始圖形交換規(guī)范（IGES）在中立數(shù)據(jù)交換協(xié)議的情況下就會使用，在合成的CAD/CAM系統(tǒng)之間會發(fā)生信息交換。然而，這只有部分成功，因為這些協(xié)議主要是為了交換幾何信息但不完全適用于所有的CAD/CAPP/CAM行業(yè)的需求。因此，國際社會制定的ISO103037設(shè)置標準，稱為STEP為我們所熟知。通過實施STEPAP-2038和STEPAP-2149在計算機輔助設(shè)計（CAD）系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)交換的屏障被除去。然而，CAD/CAM和CNC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問題仍未得到解決。CAD系統(tǒng)設(shè)計精確地描述了一部分的幾何形狀，而CAM系統(tǒng)根據(jù)目前的CAD模型和車間現(xiàn)有的資源上的幾何信息來使用計算機系統(tǒng)生成計劃和控制制造業(yè)務(wù)。最終結(jié)果是，CAM系統(tǒng)是一組能在數(shù)控機床上執(zhí)行的數(shù)控程序。STEPAP-203和STEPAP-214只有統(tǒng)一為一個CAM系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。在CAM系統(tǒng)的輸出方面，一個50年歷史的國際標準ISO6983（稱為G-代碼或RS274D）10仍占據(jù)大多數(shù)數(shù)控機床控制系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。ISO6983已經(jīng)過時，但仍然被廣泛使用，ISO6983只支持單向的信息流從設(shè)計到制造的。CAD數(shù)據(jù)不利用在機床上。相反，他們所處理的后處理器只得到了一組低層次的，不完整的數(shù)據(jù)，這使得修改，驗證和仿真變的困難。在車間所做的更改不能直接反饋給設(shè)計師。因此，在車間的寶貴經(jīng)驗不能被保存和再利用。2.2不靈活的CNC控制制度ISO6983標準側(cè)重于編程的機軸，刀具中心位置（CL）的部分，而不是加工任務(wù)的路徑。因此，ISO6983定義程序語句的語法，但在大多數(shù)情況下留下的語義含糊不清，再加上低級別的有限的控制程序執(zhí)行。這些程序在CAM系統(tǒng)的機器經(jīng)過特定的處理器加工后，變的依賴于機器。為了提高數(shù)控機床的能力，CNC控制器供應(yīng)商還開發(fā)了自己定制的控制命令集，以增加更多的功能到他們的CNC控制器上，擴展ISO6983。這些命令由于不同的供應(yīng)商之間的差異，將進一步造成機床之間數(shù)據(jù)的不兼容。目前不靈活的的CNC控制制度意味著從CAM系統(tǒng)的輸出具有不適應(yīng)性，這反過來又否認有任何互操作性的數(shù)控機床。主要的原因是基于G代碼的部分程序只包含低級別的信息可以被描述為“如何做”的信息。數(shù)控機床，不管他們的能力，能做的只是“忠實地”遵循G代碼程序。這是不可能執(zhí)行智能控制或加工優(yōu)化的。3.STEP-NC標準今天，一個正在被STEP-NC供應(yīng)商，用戶和全球范圍內(nèi)的學(xué)術(shù)機構(gòu)開發(fā)的新的標準ISO1464911-16被非正式的確認了，這將給一種新的智能CNC提供一個數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型是一個專門針對NC編程的通用標準，這使得一個標準的CNC控制器和NC代碼生成工具的目標得以實現(xiàn)。目前正在開發(fā)兩個版本的STEP-NCISO。首先是應(yīng)用參考模型（ARM）（即ISO14649）和其他應(yīng)用程序的解釋模型（AIM），ISO14649（即ISO10303AP-23817）。欲了解更多使用方面信息和它們之間的差異的讀者可以參考18,19。不同于當前的NC編程標準（ISO6983），ISO14649不是部分編程的方法，通常不會說明數(shù)控機床的刀具移動。相反，它采用各種信息表示基于功能的編程，如待加工功能，使用的工具類型，要執(zhí)行的操作，和遵循的操作順序，以一個詳細的，結(jié)構(gòu)化的接口提供給數(shù)控設(shè)備一個面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型。雖然它能近似的定義為機床刀具使用STEP-NC標準的運動軌跡，這個標準的目的是讓后期的新品種智能控制器-STEP-NC控制器能生成這些命令。它的宗旨是讓STEP-NC零件程序可以只要編寫一次，但可以在許多不同類型的機床控制器上提供機器所需的處理能力。能做到這一點，數(shù)控機床和控制程序的適應(yīng)性和可互操作性就能得以實現(xiàn)了。圖.1說明幾何和加工信息，現(xiàn)在可以在CAD/CAM系統(tǒng)和STEP-NC控制器之間雙向傳送20。一個關(guān)鍵的問題是刀具路徑的運動信息是可選的，理想情況下應(yīng)該由STEP-NC控制器在機器上生成。被定義為加工功能（類似的AP-22422）的幾何信息以稱為工作步驟的加工操作執(zhí)行一個或多個功能。這些加工步驟提供基本的“工作計劃”制造組件。圖.2示出了一個實際的數(shù)據(jù)提取物形成的工作計劃進行開槽，鉆孔和扒竊的加工步驟的一部分。要注意的重要的一點是，這個代碼是STEP-NC智能控制器導(dǎo)入和導(dǎo)出所傳送的（物理）文件。這個文件是由控制器解讀，在控制器上通過一個智能的人工數(shù)據(jù)接口（MDI）或CAD/CAM系統(tǒng)使數(shù)控運營商在一個工步水平（即加工操作）進行交互。使用STEP-NC的好處如下23。STEP-NC提供了一個完整的，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)模型，幾何和技術(shù)的信息聯(lián)系起來，這樣在產(chǎn)品開發(fā)過程的不同階段不會丟失任何信息。它的數(shù)據(jù)元素足夠來形容任務(wù)導(dǎo)向型的NC數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)模型在進一步的技術(shù)和擴展性（一致性等級）上是可發(fā)展的，來匹配特定的CAM，SFP或者NC的能力。可以大大減少中小型工作任務(wù)的加工時間，因為STEP-NC控制器能進行智能優(yōu)化。后處理器機制將被淘汰，因為接口不要求機器特定的信息。機床更安全而且有更強的適應(yīng)性因為STEPNC是從機床供應(yīng)商中獨立的。在車間的改造可以保存并反饋給設(shè)計部門，因此可以實現(xiàn)雙向信息在CAD/CAM和數(shù)控機床之間的傳輸。XML文件可以作為一個信息載體，從而基于Web進行分布式制造。STEP-NC的價值主張有詳細的討論在OMACSTEP-NC工作組的一份報告24和其他出版物20,23,25中可以找到。Fig.1.STEP-NC的雙向信息流21.Fig.2.STEP-NC物理文件示例20.4.STEP-NC更加開放和可互操作的機床相關(guān)的STEP-NC的研究工作有四種類