外文翻译--数控机床更加开放可互操作和智能技术.doc

数控机床更加开放，可互操作的，智能的技术评论摘要新一代的计算机数控（CNC）机器的目的是可移植的，可互操作的，适应能力强。近年，G-代码（ISO6983）已广泛应用于部分编程的数控机床，但在开发新一代的数控机床上也被认为是一个瓶颈。一个叫STEP-NC的新标准正在作为一种新型数控机床的数据模型而发展起来。数据模型是一个通用的标准，专门针对智能化的数控制造工作站，来实现一个标准CNC控制器和NC代码生成工具的目标。它被认为是一个实现STEP-NC的数控机床更加开放的，更强适应性的基础架构。本文概述了STEP-NC的未来主义观点来支持通过全球网络的自主制造工作站进行的可互操作的分布式STEP兼容数据的解释，部分智能程序的生成，诊断和维护，监测和作业生产调度的智能制造。2005年，爱思唯尔B.V.保留所有权利。1.介绍从一开始在19世纪的工艺生产到20世纪初所开拓的大规模生产中已经出现了制造系统中一些革命性的配置变化。最被认可的传统配置制造系统是专用的传输（机器）线，它们使大规模生产在高效率和低成本下进行成为可能。为满足20世纪70年代和20世纪80年代生产发展中需要的应用范围更广的零部件的要求，“灵活”生产得以发展来满足这些需求较小的批次不同的生产部分。这些系统使用几组计算机数控（CNC）机器来重新编程使不同部分与自动传送系统和存储系统结合。这些CNC机床在系统中成为核心要点，例如在灵活的传输线上，柔性制造系统（FMS）中和柔性制造单元（FMC）中。然而，这些系统的灵活性还是被认为是被限制了的。为了让制造企业在面对日益频繁，不可预测的市场变化中自信的做好准备，可互操作的更加开放的制造系统是必要的。在可互操作，开放的制造系统的设计和操作过程中有必要区分系统上的问题，组件上（即机床和控制）的问题还有减少加速时间的问题。大部分的研究工作都不遗余力地放在了系统的问题上，对组件的问题的研究很少，而减少加速时间的问题就更被人忽视了。在组件层面上，研究工作主要围绕关于机床的控制问题。目的在于为模块化和开放式体系结构控制提供可行的数控技术。在任何制造系统中，数控机床都是其主要成分。需求和新的机遇赋予数控机床急需的功能，例如，互操作性，适应性，灵活性和可重构性。为此，有两个主要问题需要解决，即产品数据的兼容性/互操作性和数控机床适应性。至目前为止，很少有研究在这一领域开展，但由于被称为STEP-NC的新的CNC数据模型的发展，出现了一股研究活动在设法解决上述的问题。本文报道了这些研究活动，并试图解决数控机床的互操作性和适应性的问题。目前的CNC技术的障碍今天的数控机床设计在如多轴控制，误差补偿和多工艺制造（例如，联合车/铣/激光和磨床）的帮助下很好的发展起来了。但与此同时，这些功能的编程任务越来越困难而且机床本身也较难适应。为缓解这一问题已经付出了一些努力，特别是开放式体系结构控制的趋势方面，基于OSACA5和开放式模块化结构控制器（OMAC）6，第三方软件可用于在控制器内工作于标准的Windows操作系统下。对于软件控制器的应用是一个公认的未来产业发展方向，PLC的逻辑编辑在软件中而不是硬件。虽然这些事态发展都提高了软件工具和数控系统的体系结构，但供应商和用户仍在寻求一个共同的语言，它集成了CAD，CAPP，CAM，CNC，每个阶段的知识转换不会丢失信息。虽然有很多的辅助工具支持NC制造，但从系统到系统的适应性和互操作性问题，仍然被看作是限制更广泛地使用这些工具的关键问题之一。2.1产品数据的兼容性和互操作性数控机床完成产品的设计和制造生命周期，往往不在于他们必须与上游子系统进行沟通，如CAD，CAPP，CAM。像SET，VDA和初始图形交换规范（IGES）在中立数据交换协议的情况下就会使用，在合成的CAD/CAM系统之间会发生信息交换。然而，这只有部分成功，因为这些协议主要是为了交换几何信息但不完全适用于所有的CAD/CAPP/CAM行业的需求。因此，国际社会制定的ISO103037设置标准，称为STEP为我们所熟知。通过实施STEPAP-2038和STEPAP-2149在计算机辅助设计（CAD）系统中，数据交换的屏障被除去。然而，CAD/CAM和CNC系统之间的数据交换问题仍未得到解决。CAD系统设计精确地描述了一部分的几何形状，而CAM系统根据目前的CAD模型和车间现有的资源上的几何信息来使用计算机系统生成计划和控制制造业务。最终结果是，CAM系统是一组能在数控机床上执行的数控程序。STEPAP-203和STEPAP-214只有统一为一个CAM系统的输入数据。在CAM系统的输出方面，一个50年历史的国际标准ISO6983（称为G-代码或RS274D）10仍占据大多数数控机床控制系统的主导地位。ISO6983已经过时，但仍然被广泛使用，ISO6983只支持单向的信息流从设计到制造的。CAD数据不利用在机床上。相反，他们所处理的后处理器只得到了一组低层次的，不完整的数据，这使得修改，验证和仿真变的困难。在车间所做的更改不能直接反馈给设计师。因此，在车间的宝贵经验不能被保存和再利用。2.2不灵活的CNC控制制度ISO6983标准侧重于编程的机轴，刀具中心位置（CL）的部分，而不是加工任务的路径。因此，ISO6983定义程序语句的语法，但在大多数情况下留下的语义含糊不清，再加上低级别的有限的控制程序执行。这些程序在CAM系统的机器经过特定的处理器加工后，变的依赖于机器。为了提高数控机床的能力，CNC控制器供应商还开发了自己定制的控制命令集，以增加更多的功能到他们的CNC控制器上，扩展ISO6983。这些命令由于不同的供应商之间的差异，将进一步造成机床之间数据的不兼容。目前不灵活的的CNC控制制度意味着从CAM系统的输出具有不适应性，这反过来又否认有任何互操作性的数控机床。主要的原因是基于G代码的部分程序只包含低级别的信息可以被描述为“如何做”的信息。数控机床，不管他们的能力，能做的只是“忠实地”遵循G代码程序。这是不可能执行智能控制或加工优化的。3.STEP-NC标准今天，一个正在被STEP-NC供应商，用户和全球范围内的学术机构开发的新的标准ISO1464911-16被非正式的确认了，这将给一种新的智能CNC提供一个数据模型。数据模型是一个专门针对NC编程的通用标准，这使得一个标准的CNC控制器和NC代码生成工具的目标得以实现。目前正在开发两个版本的STEP-NCISO。首先是应用参考模型（ARM）（即ISO14649）和其他应用程序的解释模型（AIM），ISO14649（即ISO10303AP-23817）。欲了解更多使用方面信息和它们之间的差异的读者可以参考18,19。不同于当前的NC编程标准（ISO6983），ISO14649不是部分编程的方法，通常不会说明数控机床的刀具移动。相反，它采用各种信息表示基于功能的编程，如待加工功能，使用的工具类型，要执行的操作，和遵循的操作顺序，以一个详细的，结构化的接口提供给数控设备一个面向对象的数据模型。虽然它能近似的定义为机床刀具使用STEP-NC标准的运动轨迹，这个标准的目的是让后期的新品种智能控制器-STEP-NC控制器能生成这些命令。它的宗旨是让STEP-NC零件程序可以只要编写一次，但可以在许多不同类型的机床控制器上提供机器所需的处理能力。能做到这一点，数控机床和控制程序的适应性和可互操作性就能得以实现了。图.1说明几何和加工信息，现在可以在CAD/CAM系统和STEP-NC控制器之间双向传送20。一个关键的问题是刀具路径的运动信息是可选的，理想情况下应该由STEP-NC控制器在机器上生成。被定义为加工功能（类似的AP-22422）的几何信息以称为工作步骤的加工操作执行一个或多个功能。这些加工步骤提供基本的“工作计划”制造组件。图.2示出了一个实际的数据提取物形成的工作计划进行开槽，钻孔和扒窃的加工步骤的一部分。要注意的重要的一点是，这个代码是STEP-NC智能控制器导入和导出所传送的（物理）文件。这个文件是由控制器解读，在控制器上通过一个智能的人工数据接口（MDI）或CAD/CAM系统使数控运营商在一个工步水平（即加工操作）进行交互。使用STEP-NC的好处如下23。·STEP-NC提供了一个完整的，结构化的数据模型，几何和技术的信息联系起来，这样在产品开发过程的不同阶段不会丢失任何信息。·它的数据元素足够来形容任务导向型的NC数据。·数据模型在进一步的技术和扩展性（一致性等级）上是可发展的，来匹配特定的CAM，SFP或者NC的能力。·可以大大减少中小型工作任务的加工时间，因为STEP-NC控制器能进行智能优化。·后处理器机制将被淘汰，因为接口不要求机器特定的信息。·机床更安全而且有更强的适应性因为STEPNC是从机床供应商中独立的。·在车间的改造可以保存并反馈给设计部门，因此可以实现双向信息在CAD/CAM和数控机床之间的传输。·XML文件可以作为一个信息载体，从而基于Web进行分布式制造。STEP-NC的价值主张有详细的讨论在OMACSTEP-NC工作组的一份报告24和其他出版物20,23,25中可以找到。Fig.1.STEP-NC的双向信息流21.Fig.2.STEP-NC物理文件示例20.4.STEP-NC更加开放和可互操作的机床相关的STEP-NC的研究工作有四种类型：（1）传统的CNC控制使用STEP-NC（2）启用新的STEP-NC的控制；（3）STEP-NC的智能控制；（4）启用协作STEP-NC的加工。从1型到4型，适应性程度是递增的。应当注意的是，STEP-NC和STEP现已形成用于较完整的产品信息的通用数据模型。其深远的影响在于一个完全整合的CAD，CAPP，CAM和CNC在完整的设计，制造产业链所需的互操作性和适应性。由于本文的讨论范围有限，只有直接