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一种智能数控和数据模型框架 国家为STEP - NC的技术（夺标- SNT的），机械学院研究实验室 和工业工程，韩国浦项工科大学，圣 31，孝子洞 在本文中，我们提出了一个概念框架设计贯彻智能数控系统。该架构和功能模块均来自需求分析，他们的目的是有思维进行加工之前，期间和之后的制造任务的执行，因此所分配的任务可以得到有效执行，同时处理意外发生在车间的变化。此外，为支持体系结构数据模型是解决基于STEP - NC的数据模型或ISO14649。产品规格数据库和运作情况以及实施问题提供。该框架介绍可作为一个为STEP标准的数控范例。 关键词：自主加工控制; Holonic制造系统，智能数控;国际标准组织14649;步兼容数控; STEP - NC 1.简介 随着对工业机械，电脑数值大脑控制（CNC）是在现代制造业的核心要素 系统。数控技术是非常复杂，需要技术来自不同领域。尽管是一项伟大的技术 成就，当代数控仍然需要进一步改进克服它的缺点： 1）这是一个没有智力的执行机制。 2）它采用了低层次的语言，即所谓的并购G代码（异6983）作为输入。 3）它的架构是特定于供应商和黑盒风格未经允许用户访问专用。 因此，下一代数控要求： 1）若要使用无缝一个高层次的编程语言集成的CAD - CAM的数控链。 2）要多功能，智能化和自主。 3）有一个软件为基础的开放式架构实现技术。 这些要求应包括在下一代数控。 一个新的和全面的数据模型编程形式化语言的ISO 14649由国际标准化组织正在制定 训练班184 SC1的WG7 1。国际标准组织14649描述一个接口与CAM和CNC支持computergenerated直接使用基于STEP（异10303），可生成基于产品数据交换和工件的数控化数据模型控制器。它目前在存款保险计划，投票版本，与它的最终版本将在不久的将来完成。经建成后将是一个新的数控语言取代国际标准组织6983。 STEP - NC的是一对ISO 14649的缩写，是延长形成新的数控，可以开展各种智能化基于ISO 14649的功能2。智能控制，然而，新的数据模型必须更新3。几种计划已经被提出了数控架构。该holonic数值控制器（HNC的）4,5的基础上范式一Holonic制造系统（HMS）的（HMSFPD 1995 6-8，其中数控holons特点是自主性与合作。真数控9是一个全面的数控系统与CAD，CAPP系统，计算机辅助制造，数控，监督和检查功能。 Brouer和Weck 10中描述的基本一个自治生产单元的概念，特别着重它的编程接口。建筑工业的数控方面是有关实施方法。大多数碳奈米尖锥发展到目前是“封闭”的架构，不容许 用户访问的任何修改的内部功能。 发展一个“开放”网通架构一直是一主要关注的问题为厂商和用户数控中期以来，20世纪80年代，但直到90年代初，少数商业产品被调查的一些领导人在CNC 产业。刘11强调了开放式结构的要求实现敏捷生产和自主CNC控制。 然而，几乎高效开放式数控仍在 发展与不同的建筑计划，例如OSACA在欧洲，美国OMAC，并在日本的OSEC 12。本文的目的是产生一个概念框架 智能数控在以下方面： 1）从需求的角度分析 2）功能架构，以满足要求， 3）支持数据模型的架构， 4）的业务情况， 5）执行问题。 2 需求分析 在设计的智能数控细节，各个方面应考虑。在车间的角度是定义的控制功能（functionlevel）的方针。同样重要的是数据接口和信息为了支持内容控制功能（数据接口级），以及最后，implementational方面（执行层）。每个级别的要求概括为以下。 2.1 功能级要求 函数级要求有关的活动的数控成功地开展赋予它的使命。主要功能是控制机床，使所需的准确的形状是由生产加工操作。要智能化，以及如何实现这一目标的一个车间环境是这里的主要问题。要考虑的因素情报包括自治，人际交往，改变/故障恢复，质量控制，资源管理，高速加工和学习。 自治。该组织的智能软件组件 CNC控制器应能自主操作无其活动被指定的经营者。最小化人的决定和互动。在一个案件时，人的干预是必要的，它应该保持在最低限度，并要处理的任务由一人以及受数控控制器应明确区分。更改/故障恢复。控制系统应能处理意想不到的变化，在/故障发生加工过程。质量控制。为了尽量减少之间的几何误差部分设计和加工的一部分，在机测量（船上监测手册）的一部分，适当的诊断是必需的。自适应控制。为了获得最佳的机械加工，切削条件应自适应控制（而不是让恒值）。资源管理。机械加工中的所有涉及的资源 过程应该是管理和控制。高速加工。该智能控制器应支持高速加工无贸易的表面质量关恶化。学习。控制系统应能取得加工专有技术和知识纳入其基地的控制系统的提高。 2.2数据接口级要求 这一数据接口水平与数据接口CAM和CNC之间，计划内和数据处理数控。这个级别，对于克服的缺点的关键作为输入使用传统的G代码，并处理有限的数据传统数控操作能力。一个CAD数据接口与标准架构，互联网接口，工艺设计，刀具路径生成，虚拟加工要提供。与CAD数据的直接接口。要使用的几何意义，这通常是在CAD - CAM的数控链丢失，数控应有一个直接的CAD数据接口的能力。使用标准的数据。有迹象表明，国际标准可应用于制造领域的这一如ISO，10303产品模型数据的代表性和ISO 13399 代表小刀具。这些应该反映在数据CAM和CNC之间的接口。互联网接口。控制软件应提供一个互联网接口方式运行和监测在通过互联网远程站点机床。无缝数据接口。通常，一个零件程序的改变车间，是由在CAD / CAM系统的不同。为了避免这种情况，为双向传输机制CAM和CNC之间的数据是必需的。纳入规划的过程和刀具路径生成。智能控制，数控应该能够产生基于刀具路径规划信息的过程。基于特征的输入。要生成刀具路径自主，到数控控制器的输入应该是一个基于特征工件的描述。 虚拟加工。在执行任务的实际加工，数控操作应该能够提前使任何可能出现的错误被发现吗，实现2.3级要求实现级要求关注 拓扑结构和软件模块的关系与实施方法。所采用的方法由OSACA，OMAC，并应考虑的OSEC。OSACA，OMAC，并代表财团的OSEC是有一直从事开发开放式结构数控控制器在欧洲，美国和日本分别。 Softwarebased数控系统，开放和模块化的架构，用户可配置结构是这里的主要问题。 基于软件的数控。最根本的要求是所有的数控模块应实施的纯粹软件在最广泛使用的操作系统内在PC平台。接口板应该是唯一的硬件媒体之间的数控和硬件（驱动，电机，机床）。开放式和模块化结构。数控应该是开放架构，使用户能够访问内部功能数控任何修改。为了工作在plugand - ，它应该发展具有模块化结构。 3 功能架构 在数控基本架构组成： 1）人机界面（HMI）。 2）控制功能。 3）数据处理在数控。 这个拥有智能数控如此。在体系结构 主办，用户需求基本得到落实架构在一个扩展的时尚。如图所示。 1.它的组成： 1）的SFP /太平集团（车间编程/刀具路径生成）模块，可扩展的HMI全面覆盖 部分编程和刀具路径生成基于STEP - NC的数据模型，反映了数据接口层要求， 2）控制模块包括各种智能控制功能，反映功能级别的要求， 3）通用数据库模块提供了全面的数据的SFP / TPG和控制模块。 3.1 控制模块 控制模块的功能数控反映级别的要求由麦决定基于特征的holonic范式，荷兰国际集团，执行和监测该控制模块，决策设备，执行器，NCK的/可编程控制器，监控，应急处理程序，涉及内部管理的数控任务，和Communicator 在任务间管理（见图1。）。此外，模块支持非加工功能，如安装管理器，督察和学习者都包括在控制模块。安装管理器。这支持了部分设置操作。一旦部分是装在机器上，它找到基准位置探针移动触摸工件和夹具的使用几何信息。 决策者。这个时间表的任务，选择下一个任务，从各种备选方案的规划出一个非线性的过程。非线性工艺计划包括可供选择的工艺方案，它可以由一个与或类型图是稍后解释。的关键决定之一，就是分配计划任务之间的优先次序和新调用 任务紧急处理程序和督察。执行人。这种转换成命令的任务和传递他们NCK的/ PLC的。如果任务的一种加工操作，从工具检索路径数据库路径相应的工具 并把它传递到NCK的/ PLC的。如果任务是工具的变化，刀库中找到的工具，并把它传递给NCK的/ PLC的。由NCK的执行人保持/ PLC的执行的命令轨道 自适应控制。NCK的/ PLC的。 NCK的解释和刀具路径命令通过激活执行机制加以伺服和PLC执行如换刀和工件机械命令，装载/卸载。自由曲面加工，NCK的NURBS插补是能够在其中准确和高速加工可以进行与减少的数据。 图1 一种智能数控的功能结构 4 监视器 整个加工状态，持续监控从传感器来捕捉信号的信息。刀具监控检测是至关重要的和紧急的任务。结果被发送的紧急处理程序和/或相应的决策者。 应急处理程序。在紧急情况下，这是监测情况并提出报告，监视器，紧急处理程序作出诊断，并决定该怎么办才好。结果发送到决策者的最终决策和调度。 例如，在刀具破损的情况下，紧急处理缩回工具，并检查替代工具 可在通过机刀库资源（DB）的。如果有可用的操作恢复了与替代工具，否则它向决策者和等待最后的决定。应急处理程序可以想到作为决策者亚型，专门从事处理紧急事件。 督察在加工和后处理进行检查自动退出的督察。在这两种情况下，检验是通过船上监测手册（上machinemeasurement）在机床。检查员生成的刀具路径接触式探针，并存储到数据库数据的检验。任何部分之间的设计和加工的几何误差 通过比较发现部分的检查数据库中的数据与DB的加工特征。 学习者在加工过程中捕获的信息进行分析由专家算法，并储存在加工知识 数据库。 传播者传播者，负责的相互作用与外部单位，如CAD / CAM系统，车间控制系统，以及人为操作： 1）当由CAD / CAM系统的要求，数控发送 在目前的数控程序数据库的一部分。 2）当由车间控制系统的要求，它的报告目前的状态，包括加工的进展，问题发生在加工。 3）当某个操作的执行是不可能的由于意想不到的问题它会发出警报操作员注意。 3.2 SFP/TPG 模块 SFP / TPG的模块反映数据接口级要求数控。的SFP / TPG的模块集成的CAM功能到车间编程系统的基础上在STEP - NC的数据模型。它包括输入管理器，进程规划师，刀具路径生成器和模拟器。 输入管理输入的经理的角色是CAD数据接口和加工特征识别。它转译标准的CAD数据（STEP，AP203）到内置的几何建模内核的数据，加工特征识别，并特征属性的提取加工需要。输出 存储在数据库的加工特征。 工艺师它决定处理顺序，运作，固定装置，调校，并要求机器切割工具的功能。处理顺序是由一个非线性过程的计划，让决策者可以选择一时间在适当的执行计划。最佳切削参数，加工策略和操作的工具确定使用的加工知识数据库。对于这一点，以知识为基础的工艺设计系统是必需的。输出存储在加工过程中的DB。 刀具路径生成器它同时生成加工刀具路径和测量。它可以生成一个完整的路径，包括方法，离开，而加工之间的连接路径或测量路径。生成的刀具路径存储在刀具路径分贝，这是由NCK的/ PLC的访问。随着NCK的/ PLC是可以理解的NURBS曲线直接，刀具路径发生器不段的一个自由曲面刀具路径曲线成线/弧。 模拟器。实际加工之前，需要进行一切削模拟来验证给定的刀具路径，并检测 任何可能的错误。该模拟器发现削弱或欺骗性仿真及切削刀具干涉。除了刀具路径中的错误检测，计算出最佳的进给速度使用过程中所需的固体材料去除率 切削模拟。输出存储在刀具路径DB和加工过程的DB。 3.3 通用数据库模块 常见的数据库模块是数据仓库是生成，更新，并通过控制模块和检索的SFP / TPG的模块。加工特征数据库，加工工艺DB中，刀具路径DB和DB的检验短期数据库和机加工知识资源数据库和DB的长期数据库。论零件加工完成后， 短期数据库中清除。 加工特征数据库它存储的信息加工特征所产生的输入管理。存储的数据是基于特征输入的流程规划。 机资源数据库机上配置此存储数据，可用的工具，刀库，/装置和传感器的夹具。它是由经营者或更新的决策者。 加工工艺数据库这个商店的非线性工艺计划 所产生的流程规划。加工过程是一个描述加工特征和加工操作，包括加工策略，切削条件和工具。 加工知识数据库此店长期加工知识是由策划者和执行过程中使用在与专家系统的协作。这是更新的学习者。 刀具路径的数据库它存储工具，刀具路径生成路径发电机。它是由NCK的访问/ PLC和模拟器。 检查数据库。它存储的检查和刀具路径检查结果产生的督察。 4 数据模型的智能数控 要实现智能数控，各种技术应待开发。其中，数据模型是关键。一传统的数据模型的主要指定由MG代码机床（异6983）轴运动不能提供所需信息的智能数控。对于这样一为此，一个新的数据模型作为ISO 14649正式应被使用。国际标准组织14649通常被称为STEP - NC的正在开发按ISO 184 SC1的比赛，是目前作为DISballot可用版本。虽然它的细节可能是改变不大，其 结构将保持不变。国际标准组织14649是一个用于表示结构化数据模型工艺规划和数控加工策略的执行 在步骤（异10303）范例。如图所示。 2，它包含综合信息，包括进程（workingstep）序列，制造特征，加工操作，加工策略，刀具几何形状。这些都可以有效地应用在对STEP标准的数控基本类型，智能控制，下面的数据模型，应提供3。 4.1数据模型的非线性工艺规划 通常情况下，工艺方案是给一个线性顺序传统的数控。一个进程计划以这种方式给予不数控提供所需的灵活空间。假设数万人的洞，被加工。这将是更好地宣布，他们应该在一个无序序列加工时尚，而不是指定一个固定的序列线性方式。为配合在车间意想不到的变化和/或优化工艺序列的非线性工艺规划（NLP）的包括替代方案应考虑到CNC，使最合适的人可以选择由CNC。对于这样的一个目的，一类非线性过程的数据模型是必需的计划 智能控制。 在建筑学院院长（图1），一个非线性过程计划中所形成的SFP /省府模块流程规划并使用的决策者选择下一个任务的基础在选择算法。一个非线性过程计划可以代表了一个图，其中一个节点代表的加工进程和边缘之间的关系代表 节点。可以有七种类型执行的关系在自然语言处理： 1）顺序：由一序列的执行。 2）有条件的选择：二进制根据给定的选择条件。 3）迭代：重复执行。 4）并发：所有加工工序都在同一时间开始。 5）无序序列：所有的加工过程都必须不论执行顺序。 6）选择性的：只有一个执行在几个加工流程。 7）并行：所有加工过程并不需要同时启动。 一个载有上述数据模型中给出图。格A1于附录。图3（c）给出了一个非线性的例子工艺方案的一个部分与或图表示图中给出。图3（a）条。图3（b）是一个过程表描述术语定义在ISO 14649。这个过程的顺序图（图3（c）包括共包括42个序列1，3，4，8，2，7和1，2，5，6，7，3，4。 4.2其他数据模型的智能控制 夹紧装置的几何信息。要检查刀具干涉与其他结构实体夹紧装置等。同样，要避免碰撞带有夹紧刀具，几何信息钳应提供的智能数控控制器。该刀具路径生成器，模拟器，安装管理器，并检查模块使用此信息来生成一个错误自由路径 为刀具和接触式探针。此模式是图中给出。 A2的。数据模型自动设置。自动设置方法智能控制是必需的。随着几何工件的自动部分的议案的说明 设置是必需的。有关的数据，自动设定为工件的几何形状，资料索引表上wokpiece被计算。这是必需的设置经理。图A3显示了此一模式。数据模型在机测量（船上监测手册）。视察加工零件的几何精度船上监测手册是必要的。 检查应被视为workingstep。根据 在被检查的时间，它可以是在网上或postline过程。为目标区域的数据模型进行视察是必要的。这是必需的A4检查模块。一此模式如图所示。 A4纸。 数据模型的刀具监控。要监察 图。 3。该计划的非线性过程的概念。 （一）部分为加工。（二）进程表。 它应反映 （三）过程的顺序图。 状态（磨损和断裂）的切削工具。监测方法，包括监测目标（如破损，磨损），传感器类型使用（如切削力传感器，饲料力传感器，主轴电机传感器，接近传感器，声发射传感器）（例如：13），以及检测算法。这是必需的监控模块。这个模式是在图所示。 A5的。 数据模型的自适应控制。这是必需的最佳可以通过加工变切削条件下实现 （而不是固定值）。正如刀具监控，数据自适应控制模型应反映自适应控制 方法包括控制目标（如进给速度或主轴转速），传感器类型使用（如14）。这 需要执行人模块。此模式是如图所示。 A6的。 5 业务方案 假设，所提出的智能数控和数据模型（异14649）的开发，给出了一个行动方案说明它是如何工作。根据不同的复杂程度，不同的情况可以得到发展。以下现实的情况是基于交互操作（而不是全自动）。该方案分为两部分： 1。该器件的编程阶段， 2。该数控操作阶段。 5.1编程与SFP部分 该器件编程器（用户）的设计的一部分（例如图。3（一），以被加工的CAD系统中的一个支持一个工件美联社203数据模型（图4）。然后，用户进入商店地板编程（SFP）的系统，无论是离线安装CAM系统（外部的SFP）或数控系统（内置的SFP）。在的SFP系统中，要求用户指定的AP 203 文件管理器模块的输入。然后，输入管理承认，在加工的特点，并将它们存储 加工特征数据库。对于每一个加工特征，这个过程计划中指定的流程规划模块在以下方面 workingstep包括加工经营与策略规划 连同切削刀具和切削条件中指定 模块的流程规划。 考虑到加工特征的形状，用户 提供了一个图形替代workingsteps序列， 如图所示。 3（c）项。当被要求输入的切削条件， 用户指定的参考值，并使用自适应控制 模式。但是，用户没有指定路径的工具 图4与规划方案的SFP系统的一部分。 每个智能数控workingstep将这样做。此外，用户指定的流程顺序检查任务 图。然而，由于切割工具，在工具可用杂志，以及监测和自适应控制计划鉴于以前的机器资源和加工区议会的知识，它们没有被指定。一旦输入给出 由用户的SFP可以自动生成零件程序在ISO 14649格式。但是，如果内置的SFP，则此没有必要，因为所有的输入信息存储在数控块。 5.2数控操作阶段 如果零件程序由外部提供，它是下载到数控通过互联网或民主党全国行。然后，数控翻译和在适当的数据块存储的信息内容。如果部分方案是建立在数控的SFP准备，这一步是没有必要（图5）。数控生成的刀具路径刀具和接触式探针（由刀具路径生成器），可图形显示的模拟器。在计算刀具路径将被用来作为参考，在机械加工刀具路径运作。请注意，可能会生成刀具路径中加工操作。为了减轻计算负担，前者是更可取。加载后的工件，操作启动按循环启动按钮。该操作是通过寻找使用由基准位置自动设置触摸探头（经理）。然后，根据过程的序列图 （代表非线性工艺规划），决策者确定下workingstep被执行。如果所有的资源（如切削工具）可指定（或者在刀库），它的命令的执行者来执行workingstep。 然后，执行人访问刀具路径DB和 为NCK的转换成/ PLC的命令，并调用自适应控制机制，以变切削条件。这个操作是由监视器连续监测。当刀具破损检测，它停止运作并调用应急处理机制，其次是汇报给决策者。如果决策者检查 替代切削工具（刀具尺寸可以是不同的，从破碎的工具）在刀库可（通过机 资源数据库）。如果有的话，它的订单刀具路径生成器生成一个新的替代工具，刀具路径取出的剩余量。否则，它向沟通的workingstep是inexecutable。然后， 沟通警告人类操作提供一个新的切削工具。与此同时，决策者试图找到另一种基于序列的非线性过程的计划。如果找到一个，它决定了未来workingstep，并通知刀具路径生成器。该刀具路径生成器，检查有效的刀具路径（在刀具路径基），工作的一步，如果需要可能会产生新的。当检查workingstep是必需的，该决定 制造商订单督察调用必要的行动：测量目标区，存放在实测数据检查数据库。然后，它通过比较计算几何误差与加工，特色数据库的测量数据。如果是出公差，它向决策者认为remachining 是必需的。然后，一个是为remachining新workingstep 包括由决策者。当一个workingstep完成后，决策者更新过程序列图（加工工艺数据库），国家机器资源（机资源数据库）和加工知识数据库的基础上在操作过程中产生的结果。接着，下一个workingstep被确定。这个过程重复一遍又一遍直到所有的workingsteps完成。在任何时候所要求的车间控制系统（或者的CAD / CAM系统），决策者的沟通发送订单对当前执行现况和进展（目前部分方案）对区议会的内容为基础。 6. 结束语 在本文中，一个用于智能数控的概念框架提出在一个功能结构方面。它是基于 一车间控制系统的角度来看，和要求分析三个层次： 1）功能级别。 2）数据接口的水平。 3）实现级。 该架构的组成如下： 1）的SFP / TPG的模块。 2）控制模块。 3）通用数据库模块。 我们建议的STEP - NC数据模型应该用于发展这样的模块。此外，对于智能的目的控制，我们指出了STEP - NC数据模型必须 加入了更新数据模型的非线性过程计划。假设这些数据模型的情况下，一项业务情况进行了说明如何提出数控工程。通过该方案，它表明，数控程序的处理能力执行分配的任务，而智能处理 干扰自主。该框架提出了可用来作为一个STEP标准的数控范例。提出的数控可在PC上实现的，纯粹的通过软件与硬件接口通过一个接口板。根据不同的模块，用于实时程度的要求操作各不相同。在一般情况下，控制模块处理随着时间的关键任务，但非实时的操作可能会可以接受的SFP / TPG的模块。它可能需要双处理器模块实施的两个群体。即使在这种情况下，计算量，应考虑到 考虑在开发模块的算法。简单和强大的算法将是实施的关键因素。 目前，我们正在开发一种智能数控称为ASNC（自治区步兼容网通）的基础上方案提出。更多细节将在未来得到文件。 致谢 这项研究是由国家拨款支持的部分研究实验室为STEP - NC的技术通过科技部 （科技部科技）在韩国，并给予（第1999-2-315-002-3）为跨学科研究计划对KOSEF（韩国科学与工程基金会）。 参考文献 1.国际标准组织TC184/SC1/WG7，在“ISO 14649：数据的计算机模型数值控制器“（存保选票版），2000。 2. 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