外文翻譯--數控機床更加開放可互操作和智能技術

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數控機床更加開放，可互操作的，智能的技術評論 摘要 新一代的計算機數控（ 器的目的是可移植的，可互操作的，適應能力強。 近年， 983）已廣泛應用于部分編程的數控機床， 但在 開發(fā)新一代的數控機床 上也 被認為是一個瓶頸 。 一個叫 新標準正在作為一種新型數控機床的數據模型而發(fā)展起來。數據模型是一個通用的標準，專門針對智能化的數控制造工作站， 來實現 一個標準 制器和 碼生成工具的目標。它被認為是 一個 實現 數控機床更加開放的， 更強 適應性的基礎架構。本文概述了 未來主義觀點來支持通過全球網絡的自主制造工作站進行的可互操作的分布式 容數據的解釋，部分智能程序的生成，診斷和維護，監(jiān)測和作業(yè)生產調度的智能制造 。 2005 年，愛思唯爾 1. 介紹 從一開始在 19世紀的工藝生產 到 20世紀初 所開拓 的大規(guī)模生產 中 已經出現了制造系統中一些革命性的配置變化。最被認可的傳統配置制造系統是專用的傳輸（機 器 ）線， 它們 使大規(guī)模生產 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 年代生產發(fā)展中需要 的 應用范圍更廣的零部件的要求， ―靈活 ‖生產 得以發(fā)展來 滿足這些需求較小的批次不同的生產部分。這些系統使用 幾組計算機數控 （ 器 來重新編程使不同部分與自動傳送系統和存儲系統結合。 這些 床在系統中 成為核心要點 ，例如在 靈活的傳輸線 上 ，柔性制造系統（ 中和 柔性制造單元（ 中 。 然而，這些系統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是必要的 。在可互操作，開放的制造系統的設計和操作過程中有必要區(qū)分系統上的問題，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于機床的控制問題。目的在于為模塊化和開放式體系結構控制提供可行的數控技術。 在任何制造系統中，數控機床都是 其主 要成分 。需求和新的機遇賦予數控機床急需的功能，例如，互操作性，適應性，靈活性和可重構性。 為此，有兩個主要問題需要解決，即產品數據的兼容性 /互操作性和數控機床適應性 。 至目前為止，很少有研究在這一領域開展，但由于 被 稱為 新的 據模型的發(fā)展，出現了一股研究活動在設法解決上述的問題。本文報道了這些研究活動，并試圖解決數控機床的互操作性和適應性的問題。 目前的 術的障礙 今天的數控機床設計 在 如多軸控制，誤差補償和多工藝制造（例如，聯合車 /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越來越困難 而且 機床本身 也 較難適應。 為 緩解這一問題已經 付出了一些努力 ，特別是開放式體系結構控制的趨勢方面 ，基于 ]和開放式模塊化結構控制器（ [6]，第三方軟件可用于在控制器內工作 于 標準的 作系統 下 。對于軟件控制器的應用是一個公認的未來產業(yè)發(fā)展方向， 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控系統的體系結構， 但 供應商和用戶仍在尋求一個共同的語言，它集成了 個階段的知識轉換不會丟失信息。雖然有很多的輔助工具支持 造， 但 從系統到系統的適應性和互操作性問題，仍然被看作是限制更廣泛地使用這些工具的關鍵問題之一。 品數據的兼容性和互操作性 數控機床完成產品的設計和制造生命周期，往往不 在于 他們 必須與 上游子系統 進行 溝 通，如 初始圖形交換規(guī)范（ 中立數據交換協議的情況下就會使用，在合成的 統之間會發(fā)生信息交換。然而，這只有部分成功，因為這些協議主要是為了交換幾何信息 但 不完全適用于所有的 此，國際社會制定的 ]設置標準， 稱為 我們所熟知 。 通過實施 ]和 ]在計算機輔助設計（ 統中，數據交換 的屏障 被除去。然而， 統之間 的數據交換問題仍未得到解決。統設計精確地描述 了 一部分的幾何形狀，而 統根據目前的 型和車間現有的資源上的幾何信息 來 使用計算機系統生成計劃和控制制造業(yè)務。最終結果是， 有統一為一個統的輸入數據。在 統的輸出方面，一個 50 年歷史的國際標準 983（稱為 [10]仍占據大多數數控機床控制系統的主導地位。 983 已經過時，但仍然被廣泛使用， 983 只支持單向的信息流從設計到制造的。 據不利用在機床上。相反，他們所處理的后處理器只得到了一組低層次的，不完整的數據，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計師。因此，在車間的寶貴經驗不能被保存和再利用。 靈活的 制制度 983 標準側重于編程的機軸，刀具中心位置（ 部分，而不是加工任務的路徑。因此， 983 定義程序語句的語法，但在大多數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 統的機器經過特定的處 理器加工后，變的依賴于機器。為了提高數控機床的能力， 制器供應商還開發(fā)了自己定制的控制命令集，以增加更多的功能到他們的 制器上，擴展 983。這些命令由于不同的供應商之間的差異，將進一步造成機床之間數據的不兼容。 目前不靈活的的 制制度意味著從 統的輸出具有不適應性，這反過來又否認有任何互操作性的數控機床。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。數控機床，不管他們的能力，能做的只是 ―忠實地 ‖遵循 是不可能執(zhí)行智能控制或加工優(yōu) 化 的 。 3. 準 今天，一個正在被 應商，用戶和全球范圍內的學術機構開發(fā)的新的標準 4649[11非正式的確認了，這將給一種新的智能 供一個數據模型。數據模型是一個專門針對 程的通用標準，這使得一個標準的 制器和 碼生成工具的目標得以實現。目前正在開發(fā)兩個版本的 先是應用參考模型（ 即4649）和其他應用程序的解釋模型（ 4649（即 0303 17]）。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 程標準（ 983）， 4649 不是部分編程的方法，通常不會說明數控機床的刀具移動。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，結構化的接口提供給數控設備一個面向對象的數據模型。雖然它能近似的定義為機床刀具使用 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 制器能生成這些命令。它的宗旨是讓 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，數控機床和控制程序的適應性和可互操作性就能得以實現了。 圖 明幾何和加工信息，現在可以在 統和 制器之間雙向傳送 [20]。一個關鍵的問題是刀具路徑的運動信息是可選的，理想情況下應該由制器在機器上生成。 被定義為加工功能（類似的 2]）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 出了 一個實際的數據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 能控制器導入和導出所傳送的（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據接口（ 統使數控運營商在一個工步水平（即加工操作）進行交互。使用 好處如下 [23]。 · 供了一個完整的，結構化的數據模型，幾何和技術的信息聯系起來，這樣 在 產品開發(fā)過程的不同階段不會丟失任何信息。 · 它的數據元素足夠來形容任務導向型的 據 。 · 數據模型在進一步的技術和擴展性（一致性等級）上是可發(fā)展的，來匹配特定的 者 能力。 · 可以大大減少中小型工作任務的加工時間，因為 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性因為 從機床供應商中獨立的。 · 在車間的改造可以保存并反饋給設計部門，因此可以實現雙向信息 在 數控機床 之間的傳輸 。 · 件可以作為一個信息載體，從而基于 行 分布式制造。 價值主張有詳細的討論在 24]和其他出版物 [20,23,25]中 可以找到。 1. 雙向信息流 [21]. 理文件 示例 [20]. 4. 加開放和可互操作的機床 相關的 研究工作有四種類型：（ 1）傳統的 制使用 2）啟用新的 控制 ； （ 3） 智能控制 ； （ 4）啟用協作 加工。從1 型到 4 型，適應性程度是遞增的。應 當注意 的是 ， 已形成用于較完整的產品信息的通用數據模型。其深遠的影響在于一個完全整合的 造產業(yè)鏈所需的互操作性和適應性。由于本文的討論范圍有限， 只有 直接 關系到支持 研究工作 才 進行了討論 。 統的 制使用 種類型的研究，標志著 相關研究的努力。其主要目的是要回答兩個問題：“ 件包含足夠的數控加工，并提供充足的信息嗎？ '，如果是，”一個傳統的數控機床上 能使用而無需改變該系統的硬件嗎？ '。主要研究對“翻譯”的發(fā)展，可以在 件中讀取，并將其轉換為 G 代碼格式，有針對性的數控機床可以執(zhí)行。在許多 統中，翻譯是有點類似的“后處理器”。唯一不同的是，現在的 統在一定意義上， 準的信息可以用來全線實現互操作。此外，設計信息，可以嵌入在 件中提供的數控系統。此方案說明了有堅實基礎的傳統制造業(yè)能啟用 在三個階段的超級模型項目的前兩個階段 的工作進入到了這種類型的工作。在第一階段，包括 件和各種第三方軟件開發(fā)了一系列的軟件工具（ 1]）。 件 譯的示范部分在 式下可以讀取。然后使用 件的圖形界面編程，直觀地驗證其切割部分的渲染能力 [32]。在第二階段， 件被 件 轉接器插頭讀取使用，由 司開發(fā)。 于軟件的 [33]改造成在 使用 件中指定的工具和操作參數， 配器創(chuàng)建的 件工具，過程，幾何元素和執(zhí)行 件的功能來生成相應的 工特征的刀具路徑。再一次，切割部分在呈現視覺驗證之前處理數據來生成現有的 G 代碼輸出。這項工作已經證明 完全自動化 工和刀具路徑生成的能力。它也顯著減少在 控編程所需的時間達 85％ [32]。 最近，在加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進 實驗室（ 2003 年 1 月， 設計數據功能轉換成 能（即 本的 使用 據。 數據在 件，然后到了法道 五軸加工中心。 2003 年 6 月在 接口與其他 5 軸機床進行了類似的設置。 的 控制 與一些流行的 制器或開放式模塊化結構控制器密切合作 [6]，在世界各地的幾個研究小組已經能夠處理 部信息的 制器。隨著發(fā)展這是可以做到，而且能集成 釋器，控制器，可以忠實地執(zhí)行 4649 中規(guī)定的加工任務。 美國超級模型項目的第三階段工作可以看到， 件集成了 床。供的數據文件，所有的生產信息，讓 件生成了刀具路徑數據。這些數據隨后被發(fā)送到臥式加工中心，然后發(fā)送到所謂的“行程的進程間通信”，而不是傳統的示出比通常通過 983 實現更高級別的 體化。 在歐盟開展的工作大部分屬于這一類的研 究。主要重點一直是發(fā)展 能的采用西門子 840D 控制器的 制系統 [34]。這使得 理文件與控制器直接集成，在 容的 統版本采用可視化的加工特征和相關的加工步驟。同時進行編程的開發(fā)，和這項工作一起在 國亞琛大學進行，結合 間編程系統， 容的編程系統和 坊式面向對象編程）。在歐洲 統的商業(yè)應用已經由沃爾沃和戴姆勒 - 克萊斯勒公司實現 [34,15]說明 品和出口的標準納入 西門子 840D 控制器的輸出能力。 除了 床的發(fā)展，技術也已延伸到數控車削加工。 件模塊的原型已開發(fā)出 圖加特，與西門子 840 控制在勃林格 床工作 [34]， 幾何形狀和加工功能，定義加工策略和技術，并生成 出。 西門子控制器接收到這個輸出，并把它轉換成西門子 系統通過 進口設備。 智能控制 進行智能控制數控機 床的夢想從來沒有得到真正的實現。主要原因是，輸入到數控機床可用的信息（ 太低級的信息，只有最小量的優(yōu)化工作可以實時或接近實時進行。論是設計還是工藝信息都是提供給數控機床。對數控機床，或它們的控制器來說，進行高層次的智能活動，如部分設置自動化，自動化和優(yōu)化刀具路徑生成精確的加工狀態(tài)和結果反饋 ;完整的防撞檢查（考慮到夾具和進程中的幾何體），最佳工步序列 ;自適應控制和上機檢測這是可能的。 研究人員在 家研究實驗室 技）在韓國 經開發(fā)出一種基于 特征的 主控制基于開放架構的虛擬制造系統 [35? 37]。 4649的部分程序的信息通過一個解釋器被轉換成內部數據格式，即形式“過程序列格拉夫過程順序（ 。解釋器轉換物理文件，在“任務描述”成 形式，如幾何，技術和工具的信息描述。 示非線性的加工步驟序列中描述的加工特性的加工操作使用“與 關系（表 1 和圖 3）。上述的 器件可用多種方式加工，使數控靈活的，最佳的，智能的和自主的執(zhí)行。非直線過程序列模式符合 治系統。為準備執(zhí)行的序，刀具路徑的發(fā)電機（ 刀具路徑模擬器（ 數控軟件 經開發(fā)出來了 [35]。 數據能轉換到機床運動模型，并能夠進行 值，先行控制，位置 /速度插值 例，積分，微分）控制。它通過 I / 動器和電機）連接。 37]. 制造系統實驗室，奧克蘭大學已經開發(fā)的 準的數控機床，展示了 38]。這項研究工作由兩部分組成：改造現有的數控機床和發(fā)展 合換器。 運動控制系統 [39]是用來取代現有的 制器，該控制器是可編程的，使用自己的運動控制語言 運動控制語言，能夠通過如 ++和 言的接口與其他 序連接。 換器可以理解和處理 碼，并通過人機界面與 制器連接。它使用的 信息，如工作計劃，工步，加工策略，加工功能和切割工具，是目前在 一個文件。 同 加工 可以說， 加工，最終目標是支持基于 分布式協同制造（圖 4），一個“設計任何地方 /建造任何地方 '的場景。作為一個 序可以從一個特定的機床的制造業(yè)信息（怎么做）區(qū)分“通用”制造業(yè)信息（做什么）是有可能的。因此，一個通用的 序可以做成獨立于機器的，有優(yōu)勢超過傳統的機床，基于 G 代碼的 序，它總是產生一個特定的數控機床。對于這種類型的 序上實現本機的數控系統，本機生產知識必須輸入。為了實現這一功能，本機 繪系統的所謂的“ 原生配器”已經開發(fā) [40]。該適配器內置有三個部分：本機數控系統的知識數據庫，翻譯和人機界面。本機數控系統的知識數據庫中有一個專用的數據結構，使發(fā)展中的翻譯工作由簡單和連貫的 程組件在整個企業(yè)啟用。 最近，有使用 者更確切地說， 0303 第 28 部分）來代替明確的語言（或0303 第 21 部分 [41]）表示 息的一種趨勢。這樣做的原因是顯而易見的。處理能力，可以輕松地支持電子制造業(yè)的情況。數控機床可以通過 部門以及公司內外共享信息。 進控制和儀器儀表工程技術研究中心）在韓國首爾國立大學 [42? 44]一直致力于開發(fā)支持 據模型的銑削。它可以搜索，提取和存儲工具中生成式的路徑。銑床用于測試系統包含四個模塊（圖 5）： 據輸入模塊，翻譯，刀具路徑生成器和運動控制卡。 據輸入模塊和翻譯器讓 件生成 序，而另外兩個生成并執(zhí)行本機 工計劃。 奧克蘭大學的一個符合 統的框架已經開發(fā) [29,30]。該系統采用三層的，基于 網絡體系結構（圖 6）。在客戶端層有一組應用程序和網絡瀏覽器，使用戶和系統之間相互作用。這個過程打算像 準中描述的，是用來輸入到數控系統中的。更高級別的信息，例如加工的功能，加工步驟和工作計劃用于構成的處理計劃替代按定的低層次信息。數據庫結構已經提出用于通用和本機制造信息，而 用來表示 這些數據庫中的信息。 分布式的 饋 工 [20]. 床 [42]. 一個 準的 協作的生產模式 . 5. 便攜式 具路徑 在二零零五年二月三日， 團在美國的佛羅里達州的奧蘭多，主持了 論壇。示范的主要目的有兩方面：（一）演示了如何 信息可以支持便攜式五軸加工中心的加工及（二） 具路徑的描述能力是否可用于簡化現有的 統和加工中心之間的數據流動。 本的 合第 1 類）獨立于機器的刀具路徑 [17]，用于示范。該組件測試是 5 軸 鉆石 /平方米的一部分與 倒錐測試中心（圖 7） [45]。 這個商業(yè)企劃和行業(yè)的主要參與者是波音公司的制造工廠。像其他廠一樣，波音公司在最多的五軸加工中心以 G 代碼的格式收到機器控制數據（ G 代碼定義各軸的運動需要來制造工件的一部分。這種直接的編程模型是指方向軸當同步軸走，并且都是與一個特定的道具的長度有關的。這些 劃的問題是，他們既不便攜，也不具有適應能力。因為缺乏可移植性，所以出現了一個問題，因為獨特的軸位置數據，必須對每一臺機器控制的要運行的部分產生組合（組合零件，工具和機 器配置）。 案適應性不強，沒有信息提供給本機，以幫助它適應加工動態(tài)實時變化（進給速度）或機床校準（工具和磨損補償）。 通過比較，道具中心編程（ 義程序幾何作為刀具運動數據，而不是軸的運動數據。 一個類似機器人 6D 構成的代表。運動被定義為 3D 刀尖位置（ X， Y， Z）和 3I， J， K）。對于每個 X， Y， Z， I， J， K）， 制兩個回轉軸，刀具的位置和方向就被指定了。此外， 制器根據刀尖所在的正確位置沿刀具軸執(zhí)行刀具偏置補償。 五軸 /菱形 /平方米的部分 . 具中心編程定義程序的幾何形狀，刀具的運動數據，而不是軸移動數據。提供有關部分功能，材料，刀具和尺寸公差的豐富的，高層次的信息。在航空航天工業(yè)中，緊公差預期的規(guī)范，因此，顯然是需要 。 以提供一些直接 的準確度改善，因為每個 決定它的刀尖位置，而不是到 統生成靜態(tài)工具的路徑作為一個系列的軸位置。由于機器尺寸略有不同，即使相同的機器之間，預計精度的提高應該是顯著的。 在奧蘭多的 壇， 統（如 用來生成 件程序。這些 據的角刀動作在 置有獨立的 I， J， K 的方式，與假設的基礎機床控制器翻譯成機器 I， J， K 特定的 5 軸角配置。換器已被翻譯成 分的 件 21 文件的基礎上的 件機的加工步驟進行編碼，如 具路徑的基礎上的 是適合于不同的加工中心之間的傳輸。不同的機器上特定的轉換器已發(fā)展到翻譯的 件到一個特定于控制器的 序（圖 8）。這些轉換器將最終嵌入控制器中。要注意的是， 件現在是中性的五軸機床，五軸數控龍門，“ C”加工中心或 '' C 對 B“加工中心。它是便攜式的，因為它定義幾何形狀，在切割器的運動的數據，而不是軸移動數據程序。因為它可以占據機床上的任何配置的變化，所以它具有適應性。 通過使用 智能數控數據流 . 6. 結語 現代數控機床，雖然功能上是完好的，但缺乏適應性，可移植性和智能。這是由于這樣的事實：一個有 50 年歷史的語言 仍在這些機床上使用。用這種語言編寫的 序只在一個特定的機床執(zhí)行。他們不能被重新編譯為不同的機床的 統或 統。 100％優(yōu)化的 序會自動生成設計信息，不可能知道如何表示不同的格式和不同數據庫上的機床和材料。 以為 供一個統一的 序格式，避免了后處理而帶來一個真正的格式交換。運營商現在可以支持 完整信息中包含可以理解的幾何形狀（特征），面向任務的操作，策略和工具的定義。加工階段設計數據的可用性也允許可靠的碰撞檢測，精確的模擬和從加工階 段到設計階段的反饋。從某種意義上說，符合 標準零件程序是具有可互操作性的，他們可以適應數控機床而且有能力執(zhí)行加工任務。實施 數控機床可以有一個更加開放的，適應性強的架構，與其他生產設施更容易整合，例如工件裝卸裝置。 支持分布式制造的情況，例如通過以 太網連接在同一平臺上實現數據采集，診斷和維護，監(jiān)測和生產調度 。在 表明不同的 統可以產生一樣的，機器中性的 息。 件已經適應 不同的五軸數控機床 。 測試部分（ 一個真正的 5 軸分量 。要指出的是，只有獨立于機器的刀具路徑數據 運用于上的。例如加工功能和設計數據的信息是不考慮的。因此，只有有限的具有適應性的數控機床可以在這種情況下運行。 還有需要解決的問題和需要克服的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)來自一個 息模型的驅動器， 能的智能控制器，對必要的生產知識有把握來支持機床等級的定型，還有沒被開發(fā)的相關技術的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)與機會并存，如果能把握時間 證產生大量的利益。 參考文獻 [1] Y. to 1 (3) (2000) 403– 419. 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