外文翻譯--數(shù)控機(jī)床更加開(kāi)放可互操作和智能技術(shù).doc

數(shù)控機(jī)床更加開(kāi)放，可互操作的，智能的技術(shù)評(píng)論摘要新一代的計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）機(jī)器的目的是可移植的，可互操作的，適應(yīng)能力強(qiáng)。近年，G-代碼（ISO6983）已廣泛應(yīng)用于部分編程的數(shù)控機(jī)床，但在開(kāi)發(fā)新一代的數(shù)控機(jī)床上也被認(rèn)為是一個(gè)瓶頸。一個(gè)叫STEP-NC的新標(biāo)準(zhǔn)正在作為一種新型數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)模型而發(fā)展起來(lái)。數(shù)據(jù)模型是一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)智能化的數(shù)控制造工作站，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CNC控制器和NC代碼生成工具的目標(biāo)。它被認(rèn)為是一個(gè)實(shí)現(xiàn)STEP-NC的數(shù)控機(jī)床更加開(kāi)放的，更強(qiáng)適應(yīng)性的基礎(chǔ)架構(gòu)。本文概述了STEP-NC的未來(lái)主義觀點(diǎn)來(lái)支持通過(guò)全球網(wǎng)絡(luò)的自主制造工作站進(jìn)行的可互操作的分布式STEP兼容數(shù)據(jù)的解釋?zhuān)糠种悄艹绦虻纳?，診斷和維護(hù)，監(jiān)測(cè)和作業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的智能制造。2005年，愛(ài)思唯爾B.V.保留所有權(quán)利。1.介紹從一開(kāi)始在19世紀(jì)的工藝生產(chǎn)到20世紀(jì)初所開(kāi)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(rèn)可的傳統(tǒng)配置制造系統(tǒng)是專(zhuān)用的傳輸（機(jī)器）線(xiàn)，它們使大規(guī)模生產(chǎn)在高效率和低成本下進(jìn)行成為可能。為滿(mǎn)足20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)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(lái)滿(mǎn)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(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）機(jī)器來(lái)重新編程使不同部分與自動(dòng)傳送系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)合。這些CNC機(jī)床在系統(tǒng)中成為核心要點(diǎn)，例如在靈活的傳輸線(xiàn)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(rèn)為是被限制了的。為了讓制造企業(yè)在面對(duì)日益頻繁，不可預(yù)測(cè)的市場(chǎng)變化中自信的做好準(zhǔn)備，可互操作的更加開(kāi)放的制造系統(tǒng)是必要的。在可互操作，開(kāi)放的制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作過(guò)程中有必要區(qū)分系統(tǒng)上的問(wèn)題，組件上（即機(jī)床和控制）的問(wèn)題還有減少加速時(shí)間的問(wèn)題。大部分的研究工作都不遺余力地放在了系統(tǒng)的問(wèn)題上，對(duì)組件的問(wèn)題的研究很少，而減少加速時(shí)間的問(wèn)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(jī)床的控制問(wèn)題。目的在于為模塊化和開(kāi)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(jī)床都是其主要成分。需求和新的機(jī)遇賦予數(shù)控機(jī)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(gè)主要問(wèn)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(jī)床適應(yīng)性。至目前為止，很少有研究在這一領(lǐng)域開(kāi)展，但由于被稱(chēng)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(dòng)在設(shè)法解決上述的問(wèn)題。本文報(bào)道了這些研究活動(dòng)，并試圖解決數(shù)控機(jī)床的互操作性和適應(yīng)性的問(wèn)題。目前的CNC技術(shù)的障礙今天的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)在如多軸控制，誤差補(bǔ)償和多工藝制造（例如，聯(lián)合車(chē)/銑/激光和磨床）的幫助下很好的發(fā)展起來(lái)了。但與此同時(shí)，這些功能的編程任務(wù)越來(lái)越困難而且機(jī)床本身也較難適應(yīng)。為緩解這一問(wèn)題已經(jīng)付出了一些努力，特別是開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)控制的趨勢(shì)方面，基于OSACA5和開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)的Windows操作系統(tǒng)下。對(duì)于軟件控制器的應(yīng)用是一個(gè)公認(rèn)的未來(lái)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(hù)仍在尋求一個(gè)共同的語(yǔ)言，它集成了CAD，CAPP，CAM，CNC，每個(gè)階段的知識(shí)轉(zhuǎn)換不會(huì)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(wèn)題，仍然被看作是限制更廣泛地使用這些工具的關(guān)鍵問(wèn)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(jī)床完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造生命周期，往往不在于他們必須與上游子系統(tǒng)進(jìn)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(huì)使用，在合成的CAD/CAM系統(tǒng)之間會(huì)發(fā)生信息交換。然而，這只有部分成功，因?yàn)檫@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(guó)際社會(huì)制定的ISO103037設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，稱(chēng)為STEP為我們所熟知。通過(guò)實(shí)施STEPAP-2038和STEPAP-2149在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（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(wèn)題仍未得到解決。CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chē)間現(xiàn)有的資源上的幾何信息來(lái)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成計(jì)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(jī)床上執(zhí)行的數(shù)控程序。STEPAP-203和STEPAP-214只有統(tǒng)一為一個(gè)CAM系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。在CAM系統(tǒng)的輸出方面，一個(gè)50年歷史的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO6983（稱(chēng)為G-代碼或RS274D）10仍占據(jù)大多數(shù)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。ISO6983已經(jīng)過(guò)時(shí)，但仍然被廣泛使用，ISO6983只支持單向的信息流從設(shè)計(jì)到制造的。CAD數(shù)據(jù)不利用在機(jī)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(yàn)證和仿真變的困難。在車(chē)間所做的更改不能直接反饋給設(shè)計(jì)師。因此，在車(chē)間的寶貴經(jīng)驗(yàn)不能被保存和再利用。2.2不靈活的CNC控制制度ISO6983標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于編程的機(jī)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(yǔ)句的語(yǔ)法，但在大多數(shù)情況下留下的語(yǔ)義含糊不清，再加上低級(jí)別的有限的控制程序執(zhí)行。這些程序在CAM系統(tǒng)的機(jī)器經(jīng)過(guò)特定的處理器加工后，變的依賴(lài)于機(jī)器。為了提高數(shù)控機(jī)床的能力，CNC控制器供應(yīng)商還開(kāi)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(kuò)展ISO6983。這些命令由于不同的供應(yīng)商之間的差異，將進(jìn)一步造成機(jī)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(guò)來(lái)又否認(rèn)有任何互操作性的數(shù)控機(jī)床。主要的原因是基于G代碼的部分程序只包含低級(jí)別的信息可以被描述為“如何做”的信息。數(shù)控機(jī)床，不管他們的能力，能做的只是“忠實(shí)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(biāo)準(zhǔn)今天，一個(gè)正在被STEP-NC供應(yīng)商，用戶(hù)和全球范圍內(nèi)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的新的標(biāo)準(zhǔn)ISO1464911-16被非正式的確認(rèn)了，這將給一種新的智能CNC提供一個(gè)數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型是一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)NC編程的通用標(biāo)準(zhǔn)，這使得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CNC控制器和NC代碼生成工具的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。目前正在開(kāi)發(fā)兩個(gè)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(dāng)前的NC編程標(biāo)準(zhǔn)（ISO6983），ISO14649不是部分編程的方法，通常不會(huì)說(shuō)明數(shù)控機(jī)床的刀具移動(dòng)。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(lèi)型，要執(zhí)行的操作，和遵循的操作順序，以一個(gè)詳細(xì)的，結(jié)構(gòu)化的接口提供給數(shù)控設(shè)備一個(gè)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型。雖然它能近似的定義為機(jī)床刀具使用STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(xiě)一次，但可以在許多不同類(lèi)型的機(jī)床控制器上提供機(jī)器所需的處理能力。能做到這一點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床和控制程序的適應(yīng)性和可互操作性就能得以實(shí)現(xiàn)了。圖.1說(shuō)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(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是刀具路徑的運(yùn)動(dòng)信息是可選的，理想情況下應(yīng)該由STEP-NC控制器在機(jī)器上生成。被定義為加工功能（類(lèi)似的AP-22422）的幾何信息以稱(chēng)為工作步驟的加工操作執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)功能。這些加工步驟提供基本的“工作計(jì)劃”制造組件。圖.2示出了一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)提取物形成的工作計(jì)劃進(jìn)行開(kāi)槽，鉆孔和扒竊的加工步驟的一部分。要注意的重要的一點(diǎn)是，這個(gè)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(gè)文件是由控制器解讀，在控制器上通過(guò)一個(gè)智能的人工數(shù)據(jù)接口（MDI）或CAD/CAM系統(tǒng)使數(shù)控運(yùn)營(yíng)商在一個(gè)工步水平（即加工操作）進(jìn)行交互。使用STEP-NC的好處如下23。STEP-NC提供了一個(gè)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(lái)，這樣在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的不同階段不會(huì)丟失任何信息。它的數(shù)據(jù)元素足夠來(lái)形容任務(wù)導(dǎo)向型的NC數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)模型在進(jìn)一步的技術(shù)和擴(kuò)展性（一致性等級(jí)）上是可發(fā)展的，來(lái)匹配特定的CAM，SFP或者NC的能力?？梢源蟠鬁p少中小型工作任務(wù)的加工時(shí)間，因?yàn)镾TEP-NC控制器能進(jìn)行智能優(yōu)化。后處理器機(jī)制將被淘汰，因?yàn)榻涌诓灰髾C(jī)器特定的信息。機(jī)床更安全而且有更強(qiáng)的適應(yīng)性因?yàn)镾TEPNC是從機(jī)床供應(yīng)商中獨(dú)立的。在車(chē)間的改造可以保存并反饋給設(shè)計(jì)部門(mén)，因此可以實(shí)現(xiàn)雙向信息在CAD/CAM和數(shù)控機(jī)床之間的傳輸。XML文件可以作為一個(gè)信息載體，從而基于Web進(jìn)行分布式制造。STEP-NC的價(jià)值主張有詳細(xì)的討論在OMACSTEP-NC工作組的一份報(bào)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(kāi)放和可互操作的機(jī)床相關(guān)的STEP-NC的研究工作有四種類(lèi)