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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（ 器的目的是可移植的，可互操作的，适应能力强。 近年， 983）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 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 制器和 码生成工具的目标。它被认为是 一个 实现 数控机床更加开放的， 更强 适应性的基础架构。本文概述了 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 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 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 （ 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 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（ 中和 柔性制造单元（ 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 新的 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 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 和开放式模块化结构控制器（ 6，第三方软件可用于在控制器内工作 于 标准的 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， 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 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 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。 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 初始图形交换规范（ 中立数据交换协议的情况下就会使用，在合成的 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 此，国际社会制定的 设置标准， 称为 我们所熟知 。 通过实施 和 在计算机辅助设计（ 统中，数据交换 的屏障 被除去。然而， 统之间 的数据交换问题仍未得到解决。统设计精确地描述 了 一部分的几何形状，而 统根据目前的 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， 有统一为一个统的输入数据。在 统的输出方面，一个 50 年历史的国际标准 983（称为 10仍占据大多数数控机床控制系统的主导地位。 983 已经过时，但仍然被广泛使用， 983 只支持单向的信息流从设计到制造的。 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。 灵活的 制制度 983 标准侧重于编程的机轴，刀具中心位置（ 部分，而不是加工任务的路径。因此， 983 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 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， 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 制器上，扩展 983。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 制制度意味着从 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 是不可能执行智能控制或加工优 化 的 。 3. 准 今天，一个正在被 应商，用户和全球范围内的学术机构开发的新的标准 464911非正式的确认了，这将给一种新的智能 供一个数据模型。数据模型是一个专门针对 程的通用标准，这使得一个标准的 制器和 码生成工具的目标得以实现。目前正在开发两个版本的 先是应用参考模型（ 即4649）和其他应用程序的解释模型（ 4649（即 0303 17）。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 程标准（ 983）， 4649 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 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 制器能生成这些命令。它的宗旨是让 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 明几何和加工信息，现在可以在 统和 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，理想情况下应该由制器在机器上生成。 被定义为加工功能（类似的 2）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 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 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（ 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 好处如下 23。 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 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 者 能力。 可以大大减少中小型工作任务的加工时间，因为 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 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 数控机床 之间的传输 。 件可以作为一个信息载体，从而基于 行 分布式制造。 价值主张有详细的讨论在 24和其他出版物 20,23,25中 可以找到。 1. 双向信息流 21. 理文件 示例 20. 4. 加开放和可互操作的机床 相关的 研究工作有四种类型：（ 1）传统的 制使用 2）启用新的 控制 ； （ 3） 智能控制 ； （ 4）启用协作 加工。从1 型到 4 型，适应性程度是递增的。应 当注意 的是 ， 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 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 关系到支持 研究工作 才 进行了讨论 。 统的 制使用 种类型的研究，标志着 相关研究的努力。其主要目的是要回答两个问题：“ 件包含足够的数控加工，并提供充足的信息吗？ ，如果是，”一个传统的数控机床上 能使用而无需改变该系统的硬件吗？ 。主要研究对“翻译”的发展，可以在 件中读取，并将其转换为 G 代码格式，有针对性的数控机床可以执行。在许多 统中，翻译是有点类似的“后处理器”。唯一不同的是，现在的 统在一定意义上， 准的信息可以用来全线实现互操作。此外，设计信息，可以嵌入在 件中提供的数控系统。此方案说明了有坚实基础的传统制造业能启用 在三个阶段的超级模型项目的前两个阶段 的工作进入到了这种类型的工作。在第一阶段，包括 件和各种第三方软件开发了一系列的软件工具（ 1）。 件 译的示范部分在 式下可以读取。然后使用 件的图形界面编程，直观地验证其切割部分的渲染能力 32。在第二阶段， 件被 件 转接器插头读取使用，由 司开发。 于软件的 33改造成在 使用 件中指定的工具和操作参数， 配器创建的 件工具，过程，几何元素和执行 件的功能来生成相应的 工特征的刀具路径。再一次，切割部分在呈现视觉验证之前处理数据来生成现有的 G 代码输出。这项工作已经证明 完全自动化 工和刀具路径生成的能力。它也显着减少在 控编程所需的时间达 85 32。 最近，在加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进 实验室（ 2003 年 1 月， 设计数据功能转换成 能（即 本的 使用 据。 数据在 件，然后到了法道 五轴加工中心。 2003 年 6 月在 接口与其他 5 轴机床进行了类似的设置。 的 控制 与一些流行的 制器或开放式模块化结构控制器密切合作 6，在世界各地的几个研究小组已经能够处理 部信息的 制器。随着发展这是可以做到，而且能集成 释器，控制器，可以忠实地执行 4649 中规定的加工任务。 美国超级模型项目的第三阶段工作可以看到， 件集成了 床。供的数据文件，所有的生产信息，让 件生成了刀具路径数据。这些数据随后被发送到卧式加工中心，然后发送到所谓的“行程的进程间通信”，而不是传统的示出比通常通过 983 实现更高级别的 体化。 在欧盟开展的工作大部分属于这一类的研 究。主要重点一直是发展 能的采用西门子 840D 控制器的 制系统 34。这使得 理文件与控制器直接集成，在 容的 统版本采用可视化的加工特征和相关的加工步骤。同时进行编程的开发，和这项工作一起在 国亚琛大学进行，结合 间编程系统， 容的编程系统和 坊式面向对象编程）。在欧洲 统的商业应用已经由沃尔沃和戴姆勒 - 克莱斯勒公司实现 34,15说明 品和出口的标准纳入 西门子 840D 控制器的输出能力。 除了 床的发展，技术也已延伸到数控车削加工。 件模块的原型已开发出 图加特，与西门子 840 控制在勃林格 床工作 34， 几何形状和加工功能，定义加工策略和技术，并生成 出。 西门子控制器接收到这个输出，并把它转换成西门子 系统通过 进口设备。 智能控制 进行智能控制数控机 床的梦想从来没有得到真正的实现。主要原因是，输入到数控机床可用的信息（ 太低级的信息，只有最小量的优化工作可以实时或接近实时进行。论是设计还是工艺信息都是提供给数控机床。对数控机床，或它们的控制器来说，进行高层次的智能活动，如部分设置自动化，自动化和优化刀具路径生成精确的加工状态和结果反馈 ;完整的防撞检查（考虑到夹具和进程中的几何体），最佳工步序列 ;自适应控制和上机检测这是可能的。 研究人员在 家研究实验室 技）在韩国 经开发出一种基于 特征的 主控制基于开放架构的虚拟制造系统 35 37。 4649的部分程序的信息通过一个解释器被转换成内部数据格式，即形式“过程序列格拉夫过程顺序（ 。解释器转换物理文件，在“任务描述”成 形式，如几何，技术和工具的信息描述。 示非线性的加工步骤序列中描述的加工特性的加工操作使用“与 关系（表 1 和图 3）。上述的 器件可用多种方式加工，使数控灵活的，最佳的，智能的和自主的执行。非直线过程序列模式符合 治系统。为准备执行的序，刀具路径的发电机（ 刀具路径模拟器（ 数控软件 经开发出来了 35。 数据能转换到机床运动模型，并能够进行 值，先行控制，位置 /速度插值 例，积分，微分）控制。它通过 I / 动器和电机）连接。 37. 制造系统实验室，奥克兰大学已经开发的 准的数控机床，展示了 38。这项研究工作由两部分组成：改造现有的数控机床和发展 合换器。 运动控制系统 39是用来取代现有的 制器，该控制器是可编程的，使用自己的运动控制语言 运动控制语言，能够通过如 +和 言的接口与其他 序连接。 换器可以理解和处理 码，并通过人机界面与 制器连接。它使用的 信息，如工作计划，工步，加工策略，加工功能和切割工具，是目前在 一个文件。 同 加工 可以说， 加工，最终目标是支持基于 分布式协同制造（图 4），一个“设计任何地方 /建造任何地方 的场景。作为一个 序可以从一个特定的机床的制造业信息（怎么做）区分“通用”制造业信息（做什么）是有可能的。因此，一个通用的 序可以做成独立于机器的，有优势超过传统的机床，基于 G 代码的 序，它总是产生一个特定的数控机床。对于这种类型的 序上实现本机的数控系统，本机生产知识必须输入。为了实现这一功能，本机 绘系统的所谓的“ 原生配器”已经开发 40。该适配器内置有三个部分：本机数控系统的知识数据库，翻译和人机界面。本机数控系统的知识数据库中有一个专用的数据结构，使发展中的翻译工作由简单和连贯的 程组件在整个企业启用。 最近，有使用 者更确切地说， 0303 第 28 部分）来代替明确的语言（或0303 第 21 部分 41）表示 息的一种趋势。这样做的原因是显而易见的。处理能力，可以轻松地支持电子制造业的情况。数控机床可以通过 部门以及公司内外共享信息。 进控制和仪器仪表工程技术研究中心）在韩国首尔国立大学 42 44一直致力于开发支持 据模型的铣削。它可以搜索，提取和存储工具中生成式的路径。铣床用于测试系统包含四个模块（图 5）： 据输入模块，翻译，刀具路径生成器和运动控制卡。 据输入模块和翻译器让 件生成 序，而另外两个生成并执行本机 工计划。 奥克兰大学的一个符合 统的框架已经开发 29,30。该系统采用三层的，基于 网络体系结构（图 6）。在客户端层有一组应用程序和网络浏览器，使用户和系统之间相互作用。这个过程打算像 准中描述的，是用来输入到数控系统中的。更高级别的信息，例如加工的功能，加工步骤和工作计划用于构成的处理计划替代按定的低层次信息。数据库结构已经提出用于通用和本机制造信息，而 用来表示 这些数据库中的信息。 分布式的 馈 工 20. 床 42. 一个 准的 协作的生产模式 . 5. 便携式 具路径 在二零零五年二月三日， 团在美国的佛罗里达州的奥兰多，主持了 论坛。示范的主要目的有两方面：（一）演示了如何 信息可以支持便携式五轴加工中心的加工及（二） 具路径的描述能力是否可用于简化现有的 统和加工中心之间的数据流动。 本的 合第 1 类）独立于机器的刀具路径 17，用于示范。该组件测试是 5 轴 钻石 /平方米的一部分与 倒锥测试中心（图 7） 45。 这个商业企划和行业的主要参与者是波音公司的制造工厂。像其他厂一样，波音公司在最多的五轴加工中心以 G 代码的格式收到机器控制数据（ G 代码定义各轴的运动需要来制造工件的一部分。这种直接的编程模型是指方向轴当同步轴走，并且都是与一个特定的道具的长度有关的。这些 划的问题是，他们既不便携，也不具有适应能力。因为缺乏可移植性，所以出现了一个问题，因为独特的轴位置数据，必须对每一台机器控制的要运行的部分产生组合（组合零件，工具和机 器配置）。 案适应性不强，没有信息提供给本机，以帮助它适应加工动态实时变化（进给速度）或机床校准（工具和磨损补偿）。 通过比较，道具中心编程（ 义程序几何作为刀具运动数据，而不是轴的运动数据。 一个类似机器人 6D 构成的代表。运动被定义为 3D 刀尖位置（ X， Y， Z）和 3I， J， K）。对于每个 X， Y， Z， I， J， K）， 制两个回转轴，刀具的位置和方向就被指定了。此外， 制器根据刀尖所在的正确位置沿刀具轴执行刀具偏置补偿。 五轴 /菱形 /平方米的部分 . 具中心编程定义程序的几何形状，刀具的运动数据，而不是轴移动数据。提供有关部分功能，材料，刀具和尺寸公差的丰富的，高层次的信息。在航空航天工业中，紧公差预期的规范，因此，显然是需要 。 以提供一些直接 的准确度改善，因为每个 决定它的刀尖位置，而不是到 统生成静态工具的路径作为一个系列的轴位置。由于机器尺寸略有不同，即使相同的机器之间，预计精度的提高应该是显着的。 在奥兰多的 坛， 统（如 用来生成 件程序。这些 据的角刀动作在 置有独立的 I， J， K 的方式，与假设的基础机床控制器翻译成机器 I， J， K 特定的 5 轴角配置。换器已被翻译成 分的 件 21 文件的基础上的 件机的加工步骤进行编码，如 具路径的基础上的 是适合于不同的加工中心之间的传输。不同的机器上特定的转换器已发展到翻译的 件到一个特定于控制器的 序（图 8）。这些转换器将最终嵌入控制器中。要注意的是， 件现在是中性的五轴机床，五轴数控龙门，“ C”加工中心或 C 对 B“加工中心。它是便携式的，因为它定义几何形状，在切割器的运动的数据，而不是轴移动数据程序。因为它可以占据机床上的任何配置的变化，所以它具有适应性。 通过使用 智能数控数据流 . 6. 结语 现代数控机床，虽然功能上是完好的，但缺乏适应性，可移植性和智能。这是由于这样的事实：一个有 50 年历史的语言 仍在这些机床上使用。用这种语言编写的 序只在一个特定的机床执行。他们不能被重新编译为不同的机床的 统或 统。 100优化的 序会自动生成设计信息，不可能知道如何表示不同的格式和不同数据库上的机床和材料。 以为 供一个统一的 序格式，避免了后处理而带来一个真正的格式交换。运营商现在可以支持 完整信息中包含可以理解的几何形状（特征），面向任务的操作，策略和工具的定义。加工阶段设计数据的可用性也允许可靠的碰撞检测，精确的模拟和从加工阶 段到设计阶段的反馈。从某种意义上说，符合 标准零件程序是具有可互操作性的，他们可以适应数控机床而且有能力执行加工任务。实施 数控机床可以有一个更加开放的，适应性强的架构，与其他生产设施更容易整合，例如工件装卸装置。 支持分布式制造的情况，例如通过以 太网连接在同一平台上实现数据采集，诊断和维护，监测和生产调度 。在 表明不同的 统可以产生一样的，机器中性的 息。 件已经适应 不同的五轴数控机床 。 测试部分（ 一个真正的 5 轴分量 。要指出的是，只有独立于机器的刀具路径数据 运用于上的。例如加工功能和设计数据的信息是不考虑的。因此，只有有限的具有适应性的数控机床可以在这种情况下运行。 还有需要解决的问题和需要克服的挑战。这些挑战来自一个 息模型的驱动器， 能的智能控制器，对必要的生产知识有把握来支持机床等级的定型，还有没被开发的相关技术的挑战。这些挑战与机会并存，如果能把握时间 证产生大量的利益。 参考文献 1 Y. to 1 (3) (2000) 403 419. 2 Y. 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