【機(jī)械類畢業(yè)論文中英文對照文獻(xiàn)翻譯】I2NC一種新型計算機(jī)數(shù)控【PDF英文6頁word中文翻譯4166字7頁】
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I2NC:一種新型計算機(jī)數(shù)控
畢俊熙，陶玉 強(qiáng)勵
計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和機(jī)器人中心 機(jī)電學(xué)院
上海大學(xué) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)
上海市200072，中國 呼和浩特，內(nèi)蒙古，010051，中國
Junxibi163@163.com,yutao@staff.shu.edu.cn junxibi163@163.com
摘要-這篇文章介紹了一種新型計算機(jī)數(shù)控，它的名字叫I2NC。I2NC（智能集成制造系統(tǒng)），它包括計算機(jī)輔助設(shè)計，計算機(jī)輔助工藝設(shè)計，計算機(jī)輔助制造和計算機(jī)數(shù)控。I2NC提供給它們一個統(tǒng)一的平臺來面向計算機(jī)數(shù)控制造。它讓它們的作業(yè)由分離的作業(yè)變成協(xié)同工作。在本文中，我們系統(tǒng)的描述和分析I2NC的概念和關(guān)鍵技術(shù)（比如人工智能，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，知識管理等）。我們也把STEP-NC的方法應(yīng)用到I2NC中。
索引詞：計算機(jī)數(shù)控（CNC）；智能集成數(shù)控（I2NC）；STEP-NC；知識管理（KM）；人工智能（AI）
一、簡介
先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的趨勢包括數(shù)字化、高精度、高速、自動化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和綠色生產(chǎn)技術(shù)[1]。制造企業(yè)在不斷發(fā)展的經(jīng)濟(jì)全球化市場以及飛速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)在面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和壓力 [2] 。尤其中小企業(yè)為了在日益激烈的市場競爭中取得勝利，必須改革傳統(tǒng)的制造業(yè)方法采用先進(jìn)的技術(shù)，如人工智能(AI)，知識管理(KM)，專家系統(tǒng)(ES)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNS)，合適的控制優(yōu)化算法（ACO）等。因此，接受智能集成數(shù)字控制的概念對他們來說是及其重要的一件事情。I2NC的發(fā)展增強(qiáng)了從傳統(tǒng)數(shù)控能力到提高加工效率和質(zhì)量，并保護(hù)了切削工具。溝通和合作能力因系統(tǒng)集成，資源分享和合作而提高。正如工業(yè)機(jī)械的大腦，計算機(jī)數(shù)控（CNC）是現(xiàn)代智能集成制造系統(tǒng)的核心單元。I2NC的結(jié)構(gòu)可以表示為一個矩陣的任務(wù)和類別。三維立體是一個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，包括： CAD，CAPP，CAM等。這個矩陣代表了I2MS的模型。數(shù)控技術(shù)是高度復(fù)雜的，需要不同領(lǐng)域的技術(shù)。雖然技術(shù)高度發(fā)展，當(dāng)代的數(shù)控仍然需要更進(jìn)一步的發(fā)展來滿足I2MS的要求。
在一個傳統(tǒng)的數(shù)控制造環(huán)境中，操作流通常從在CAD系統(tǒng)中創(chuàng)建的幾何模型的產(chǎn)品設(shè)計開始的。并基于幾何模型在用需要的加工指令將原料生產(chǎn)為最終產(chǎn)品后結(jié)束。事實上，這個過程包括CAD/CAPP/CAM/MT。這里的CAPP,CAM,MT是計算機(jī)輔助工藝設(shè)計，計算機(jī)輔助制造和機(jī)床的縮寫。這是一個非智能的執(zhí)行機(jī)制，并且是一個在現(xiàn)代工業(yè)制造系統(tǒng)中單一方向的型號工作流，如圖2所示。
CSCW（計算機(jī)支持協(xié)同工作）視為基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造網(wǎng)絡(luò)。它可以看做是一個分布制造的進(jìn)化。這種進(jìn)化特指個人和組織，從企業(yè)內(nèi)部延伸到其供應(yīng)商，客戶和合作伙伴以相互獲益。為了讓以上工作流變成雙信息流和讓CAD策劃、CAPP規(guī)劃者、凸輪規(guī)劃者、數(shù)控程序員協(xié)同工作，在這里我們基于STEP-NC和KM提供了一個協(xié)作環(huán)境數(shù)控系統(tǒng)。這類型的數(shù)控可被視為是一種智能集成數(shù)控，所以它被定義為I2NC。
在本文中，I2NC的簡要概念首先被提出。其次是引入基于STEP-NC的它的框架。然后對一些關(guān)鍵技術(shù)包括AI, ES, ANNs, KM等進(jìn)行了討論。接下來成功的說明了I2NC如何應(yīng)用于磨輥工作的。最后發(fā)表了在未來的I2MS中對I2NC的一些展望。
二、I2NC的定義和內(nèi)涵
I2NC是智能集成數(shù)控的縮寫。智能和集成在I2NC系統(tǒng)中是兩個重要的因素。基于人類大腦的工作原理與自然生物進(jìn)化而產(chǎn)生的人工智能如ANNs、遺傳算法(GA)，模糊邏輯(FZ),ES,ACO，在過去的十年中收到可觀的增長的利益并已經(jīng)被應(yīng)用于數(shù)控加工。大部分的發(fā)展集中在智能控制算法及其應(yīng)用于傳統(tǒng)的數(shù)控加工系統(tǒng)，所以他們沒有取得了良好的效果[4-5]。各部分系統(tǒng)的簡單濃縮是智能制造模型的理念，系統(tǒng)由這些濃縮的智能部分組成。每個智能體是相對孤立的單元，由這些單元組成的這個系統(tǒng)可以單獨和協(xié)作工作。為了實現(xiàn)的制造系統(tǒng)的總體智能，每個單元裝置的智能是必須的。對于I2NC系統(tǒng)的智能化，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向和對智能的考慮是放在第一位考慮的，對于I2NC系統(tǒng)的集成，集成方法是其次考慮的。I2NC系統(tǒng)的智能化如下 [6]。
1)工作計劃的智能化
2)自主學(xué)習(xí)和發(fā)展的能力
3)自適應(yīng)的人機(jī)界面
4) 制造過程的智能控制
5)智能故障診斷
因為G和M代碼用于傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù),這帶來了一些嚴(yán)重的問題比如在各種系統(tǒng)之間，數(shù)據(jù)共享整合，編程等等方面的不兼容。而且它限制開放能力，智能化的數(shù)控系統(tǒng)，并導(dǎo)致了在CNC和CAX技術(shù)方面的瓶頸現(xiàn)象。為了解決上述一些原因，歐盟通過了OPTIMAL和提供STEP-NC的概念的議案。STEP-NC(14694)把STEP(產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn))擴(kuò)展到了數(shù)控領(lǐng)域。它重新定義了一種在CAM的技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)和數(shù)控控制系統(tǒng)之間的界面。這有助于在生產(chǎn)過程中減少傳統(tǒng)CAD / CAM的加工時間和消除過時的處理器。它支持未來智能化生產(chǎn)設(shè)備。事實STEP-NC是一種計算機(jī)數(shù)控語言并涵蓋了產(chǎn)品的整個生命周期。也就是說,它是一個高級編程語言是CAD-CAM-CNC的無縫集成。目前對STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的研究和開發(fā)仍然是在實驗室。因此首要任務(wù)是基于I2MS算法來研究和開發(fā)開放I2NC系統(tǒng)。
I2NC是智能集成數(shù)控的縮寫，這意味著提煉的傳統(tǒng)CIMS的一些功能如CAD、CAPP、CAM于一系列模塊中，這些模塊使應(yīng)用程序分為一組任務(wù)框架。任務(wù)可以分解成詳細(xì)的子功能。每個功能模塊都是面向制造的具有較強(qiáng)的實用價值模塊。這些系統(tǒng)功能被組織和集成到大一點的零件模塊，并且這些零件模塊最終以一個統(tǒng)一的數(shù)控系統(tǒng)的用戶界面集成到一個具體應(yīng)用CNC系統(tǒng)中。在I2MS中I2NC也是一種新的理論和方法。
三、I2NC的STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)
STEP-NC是一種新的、全面的數(shù)據(jù)模型編程語言，形式化如ISO 14649，它是正在研制的國際標(biāo)準(zhǔn)。ISO 14649描述了一個從CAM和CNC到支持基于為CNC控制器創(chuàng)造可互換的和工件導(dǎo)向的STEP(IS010303)的產(chǎn)品直接使用。對智能控制,多種技術(shù)應(yīng)發(fā)達(dá)，然而更新新的數(shù)據(jù)模型是重要的。STEP-NC的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型已經(jīng)覆蓋了很多的信息，如三維幾何模型(AP - 238或AP -214)，特征定義(AP -224)，公差的定義(AP -219)，工藝流程等。通過智能界面，所有信息必須納入一個全體產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。STEP-NC應(yīng)用協(xié)議AP-238所圖3[7]。AP- 238是一項數(shù)控機(jī)床的新的輸入標(biāo)準(zhǔn)，它會代替RS274D(IS06983)，同時它是在客戶和工廠溝通之間的一種新的語言，IGES已經(jīng)被取代。基于STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)能從CAM系統(tǒng)直接讀取STEP文件(AP -238)，因此傳統(tǒng)CAD / CAM系統(tǒng)中的加工和編程的后信息處理器已經(jīng)消失了。它已被STEP-NC處理器淘汰掉了。如圖所示圖4中，兩種模型風(fēng)格的比較。
基于STEP-NC的數(shù)據(jù)程序（文件）風(fēng)格如下面的例子：
ISO-10303-21;
HEADER;
FILE_ DESCRIPTION (('ISO 14649-11 EXAMPLE 1',
'SIMPLE PROGRAM WITH A PLANAR_ FACE, A
POCKET, AND A ROUND_ HOLE'),'1');
FILE_ NAME ('EXAMPLEI.STP','2020202, ('YONG
TAK HYUN','JOCHEN WOLF'),
('WZL, RWTH-AACHEN'), $,'ISO 14649',$);
FILE_ SCHEMA(('STEP_ NC-SCHEMA'));
ENDSEC;
DATA;
#1= PROJECT ('EXECUTE EXAMPLEI', #2(#4),$,$,$);
#2WORKPLAN ('MAIN WORKPLAN', (#10, #11, #12#13,#14),$,#8,$);
#4=WORKPIECE ('SIMPLE WORKPIECE', #6,0.010,$，$，$，
(#66,#67,#68,#69));
#6= MATERIAL ('ST-50','STEEL', (#7));
#7= PROPERTY_ PARAMETER ('E=20000N/M2);
#8= SETUP ('SETUPI', #71, #62 (#9));
#9=- WORKPIECE_ SETUP (#4, #74,$，$，());
#10=MACHINING_ WORKINGSTEP ('WS FINISH PLANAR FACE 1', #62 # 16,# 19,$);
#11= MACHINING_ WORKINGSTEP ('WS DRILL HOLE1',#62 #17, #2,$);
#12 MACHINING_ WORKINGSTEP ('WS REAM HOLE1',#62 #17, #2,$);
……
#12= CUTTING_ COMPONENT (100.000,$，$，$，$);
ENDSEC;
END-ISO-10303-2;
在運用STEP-NC下，數(shù)控系統(tǒng)對零件和制造過程可獲得總體描述。零件加工之前，數(shù)控能做些安全檢查并優(yōu)化生產(chǎn)工藝。STEP-NC方法有許多優(yōu)勢。STEP-NC的數(shù)據(jù)界面是一個中立的數(shù)據(jù)描述，而不是依靠CAM和NC，有助于提高交流能力和適應(yīng)力，產(chǎn)品和技術(shù)信息包括在STEP-NC的文件中，信息交換能夠直接在CAD、CAM、CNC控制器中運行。在生產(chǎn)過程中數(shù)控可以根據(jù)選擇的工具預(yù)檢驗和優(yōu)化部分程序。這能提高工作效率，安全性和適應(yīng)性。通過簡化加工結(jié)構(gòu)，STEP-NC編譯器就能更好地使用機(jī)床工具的新功能，傳統(tǒng)的后信息處理器就被淘汰了。根據(jù)IS014649，STEP-NC控制器的工作流程必須包括翻譯、規(guī)劃和控制階段[8]。
四、I2NC的框架
數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)組成:
1)人機(jī)界面(HMI)
2)控制功能
3)數(shù)據(jù)處理在數(shù)控[9]
這就是I2NC。在提出的這個體系下，在擴(kuò)展時尚的基本架構(gòu)下，用戶的要求已經(jīng)得到實現(xiàn)。如圖S所示，它包括以下主要功能模塊:
TPG（無干涉刀位軌跡生成），例如CAD/C APP/CAM模塊，它基于STEP-NC數(shù)據(jù)模型全面地擴(kuò)展了包括部分編程的HMI(人機(jī)界面)和無干涉刀位軌跡生成。這些模塊把CAD/CAPP/CAM功能和編程系統(tǒng)合并在一起。當(dāng)識別到這個加工特征和處理這些特征信息時，標(biāo)準(zhǔn)的CAD數(shù)據(jù)(STEP,AP203)可以被轉(zhuǎn)化為建立幾何模型內(nèi)核數(shù)據(jù)。輸出被儲存在加工特征數(shù)據(jù)庫。通過使用機(jī)器語言，CAPP決定了處理結(jié)果和其他處理信息。接著，序列化,凸輪數(shù)控指令提取基于一步-數(shù)控(IS014649)?；赟TEP-NC (IS014649)，CAM提取了數(shù)控結(jié)構(gòu)。
與數(shù)控機(jī)床的活動相關(guān)的NCK / PLC控制模塊成功地運行了這個構(gòu)架。通過激活伺服機(jī)制，NCK解釋了刀具路徑命令和運行了它們，并且可編程序控制器(PLC)執(zhí)行機(jī)器指令,如模具的更換工件裝卸。它的主要功能是控制機(jī)床這樣通過加工操作理想的形狀能夠精確的產(chǎn)生了。各種智能控制功能包括在其中，如自適應(yīng)控制，人機(jī)交互，質(zhì)量管理，資源管理，自我學(xué)習(xí)。
基于KM的工程數(shù)據(jù)為零件編程和TPG提供了綜合數(shù)據(jù)。這數(shù)據(jù)庫包括加工特征庫，加工資源庫，加工工藝數(shù)據(jù)庫，加工知識，診斷數(shù)據(jù)庫等。
五、I2NC的一些技術(shù)
因為I2NC是一個智能而集成數(shù)控，它的關(guān)鍵技術(shù)不但包括數(shù)控技術(shù),而且包括額外的一體化和智能化技術(shù)。這里我們的目標(biāo)是智能化技術(shù)，它包括AI，ES，ANNs和KM等技術(shù)。
A. 在I2NC中，人工智能的使用
人工智能是指機(jī)器能正常表現(xiàn)與人類智力有關(guān)一些包括如推理，學(xué)習(xí)和個人成長的功能的能力。在I2NC中，機(jī)械智能化越來越多使用的趨勢是清晰的，不大可能會扭轉(zhuǎn)的。在I2NC系統(tǒng)中人工智能技術(shù)的發(fā)展的這股推動力量是希望獲得專業(yè)知識和教訓(xùn)，在這一形勢下從先前的經(jīng)驗中獲得的專業(yè)知識和教訓(xùn)能保證在未來操作安排中利益有所收獲。在CNC加工中，確定最佳和合適的切削參數(shù)可以減少加工誤差如人數(shù)破碎險，工具撓度和刀具磨損，從而提高生產(chǎn)率或最低成本。被廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中的人工智能的特點闡述在圖6中。
B. 以知識為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)
以知識為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)(KBES)是智能的電腦程序，這些程序獲取某一特定領(lǐng)域的知識并模仿人類專家解決問題的策略來提供的建議。[10-12]識體系可以以這樣的方式操作，來執(zhí)行一個功能，這個功能通常需要人類智力。用于機(jī)械控制的KBES結(jié)構(gòu)如圖7。它包含三個模塊:一個知識庫，推理的過程引擎和傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理模塊。參考引擎驅(qū)動了系統(tǒng)和知識庫接口，因此給用戶的建議和解釋來證明系統(tǒng)的推理方法。這知識庫可以提供與實驗結(jié)果比較符合的近似加工控制。
C. 在I2NC中ANN技術(shù)的運用
ANNs已經(jīng)成功地應(yīng)用于許多的過程控制領(lǐng)域。近似非線性向量函數(shù)的功能結(jié)合動態(tài)元素獲得了一個強(qiáng)大的方法，模擬非線性動力系統(tǒng)。ANNs已經(jīng)被成功應(yīng)用于制造自動化。在數(shù)控系統(tǒng)中，ANNs主要用于參數(shù)選擇和優(yōu)化加工過程。從傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)到傳統(tǒng)計算，ANNs在很多方面不同。ANN有以下主要優(yōu)點:
1. 可以通過學(xué)習(xí)培訓(xùn)例子獲得知識。
2. 知識儲存在一個分布式的樣式中。
3. 只要解決方法建立在在同一領(lǐng)域的培訓(xùn)資料上，ANNs可以提供解決問題的方法這個問題先前沒有經(jīng)歷過。
4. 這種情況下運用的另一個優(yōu)點是基于數(shù)控這樣一個系統(tǒng)可以很容易地納入電腦并且為運營商提供快速參考正如所經(jīng)歷的加工參數(shù)的問題。
這些特點使ANNs在模擬加工流程中可能變得有用。一種雙重隱層建立的加工知識庫和兩層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖8。用戶輸入加工條件，然后,輸入的信息編碼成一種ANNs能識別的形式。網(wǎng)絡(luò)的功能是從輸入向量到輸出向量。在加工數(shù)據(jù)庫中輸出模塊使用ANNs的輸出來識別一個合適的結(jié)果。
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