智能化数控系统智能表示及实现方法的研究

 随着信息化社会的到来，制造业已从单纯依靠提高设备的自动化程度和加工精度占有市场 ，转向以信息为基础 ，从产品整个生命周期的大系统的角度来适应市场，满足社会各方面需求，增强企业的竞 争能力。发达国家纷纷投入巨资研究制造业面临的挑战和相应的对策，从而提出了计算 机集成制造、精良生产、灵捷制造、并行工程、智能制造等概念^［1，2］。 这些概念从不同角度和层次展示了未来制造业应具有的特征，为企业的发展指明了方向。但 这些制造模式的实现，必须建立在新型加工设备的基础之上。因此，加工设备也要适应这种 发展的变化，在不断提高自动化水平的同时，注意整体、人和信息的因素，以信息为纽带、 人为中心，具有相对独立性的智能化的加工设备，是未来发展的方向。

 1　CNC的智能化

 智能制造模式的思想将系统各部分“浓缩”，系统由这些“浓缩”的智能体组成， 每个智能体的结构同系统的结构相类似，1个智能体就是1个相对独立的 “细胞”，系统就由这些细胞分工协作组成。系统的规模可大可小， 任何规模或任何层次的制造系统都由若 干个完成不同任务的环节组成，各环节在独立完成自身任务的同时，相互协作，共同完成制 造任务。

 要实现制造系统整体智能化，就要使组成制造系统的各个单元设备具有必要的智能。数控 系统的智能化，首先要确定数控系统智能化的方向、层次及其智能表述。数控系统的智能化 应从以下方面入手：
　　(1)任务规划的智能化　是CNC将接受的任务，变为数控机床随环境的变化而 不断调整的目标任务。
　　(2)自我完善和提高的能力　表现为CNC获取知识的能力，包含向专家学习， 丰富和提高机器的“知识”结构的能力和通过给定奖惩函数，自身提炼新知识的能力。
　　(3)自适应的人机界面　机器能够适应不同的操作人员，提供不同的人机接 口及充分的信息交换能力。
　　(4)加工过程的智能控制　通过对影响加工过程的因素和被控量的检测及提 取，快速实现目标的智能决策和控制。
　　(5)故障诊断智能化　快速确定故障的原因和部位，自动或指导排除故障。

 2　CNC智能的分析

  ICNC同传统数控系统重要的区别之一就在于它可参与任务规划，承担适合自己的加工任 务，并能不断调整目标任务。ICNC的任务规划就是将任务进行分析、推理和决策，将其转变 为自主完成目标或与其它智能单元合作完成的子任务分解。具体的任务集可用BNF范式来描 述：

 <任务集>::={任务列表}

 <任务列表>::=<任务>|<任务列表><任务>

 <任务>::=<标识号><零件描述><毛坯描述><辅助信息>

 <零件描述>::=<几何描述><工艺信息>

 <辅助信息>::=<时间><零件个数>

 <时间>::=<开始时间><理论完成时间><极限完成时间>

 发出者以广播的形式向系统内所有具有完成能力的智能单元发出任务通告，其中1个智能单 元(W)接受了这个任务(T)，如果不能独立完成，就将任务进行规划并分解为T(T₀,T₁, T₂,…)，同时将子任务进一步广播出去，直到组成1个任务小组，合作完成这个任务， 然后将回答信号报告给任务发出者(见图1)。由于微处理器计算速度和应用水平的限制，目前把包含C AM/C APP的智能规划集成到CNC中还有一定的困难，这部分工作可由离线的专用调度机来完成。

图1　ICNC任务规划

 CNC将自己承担的任务进一步规划成相关的有序事件组成的活动A。事件E是机器单 独的本原规则或活动，那么活动可以表示成A={e_i,e_j,e_k,…}。1个活动可以由 许多组事件组合，CNC从中选择1组最佳的事件组合，并在执行过程中根据环境的变化随时 调整。例如在加工过程中，刀具破损时则必须重新更换刀具。这时CNC必须修改活动A的 内容 ，增加更换刀具的事件，而且还要弥补所耽误的时间，保证按时完成任务。所以智能调度是 CNC智能化的1个重要方面。

 CNC知识的表达及获取知识的能力是CNC智能化的基础，常规的知识表示方法有多种， 每一种方法都有其使用的范围。数控机床是典型的机电一体化产品，知识的覆盖面很广，故 障诊断知识以谓词逻辑法表达为主。

 ICNC的重要特点是其具有独立性，它反映系统对环境和自身变化的自律性，即系统对所出 现的各种异常，自动调节自身的状态，来保证系统目标的实现，在出现系统自身不能克服的 异常故障时，尽力消除不利影响防止异常扩大，保证系统安全，并将分析的结果报给上级。 图2是ICNC的最后环节伺服控制和诊断维修之间关系的原理框图，传感器采集环境和机床的 信息，有关伺服控制的信息直接传递给智能伺服控制环节，其它信息传递给故障诊断模块， 故障诊断模块对信息进行分析处理，将结果通知维修模块，维修模块对故障诊断结果进行判 断，如有故障，根据故障的类型通知任务分析模块，任务分析模块作出调整任务或终止伺服 控制指令，维修模块可进行自修复或给出维修指导。通过以上分析可知，ICNC中的故障维 修专家系统直接参加CNC的加工控制，因而是具有实时性的智能环节，同传统的专家系统概念有所区别。

图2　ICNC的诊断维修及位控框图

 加工过程的智能控制实时性最强，一般控制在毫秒级完成，按照“智能随精度增加而降 低”(IPDI)原则^［3］，在这一级上采用简单快速的决策，以提高智能的实时性，实 现高精度 位置控制和过程I/O信号的处理。常规的CNC机床刀具位置和进给速度都是预先编程好的，因 此，这种方法是以减小切削用量从而保证加工质量和可靠性及安全性为出发点，所以是 趋于保 守的。采用智能化的自适应控制，在保证提高精度的前提下，通过改变进给速度来控制切削 力，以获得最佳的加工效益。

 3　智能CNC的实现

 开放式软硬件平台是数控系统智能化的1个重要表现，ICNC硬件系统必须是标准化开放式的 系统，软件支持系统必须丰富，且具有实时多任务特性。笔者及其课题组在工业控制机(IPC )上以DOS为软件平台开发成功“陕西一号”数控系统的基础上，以高档IPC和Windows为软件平台，对开发新型智能化数控系统进行了原型系统的开发工作。

 系统按Saridis提出的分级递阶智能控制结构组织^［4］，分为组织层、协 调层和 执行层（见图3）。组织层完成和外界系统的交互，参与智能制造系统中任务的规划协调 、任务的本地规划、通讯管理以及人机交互。协调层将分解分段后的任务转化成可供执行层 执行的动作序列。执行层完成初步的诊断维护工作和保证正确完成加工控制。为了实现这种体系结构的ICNC系统，我们在Windows95操作系统的基础上，以面向对象编程语言VI SUALC++、ODBC数据接口及汇编语言混合编程，硬件平台采用“IPC+运动控制卡+I/O接口卡”方式组成，这样就快速地建立起符合开放性智能化数控系统的开发平台。

图3　ICNC结构框图

 3.1　实时多任务的实现

 数控系统是典型的实时多任务控制系统，我们以软硬结合的方式来实现数 控的实时性。插补位控模块是数控系统中实时性要求最高的任务，为了减轻PC的工作负担 ，保障系统的实时性，采用带有DSP芯片的运动控制卡完成，插补位控周期达1 ms，保障 了 系统的实时性，从而可满足现代模具等复杂曲面微小程序段的高速加工，PC和运动控制卡 的通信通过双端口RAM实现，其中控制轴数、联动方式和插补位控周期可由用户设定。控制 器（包括任务管理、软件插补和逻辑控制）也是实时性要求很高的任务，通常以定 时中断方式实现，为了保证软件的开放性，我们采用WindowsAPI提供的多媒体定时中断来实 现控制器功能。其它任务利用Windows支持抢占式多任务特性，以线程的方式实现，表1列出 了任务和实现的策略。
    3.2　基于网络的协作规划

 实验系统的网络采用对等网络的概念实现，ICNC和PC通过以太网卡经HUB连接在一起。Windo ws95操作系统本身就可进行网络配置和管理，在ICNC中以数据库的形式建立公共通讯区，其它PC可通过操作ICNC中的数据库向其发出任务指令，ICNC可根据指令进行相应的处理， 并将处理结果返回给发出者，从而完成协作任务。
    3.3　总结与展望

 本系统在实现基本数控系统功能的基础上对ICNC的协作规划和故障诊断进行了初步的实验研究，实现了在对等网络的基础上进行加工任务的协作分配，进一步可扩展到Internet上。由于计算速度上的原因，为了进行实时性的故障诊断，知识库进行分级和简化，将实时性要求高和会造成事故的故障放在第一级，这样可立刻得到处理结果。对刀具破损故障进行了仿真，输入刀具破损信号后，系统立刻自动加入换刀指令重新在原来的点上开始加工。以上实验证明了以PCWindows为平台开发ICNC是正确的。

表1