任务级智能数控理论与关键技术的研究

This project regards the intelligent STEP-NC-based CNC system as the research object. With the combination of the theories of artificial intelligence and STEP-NC , it will adopt open thoughts to deeply and systematically work on basic problems about the architecture, information extraction, intelligent nonlinear process planning, automatic tool-path planning and the hardware structure of the task-level intelligent CNC system. The main research is described as follows:(1)the development of the architecture of the intelligent STEP-NC numerical control system and the analysis of its key technologies;(2)the operating system-independent information extraction and display for STEP-NC program;(3) the NNES and genetic algorithm-based intelligent nonlinear process planning;(4)the knowledge repository-based automatic tool path generation; (5)the structure of the PMAC-based open hardware system, the mapping relationships between STEP-NC data and PMAC instructions, the communication between IPC and PMAC, as well as the development of the prototype system and its experiments. This project not only provides technical supports for future development of the networked, integrated and intelligent manufacturing system, also provides positive references for further research , improvement and implementation of STEP-NC theory.

本项目以智能化STEP-NC数控系统为研究目标，采用开放式思想，结合人工智能理论与技术对任务级智能数控系统的体系结构、信息提取、非线性工艺规划的智能性、路径规划的自动化以及硬件结构等方面的基本问题进行了深入系统的研究。主要研究工作为：（1）构建智能化STEP-NC数控系统的体系结构和分析需要解决的关键技术；（2）独立于计算机操作系统的STEP-NC数控程序的信息提取与显示；（3）基于神经网络专家系统和遗传算法的智能化非线性工艺规划；（4）基于知识库的刀具路径自动生成；（5）基于PMAC运动控制卡的开放式硬件结构、STEP-NC数据与 PMAC加工指令的映射、上位机与PMAC的通信以及原型系统的开发、构建和实验。本项目的研究不仅为实现未来智能化、网络化和集成化的现代化制造系统提供技术支持，而且对于STEP-NC理论的进一步研究、完善和实施具有积极的参考意义。

为了满足现代制造业的迫切需求，提出了开放式智能化STEP-NC数控系统并对其关键技术进行了研究。结合数控技术发展的现状和趋势，提出了开放式智能化STEP-NC数控系统的设计原则和开发策略，并构建了开放式智能化STEP-NC数控系统的体系结构，该新型体系结构的提出为数控系统的功能和硬件的开放性、智能性及与CAD/CAPP/CAM集成提供了解决模式。 在分析了STEP-NC数控程序的特点和标准描述语言EXPRESS的特性基础上，给出了XML格式STEP-NC程序的信息提取方法和基于制造特征的工件建模方法，并开发了独立于操作系统的STEP-NC程序解释器。在对专家系统和神经网络系统智能理论分析研究的基础上，构建了基于STEP-NC和遗传算法的神经网络专家系统的工艺规划平台的基本构架，提出了基于改进的BP神经网络的知识获取和推理方法。而且，采用EXPRESS-G语言建立了与STEP-NC兼容的通用数控机床模型，并以关系型数据库为平台建立以制造特征为核心的面向STEP-NC的工艺知识库，开发了智能工艺规划模块。这不仅解决了目前存在的数控机床模型的使用范围的局限性，为实施基于STEP-NC的制造、仿真以及完成工艺规划，特别是车间级的工艺规划提供机床数据，而且简化了工艺知识的获取过程，提高了工艺规划的自动化和智能化。在对STEP-NC数据模型和程序结构分析的基础上，提出了基于工步和制造特征的刀具路径规划方法，并开发了刀具路径自动生成模块。根据STEP-NC数据模型和PMAC指令，建立了STEP-NC实体与 PMAC加工指令映射关系。而且，应用研华工控机IPC-610H、PMAC PCI Lite运动控制卡、AKD驱动器和AKM电机等搭建了实验平台，结合PMAC运动控制卡的PComm32动态链接库动态链接库中的函数，开发了开放式数控系统软件，并进行了实验。