STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)工作流程自治協(xié)作型是既具備自治能力又具有協(xié)作能力的一種類型。它同樣對加工任務(wù)沒有選擇權(quán)，但可以通過協(xié)作機制與外界進行協(xié)商，主要包括物理層的協(xié)作、信息共享以及對加工任務(wù)或方案的協(xié)商等。全智能型是面向網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境而提出的一種類型。它本身作為網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境中的一個自主的智能體，既可以選擇加工方法，同時也可以對加工任務(wù)進行評估、談判并決定是否接受該任務(wù)。本文重點研究全智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)。全智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的主要工藝流程如所示，其步驟如下：基于STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)的工作流程（1）讀取STEP-NC文件。數(shù)控系統(tǒng)讀入STEP-NC文件后，將其翻譯為控制器內(nèi)部格式的數(shù)據(jù)，如C、C、Java等（具體由系統(tǒng)的編程語言確定，本文采用C）。這一過程稱為STEP-NC程序的解釋，相應(yīng)的功能模塊則稱為解釋器。

　　（2）信息提取。進行文件頭段、數(shù)據(jù)段（制造信息主要包括特征信息、工藝信息、工作方案、幾何信息）信息的提取。

　　（3）工藝規(guī)劃。提取信息后，執(zhí)行工藝規(guī)劃。

　　數(shù)控編程階段的工藝規(guī)劃通常為離線規(guī)劃或外部規(guī)劃。對于智能型STEP-NC控制器，僅具有這種基本的現(xiàn)場規(guī)劃能力尚不足以實現(xiàn)動態(tài)規(guī)劃、智能控制以及數(shù)據(jù)的回溯等，本文提出離線規(guī)劃、在線規(guī)劃和實時規(guī)劃三層規(guī)劃數(shù)控加工模式。

　　STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)各模塊之間既相互獨立，又相互關(guān)聯(lián)，需要頻繁地進行信息交互，彼此之間還需要密切的相互協(xié)作。多智能體技術(shù)提供了一個很好的實現(xiàn)策略。多智能體系統(tǒng)（multi-agentsystem，MAS）是由多個可計算的智能體組成的集合，其中每個智能體是一個物理的或抽象的實體，能作用于自身和環(huán)境，并與其他智能體通信。MAS重點強調(diào)各Agent成員之間合作解決問題的能力，包括任務(wù)的分配和管理、協(xié)同的方式與方法、沖突的檢測與消解、資源的分配與管理等。在多Agent系統(tǒng)理論中，各Agent之間的協(xié)調(diào)和協(xié)作是解決問題的關(guān)鍵，各Agent之間必須通過通信來交換信息，這些信息包括目標(biāo)、意圖、結(jié)果和狀態(tài)等。MAS具有自主性、分布性、協(xié)調(diào)性，并具有自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力。采用MAS解決實際應(yīng)用問題，具有很強的魯棒性和可靠性，并具有較高的問題求解效率。MAS通過采用各智能體間的通信、合作、協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理及控制來表達實際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及行為特性，為各種實際問題提供了一種統(tǒng)一的框架<6>.

　　STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的每個功能模塊都可單獨構(gòu)成一個獨立的Agent，當(dāng)它們共同協(xié)作完成同一個目標(biāo)時，則具有多Agent的特征。單個Agent在完成自身任務(wù)的同時，又能和多個Agent協(xié)同作業(yè)，共同實現(xiàn)總目標(biāo)。此外，作為新一代機床控制器，STEP-NC智能控制器的體系結(jié)構(gòu)還必須考慮CNC技術(shù)的發(fā)展趨勢。系統(tǒng)應(yīng)符合開放式數(shù)控的要求，采用模塊化、軟件化和開放式結(jié)構(gòu)，從體系結(jié)構(gòu)上保證其開放性和可重構(gòu)性，便于開發(fā)商或者是用戶對其重新配置，使其無須作大的改動便可以適應(yīng)某一特殊加工任務(wù)或者新的控制要求。與專用數(shù)控硬件平臺相比，PC平臺具有硬件可靠、集成度高、軟件資源豐富、開發(fā)調(diào)試環(huán)境良好、軟硬件升級快、開發(fā)周期短、維護擴展方便、性能價格比高等特點，為開發(fā)高性能數(shù)控系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)立足于PC軟硬件環(huán)境。所有功能模塊都應(yīng)采用運行于PC平臺和*常用操作系統(tǒng)環(huán)境下的軟件實現(xiàn)。STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)不應(yīng)僅當(dāng)作傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)在功能方面的擴展，應(yīng)將其決策和控制任務(wù)作為一個統(tǒng)一整體對待，從運行機制、基礎(chǔ)算法方面等保證系統(tǒng)與STEP-NC數(shù)據(jù)模型的協(xié)調(diào)性。結(jié)合以上要求，本文提出基于多智能體智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，如所示。整個系統(tǒng)由12個不同功能的Agent組成。

　　基于多智能體STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（1）解釋Agent.讀入的STEP-NC文件轉(zhuǎn)換成控制器內(nèi)部格式的數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫。

　　（2）工藝規(guī)劃Agent.實現(xiàn)特征轉(zhuǎn)換、資源選擇和工藝條件的確定；根據(jù)受控機床的具體狀況，確定*優(yōu)方案及具體參數(shù)（每個工步的工藝規(guī)劃或優(yōu)化、工步的連續(xù)化、工步排序和總體方案的優(yōu)化等）。

　　（3）刀具路徑規(guī)劃Agent.根據(jù)加工特征、操作、以及加工策略等信息生成每一個工作步驟的刀位軌跡。

　　（4）仿真Agent.利用從STEP-NC加工程序中提取的幾何信息和工藝信息進行系統(tǒng)建模和加工仿真；采用基于特征的建模技術(shù)建立系統(tǒng)模型，按照工步的方式實現(xiàn)加工過程的動態(tài)仿真。

　　典型模塊的實現(xiàn)上述12個功能Agent模塊的開發(fā)是實現(xiàn)智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，本文僅以解釋Agent和工藝規(guī)劃Agent為例，說明其實現(xiàn)的具體原理和方法。

　　解釋AgentSTEP-NC數(shù)控程序是根據(jù)ISO10303-21編寫的文本文件，主要包括文件頭段和數(shù)據(jù)段兩部分。文件頭段是對文件的管理信息、編程標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容的說明。數(shù)據(jù)段以project語句為切入點，根據(jù)ISO14649標(biāo)準(zhǔn)描述具體的幾何信息和工藝信息。為了便于數(shù)據(jù)處理功能的實現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)讀取數(shù)控程序時通常需要將其翻譯為內(nèi)部數(shù)據(jù)格式。基于ROSEC早聯(lián)編方式的STEP-NC程序解釋（翻譯）實現(xiàn)工藝流程如所示。

　　上部的虛線框表示了從EXPRESS模式向C類和數(shù)據(jù)字典的轉(zhuǎn)化過程。其中，Integrated_CNC_schema.exp為AP-238模型（AIM），通過編譯器生成ROSE格式的數(shù)據(jù)字典和對應(yīng)C類的定義。下部的虛線框表示開發(fā)環(huán)境和工具。中部虛線框給出數(shù)據(jù)翻譯的基本流程，STEP-NC文件通過輸入輸出模塊讀入內(nèi)存，然后數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換模塊按照SDAI方式（不是標(biāo)準(zhǔn)的SDAI）按需要提取其中的信息。內(nèi)存文件以ROSE工作單的形式存在，一般包括頭段、數(shù)據(jù)段和系統(tǒng)段。前兩段分別與物理文件的頭段和數(shù)據(jù)段相對應(yīng)；系統(tǒng)段是ROSE工作單文件特有的，主要記錄ROSE名稱索引以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫的信息（可通過RoseDesign：：system_section方法獲取）。因此，中的輸入輸出必須符合ROSE要求。

　　工藝規(guī)劃Agent從本質(zhì)上講，以STEP-NC取代ISO6983不會影響到數(shù)控加工的工藝問題。但是，數(shù)據(jù)模型的差異決定了數(shù)控加工工藝的實現(xiàn)方式將產(chǎn)生很大的變化。傳統(tǒng)模式下的工藝問題基本上都是通過離線工藝規(guī)劃實現(xiàn)的；而STEP-NC模式則將與具體機床有關(guān)的工藝規(guī)劃問題留待現(xiàn)場解決，使得工藝規(guī)劃問題貫穿到了整個數(shù)控加工過程。針對智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的具體特點，本文提出離線規(guī)劃、在線規(guī)劃和實時規(guī)劃三級工藝規(guī)劃的策略。STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部所具有的規(guī)劃能力定義為現(xiàn)場規(guī)劃，數(shù)控編程階段的工藝規(guī)劃為離線規(guī)劃或外部規(guī)劃。對于智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)，僅具有這種基本的現(xiàn)場規(guī)劃能力尚不足以實現(xiàn)動態(tài)規(guī)劃、智能控制以及數(shù)據(jù)的回溯等功能。為此，本文又將現(xiàn)場規(guī)劃分為在線規(guī)劃和實時規(guī)劃。展示了STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)分層規(guī)劃模型。

　　STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)分層規(guī)則模型離線規(guī)劃包括從工藝分析到生成STEP-NC數(shù)據(jù)文件的過程，主要任務(wù)可概括為3個方面：特征轉(zhuǎn)換、資源選擇和工藝條件的確定。特征轉(zhuǎn)換指設(shè)計特征向STEP-NC制造特征（包括幾何特征、工藝要求等）的轉(zhuǎn)換；資源選擇主要指機床型號、刀具型號等的選擇；工藝條件的確定主要指基本工藝流程、基本技術(shù)要求（切削方式、切削液等）的確定。離線規(guī)劃的*終結(jié)果為STEP-NC數(shù)控程序。在線規(guī)劃的基本任務(wù)是在STEP-NC數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行細(xì)化，并根據(jù)受控機床的具體情況進行優(yōu)化。在線規(guī)劃的*終結(jié)果是在當(dāng)前條件下的*優(yōu)方案及具體參數(shù)。一般地，可以將其理解為現(xiàn)場規(guī)劃中靜態(tài)任務(wù)的規(guī)劃，在智能型STEP-NC控制器中由規(guī)劃Agent負(fù)責(zé)，包括每個工步的工藝規(guī)劃或優(yōu)化、工步的連續(xù)化、工步排序和總體方案的優(yōu)化等。實時規(guī)劃的主要任務(wù)包括兩方面：一是在每個工步執(zhí)行之前實時地生成刀具路徑及相應(yīng)的控制指令（運動指令、換刀指令、切削液開關(guān)指令等）；二是根據(jù)機床的運行狀況在一定范圍內(nèi)調(diào)整工藝參數(shù)。前者一般由控制模塊（或加工Agent）單獨解決；后者一般通過控制模塊和規(guī)劃模塊的協(xié)作來實現(xiàn)，但也可以由控制模塊單獨解決。之所以將STEP-NC控制器的規(guī)劃問題分為在線規(guī)劃和實時規(guī)劃并將生成刀軌放在實時規(guī)劃階段，主要的原因是：數(shù)控加工具有實時性要求，因此一般性的規(guī)劃問題應(yīng)在啟動數(shù)控加工循環(huán)之前進行；數(shù)控加工中有許多事先不能預(yù)料的問題，數(shù)據(jù)不能過早地分解為控制代碼，否則將無法實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的動態(tài)規(guī)劃、智能控制以及數(shù)據(jù)的回溯等功能。

　　原型系統(tǒng)的實現(xiàn)基于多智能體STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，本課題組正在開發(fā)基于STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)原型系統(tǒng)，整個系統(tǒng)是在VC和ST-Developer集成環(huán)境下開發(fā)的，運行于PC平臺。部分功能模塊已經(jīng)被實現(xiàn)，基本上實現(xiàn)了STEP-NC程序的解釋翻譯和現(xiàn)場編輯功能，并提供了一個現(xiàn)場工藝規(guī)劃和仿真的支持平臺。展示了數(shù)控程序的編輯環(huán)境。在此環(huán)境下可以打開、編輯和保存STEP-NC文件，并可以在此環(huán)境下直接編寫新的STEP-NC程序，但目前該系統(tǒng)還沒有提供完善的現(xiàn)場編程輔助功能。打開文件時系統(tǒng)能夠自動從文件格式和語法方面進行合法性檢查。如果合法，系統(tǒng)可以顯示工件的幾何形狀（通過ST-Viewer的自動化技術(shù)實現(xiàn)）。

　　數(shù)控程序編輯與圖形化顯示界面5結(jié)論通過對基于STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)工藝流程的分析，指出STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)各模塊之間既相互獨立，又相互關(guān)聯(lián)，需要頻繁地進行信息交互，彼此之間需要密切的相互協(xié)作，以期完成STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)的各項功能要求。多智能體技術(shù)提供了一個很好實現(xiàn)的策略。本文建立了基于多智能體STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)由解釋Agent、工藝規(guī)劃Agent、監(jiān)控Agent和決策Agent等12個不同功能的Agent組成。各Agent之間相互協(xié)作，共同實現(xiàn)STEP-NC智能控制器的各種功能。以系統(tǒng)中的兩個典型模塊解釋Agent和工藝規(guī)劃Agent為例，闡述了其實現(xiàn)的具體方法。針對智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的具體特點，本文提出離線規(guī)劃、在線規(guī)劃和實時規(guī)劃三級工藝規(guī)劃的策略。目前基于STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)的研究在國際還處于起步階段，許多問題尚未有定論，本文提出一種構(gòu)建智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的策略和方法，僅是對基于STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)的研究作了初步的探索。許多問題還有待于深化。