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(lèi)型。它同樣對(duì)加工任務(wù)沒(méi)有選擇權(quán)，但可以通過(guò)協(xié)作機(jī)制與外界進(jìn)行協(xié)商，主要包括物理層的協(xié)作、信息共享以及對(duì)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(lèi)型。它本身作為網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境中的一個(gè)自主的智能體，既可以選擇加工方法，同時(shí)也可以對(duì)加工任務(wù)進(jìn)行評(píng)估、談判并決定是否接受該任務(wù)。本文重點(diǎn)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(yǔ)言確定，本文采用C）。這一過(guò)程稱(chēng)為STEP-NC程序的解釋?zhuān)鄳?yīng)的功能模塊則稱(chēng)為解釋器。

　　（2）信息提取。進(jìn)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(xiàn)規(guī)劃或外部規(guī)劃。對(duì)于智能型STEP-NC控制器，僅具有這種基本的現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃能力尚不足以實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(xiàn)規(guī)劃、在線(xiàn)規(guī)劃和實(shí)時(shí)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(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)，需要頻繁地進(jìn)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(gè)很好的實(shí)現(xiàn)策略。多智能體系統(tǒng)（multi-agentsystem，MAS）是由多個(gè)可計(jì)算的智能體組成的集合，其中每個(gè)智能體是一個(gè)物理的或抽象的實(shí)體，能作用于自身和環(huán)境，并與其他智能體通信。MAS重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)各Agent成員之間合作解決問(wèn)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(cè)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(wèn)題的關(guān)鍵，各Agent之間必須通過(guò)通信來(lái)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(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，具有很強(qiáng)的魯棒性和可靠性，并具有較高的問(wèn)題求解效率。MAS通過(guò)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(lái)表達(dá)實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及行為特性，為各種實(shí)際問(wèn)題提供了一種統(tǒng)一的框架<6>.

　　STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的每個(gè)功能模塊都可單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的Agent，當(dāng)它們共同協(xié)作完成同一個(gè)目標(biāo)時(shí)，則具有多Agent的特征。單個(gè)Agent在完成自身任務(wù)的同時(shí)，又能和多個(gè)Agent協(xié)同作業(yè)，共同實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)。此外，作為新一代機(jī)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(shì)。系統(tǒng)應(yīng)符合開(kāi)放式數(shù)控的要求，采用模塊化、軟件化和開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，從體系結(jié)構(gòu)上保證其開(kāi)放性和可重構(gòu)性，便于開(kāi)發(fā)商或者是用戶(hù)對(duì)其重新配置，使其無(wú)須作大的改動(dòng)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(zhuān)用數(shù)控硬件平臺(tái)相比，PC平臺(tái)具有硬件可靠、集成度高、軟件資源豐富、開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境良好、軟硬件升級(jí)快、開(kāi)發(fā)周期短、維護(hù)擴(kuò)展方便、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，為開(kāi)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(yùn)行于PC平臺(tái)和*常用操作系統(tǒng)環(huán)境下的軟件實(shí)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(kuò)展，應(yīng)將其決策和控制任務(wù)作為一個(gè)統(tǒng)一整體對(duì)待，從運(yùn)行機(jī)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(gè)系統(tǒng)由12個(gè)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(kù)。

　　（2）工藝規(guī)劃Agent.實(shí)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(jī)床的具體狀況，確定*優(yōu)方案及具體參數(shù)（每個(gè)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(gè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真。

　　典型模塊的實(shí)現(xiàn)上述12個(gè)功能Agent模塊的開(kāi)發(fā)是實(shí)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(shuō)明其實(shí)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(xiě)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(duì)文件的管理信息、編程標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容的說(shuō)明。數(shù)據(jù)段以project語(yǔ)句為切入點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)讀取數(shù)控程序時(shí)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?zhuān)ǚg）實(shí)現(xiàn)工藝流程如所示。

　　上部的虛線(xiàn)框表示了從EXPRESS模式向C類(lèi)和數(shù)據(jù)字典的轉(zhuǎn)化過(guò)程。其中，Integrated_CNC_schema.exp為AP-238模型（AIM），通過(guò)編譯器生成ROSE格式的數(shù)據(jù)字典和對(duì)應(yīng)C類(lèi)的定義。下部的虛線(xiàn)框表示開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具。中部虛線(xiàn)框給出數(shù)據(jù)翻譯的基本流程，STEP-NC文件通過(guò)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(duì)應(yīng)；系統(tǒng)段是ROSE工作單文件特有的，主要記錄ROSE名稱(chēng)索引以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息（可通過(guò)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(huì)影響到數(shù)控加工的工藝問(wèn)題。但是，數(shù)據(jù)模型的差異決定了數(shù)控加工工藝的實(shí)現(xiàn)方式將產(chǎn)生很大的變化。傳統(tǒng)模式下的工藝問(wèn)題基本上都是通過(guò)離線(xiàn)工藝規(guī)劃實(shí)現(xiàn)的；而STEP-NC模式則將與具體機(jī)床有關(guān)的工藝規(guī)劃問(wèn)題留待現(xiàn)場(chǎng)解決，使得工藝規(guī)劃問(wèn)題貫穿到了整個(gè)數(shù)控加工過(guò)程。針對(duì)智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，本文提出離線(xiàn)規(guī)劃、在線(xiàn)規(guī)劃和實(shí)時(shí)規(guī)劃三級(jí)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(chǎng)規(guī)劃，數(shù)控編程階段的工藝規(guī)劃為離線(xiàn)規(guī)劃或外部規(guī)劃。對(duì)于智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)，僅具有這種基本的現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃能力尚不足以實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(chǎng)規(guī)劃分為在線(xiàn)規(guī)劃和實(shí)時(shí)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(xiàn)規(guī)劃包括從工藝分析到生成STEP-NC數(shù)據(jù)文件的過(guò)程，主要任務(wù)可概括為3個(gè)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(jì)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(jī)床型號(hào)、刀具型號(hào)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(xiàn)規(guī)劃的*終結(jié)果為STEP-NC數(shù)控程序。在線(xiàn)規(guī)劃的基本任務(wù)是在STEP-NC數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化，并根據(jù)受控機(jī)床的具體情況進(jìn)行優(yōu)化。在線(xiàn)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(chǎng)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(gè)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(shí)時(shí)規(guī)劃的主要任務(wù)包括兩方面：一是在每個(gè)工步執(zhí)行之前實(shí)時(shí)地生成刀具路徑及相應(yīng)的控制指令（運(yùn)動(dòng)指令、換刀指令、切削液開(kāi)關(guān)指令等）；二是根據(jù)機(jī)床的運(yùn)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(dú)解決；后者一般通過(guò)控制模塊和規(guī)劃模塊的協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，但也可以由控制模塊單獨(dú)解決。之所以將STEP-NC控制器的規(guī)劃問(wèn)題分為在線(xiàn)規(guī)劃和實(shí)時(shí)規(guī)劃并將生成刀軌放在實(shí)時(shí)規(guī)劃階段，主要的原因是：數(shù)控加工具有實(shí)時(shí)性要求，因此一般性的規(guī)劃問(wèn)題應(yīng)在啟動(dòng)數(shù)控加工循環(huán)之前進(jìn)行；數(shù)控加工中有許多事先不能預(yù)料的問(wèn)題，數(shù)據(jù)不能過(guò)早地分解為控制代碼，否則將無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)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(kāi)發(fā)基于STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)原型系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)是在VC和ST-Developer集成環(huán)境下開(kāi)發(fā)的，運(yùn)行于PC平臺(tái)。部分功能模塊已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)，基本上實(shí)現(xiàn)了STEP-NC程序的解釋翻譯和現(xiàn)場(chǎng)編輯功能，并提供了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工藝規(guī)劃和仿真的支持平臺(tái)。展示了數(shù)控程序的編輯環(huán)境。在此環(huán)境下可以打開(kāi)、編輯和保存STEP-NC文件，并可以在此環(huán)境下直接編寫(xiě)新的STEP-NC程序，但目前該系統(tǒng)還沒(méi)有提供完善的現(xiàn)場(chǎng)編程輔助功能。打開(kāi)文件時(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)從文件格式和語(yǔ)法方面進(jìn)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(guò)ST-Viewer的自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)）。

　　數(shù)控程序編輯與圖形化顯示界面5結(jié)論通過(guò)對(duì)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(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)，需要頻繁地進(jìn)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(xiàng)功能要求。多智能體技術(shù)提供了一個(gè)很好實(shí)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(gè)系統(tǒng)由解釋Agent、工藝規(guī)劃Agent、監(jiān)控Agent和決策Agent等12個(gè)不同功能的Agent組成。各Agent之間相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)STEP-NC智能控制器的各種功能。以系統(tǒng)中的兩個(gè)典型模塊解釋Agent和工藝規(guī)劃Agent為例，闡述了其實(shí)現(xiàn)的具體方法。針對(duì)智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，本文提出離線(xiàn)規(guī)劃、在線(xiàn)規(guī)劃和實(shí)時(shí)規(guī)劃三級(jí)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(guó)際還處于起步階段，許多問(wèn)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(duì)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(wèn)題還有待于深化。