隨著信息化社會的到來，制造業(yè)已從單純依靠提高設備的自動化程度和加工精度占有市場，轉(zhuǎn)向以信息為基礎 ，從產(chǎn)品整個生命周期的大系統(tǒng)的角度來適應市場，滿足社會各方面需求，增強企業(yè)的競爭能力。發(fā)達國家紛紛投入巨資研究制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和相應的對策，從而提出了計算機集成制造、精良生產(chǎn)、靈捷制造、并行工程、智能制造等概念［1，2］。 這些概念從不同角度和層次展示了未來制造業(yè)應具有的特征，為企業(yè)的發(fā)展指明了方向。但這些制造模式的實現(xiàn)，必須建立在新型加工設備的基礎之上。因此，加工設備也要適應這種發(fā)展的變化，在不斷提高自動化水平的同時，注意整體、人和信息的因素，以信息為紐帶、人為中心，具有相對獨立性的智能化的加工設備，是未來發(fā)展的方向。
1 CNC的智能化
    智能制造模式的思想將系統(tǒng)各部分“濃縮”，系統(tǒng)由這些“濃縮”的智能體組成，每個智能體的結(jié)構(gòu)同系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相類似，1個智能體就是1個相對獨立的“細胞”，系統(tǒng)就由這些細胞分工協(xié)作組成。系統(tǒng)的規(guī)模可大可小，任何規(guī)模或任何層次的制造系統(tǒng)都由若干個完成不同任務的環(huán)節(jié)組成，各環(huán)節(jié)在獨立完成自身任務的同時，相互協(xié)作，共同完成制造任務。 
    要實現(xiàn)制造系統(tǒng)整體智能化，就要使組成制造系統(tǒng)的各個單元設備具有必要的智能。數(shù)控系統(tǒng)的智能化，首先要確定數(shù)控系統(tǒng)智能化的方向、層次及其智能表述。數(shù)控系統(tǒng)的智能化應從以下方面入手：
　　(1)任務規(guī)劃的智能化　是CNC將接受的任務，變?yōu)閿?shù)控機床隨環(huán)境的變化而不斷調(diào)整的目標任務。
　　(2)自我完善和提高的能力　表現(xiàn)為CNC獲取知識的能力，包含向?qū)＜覍W習，豐富和提高機器的“知識”結(jié)構(gòu)的能力和通過給定獎懲函數(shù)，自身提煉新知識的能力。
　　(3)自適應的人機界面　機器能夠適應不同的操作人員，提供不同的人機接口及充分的信息交換能力。
　　(4)加工過程的智能控制　通過對影響加工過程的因素和被控量的檢測及提取，快速實現(xiàn)目標的智能決策和控制。
　　(5)故障診斷智能化　快速確定故障的原因和部位，自動或指導排除故障。
2 CNC智能的分析
    ICNC同傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)重要的區(qū)別之一就在于它可參與任務規(guī)劃，承擔適合自己的加工任務，并能不斷調(diào)整目標任務。ICNC的任務規(guī)劃就是將任務進行分析、推理和決策，將其轉(zhuǎn)變 為自主完成目標或與其它智能單元合作完成的子任務分解。具體的任務集可用BNF范式來描述：
<任務集>::={任務列表}
<任務列表>::=<任務>|<任務列表><任務>
<任務>::=<標識號><零件描述><毛坯描述><輔助信息>
<零件描述>::=<幾何描述><工藝信息>
<輔助信息>::=<時間><零件個數(shù)>
<時間>::=<開始時間><理論完成時間><極限完成時間>
    發(fā)出者以廣播的形式向系統(tǒng)內(nèi)所有具有完成能力的智能單元發(fā)出任務通告，其中1個智能單元(W)接受了這個任務(T)，如果不能獨立完成，就將任務進行規(guī)劃并分解為T(T0,T1, T2,…)，同時將子任務進一步廣播出去，直到組成1個任務小組，合作完成這個任務，然后將回答信號報告給任務發(fā)出者(見圖1)。由于微處理器計算速度和應用水平的限制，目前把包含C AM/C APP的智能規(guī)劃集成到CNC中還有一定的困難，這部分工作可由離線的專用調(diào)度機來完成。

    CNC將自己承擔的任務進一步規(guī)劃成相關的有序事件組成的活動A。事件E是機器單獨的本原規(guī)則或活動，那么活動可以表示成A={ei,ej,ek,…}。1個活動可以由 許多組事件組合，CNC從中選擇1組最佳的事件組合，并在執(zhí)行過程中根據(jù)環(huán)境的變化隨時調(diào)整。例如在加工過程中，刀具破損時則必須重新更換刀具。這時CNC必須修改活動A的內(nèi)容 ，增加更換刀具的事件，而且還要彌補所耽誤的時間，保證按時完成任務。所以智能調(diào)度是 CNC智能化的1個重要方面。
    CNC知識的表達及獲取知識的能力是CNC智能化的基礎，常規(guī)的知識表示方法有多種，每一種方法都有其使用的范圍。數(shù)控機床是典型的機電一體化產(chǎn)品，知識的覆蓋面很廣，故障診斷知識以謂詞邏輯法表達為主。
    ICNC的重要特點是其具有獨立性，它反映系統(tǒng)對環(huán)境和自身變化的自律性，即系統(tǒng)對所出現(xiàn)的各種異常，自動調(diào)節(jié)自身的狀態(tài)，來保證系統(tǒng)目標的實現(xiàn)，在出現(xiàn)系統(tǒng)自身不能克服的 異常故障時，盡力消除不利影響防止異常擴大，保證系統(tǒng)安全，并將分析的結(jié)果報給上級。圖2是ICNC的最后環(huán)節(jié)伺服控制和診斷維修之間關系的原理框圖，傳感器采集環(huán)境和機床的信息，有關伺服控制的信息直接傳遞給智能伺服控制環(huán)節(jié)，其它信息傳遞給故障診斷模塊，故障診斷模塊對信息進行分析處理，將結(jié)果通知維修模塊，維修模塊對故障診斷結(jié)果進行判斷，如有故障，根據(jù)故障的類型通知任務分析模塊，任務分析模塊作出調(diào)整任務或終止伺服控制指令，維修模塊可進行自修復或給出維修指導。通過以上分析可知，ICNC中的故障維修專家系統(tǒng)直接參加CNC的加工控制，因而是具有實時性的智能環(huán)節(jié)，同傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)概念有所區(qū)別。

                                                                                  圖2 ICNC的診斷維修及位控框圖
    加工過程的智能控制實時性最強，一般控制在毫秒級完成，按照“智能隨精度增加而降低”(IPDI)原則［3］，在這一級上采用簡單快速的決策，以提高智能的實時性，實現(xiàn)高精度位置控制和過程I/O信號的處理。常規(guī)的CNC機床刀具位置和進給速度都是預先編程好的，因此，這種方法是以減小切削用量從而保證加工質(zhì)量和可靠性及安全性為出發(fā)點，所以是趨于保守的。采用智能化的自適應控制，在保證提高精度的前提下，通過改變進給速度來控制切削力，以獲得最佳的加工效益。
3 智能CNC的實現(xiàn)
    開放式軟硬件平臺是數(shù)控系統(tǒng)智能化的1個重要表現(xiàn)，ICNC硬件系統(tǒng)必須是標準化開放式的 系統(tǒng)，軟件支持系統(tǒng)必須豐富，且具有實時多任務特性。筆者及其課題組在工業(yè)控制機(IPC )上以DOS為軟件平臺開發(fā)成功“陜西一號”數(shù)控系統(tǒng)的基礎上，以高檔IPC和Windows為軟件平臺，對開發(fā)新型智能化數(shù)控系統(tǒng)進行了原型系統(tǒng)的開發(fā)工作。
    系統(tǒng)按Saridis提出的分級遞階智能控制結(jié)構(gòu)組織［4］，分為組織層、協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層（見圖3）。組織層完成和外界系統(tǒng)的交互，參與智能制造系統(tǒng)中任務的規(guī)劃協(xié)調(diào) 、任務的本地規(guī)劃、通訊管理以及人機交互。協(xié)調(diào)層將分解分段后的任務轉(zhuǎn)化成可供執(zhí)行層 執(zhí)行的動作序列。執(zhí)行層完成初步的診斷維護工作和保證正確完成加工控制。為了實現(xiàn)這種體系結(jié)構(gòu)的ICNC系統(tǒng)，我們在Windows95操作系統(tǒng)的基礎上，以面向?qū)ο缶幊陶Z言VI SUALC++、ODBC數(shù)據(jù)接口及匯編語言混合編程，硬件平臺采用“IPC+運動控制卡+I/O接口卡”方式組成，這樣就快速地建立起符合開放性智能化數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)平臺。


     圖3 ICNC結(jié)構(gòu)框圖
3.1 實時多任務的實現(xiàn)
    數(shù)控系統(tǒng)是典型的實時多任務控制系統(tǒng)，我們以軟硬結(jié)合的方式來實現(xiàn)數(shù)控的實時性。插補位控模塊是數(shù)控系統(tǒng)中實時性要求最高的任務，為了減輕PC的工作負擔，保障系統(tǒng)的實時性，采用帶有DSP芯片的運動控制卡完成，插補位控周期達1ms，保障了系統(tǒng)的實時性，從而可滿足現(xiàn)代模具等復雜曲面微小程序段的高速加工，PC和運動控制卡的通信通過雙端口RAM實現(xiàn)，其中控制軸數(shù)、聯(lián)動方式和插補位控周期可由用戶設定。控制器（包括任務管理、軟件插補和邏輯控制）也是實時性要求很高的任務，通常以定時中斷方式實現(xiàn)，為了保證軟件的開放性，我們采用WindowsAPI提供的多媒體定時中斷來實現(xiàn)控制器功能。其它任務利用Windows支持搶占式多任務特性，以線程的方式實現(xiàn)，下表列出了任務和實現(xiàn)的策略。


3.2 基于網(wǎng)絡的協(xié)作規(guī)劃
    實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡采用對等網(wǎng)絡的概念實現(xiàn)，ICNC和PC通過以太網(wǎng)卡經(jīng)HUB連接在一起。Windo ws95操作系統(tǒng)本身就可進行網(wǎng)絡配置和管理，在ICNC中以數(shù)據(jù)庫的形式建立公共通訊區(qū)，其它PC可通過操作ICNC中的數(shù)據(jù)庫向其發(fā)出任務指令，ICNC可根據(jù)指令進行相應的處理，并將處理結(jié)果返回給發(fā)出者，從而完成協(xié)作任務。
3.3 總結(jié)與展望
    本系統(tǒng)在實現(xiàn)基本數(shù)控系統(tǒng)功能的基礎上對ICNC的協(xié)作規(guī)劃和故障診斷進行了初步的實驗研究，實現(xiàn)了在對等網(wǎng)絡的基礎上進行加工任務的協(xié)作分配，進一步可擴展到Internet上。由于計算速度上的原因，為了進行實時性的故障診斷，知識庫進行分級和簡化，將實時性要求高和會造成事故的故障放在第一級，這樣可立刻得到處理結(jié)果。對刀具破損故障進行了仿真，輸入刀具破損信號后，系統(tǒng)立刻自動加入換刀指令重新在原來的點上開始加工。以上實驗證明了以PCWindows為平臺開發(fā)ICNC是正確的。