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。它同樣對加工任務沒有選擇權，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或方案的協(xié)商等。全智能型是面向網(wǎng)絡制造環(huán)境而提出的一種類型。它本身作為網(wǎng)絡制造環(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進行評估、談判并決定是否接受該任務。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)的體系結構STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)各模塊之間既相互獨立，又相互關聯(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重點強調各Agent成員之間合作解決問題的能力，包括任務的分配和管理、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)調和協(xié)作是解決問題的關鍵，各Agent之間必須通過通信來交換信息，這些信息包括目標、意圖、結果和狀態(tài)等。MAS具有自主性、分布性、協(xié)調性，并具有自組織能力、學習能力和推理能力。采用MAS解決實際應用問題，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、調度、管理及控制來表達實際系統(tǒng)的結構、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成一個獨立的Agent，當它們共同協(xié)作完成同一個目標時，則具有多Agent的特征。單個Agent在完成自身任務的同時，又能和多個Agent協(xié)同作業(yè)，共同實現(xiàn)總目標。此外，作為新一代機床控制器，STEP-NC智能控制器的體系結構還必須考慮CNC技術的發(fā)展趨勢。系統(tǒng)應符合開放式數(shù)控的要求，采用模塊化、軟件化和開放式結構，從體系結構上保證其開放性和可重構性，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某一特殊加工任務或者新的控制要求。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。STEP-NC智能數(shù)控系統(tǒng)應立足于PC軟硬件環(huán)境。所有功能模塊都應采用運行于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)不應僅當作傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)在功能方面的擴展，應將其決策和控制任務作為一個統(tǒng)一整體對待，從運行機制、基礎算法方面等保證系統(tǒng)與STEP-NC數(shù)據(jù)模型的協(xié)調性。結合以上要求，本文提出基于多智能體智能型STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的體系結構，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)的體系結構（1）解釋Agent.讀入的STEP-NC文件轉換成控制器內部格式的數(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)的基礎和關鍵，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、編程標準等內容的說明。數(shù)據(jù)段以project語句為切入點，根據(jù)ISO14649標準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存，然后數(shù)據(jù)提取轉換模塊按照SDAI方式（不是標準的SDAI）按需要提取其中的信息。內存文件以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；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，主要任務可概括為3個方面：特征轉換、資源選擇和工藝條件的確定。特征轉換指設計特征向STEP-NC制造特征（包括幾何特征、工藝要求等）的轉換；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、基本技術要求（切削方式、切削液等）的確定。離線規(guī)劃的*終結果為STEP-NC數(shù)控程序。在線規(guī)劃的基本任務是在STEP-NC數(shù)據(jù)的基礎上進行細化，并根據(jù)受控機床的具體情況進行優(yōu)化。在線規(guī)劃的*終結果是在當前條件下的*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)任務的規(guī)劃，在智能型STEP-NC控制器中由規(guī)劃Agent負責，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的控制指令（運動指令、換刀指令、切削液開關指令等）；二是根據(jù)機床的運行狀況在一定范圍內調整工藝參數(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)的體系結構，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的自動化技術實現(xiàn)）。

　　數(shù)控程序編輯與圖形化顯示界面5結論通過對基于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)的體系結構，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。