人工智能技术在数控CAPP系统中的应用

农安锋

摘要：数控加工技术在人机智能研究中具有显著作用。根据人机一体化的基本思想，提出了人机智能数控CAPP系统。着重阐述了人机智能数控CAPP系统中的数控加工工艺设计模块、人机智能化决策模块和数控加工方法模块等组成部分。通过人机决策任务分配，将适合于计算机的决策任务交给计算机去做；将适合于人的决策任务交给人去做；适合于人机协同决策将共同完成。在人机智能数控CAPP系统中，数控加工工艺的知识获取，采取人主机辅的策略；数控在线检测系统，采用“机主人辅”策略实现；数控加工过程仿真等技术要人机智能决策来实现。人机智能数控CAPP系统具有人机交互功能、工艺规划的实时智能技术和实用性强等特点。

关键词：人工智能；数控CAPP系统；应用

随着人工智能技术的发展，数控技术不断采用计算机及控制理论等领域的最新技术，朝着高速、智能化、高柔性化及信息网络化等方向发展。智能化数控系统具有拟人智能特征，在数控系统中具有模拟、延伸、扩展的智能行为的知识处理活动。由于数控机床是一种高效的自动化机床，数控加工设计复杂，价格昂贵，为了实现加工的稳定性，同时又要保证质量和安全，必须将人工智能技术引入到 CAPP系统中来。

1 CAPP系统功能及结构

计算机辅助工艺设计（CAPP：Computer AidedProcessPlanning）是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（图形）和加工工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。CAPP属于工程分析与设计的范畴，是重要的生产准备工作之一。CAPP上接计算机辅助设计（CAD），下连计算机辅助制造（CAM），是设计与制造的中间环节，CAPP是实现CAD/CAPP/CAM系统集成的关键。目前的CAPP系统的工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。 CAPP系统基本的构成模块如图1所示。

2 关键技术研究

2.1 数控系统在线检测

数控系统的在线监测主要是利用數控系统的监控检测装置，实时监测工件、刀具、冷却、排屑、润滑等情况，为数据库提供时间驱动调度和资源分配算法，保证数控加工的正常运行。在线监测的内容包括：①在加工之前，检测内容包括工件、工装的自动定位，工件坐标系及工件尺寸。②在加工过程中，检测刀具的受力情况、磨损状态及机床加工的稳定性状态。③在加工结束后，对加工超差报警的记录进行检测，并进行分析。在面向数控加工的 CAPP 系统中，以人机交互式为基础，以知识库为核心，并采用动态知识获取等多种获取方式，形成人机智能化CAPP 系统框架，满足企业对 CAPP 广泛应用与集成的需求。

2.2人机交互感知技术

人机交互技术与认知心理学、人机工程学、多媒体技术和虚拟现实技术密切相关。在数控 CAPP系统中，人机交互技术主要是工艺设计人员与计算机的交互感知，主要体现在以下三方面：①工艺设计人员通过感觉器官感知制造系统内部和外部的各种信息，为零件的初始工艺设计及之后的工艺规程修改提供依据；②计算机通过扫描仪、传感器等物理设备感知图纸、零件及数控机床在运行过程中的相关信息，并对其归纳整理，从中提取所需的信息为工艺设计所用；③计算机利用 CIMS集成系统感知有关工艺设计的信息，并对获取的信息进行加工处理，然后将其传输给工艺设计人员。通过人机交互感知，使系统获得更准确及更可靠的工艺设计信息。

2.3 知识获取

知识获取是将人类专家的知识转换为专家系统知识库中的知识。现代数控加工是一个基于知识和获取知识的过程。在数控 CAPP 系统中，知识获取的主要途径有人工知识获取、半自动化知识获取和自动知识获取。有些工艺知识比较复杂，如工序的选择、特殊工序的安排、定位装夹方案等，因为其具有较强的模糊性，因此采取“以人为主，机器为辅”的原则，实现知识获取。自动知识获取主要是利用系统中的工艺知识库进行自动获取。同时，知识库也需要不断进行更新，进而不断完善丰富知识。

3 知识库的建立和管理

在面向数控的 CAPP 系统中，智能决策模块主要通过工艺知识库、工艺决策方法库及综合知识库完成各种任务决策。系统中的知识库包括工艺设计规则库和工艺设计数据库。

3.1 工艺设计规则库及数据库

工艺设计规则库存放的是与工艺设计相关的、包括数控加工尺寸精度的确定、数控加工工序安排、数控机床的选型、特殊数控加工工艺流程等操作规则。而工艺设计数据库主要是为处理后的数据提供存放空间。在工艺设计中，这些数据是属于基础数据，可直接新建数据库，也可以从原有的外部文件中导入。

3.2知识库的管理

知识库的管理工作主要由 CAPP 系统来完成。知识库的管理分为知识库的测试和修改两个方面。知识库的修改指的是当系统应用环境改变时，用户可以通过修改知识库的方式对知识库进行增删或修改。而测试指的是在运行实例中发现知识库的缺陷，并通过相关措施加以修改，以确保系统的正常运行。

4系统实现

人机智能数控 CAPP 系统的以人机交互技术为基础，结合实时智能技术，完成数控加工的工艺设计。具体内容包括工艺设计知识库、工艺决策方法库及加工资源库等。具体如下：（1）工艺设计知识库。本系统的工艺设计采用交互式工艺设计的方式，系统提供了工艺设计向导以辅助用户进行工艺设计加工，并创建数控加工 BOM 树，工艺设计向导只保存最终的方案。它提供了工艺设计资料的查询功能；为了满足实际使用，需要对系统知识库进行增删等操作；此外系统还能够对报表进行输出，打印各类工艺文件，包括各种工艺管理文件及工艺过程卡等。（2）工艺决策方法库。工艺决策方法库的管理包括对工艺决策方法的内容进行浏览及维护。常用的维护方式包括更新数据、删除数据及增加数据等。（3）加工资源库。加工资源库主要爱用于存储数控加工制造信息。具体来说，它包括材料信息，加工工艺操作流程，工艺术语，刀具、夹具、量具辅具等。

5 结语

对于CAPP系统的发展，应采取以人为中心，人机一体的技术路线，建立一种新型的面向人的CAPP人机一体化智能系统。人与计算机相互合作，各自执行自己最擅长的工作。人类智能与人工智能相互补充，共同感知，共同思维、协同决策，以合理的代价实现较高的智能，使CAPP系统达到最佳的经济目标和最佳的整体效益。

参考文献：

[1]刘丽，殷国富，张桂花，等.面向数控的人机智能CAPP系统研究[J].机械， 2008（7）.

[2]肖伟跃.基于知识的人机智能化CAPP系统研究[J].湖南文理学院学报（自科版），2004（3）.

[3]马楚又，封志明.人工智能技术在数控CAPP系统中的应用[J].中小企业管理与科技，2011（36）.