王尚銀 賈軍 孫睿霞

人工智能加工中心機器人是由人工智能加工中心與智能機器人組合而成的智能制造系統(tǒng)，是先進制造技術(shù)的新模式。智能制造系統(tǒng)由人工智能加工中心、智能機器人、機械工程師和人工智能專家共同組成的有機整體；利用大數(shù)據(jù)進行分析、判斷、推理、構(gòu)思、決策和開放式信息處理；利用數(shù)控系統(tǒng)軟件和編程語言編寫程序來指令人工智能加工中心和智能機器人完成智能化加工的過程；是制造技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程與人工智能等學科相互滲透、相互交織而形成的一門綜合技術(shù)；將促進人工智能加工中心機器人的性能向著高精度、高速度、高柔性化和智能化方向發(fā)展。Python這一結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)的、面向?qū)ο缶幊痰哪_本語言，它的“膠水”特點和“網(wǎng)絡(luò)爬蟲”特點非常適合做人工智能加工中心機器人的編程語言。

機械制造業(yè)中的加工中心和工業(yè)機器人按照“互聯(lián)網(wǎng)+”這一指導(dǎo)思想，通過“互聯(lián)網(wǎng)+加工中心+工業(yè)機器人”組成的智能制造系統(tǒng)來實現(xiàn)機械制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。智能制造系統(tǒng)必須由人工智能加工中心、智能機器人、機械工程師和人工智能專家協(xié)調(diào)配合共同組成“互聯(lián)網(wǎng)+人+電腦+機器”一體化的智能制造體系，它在機械加工過程中能自動完成智能化的工作，如分析、判斷、推理、構(gòu)思、決策、掃描工件、選擇程序、自動識別、抓取工件、自動定位、安裝工件、啟動機床、自動加工、自動檢測、拆卸工件、自動復(fù)位等工作。通過擴展、延伸并部分的替代機械工程師和機械加工技師在制造過程中的腦力勞動和體力勞動；并且更加柔性化、智能化和高度集成化。這就需要人工智能專家和機械制造專家共同合作，利用數(shù)控系統(tǒng)軟件和編程語言編寫程序來指令人工智能加工中心機器人完成機械零件加工；這就要求數(shù)控系統(tǒng)硬軟件的工作性能必須滿足人工智能的要求。隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的滲透和拓展，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)具備了自適應(yīng)控制、模糊系統(tǒng)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制、自動反饋控制、學習控制、自動編程、自動生成工藝參數(shù)、三維刀具自動補償、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ?。人機界面采用面向?qū)ο蟮慕涣鞣椒?，實現(xiàn)人與機器機友好互動。人工智能加工中心故障診斷專家系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自診斷功能和故障監(jiān)控功能，隨時監(jiān)控人工智能加工中心機器人的工作狀態(tài)。人工智能伺服裝置的主軸驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主軸交流驅(qū)動；驅(qū)動裝置全部采用直線電機驅(qū)動系統(tǒng)；進給系統(tǒng)自動識別負載大小和自動調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)等功能。人工智能加工中心機器人的性能更加具備高精度、高速度、高柔性化，這必須有人工智能專家和機械工程師共同利用編程語言編寫的程序來實現(xiàn)。

一、人工智能加工中心

隨著計算機在人工智能領(lǐng)域開花結(jié)果，加工中心操作系統(tǒng)的圖形用戶界面更加方便非專業(yè)人員直接利用窗口菜單操作、藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、各投影方向視圖的局部顯示和比例縮放功能的應(yīng)用。計算機可視化高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不僅利用語言文字表達，還直接利用圖形、圖像、動畫等信息交流。數(shù)控系統(tǒng)可視化技術(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合拓展了無圖紙設(shè)計、虛擬樣機等應(yīng)用技術(shù)。這對縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具有更加重要意義。數(shù)控系統(tǒng)采用可視化技術(shù)如自動編程設(shè)計、參數(shù)自動設(shè)定、刀具補償和刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài)處理以及顯示加工過程的可視化仿真演示等。工藝系統(tǒng)的智能化具備刀具自動插補和選擇補償方式，如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、螺旋插補、均勻插補、非均勻插補、樣條插補；多項式插補如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補償；與速度相關(guān)的前反饋補償、溫度補償；帶平滑接近和退出功能以及相反點計算的刀具半徑補償?shù)榷喾N補償功能，使得數(shù)控加工技術(shù)更加柔性化和智能化。

二、智能機器人

智能機器人必須具備感覺、運動、和思考三要素，在工作中通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺自動掃描識別工件和定位基準，利用機械手臂選擇抓取工件、安裝、拆卸、搬運等工作，還具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器、外部信息傳感器、感受器、效應(yīng)器、自整步電動機等多種新技術(shù)。它融合了機械、電子、傳感器、計算機硬件、軟件、人工智能等許多學科的知識，以及當今許多前沿領(lǐng)域的新技術(shù)。用它來取代人的部分腦力勞動和體力勞動。

三、人工智能加工中心與智能機器人的有機融合

智能機器人和人工智能加工中心的有機結(jié)合，在硬件方面實現(xiàn)了機器人和機床的一體化，相當于給機床長了大腦、眼、手和腿；在軟件方面人工智能專家利用計算機語言編程將互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)互通，操作人員可以隨時與全世界最優(yōu)秀的機械工程師互動交流、調(diào)用各種機械設(shè)計方案和加工工藝方案，采用最優(yōu)秀軟件、人性化圖形界面、智能化的方法設(shè)計產(chǎn)品和加工產(chǎn)品。智能機器人還參與機械加工生產(chǎn)線上下料和零部件搬運、鏟刮、倒角、拋磨、焊接、噴涂（粉）等工作，讓機械加工更加智能化和柔性化，加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到提升。零件加工過程中，人工智能加工中心能感知切削力的變化，并分析判斷刀具磨損，決定采用用刀具補償還是換刀以保證加工精度。具有自動感知、分析、反饋、決策、控制等功能，如：智能產(chǎn)品分析、智能設(shè)計（如專家系統(tǒng)）、智能經(jīng)營（如產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈協(xié)調(diào)）、智能生產(chǎn)（車間級以下，如裝備）、智能服務(wù)、智能決策等。尤其是在輕量化設(shè)計、節(jié)能降耗、工藝優(yōu)化、質(zhì)量提升、運行維護等都可以通過人工智能系統(tǒng)來完成。生產(chǎn)任務(wù)的下達、調(diào)度、組織管理可以通過人工智能與實時系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)生產(chǎn)管理的智能化。

四、人工智能編程語言的選擇

人工智能編程技術(shù)涉及到的知識內(nèi)容比較復(fù)雜，是一個典型的多學科交叉領(lǐng)域，涉及到哲學、數(shù)學、計算機、經(jīng)濟學、神經(jīng)學和語言學等諸多學科內(nèi)容。尤其需要具備扎實的數(shù)學功底，因為算法設(shè)計是人工智能研發(fā)的核心內(nèi)容，而算法設(shè)計往往涉及到高數(shù)、線性代數(shù)、概率論等數(shù)學知識。編程語言是實現(xiàn)人工智能產(chǎn)品的一個重要工具，比如C、Python、Java、C++、Lisp、Prolog等語言都可以用于人工智能領(lǐng)域的開發(fā)，其中Python對于初學者來說比較合適。就像大多數(shù)軟件應(yīng)用程序的開發(fā)一樣，開發(fā)人員也在使用多種語言來編寫人工智能項目，但是現(xiàn)在還沒有任何一種完美的編程語言是可以完全速配人工智能項目的。編程語言的選擇往往取決于對人工智能應(yīng)用程序的期望功能。以下五種語言是人工智能項目最常用的編程語言。

（一）Python語言

Python是一種高效的計算機程序設(shè)計語言。是一種動態(tài)的、面向?qū)ο蟮哪_本語言，最初被設(shè)計用于編寫自動化腳本（shell），現(xiàn)在用于獨立的、大型項目的開發(fā)應(yīng)用。Python語言中，函數(shù)、模塊、數(shù)字、字符串都是它的對象。并且完全支持繼承、重載、派生、多繼承，有益于增強源代碼的復(fù)用性。Python語言綁定人工智能系統(tǒng)、工業(yè)機器人系統(tǒng)、數(shù)控機床系統(tǒng)具有很好的兼容性；Python標準庫綁定其他常規(guī)操作系統(tǒng)工具也具有 好的兼容性和可移植性。Python語言編寫的應(yīng)用程序與其它語言編寫的應(yīng)用程序都具有兼容性；Python語言編寫的應(yīng)用程序可調(diào)用其它語言編寫的子程序；其它語言編寫的應(yīng)用程序可調(diào)用Python語言編寫的子程序；用Python語言編寫的循環(huán)模式課兼容其他語言編寫的主程序和子程序；Python在網(wǎng)絡(luò)爬蟲方面具有非常強大的功能，利用Python語言編寫的程序可攜帶物聯(lián)網(wǎng)信息實現(xiàn)機器人數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)控制功能。Python語言通過共享云實現(xiàn)一體化編程、典型庫的開發(fā)、大數(shù)據(jù)、云計算方面的應(yīng)用，可以在共享云上進行數(shù)據(jù)分析和運算、數(shù)據(jù)的在線云存儲功能等。

（二）Java語言和他的朋友

Java是一門靜態(tài)的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，不僅吸收了C++語言的各種優(yōu)點，還摒棄了C++里難以理解的多繼承、指針等概念。Java語言具有簡單易用功能強大的特征，允許程序員以優(yōu)雅的思維方式進行復(fù)雜的編程。Java具有簡單性、面向?qū)ο?、分布式、高性能、穩(wěn)健性、安全性、平臺獨立與可移植性、多線程、動態(tài)性等特點。Java可以編寫桌面應(yīng)用程序、Web應(yīng)用程序、分布式系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序等。JVM家族系列語言（Java，Scala，Kotlin，Clojure等）也是AI應(yīng)用程序開發(fā)的絕佳選擇。Java是一個面向?qū)ο蟮恼Z言，是數(shù)據(jù)和操縱數(shù)據(jù)方法的集合，而不是嚴格地用過程來思考。它是用數(shù)據(jù)和方法描述對象的狀態(tài)和行為。屬于網(wǎng)絡(luò)分布式語言，支持各種層次的網(wǎng)絡(luò)連接功能。

（三） C/C++語言

C++是C語言的繼承，它既可以進行C語言的過程化程序設(shè)計，又可以進行以抽象數(shù)據(jù)類型為特點的基于面向?qū)ο蟮木幊谭椒ㄟM行程序設(shè)計，還可以進行以繼承多態(tài)為特點的面向?qū)ο蟮拇笮统绦蛟O(shè)計語言，同時還可以進行基于過程的程序設(shè)計。C++是在C語言的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種編程語言，屬于編譯型語言，它集成了各種復(fù)雜的函數(shù)，其復(fù)雜性遠遠超過了Python語言。常用于系統(tǒng)開發(fā)，引擎開發(fā)等應(yīng)用領(lǐng)域，支持類、封裝、繼承、多態(tài)等特性。C++語言靈活，運算符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富、具有結(jié)構(gòu)化控制語句、程序執(zhí)行效率高，而且同時具有高級語言與匯編語言的優(yōu)點。C++不僅擁有計算機高效運行的實用性特征，同時還致力于提高大規(guī)模程序的編程質(zhì)量與程序設(shè)計語言的問題描述能力。

（四）JavaScript

JavaScript是一種直譯式和和嵌入式網(wǎng)絡(luò)腳本語言，是一種動態(tài)類型、弱類型、內(nèi)置支持類型、基于原型的語言，。它的解釋器被稱為JavaScript引擎，為瀏覽器的一部分，廣泛用于客戶端的腳本語言，被廣泛用于Web應(yīng)用開發(fā)，為網(wǎng)頁添加各式各樣的動態(tài)功能，為用戶提供更流暢美觀的瀏覽效果。有它自身的基本數(shù)據(jù)類型，表達式和算術(shù)運算符及程序的基本框架。Javascript提供了四種基本的數(shù)據(jù)類型和兩種特殊數(shù)據(jù)類型用來處理數(shù)據(jù)和文字；用變量提供存放信息的地方；表達式可以完成較復(fù)雜的信息處理。JavaScript是一種基于對象編程的具有簡單新、動態(tài)性、跨平臺性的腳本語言。

（五）R語言

R是用于統(tǒng)計分析、繪圖的語言和操作環(huán)境。R是屬于GNU系統(tǒng)的一個自由、免費、源代碼開放的軟件，它可以運行于UNIX，Windows和Macintosh的操作系統(tǒng)上。屬于完全開放源代碼和可編程語言的自由軟件，具有多功能的程序包，很強的互動性。是全世界最大、最前沿的統(tǒng)計學編程語言。還有Lua、Julia、Swift等語言都可用于人工智能編程。人工智能需要具備扎實的數(shù)學基礎(chǔ)，算法設(shè)計是核心內(nèi)容，涉及到高數(shù)、線性代數(shù)、概率論等。Python語言由于結(jié)構(gòu)簡單易懂，具有“膠水”功能和“網(wǎng)絡(luò)爬蟲”功能的腳本語言，深受非計算機專業(yè)的工程師們喜歡。Python在專用人工智能領(lǐng)域內(nèi)無論是在企業(yè)級、車間級和制造單元級等不同層次智能制造系統(tǒng)中構(gòu)建和應(yīng)用都是可行的。選擇Python語言編程就可以將人工智能裝備、工業(yè)機器人、數(shù)控設(shè)備、智能制造工具與系統(tǒng)、智能制造云服務(wù)平臺等集成為一個整體的人工智能加工中心機器人制造系統(tǒng)。

五、Python語言的現(xiàn)狀與未來

Python語言具有簡單易學、可移植性強、面向?qū)ο?、可擴展性、可嵌入型、豐富的庫、規(guī)范的代碼系統(tǒng)運維、圖形處理、數(shù)學處理、文本處理、數(shù)據(jù)庫編程、網(wǎng)絡(luò)編程、web編程、多媒體應(yīng)用、pymo引擎、黑客編程、爬蟲編寫、機器學習、人工智能等特點的高層語言。國外用Python做科學計算的研究機構(gòu)日益增多，一些知名大學已經(jīng)采用Python來教授程序設(shè)計課程。例如卡耐基梅隆大學的編程基礎(chǔ)、麻省理工學院的計算機科學及編程導(dǎo)論就使用Python語言講授。眾多開源的科學計算軟件包都提供了Python的調(diào)用接口，例如著名的計算機視覺庫OpenCV、三維可視化庫VTK、醫(yī)學圖像處理庫ITK。Python專用的科學計算擴展庫就更多了。如：NumPy、SciPy和matplotlib，它們分別為Python提供了快速數(shù)組處理、數(shù)值運算以及繪圖功能。因此Python語言及其眾多的擴展庫所構(gòu)成的開發(fā)環(huán)境十分適合工程技術(shù)、科研人員處理實驗數(shù)據(jù)、制作圖表，甚至開發(fā)科學計算應(yīng)用程序。Python能夠提供豐富的API和工具，以便程序員能夠輕松地使用C語言、C++、Python來編寫擴充模塊；Python編譯器可以被集成到其它需要腳本語言的程序內(nèi)；Python就像一種“膠水語言”。Python可將其他語言編寫的程序集成和封裝。Python的設(shè)計目標之一是讓代碼具備高度的可閱讀性。設(shè)計時盡量使用其它語言經(jīng)常使用的標點符號和英文單字，讓代碼看起來整潔美觀。它不像C、Pascal等靜態(tài)語言那樣需要重復(fù)書寫聲明語句和語法經(jīng)常有特殊情況和意外。Python還可以以交互模式運行，比如主流操作系統(tǒng)Unix/Linux、Mac、Windows都可以直接在命令模式下直接運行Python交互環(huán)境，直接下達操作指令即可實現(xiàn)交互操作。Python在人工智能、科學計算中應(yīng)用眾多優(yōu)秀的WEB框架、大數(shù)據(jù)、云計算等。Python做為面向?qū)ο缶幊痰膭討B(tài)語言，語言結(jié)構(gòu)清晰簡單，庫豐富，成熟穩(wěn)定，科學計算、統(tǒng)計分析和生產(chǎn)效率遠遠高于c，c++，java，尤其擅長策略回測。Python在圖形界面方面的應(yīng)用也是最優(yōu)秀的。所以Python語言在智能機器人數(shù)控機床編程方面也是最優(yōu)秀的。

六、Python語言在人工智能加工中心機器人方面的應(yīng)用

（一）Python在智能機器人編程技術(shù)中的應(yīng)用

用Python編寫的工作程序能夠指令智能機器人完成從當前位置移動到指令位置；抓取工件；運輸工件到達指令位置；選擇工件的正確的位置；安裝工件；啟動機床、拆卸工件、取走工件到達指令位置；安放工件等等功能。人工智能機器人還可以仿生人腦神經(jīng)系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)在共享云上選擇最優(yōu)化的編程方法自動編寫程序；還可以仿生人體的神經(jīng)傳感系統(tǒng)和關(guān)節(jié)運動系統(tǒng)實現(xiàn)在任意方向任意位置以柔性化的速度上抓取工件和搬運工件。還可以利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將各種智能機器人通過互聯(lián)網(wǎng)和計算機連接成網(wǎng)絡(luò)群體，使機器人網(wǎng)絡(luò)化并通過網(wǎng)絡(luò)對機器人進行有效的控制；通過大數(shù)據(jù)數(shù)學模型運用多種傳感技術(shù)的機器人擁有信息集成能力、判斷能力和決策能力，能在各種不同的條件下處理不同的任務(wù)，讓各種信息相互融合、相互支持實現(xiàn)無人化智能工廠的多種機器人協(xié)調(diào)作業(yè)。機器人網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會給制造業(yè)帶來較高的生產(chǎn)效率，同時也節(jié)省大量的人力資源，降低了產(chǎn)品的成本，創(chuàng)造了更高的市場價值。

（二）Python在智能數(shù)控機床編程技術(shù)中的應(yīng)用

用Python給數(shù)控機床編寫的加工程序能夠指令數(shù)控機床完成正常的工件安裝、對刀、換刀、切削加工、松開夾具；加工程序能夠在互聯(lián)網(wǎng)、共享工業(yè)云上傳送信息；加工程序能夠通過互聯(lián)網(wǎng)遠程控制數(shù)控機床完成切削加工。利用人工智能的搜索技術(shù)尋找數(shù)控機床加工零件時刀具的最佳運動軌跡，選擇正確的加工方法和加工指令。利用A*算法計算最佳的基點坐標、切削速度、進給速度、背吃刀量、刀具的摩擦磨損狀態(tài)實時的進行刀具補償和更換刀具，檢測機床的各種運動參數(shù)和環(huán)境溫度、振動頻率、濕度等并實時調(diào)整機床參數(shù)，以最經(jīng)濟的加工方法滿足零件的加工精度要求。

（三）Python在制造業(yè)人工智能技術(shù)中的應(yīng)用

用Python語言編寫的智能機器人數(shù)控機床工作程序能夠在互聯(lián)網(wǎng)、共享云上共享信息，能夠攜帶設(shè)備信息、工藝信息在物聯(lián)網(wǎng)流通，能夠通過物聯(lián)網(wǎng)遠程控制各種物資信息的傳輸。人工智能機器人視覺系統(tǒng)利用共享云、大數(shù)據(jù)進行自動學習、自動檢索、自動編寫加工程序，運用控制論、信息論和運籌學在無人工作的條件下自動識別圖形，自動選擇基準，抓取工件、安裝工件、選擇刀具、啟動機床、自動測量、自動識別、自動判斷尺寸精度、拆卸工件、運輸工件等等。

七、結(jié)論

Python是一種高效的計算機程序設(shè)計語言。是一種動態(tài)的、面向?qū)ο蟮哪_本語言，最初被設(shè)計用于編寫自動化腳本（shell），現(xiàn)在用于獨立的、大型項目的開發(fā)。Python語言中，函數(shù)、模塊、數(shù)字、字符串都是它的對象。并且完全支持繼承、重載、派生、多繼承，有益于增強源代碼的復(fù)用性。Python語言在操作系統(tǒng)的內(nèi)置接口、智能機器人系統(tǒng)、數(shù)控機床系統(tǒng)具有兼容性；Python程序在搜索文件和目錄樹；Python語言編寫的應(yīng)用程序調(diào)用其它行其它子程序；Python語言編寫循環(huán)模式；Python標準庫綁定其他常規(guī)操作系統(tǒng)工具的情況，以及Python 的系統(tǒng)工具可移植性；Python在網(wǎng)絡(luò)爬蟲方面具有非常強大的功能。人工智能方面的應(yīng)用如：一體化編程；典型庫的開發(fā)；在WEB開發(fā)中的應(yīng)用；Python在大數(shù)據(jù)、云計算方面的應(yīng)用；在企業(yè)和網(wǎng)站方面的案例應(yīng)用；如何進行進行數(shù)據(jù)分析和運算；數(shù)據(jù)的在線云存儲功能等。Python語言編寫的智能機器人數(shù)控機床工作程序能夠在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、共享云上傳輸信息；夠遠程控制智能機器人數(shù)控機床的正常工作。Python語言編寫的工業(yè)機器人工作程序能夠指令工業(yè)機器人自動行走，完成從當前位置移動到指令位置；機械手自動抓取工件；機器人自動運輸工件到達指令位置；選擇工件的正確位置自動的定位；機械手自動安裝工件；程序遠程啟動機床、拆卸工件、取走工件到達指令位置；放置工件到達指令位置。用Python語言G代碼給數(shù)控機床編寫的加工程序能夠指令刀具完成正常的對刀、換刀、切削加工；刀具的按線、曲線從當前點移動到指令點；指令夾具的夾緊、松開、冷卻液的開、停等功能加工程序能夠在互聯(lián)網(wǎng)、共享工業(yè)云上傳送信息；加工程序能夠通過互聯(lián)網(wǎng)遠程控制數(shù)控機床完成切削加工。通過Python語言編寫的程序能夠使工業(yè)機器人數(shù)控機床實現(xiàn)人工智能化等等。

作者單位：王尚銀，賈軍 寧夏工商職業(yè)技術(shù)學院孫睿霞 北京聯(lián)合大學