面向智能制造的数控技术解决方案分析

面向智能制造的数控技术解决方案分析

随着德国的提出，智能制造成为制造技术发展的主攻方向。和美国工业互联网等都从国家的战略角度明确了智能制造的核心地位，并且相互间技术的交流与标准融合不断加深。特别是我国从制造大国向制造强国的转型更加迫切，着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，成为实现中国制造2025目标的关键，其中十大重点领域就包括高档数控机床和，所以面向智能制造的数控技术成为需要优先解决的重要课题。

实现智能数控的技术路线

图1 CPS本质

在互联网技术的推动下，越来越多的新兴商业模式不断涌现。其中最具代表性的就是“分享经济”，它给我们带来了基于分享模式的新业态，例如在汽车、房产等领域出现的APP打车、APP租房等互联网的分享应用模式。在制造业，互联网和新经济模式如何落地？如何适应“分享经济”将会成为一个重要的研究内容。

智能手机的出现使得互联网相关产业进入了一个爆发式的增长，新兴商业模式不断出现，智能终端在技术上的突破在其中起到了极其重要的作用，所有互联网相关的应用和技术都离不开通过智能终端与人建立的链接。而在机床行业中，链接人与设备的智能终端正是数控机床的大脑数控系统，所以以CPS架构研发面向智能制造的数控系统，并以此构建起制造生态系统是实现智能制造的可行路线。

数控系统的开放互联

从19世纪50年代第一台数控系统出现到现代开放式数控系统，期间经历了多次重大变化，但是这些变化都局限在单机的功能和单元技术的革新和升级。设备的联网相关技术进展缓慢。

表2. 数控系统互联方式的变化

2、防火墙穿透困难，OPC通信在跨越计算机边界时很难完成，用户需要在防火墙中打开很多端口才能够让DCOM通信穿越，这严重影响了整个网络的安全性和可靠性。

3、对Web等互联网应用的支持缺失，OPC无法支持互联网，

4、数据结构支持弱，OPC无法支持类似结构化数据等复杂数据规范。

6、数据完整性无法确保，在通信中断或者异常时，OPC协议并无法确保传输数据的准确送达，数据通信常常会因此损坏并无法找回。

针对上述缺点，第四阶段的通讯设计出现了OPC UA和MTConnect等面向互联网应用的协议设计。

OPC UA为OPC基金会在原有OPC协议的基础上进行了扩展和升级，首先解决了操作系统平台的依赖问题，并且对互联网环境下的应用提供了更多的支持。OPC UA通过隧道技术解决了网络安全及防火墙穿透等问题，并支持发布订阅等面向互联网应用的新兴通讯技术，其技术框架如图2所示。

图2 OPC UA架构

MTConnect是由美国机械制造技术协会(AMT)发起，联合美国通用电气等世界领先制造企业制定的开源、免费的机床通信标准，旨在提升来自不同制造商、软件商的制造装备、设备和软件应用之间的互操作性。其技术框架如图3所示。但是，各大数控厂商的系统架构不同，参数、文件命名规范甚至操作系统都不尽相同，想要对数量庞大的数控设备进行统一的规范，并且使得数量庞大的类似ERP、MES等客户端厂商进行统一规范并使得相关应用得以协同工作依然是一个漫漫长征路。

MTConnect协议仅仅针对客户端与设备的通讯进行了约定，但是并未对互联网端的应用及其协调互通接口进行约定，其问题的根本与OPC UA一样，本质上还是基于点对点的通讯问题解决，但是互联网环境下的应用需求不仅仅局限于此。因而MTConnect的协议需要一套云端应用的规范来进行合理的补充，才能够使得数控机床的互联网应用得以真正顺畅实现。

图3 MTConnect架构

智能数控系统的发展

在工业4.0及“互联网+”的背景下，数控系统的未来发展与竞争出现了新的变化，在中国更多的竞争将会聚焦在如何利用互联网的优势，让数控系统的计算能力获得无限扩展，并且通过对分享经济等新兴商业模式的理解，合理打造与之相适应的功能成为未来的重要趋势。

1.数控系统智能化要求

图4 数控机床智能化的需求

从制造技术本身来看，数控系统的智能化在如图4的四个方面进行：操作智能化、加工智能化、维护智能化和管理智能化。

2.基于云平台的数控系统

在云计算的基础上德国斯图加特大学提出“全球本地化(glocalized)”云端数控系统，其概念如图5所示，从图中可见，传统数控系统的人机界面、数控核心和PLC都移至云端，本地仅保留机床的伺服驱动和安全控制，在云端增加通信模块、中间件和以太网接口，通过路由器与本地数控系统通信。这样一来，在云端有每一台机床的“数字孪生(Digital Twin)”，在云端就可进行机床的配置、优化和维护，极大方便了机床的使用。实现所谓的控制器即服务CaaS(Control as a Service)。

图5 云端数控系统的概念

3.互联网数控系统及其生态系统

在互联网条件下，数控系统必须要成为一个能够产生数据的透明的智能终端，让制造过程及其全生命周期“数据透明”。通过智能终端的“透明”，实现制造过程的透明，不仅仅方便加工零件，同时产生服务于管理、财务、生产、销售的实时数据，实现设备、生产计划、设计、制造、供应链、人力、财务、销售、库存等一系列生产和管理环节的资源整合与信息互联。

沈阳机床集团围绕i5智能机床在世界上领先建立起了机床生态系统，图6是i5智能机床关于数据产生和应用的示意图，通过“透明”的i5智能系统，i5智能机床可以实时在线，为上述管理过程提供精准的数据依据，成为新制造业态的基础。

图6 i5智能机床的数据产生及应用

图7 基于iSESOL实现的智能机床互联网应用框架

iSESOL(i-Smart Engineering & Services Online，是沈阳机床旗下的公司研发的云制造平台，例如云端产能分享平台，用户可以将闲置产能公示于iSESOL产能平台，有产能需求的用户无需购买设备即可快速获得制造能力，通过这种方式产能提供方可以利用闲置产能获得收益，产能需求方可以以较低的成本获得制造能力，双方通过分享获得利益最大化。无疑，这种模式将会成为制造业互联网+的一个重要形式。

4 结论和展望

机床数控系统的智能化与网络化是大势所趋，基于CPS的理念引导智能数控系统发展，通过网络、平台从整个系统的视角实现数控机床的智能化。

智能化的发展是一个循序渐进的过程，目前对智能化还有不同的理解，也没有普遍适用的解决方案。数控机床商业模式的创新和真正落地运营就一定依赖于数控系统的智能化与网络化。未来的数控系统将会越来越多地将互联网的影响渗透到制造环节，通过数据的累积、传输和挖掘，将会诞生越来越多的智能化制造能力，透明和分享化将会为制造业带来翻天覆地的变革。