随着新一代信息技术的发展及其 与先进制造技术深度融合,全球兴起 了以智能制造为代表的新一轮产业变革。德国提出“工业 4.0”战略 [1],美 国提出工业互联网 [2],中国提出《中国制造 2025》[3],大力发展智能制造技术,通过以数字化、网络化、智能化 为代表的智能制造技术,实施以批量化的制造成本,实现客户化的制造模 式,以快速响应市场来应对激烈的市场竞争。
数控系统作为制造技术与信息技术融合的产物,“工业 4.0”、“工业互联网”以及“智能制造”的发 展对其设计提出了新要求 [4]。在开 放式数控系统的基础上,通过将工业互联网、大数据、数字孪生、人工智能等新一代信息技术融入数控系统,开展开放式、智能化数控系统的研发,在确保加工控制要求的基础上,进一步实现数控系统对加工过程的全面感知及智能控制,以增强系统加工处理能力;并通过智能编程、智能故障诊断和远程监控,以及设备故障的预测诊断等功能,提升数控机床的性能和可靠性,提高复杂零件的加工效率和质量,在航空航天、汽车制造等领域具有广泛的应用前景。
本文通过分析智能制造与新一代信息技术对数控技术产生的新要求,提出了开放式、智能化数控系统 的多维度需求框架,建立了可重构数控系统平台和基于信息终端的工艺链集成以及基于工业大数据产品生命周期管理体系结构,研制了“蓝 天数控”系统,并通过航空制造领域关键零件的加工控制应用,探索了开放式、智能化数控系统的实现路径。
作为制造技术与信息技术融合的产物,数控系统伴随着信息技术 的发展而不断演化。传统的数控系 统为满足其对功能与性能安全、可 靠的要求,通常采用封闭式结构 [5]。开放式及 PC 技术的发展推动了数 控系统从封闭走向开放,并促使其 使用成本的降低 [6]。开放式数控技 术不仅使数控系统在制造车间得到 普及,也为融入新的技术奠定了基 础。近年来,信息与通信技术(ICT)的发展,特别是传感器、物联网、大 数据、人工智能的发展,为研制基于 ICT 技术的智能化数控系统创造了 条件,新技术、新功能不断与数控系 统发生融合。
(1)将智能控制技术与自动化 技术融合数控系统,以提高加工的 精度、质量和效率。如 FANUC 推出 的 Series 0i MODEL F 具备满足自动 化需求的工件装卸控制功能,强化了 循环时间缩短功能。HEIDENHAN 系统的集成自适应控制(AFC),可 根据刀具轴性能和其他工艺参数优 化进给速率。MAZAK 的 Intelligent Thermal Shield(ITS)功能,可通过 热补偿技术提高加工精度 [7]。
(2)通过工业互联网技术实现 加工过程的感知及与智能工厂的融 合。如 OKUMA 等国外数控通过引 入温度、振动、噪声等新一代传感器 监测主轴健康、刀具磨损、冷却液温 度、能耗等,全面感知加工过程,实现 基于 RFID 的刀具管理。SIEMENS 产品通过 OPC UA 实现数控系统与 数字化车间的互联互通。
(3)通过数字化技术实现工件 设计与编程、机床配套调试的优化、 加工过程仿真等工序链的一体化。如 SIEMENS 产品通过数字孪生技 术进行工件设计和编程、机床参数的 调试与优化、工件加工过程的仿真, 以及 CAD/CAM–CNC 工序链的集 成。MAZAK 的 Smooth X 数控系统 采用图解界面和多点触屏操作,优化 用户体验,简化五轴加工操作;内置 应用软件可以根据实际加工材料和 要求为操作者匹配设备参数。
(4)通过互操作技术将数控系 统、车间工艺与企业信息系统整合 在一起,为实现数字化和无纸化生 产,实现智能工厂奠定基础。DMG 推出的 CELOS 系统简化和加快了 从构思到成品的进程,其应用程序 (CELOSAPP)使用户能够对机床 数据、工件图纸与程序、工艺流程以 及合同订单等进行操作显示、数字化 管理和文档化,如同操作智能手机一 样简便、直观。另一方面,近年来智能制造在航 空航天、汽车制造的推广与应用,也 使数控机床不再单纯是加工设备,而 是智能工厂 / 数字化车间的重要组 成部分。智能制造的批量客户化的 制造需求,要求将加工现场的感知、 大数据处理、数字化建模、智能决策 等新功能集成到数控系统中,形成制 造过程的闭环,研制开放式、智能化 数控系统(图 1),建立系统在不确定 环境中智能行为 [8–9],应对不确定的 市场环境,并对数控系统的开发与应 用也提出了新需求。在航空制造领域中,典型零件如 机匣、叶片、大型的飞机结构件等具 有壁薄、形状复杂的特点,由于加工 工期长,所配套的高档数控系统须具 有智能监控和故障诊断、自适应加 工、刀具寿命动态管理等功能,以确 保加工质量的稳定性;在航空机载 设备中,典型的管路件等连接件具有 多品种、小批量生产的加工需求,需 要柔性加工单元或者柔性生产线来 实现高效率的生产,这要求配套的高 档数控系统具备协调控制与互联互 通等功能。在汽车制造领域,随着汽车工 业规模化、自动化、专业化水平的 提升,关键零部件的制造如汽车刹 车盘、轮毂、齿轮等,要求高档数控 系统具有加工过程的智能控制功 能,以提高加工效率与质量;具有 网络化功能,以形成相应的生产线;具有智能故障诊断与远程监控功 能,以实时监控现场加工与快速排 除故障。
针对新一代信息技术发展以及航空航天等领域的智能制造需求,本 文基于开放式“蓝天数控”产品 [10], 提出了一种多维度的开放式、智能化 数控系统框架(图 2),由功能 / 性能、 工艺链、产品全生命周期 3 个维度要 求组成。
(1)个性化功能 / 性能需求。客 户化制造模式使得其个性化功能/ 性能成为系统的重要特征,要求系统 满足可扩展、互操作、可移植、可伸缩 等需求,以方便最终用户特殊应用的集成,快速实现不同品种、不同档次、 具有鲜明个性的产品的生产。
(2)工艺链集成需求。在网络 化制造环境下,数控机床已不再是孤 立的结点,而是整个制造系统中的重 要环节。工业互联网、互联互通及互 操作技术的发展,为促进产品设计、 工艺、加工的一体化,实现制造过程 闭环提供了支撑。
(3)全生命周期管理需求。物 联网、工业大数据以及人工智能技 术的发展,为开展故障诊断、运行状 态监测、设备健康管理等提供了技术 支撑,从而为实现产品全生命周期管 理、提高产品应用与维护水平创造了 条件。针对个性化功能 / 性能需求,系 统在硬件上采用 M∶N的可重构方 式,软件上采用基于中间件的二次 开发平台,建立可重构的数控系统 平台,以实现智能制造环境下数控 装备可扩展、互操作、可移植、可伸 缩的可重构设计要求;针对工艺链 集成需求,通过研制基于信息终端 的网络化平台,以支持制造过程工 艺链的集成;针对全生命周期管理 需求,通过构建包含制造、用户、运 行、诊断的大数据平台,开发相关支 持工具,以实现数控产品全生命周 期的管理。
1 可重构的数控系统平台
可重构的数控系统平台由软件 平台和硬件平台组成。其中,硬件平 台(图 3)包含人机接口单元(HMU) 和 控 制 单 元(NCU),采 用 M:N 的 可重构方式,即根据客户需求,可实 现多个人机接口单元对应多个控制 单元。每个控制单元通过现场总线 实现对驱动器、I/O单元、传感器网 关的控制。传感器网关支持有线 / 无线传感器介入。无线方式包括 WiFi、RFID 等无线射频方式。传感 器通过广播同步与总线同步相结合 的方式,实现传感器数据的采集与控 制信息的同步。软件平台采用基于中间件的层 次化结构,以支持用户个性化功能的 开发(图 4)。
其中,智能化中间件具 有支持运算、插补、控制、I/O、工艺及 人机交互的组件库,以实现数控系统 实时、非实时及人机界面的控制;数 据共享区为组件库提供数据源;基 于 Web 方式的 WebService 服务模块 实现数控系统与其他单元的数据交 互,支持数据采集与云端应用。二次 开发接口包含基于 QT 跨平台图形 引擎、J2ME 开发平台、Android SDK 等形成数控系统二次开发平台的开 发工具链,基于图形显示、组件操作、 工艺编程、任务管理、状态监控的二 次开发接口库,以及基于移动终端智 能 APP 软件的应用管理器,支持激 光、磨削等特种加工及任务管理、机 床监控及诊断等个性化功能的二次 开发以及跨平台 APP 应用的开发和 管理。
2 基于信息终端的工艺链集成平台
围绕工艺链集成需求,基于“蓝 天数控”的开放式体系结构,构建了 基于信息终端的网络化平台(图 5)。通过信息终端建立智能设备、生产单 元、车间的信息通道,支持设备间的 互联互通及互操作,实现制造过程中 工艺参数、设备状态、业务流程等数 据、多媒体信息以及制造过程信息间 的交互,从而确保从编程仿真→工艺 辅助→加工准备→加工过程→工件 测量的制造过程工艺链的集成与闭 环控制。信息终端由支持多平台的显示 终端与多协议网络代理服务器组成, 并通过现场总线、物联网、工业互联 网等,实现复杂功能对加工过程中 多种信息的采集需求。其中代理服 务器通过融合不同厂商的通信协议, 建立统一的数据模型,实现信息终端 与蓝天数控系统、第三方数控系统, 以及相关现场设备的互联互通及互 操作,并为工业大数据平台、MES 系 统、虚拟现实与中央管控平台提供数 据共享接口,实现智能化数控系统与 车间智能设备和制造执行系统的信 息集成。
3 基于工业大数据的产品生命周期管理平台
基于采用信息终端的网络化平台,通过解决工业大数据采集、存储、 管理与挖掘等关键技术,研制了汇聚 生产工艺参数、设备状态等工业大数 据信息平台(图 6),为开展产品全生 命周期的管理奠定基础。基于大数 据平台,通过对产品制造信息、用户 档案、产品跟踪、调试维护、参数导 航、故障诊断等数据信息的采集,实 现产品全生命周期管理,具体包括生 产制造、安装调试、诊断维护、改进升 级等管理(图 7)。生产制造管理根据产品制造过 程中的生产、组装、测试等信息,建立 产品的生产制造数据库,包括生产批 次、功能测试、参数设定、质量检验等 生产信息。产品安装调试管理按照 客户的个性化需求建立用户档案,当 数控系统在机床厂进行配套后,可将 产品与机床的匹配参数上传到产品 用户数据库中,实现对产品的跟踪管 理。当数控机床到最终用户进行加 工应用时,产品用户数据库可以根据 机床的具体加工对象,对数控产品的 初始参数进行导航设置。当产品出 现故障时,设备的故障类型、故障原 因、维修记录等信息上传到故障维护 数据库中。同时,故障维护数据库利 用大数据以及专家系统,综合设备参 数、设备运行状态、故障类型、故障原 因、故障维修记录等信息,给出设备 故障的原因分析与维修建议,以实现 对产品全生命周期的管理。
围绕开放式、智能化数控系统的 多维度需求,基于其功能 /性能、工 艺链集成以及全生命周期管理体系 结构,研制了开放式、智能化“蓝天 数控”系统,由车间网络层,控制层 和设备层 3 个层次组成(图 8)。车 间网络层通过工业以太网实现车间 设备与数控机床的互联互通,通过 信息终端实现工艺链的集成与互操 作;控制层采用M:N 的可重构方式, 通过基于中间件的二次开发平台实 现个性化功能的开发;设备层通过 智能网关实现传感器的介入,支持加 工现场的感知和产品全生命周期的 管理。基于开放式、智能化“蓝天数 控”系统,针对航空制造领域典型零 件的制造需求,开发了相应的数控 系统,以对系统的个性化功能 / 性 能、工艺链集成以及产品全生命周 期管理的应用验证。其中,动梁桥式龙门双闭环反馈 同步控制,对系统运动控制层面的个 性化功能 / 性能需求进行了验证;双 通道 11 轴激光微孔冷加工数控机 床、双通道 14 轴数控砂带磨削中心, 对系统工艺层面与运动控制层面的 个性化功能 / 性能需求进行了验证;航空制造领域数字化车间验证了基 于信息终端的工艺链集成与数控设备生命周期管理需求。
1 动梁桥式龙门双闭环反馈同步
控制 针对 GMC2060U 五轴动梁桥式 龙门加工中心(图 9)及GMC3060/ GMC2060 高速龙门铣床的特点,6m 长的龙门轴 X 轴要求采用 4 个电机 同步驱动,同时完成消隙任务,并且 在双驱龙门两侧同时安装了海德汉 的距离编码格式的光栅尺作为位置 检测反馈系统。要求系统既要保证 4 个电机的同步驱动控制及扭曲量 误差,又要保证静态及动态的间隙消 除,同时还要完成双尺的全闭环检测 实时调整任务。针对上述控制要求,“蓝天数控” 系统采用 EtherCAT 高速总线通讯技 术,由上位数控系统主机作为主站, 与作为从站的各电机驱动器进行时 间轮训的实时通讯,通过数据给定, 全站点状态监测,速度、位置、电流等 三环采集,双尺位置及误差扭曲数据 反馈,报警机制实时处理,并通过系 统的智能调节、调整及自整定,以及 驱动侧的工艺调节器的配合、优化等 一系列核心算法,实现了配套应用。