隨著德國工業(yè)4.0的提出，智能制造成為制造技術(shù)發(fā)展的主攻方向。中國制造2025和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等都從國家的戰(zhàn)略角度明確了智能制造的核心地位，并且相互間技術(shù)的交流與標(biāo)準(zhǔn)融合不斷加深。特別是我國從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)型更加迫切，著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進生產(chǎn)過程智能化，成為實現(xiàn)中國制造2025目標(biāo)的關(guān)鍵，其中十大重點領(lǐng)域就包括高檔數(shù)控機床和機器人，所以面向智能制造的數(shù)控技術(shù)成為需要優(yōu)先解決的重要課題。
 
　　實現(xiàn)智能制造的核心是信息處理和物理過程的深度融合，傳統(tǒng)制造過程主要是在實體空間依靠生產(chǎn)設(shè)備制造產(chǎn)品，設(shè)備和過程本身很少或不產(chǎn)生數(shù)據(jù)，即使很少的數(shù)據(jù)信息也處于割裂狀態(tài)，制造效率和自動化程度的提高主要靠物理設(shè)備。隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)展為通過物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)進行人與人、人與機、機與機的協(xié)同和交互模式，進一步建立物理設(shè)備和過程的數(shù)字模型，不斷進行仿真和優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率和效益，這就是所謂的CPS(Cyber Physical Systems)信息物理融合系統(tǒng)。面向智能制造的數(shù)控系統(tǒng)必然是以CPS為基礎(chǔ)構(gòu)建，它不再僅僅是機床設(shè)備的控制系統(tǒng)，而是成為工廠甚至整個智慧城市的一個智能節(jié)點。
 
　　實現(xiàn)智能數(shù)控的技術(shù)路線
 
　　什么是智能制造目前還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，相關(guān)文獻主要從智能制造具有的特征方面來描述。1988年日本通產(chǎn)省( MITI) 提出智能制造系統(tǒng)(intelligent manufacturing system，IMS) 的設(shè)想，1989年形成國際合作項目正式文件，旨在21世紀(jì)全球化的大趨勢下通過國際合作共同研發(fā)新一代制造系統(tǒng)，迎接新世紀(jì)全球變化的挑戰(zhàn)。20 世紀(jì)90年代IMS項目對未來工廠的構(gòu)思，已經(jīng)大致涵蓋今天智能制造的內(nèi)涵。
 
　　智能制造是一個系統(tǒng)，它不僅僅是智能技術(shù)的組合，也不僅僅局限在生產(chǎn)制造的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，它是以融合了當(dāng)前最新技術(shù)，貫穿研發(fā)、制造、客戶服務(wù)等的全價值鏈領(lǐng)域。所以數(shù)控系統(tǒng)的智能化就不能僅僅從制造環(huán)節(jié)本身考慮，提高其工藝柔性、質(zhì)量和效率，還要從整個系統(tǒng)的角度考慮。特別是我國數(shù)控系統(tǒng)廠商和研究機構(gòu)，在傳統(tǒng)制造技術(shù)本身落后于先進發(fā)達國家，如何在新模式和理念的引導(dǎo)下實現(xiàn)超越成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的新路徑?；诨ヂ?lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)的“互聯(lián)網(wǎng)+”恰是技術(shù)升級中一個非常重要突破點。如何發(fā)揮中國的互聯(lián)網(wǎng)和制造融合的優(yōu)勢將會成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要路徑。
 
　　在中國信息物理系統(tǒng)白皮書中提出的構(gòu)成CPS的四大核心要素，“一硬”( 感知和自動控制)、“一軟”(工業(yè)軟件)、“一網(wǎng)”(工業(yè)網(wǎng)絡(luò))、“一平臺”(工業(yè)云和智能服務(wù)平臺)，通過狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行四個過程解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現(xiàn)資源優(yōu)化(圖1)。狀態(tài)感知就是通過各種各樣的傳感器感知物質(zhì)世界的運行狀態(tài);實時分析就是通過工業(yè)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息、知識的轉(zhuǎn)化;科學(xué)決策就是通過大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的流動與知識的分享;精準(zhǔn)執(zhí)行就是通過控制器、執(zhí)行器等機械硬件實現(xiàn)對決策的反饋響應(yīng)。CPS具有明顯的層級特征，小到一個智能部件、一個智能產(chǎn)品，大到整個智能工廠都能構(gòu)成信息物理系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)建設(shè)的過程就是從單一部件、單機設(shè)備、單一環(huán)節(jié)、單一場景的局部小系統(tǒng)不斷向大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)演進的過程。CPS分為單元級、系統(tǒng)級、系統(tǒng)之系統(tǒng)SoS(System of Systems)級三個層次。雖然數(shù)控機床可看成由多個具有單元級的主軸單元、進給單元以及冷卻系統(tǒng)等單元組成，但這些單元在系統(tǒng)中不具獨立承擔(dān)任務(wù)的功能，所以將數(shù)控系統(tǒng)看成單元級CPS更容易理解制造系統(tǒng)及制造生態(tài)系統(tǒng)的三層架構(gòu)。
 

圖1 CPS本質(zhì)
 
　　在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動下，越來越多的新興商業(yè)模式不斷涌現(xiàn)。其中最具代表性的就是“分享經(jīng)濟”，它給我們帶來了基于分享模式的新業(yè)態(tài)，例如在汽車、房產(chǎn)等領(lǐng)域出現(xiàn)的APP打車、APP租房等互聯(lián)網(wǎng)的分享應(yīng)用模式。在制造業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)和新經(jīng)濟模式如何落地?如何適應(yīng)“分享經(jīng)濟”將會成為一個重要的研究內(nèi)容。
 
　　智能手機的出現(xiàn)使得互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)進入了一個爆發(fā)式的增長，新興商業(yè)模式不斷出現(xiàn)，智能終端在技術(shù)上的突破在其中起到了極其重要的作用，所有互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用和技術(shù)都離不開通過智能終端與人建立的鏈接。而在機床行業(yè)中，鏈接人與設(shè)備的智能終端正是數(shù)控機床的大腦數(shù)控系統(tǒng)，所以以CPS架構(gòu)研發(fā)面向智能制造的數(shù)控系統(tǒng)，并以此構(gòu)建起制造生態(tài)系統(tǒng)是實現(xiàn)智能制造的可行路線。
 
　　數(shù)控系統(tǒng)的開放互聯(lián)
 
　　從19世紀(jì)50年代第一臺數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)到現(xiàn)代開放式數(shù)控系統(tǒng)，期間經(jīng)歷了多次重大變化，但是這些變化都局限在單機的功能和單元技術(shù)的革新和升級。設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進展緩慢。
 
　　近年來，出現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)層次的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，包括全系統(tǒng)、半成品和核心軟件，見表1。例如，德國的ISG公司僅提供數(shù)控軟件知識產(chǎn)權(quán)，由用戶自行配置或二次開發(fā)形成自己品牌的數(shù)控產(chǎn)品。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST及其他開源組織可提供開源的LinuxCNC數(shù)控軟件，用戶可免費得到其源代碼，并可在GNU共享協(xié)議下進行開發(fā)。德國的PA(Power Automation)公司、倍福(Beckhoff)公司則提供模塊化的數(shù)控系統(tǒng)平臺，由用戶自行配置后形成自己品牌的數(shù)控產(chǎn)品。美國DeltaTau公司提供PMAC運動控制卡和相關(guān)軟件，由用戶開發(fā)組成自己的數(shù)控系統(tǒng)等。

 

 
　　表2描述了數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)方式的變化：數(shù)控系統(tǒng)的互聯(lián)方式從最早的串行通信逐步升級為以太網(wǎng)通信。不同類型(品牌)的數(shù)控系統(tǒng)的通訊端口、通訊協(xié)議千差萬別。從表1還可以看出，在不同的時期，不同的階段，數(shù)控系統(tǒng)廠家設(shè)計并提供了面向不同應(yīng)用目標(biāo)的通訊方式和通訊協(xié)議。比如最早期的I/O方式用于和其他設(shè)備進行握手和工作協(xié)同。在第二階段的串口通訊時期(其實這個技術(shù)目前還有很多國內(nèi)外廠商正在使用)，主要是由于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存偏小，在遇到大程序時進行在線的NC文件下載，即最基礎(chǔ)的DNC功能，這種方式由于其技術(shù)門檻低，簡單、易行、低成本而被國內(nèi)數(shù)控廠商所廣泛使用，但是這也同時限制了國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)對于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，功能極為有限。第三階段，類似Fanuc、Siemens等中高端數(shù)控系統(tǒng)都配備了以太網(wǎng)接口，比如西門子數(shù)控系統(tǒng)提供基于OPC的標(biāo)準(zhǔn)化局域網(wǎng)通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)采集和文件傳輸往標(biāo)準(zhǔn)化靠攏，但是這個階段的系統(tǒng)設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計依然局限于局域網(wǎng)應(yīng)用，更多的還是基于傳統(tǒng)的DNC設(shè)計思想，這個時期的數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)功能主要針對數(shù)據(jù)上傳和下載(如備份/恢復(fù)，NC程序下載和上傳，參數(shù)設(shè)定等)以滿足點對點或者局域網(wǎng)的互聯(lián)應(yīng)用目標(biāo)，但在互聯(lián)網(wǎng)時代到來時上述功能及其協(xié)議的形式卻又顯得有些捉襟見肘。
 

表2. 數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)方式的變化
 
　　以1996年發(fā)布的OPC協(xié)議為例，其最初目的是把PLC特定的協(xié)議(如Modbus，Profibus總線等)抽象為標(biāo)準(zhǔn)化的接口，通過以太網(wǎng)向HMI/MES等系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化的連接通訊支持，這種面向局域網(wǎng)的通信存在如下缺點：平臺局限、防火墻穿透困難、OPC無法支持互聯(lián)網(wǎng)、安全功能弱、數(shù)據(jù)完整性無法確保。
 
　　1、平臺局限，跨平臺幾乎無法實現(xiàn)。OPC基于微軟的COM/DCOM技術(shù)開發(fā)，只能運行于Windows系統(tǒng)，在如今工業(yè)控制領(lǐng)域流行的Linux等嵌入式平臺上無法支持，并且2002年初微軟宣布停止COM技術(shù)的研發(fā)，OPC的技術(shù)基礎(chǔ)面臨淘汰。
 
　　2、防火墻穿透困難，OPC通信在跨越計算機邊界時很難完成，用戶需要在防火墻中打開很多端口才能夠讓DCOM通信穿越，這嚴(yán)重影響了整個網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。
 
　　3、對Web等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的支持缺失，OPC無法支持互聯(lián)網(wǎng)，
 
　　4、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持弱，OPC無法支持類似結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等復(fù)雜數(shù)據(jù)規(guī)范。
 
　　5、安全功能弱，類似設(shè)備認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中非常重要的安全功能在老式OPC協(xié)議中并未設(shè)計。
 
　　6、數(shù)據(jù)完整性無法確保，在通信中斷或者異常時，OPC協(xié)議并無法確保傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確送達，數(shù)據(jù)通信常常會因此損壞并無法找回。
 
　　針對上述缺點，第四階段的通訊設(shè)計出現(xiàn)了OPC UA和MTConnect等面向互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的協(xié)議設(shè)計。
 
　　OPC UA為OPC基金會在原有OPC協(xié)議的基礎(chǔ)上進行了擴展和升級，首先解決了操作系統(tǒng)平臺的依賴問題，并且對互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用提供了更多的支持。OPC UA通過隧道技術(shù)解決了網(wǎng)絡(luò)安全及防火墻穿透等問題，并支持發(fā)布訂閱等面向互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新興通訊技術(shù)，其技術(shù)框架如圖2所示。
 

圖2 OPC UA架構(gòu)
 
　　MTConnect是由美國機械制造技術(shù)協(xié)會(AMT)發(fā)起，聯(lián)合美國通用電氣等世界領(lǐng)先制造企業(yè)制定的開源、免費的機床通信標(biāo)準(zhǔn)，旨在提升來自不同制造商、軟件商的制造裝備、設(shè)備和軟件應(yīng)用之間的互操作性。其技術(shù)框架如圖3所示。但是，各大數(shù)控廠商的系統(tǒng)架構(gòu)不同，參數(shù)、文件命名規(guī)范甚至操作系統(tǒng)都不盡相同，想要對數(shù)量龐大的數(shù)控設(shè)備進行統(tǒng)一的規(guī)范，并且使得數(shù)量龐大的類似ERP、MES等客戶端廠商進行統(tǒng)一規(guī)范并使得相關(guān)應(yīng)用得以協(xié)同工作依然是一個漫漫長征路。
 
　　MTConnect協(xié)議僅僅針對客戶端與設(shè)備的通訊進行了約定，但是并未對互聯(lián)網(wǎng)端的應(yīng)用及其協(xié)調(diào)互通接口進行約定，其問題的根本與OPC UA一樣，本質(zhì)上還是基于點對點的通訊問題解決，但是互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用需求不僅僅局限于此。因而MTConnect的協(xié)議需要一套云端應(yīng)用的規(guī)范來進行合理的補充，才能夠使得數(shù)控機床的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用得以真正順暢實現(xiàn)。
 

圖3 MTConnect架構(gòu)
 
　　智能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展
 
　　在工業(yè)4.0及“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展與競爭出現(xiàn)了新的變化，在中國更多的競爭將會聚焦在如何利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，讓數(shù)控系統(tǒng)的計算能力獲得無限擴展，并且通過對分享經(jīng)濟等新興商業(yè)模式的理解，合理打造與之相適應(yīng)的功能成為未來的重要趨勢。
 
　　1.數(shù)控系統(tǒng)智能化要求
 

圖4  數(shù)控機床智能化的需求
 
　　從制造技術(shù)本身來看，數(shù)控系統(tǒng)的智能化在如圖4的四個方面進行：操作智能化、加工智能化、維護智能化和管理智能化。
 
　　機床在加工過程中通過采用各種傳感器，借助實時監(jiān)控和補償技術(shù)，進一步提高機床的性能。日本馬扎克、大隈等公司在智能化方面提供了許多先進的技術(shù)，如主軸抑振、智能防碰撞等功能。沈陽機床i5數(shù)控提供了基于特征的編程和圖形化診斷等功能。
 
　　2.基于云平臺的數(shù)控系統(tǒng)
 
　　在云計算的基礎(chǔ)上德國斯圖加特大學(xué)提出“全球本地化(glocalized)”云端數(shù)控系統(tǒng)，其概念如圖5所示，從圖中可見，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的人機界面、數(shù)控核心和PLC都移至云端，本地僅保留機床的伺服驅(qū)動和安全控制，在云端增加通信模塊、中間件和以太網(wǎng)接口，通過路由器與本地數(shù)控系統(tǒng)通信。這樣一來，在云端有每一臺機床的“數(shù)字孿生(Digital Twin)”，在云端就可進行機床的配置、優(yōu)化和維護，極大方便了機床的使用。實現(xiàn)所謂的控制器即服務(wù)CaaS(Control as a Service)。
 

圖5 云端數(shù)控系統(tǒng)的概念
 
　　數(shù)字孿生是指特定物理對象的數(shù)字鏡像，包括描述其幾何、材料、組件和行為的設(shè)計規(guī)范和工程模型以及其所代表實體特有的生產(chǎn)和運營數(shù)據(jù)，成為形影不離的“伴侶”，是物理對象屬性及狀態(tài)的最新和準(zhǔn)確的實時鏡像，包括形狀、位置、狀態(tài)和運動。機床的數(shù)字孿生可在多個信息域同時存在，有多個“化身”，在產(chǎn)品設(shè)計階段承擔(dān)方案論證、結(jié)構(gòu)和功能驗證以及性能參數(shù)優(yōu)化的作用;在構(gòu)建工廠的規(guī)劃階段參與完成布局規(guī)劃、系統(tǒng)優(yōu)化模擬仿真等工作;在運行階段進行加工狀態(tài)判斷和預(yù)測，實現(xiàn)機床的智能控制和預(yù)防性維護，直到產(chǎn)品報廢終結(jié)，甚至在其后還存在。
 
　　3.互聯(lián)網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)及其生態(tài)系統(tǒng)
 
　　在互聯(lián)網(wǎng)條件下，數(shù)控系統(tǒng)必須要成為一個能夠產(chǎn)生數(shù)據(jù)的透明的智能終端，讓制造過程及其全生命周期“數(shù)據(jù)透明”。通過智能終端的“透明”，實現(xiàn)制造過程的透明，不僅僅方便加工零件，同時產(chǎn)生服務(wù)于管理、財務(wù)、生產(chǎn)、銷售的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備、生產(chǎn)計劃、設(shè)計、制造、供應(yīng)鏈、人力、財務(wù)、銷售、庫存等一系列生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)的資源整合與信息互聯(lián)。
 
　　沈陽機床集團圍繞i5智能機床在世界上領(lǐng)先建立起了機床生態(tài)系統(tǒng)，圖6是i5智能機床關(guān)于數(shù)據(jù)產(chǎn)生和應(yīng)用的示意圖，通過“透明”的i5智能系統(tǒng)，i5智能機床可以實時在線，為上述管理過程提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)依據(jù)，成為新制造業(yè)態(tài)的基礎(chǔ)。
 

圖6 i5智能機床的數(shù)據(jù)產(chǎn)生及應(yīng)用
 

圖7 基于iSESOL實現(xiàn)的智能機床互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架
 
　　iSESOL(i-Smart Engineering & Services Online，是沈陽機床旗下的公司研發(fā)的云制造平臺，例如云端產(chǎn)能分享平臺，用戶可以將閑置產(chǎn)能公示于iSESOL產(chǎn)能平臺，有產(chǎn)能需求的用戶無需購買設(shè)備即可快速獲得制造能力，通過這種方式產(chǎn)能提供方可以利用閑置產(chǎn)能獲得收益，產(chǎn)能需求方可以以較低的成本獲得制造能力，雙方通過分享獲得利益最大化。無疑，這種模式將會成為制造業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+的一個重要形式。