智能制造環境下的數控系統發展需求
2018-8-22 來源：轉載 作者： 李炳燃，張 輝，葉佩青
[ 摘要 ] “智能”是“中國制造 2025”的核心要素，數控系統是制造裝備實現智能化的關鍵要素。論文首先提出機床的信息互通和開放式標準數據接口是實現機床智能化的前提，舉例說明了 STEP-NC 在通用數據接口方面的優越性，概述了適用于數控系統的通訊總線特征；在此基礎上，介紹了工藝大數據對生產加工的重要性和其對新一代數控系統的要求，針對制造業數據平臺的需求，對大數據信息挖掘技術做了相關介紹。依托于以上兩點，總結了智能化數控系統可具備的功能，依托于工藝大數據平臺，重點分析了智能工藝規劃和加工參數自整定的實現方案，以及智能數控對高速高精加工所提供的便利。
關鍵詞：智能數控；STEP-NC；智能工藝規劃；人工智能；數據挖掘
2013 年德國在漢諾威機床展覽會上提出工業 4.0 概念的核心思想——“智能 + 網絡化”，其可以將裝備、存儲系統和生產設施融入到信息物理系統（Cyper Physical Systems, CPS）中，同時將工業互聯網應用到制造業領域，從而實現生產型制造向服務型制造的轉變。與此相適應，中國制造 2025 也提出了“實現智能化制造，建立智能化生產線，采用智能化管理運營模式”的核心規劃內容。工業 4.0 和中國制造 2025 核心規劃的提出，都昭示著第四次工業革命的到來。由此可以看出，第四次工業革命強調信息化與工業化的融合，其前提是制造裝備及其控制的智能化，而數控機床和數控系統是實現智能化生產的核心要素。因此，數控系統的智能化發展將成為必然趨勢，本文將從數控系統的信息共享、工藝數據平臺和新一代數控所實現的智能化功能等方面闡述其智能化需求。網絡化數控對信息的描述和共享當代高檔數控系統依托于計算機技術、網絡技術的發展，其體系結構和運行模式都發生了巨大的變化，數控系統正從過去的封閉式走向開放式，從過去的單機運行走向網絡化數控。這就要求新一代數控系統在信息描述層擁有一定智能化，標準的開放式數據接口使得不同系統具有對信息模型統一的描述；基于總線的伺服執行部件與傳感部件使數控系統內部達到高速信息互通。
1、標準的開放式數據接口
在智能制造中，數控系統應該具備從制造系統中獲取零件的加工要求，并將最終的加工結果反饋給制造系統，以實現數控系統與制造系統的信息互通。但到目前為止，在數控系統與制造系統交互的數據接口仍大量采用 ISO-6983（G&M）標準代碼。G&M 代碼僅僅規定了工件的加工軌跡信息和少量開關狀態，造成 CAD、CAPP、CAM 中大量有關工件本身描述的信息以及加工工藝規劃的信息無法傳遞到數控系統，數控系統成為制造系統中一個相對孤立的單元。采用 G&M 代碼作為信息交互的數控系統是一個被動執行者，無法成為一個智能決策者，這便從根本上限制了數控系統的智能化。因此，關于數控系統與制造系統上游單元的數據接口信息豐富化和開放化是數控系統智能化的關鍵問題。2001 年ISO14649 被正式提出并得到了廣泛的研究，該標準和 ISO10303 無縫銜接，解決 CAD/CAM 到 CNC 系統的信息丟失和單向傳輸問題，因此也被稱為 STEP-NC。直至今日，該標準已經成為 CNC 編程的新型數據標準，各國研究機構都在該標準的前提下進行擴展和補充。STEP-NC 最主要的特點是采用高層信息來表示完整的產品數據，回應了制造對象的特征及技術要求，而不是如 G&M 代碼那樣只告訴數控系統做什么。STEP-NC 通過描述任務信息（鉆孔、粗磨、拋光等），將高層信息傳遞給車間現場，如關于加工對象的幾何信息、技術要求以及拓撲信息。同時，在車間現場所做的加工修改也會被記錄并反饋給設計和規劃部門，從而更好地實現數控系統與制造系統的雙向信息交互。采用STEP-NC，可以描述從毛坯到零件的全部信息，實現了從 CAD/CAM 和CNC 系統的無障礙信息交互，實現了數控系統與制造系統上游單元的無縫銜接，為數控系統的智能化提供了基本條件。
到目前為止，國際標準化組織已經基本完成了通用加工數據、銑削和車削等常見加工數據標準的制定，國內外正在積極開展相關的應用研究。數控系統中關注的是基于 STEP-NC標準的工藝規劃和加工程序生成。和以往僅僅在數控系統中增加了STEP-NC 到 G 代碼解釋功能不同的是，智能數控系統希望在系統中開發獨立的 STEP-NC 工藝規劃和刀具軌跡生成功能模塊，同時開發根據零件特性與加工環境進行自主決策及對加工過程進行優化的能力，如圖 1所示，類型 3 將是未來智能數控系統的基本構成。
圖1 3種STEP-NC數控系統類型
STEP-NC 僅解決了零件制造信息的傳遞問題，在制造過程中也需要將其加工狀態信息實時與制造系統上游保持交互。如：設備綜合效率（OEE）、刀具磨損信息、工件數量與質量信息、機床運行狀態信息、機床能耗狀態、報警與故障信息等。通過對這些信息的采集、分析，可以優化工件的加工過程、預測機床能耗和刀具壽命等。云制造平臺下，信息共享是實現低成本、高附加值、高柔性生產的必然選擇。數控系統要在新的智能化信息制造平臺下發揮作用，就要以通訊和資源共享手段與外部的其他控制系統進行聯接，實現遠程監測、在線診斷等統一化管理功能。北京航空航天大學劉強教授等通過互聯網技術實現了共享數據平臺、高性能開放式數控系統、機床在線監測系統、機床參數優化系統、機床能耗分析系統和機床工具自診斷系統的信息共享，為實現機床的在線監測、智能工藝規劃、參數優化和機床自診斷等功能提供了數據交互橋梁。同時在工廠層面，信息技術的發展強有力地推動了數控系統的網絡化進程。隨著企業信息化進程的推進，生產過程中將實現跨車間、跨工廠、跨地域甚至跨國域的制造信息交換和信息共享。數控系統制造商也開始提供基于網絡化的服務：如日本山崎馬扎克（Mazak）公司的智能生產控制中心（Cyber Production Center， CPC）；日本大隈機床公司（Okuma）推出的信息技術廣場（IT plaza，IT 廣場）；德國西門子公司（Siemens）的開放制造環境（Open Manufacturing Environment，OME）等。由此可見，具備智能化功能的數控系統必須依賴開放的網絡化信息共享平臺的支持。
2、數控系統與伺服、傳感信息互通
僅實現數控系統與制造系統的信息互通是不夠的，數控系統更需要與其末端檢執行單元實現雙向信息交互。當前對機床高速高精加工要求越來越高，但是大部分數控系統與伺服系統之間仍采用脈沖信號方式驅動，這遠遠達不到高速高精的需求，一些針對數控系統優化的現場總線成為信息互通的最優途徑。現場總線不僅簡化了系統結構，而且實現了信息共享，是實現高速高精位置控制和信息化的必然條件。 伺服總線根據其需求應具有以下特點：（1）實時性。既要有確定性的通訊機制，又要具備在相同時間有確定性動作的能力，這保證了插補數據向伺服系統的傳輸實時性；（2）同步性。由于插補到伺服的數據傳遞過程是將各軸位移數據分解，即要求在運動執行過程中各軸運動保持嚴格的同步性，這一功能需要伺服總線具有低同步誤差和信號抖動；（3）短周期。小數據的優化傳輸，通用以太網有最小包（大于 64 字節）的傳輸限制，而插補數據往往是離散后的小數據短周期傳輸；（4）高可靠性。伺服總線需要在每時每刻都保證數據的正確性，而現有的互聯網技術達不到這種實時高可靠的要求。與此同時，該總線還要具備兼容弱實時、非實時部分的一些傳感器、機床IO 等操作，所以伺服總線需要針對這些問題和特點進行針對性設計。國內外各公司紛紛推出數字接口協議和標準，如：日本 FANUC 公司 推 出 串 行 伺 服 總 線（FSSB），德國西門子推出 Profibus、Profi Net 總線，日 本 三 菱 推 出 CC-link 總 線，德國倍福（BECKHOFF）公司推出Ether CAT 總 線，日 本 安 川 推 出 的MECHATROLINK 總線，國內大連光陽推出 GLINK 總線，華中數控推出Ether CNC 總線等。各大數控與伺服產品公司都在其中高端產品中應用到了實時總線技術，可見其在數控系統信息交互環節中的重要性。當前機床伺服系統作為單獨的位置控制系統，與數控系統“溝通”并不緊密。為滿足高速和高精度位置控制需求，數控系統要在軌跡規劃與速度規劃時充分考慮當前伺服系統的性能。而當前絕大部分中低檔伺服系統是基于脈沖信號方式驅動的，這種伺服系統無法實現在線參數讀取與設置，從而導致數控系統無法綜合伺服參數來進行合理的規劃。基于總線的伺服系統通過實時高速通訊，提升了伺服驅動輸入指令的控制精度，同時基于雙向通信的總線可將伺服運行狀態反饋給 NC 系統，例如智能伺服所辨識的運動部件參數，可通過總線共享至 NC，為智能軌跡規劃提供參數，也可實現在線伺服參數修改等非總線伺服系統實現不了的功能。這些通訊通道都是智能數控與智能伺服所必須的條件。
現有伺服總線協議標準并沒有統一，各公司推出的總線協議也不對外公開，性能指標上各有優劣。同時伺服驅動器的很多功能也沒有對上層數控系統開放，系統既不能充分利用伺服系統的內部信息，也不能充分控制伺服的動作，致使兩套系統無法結合以發揮最佳性能，這些問題將是基于高速總線數控系統有待優化的。大數據下工藝數據的信息挖掘與應用針對制造業的加工過程來說，有些過程可以用現有的基礎理論來計算、模擬，而有些工藝和經驗則是需要憑借長期積累和實踐才能掌握的。隨著大數據時代的到來，機器學習等已經在大數據時代得到了廣泛的應用，其中包括：搜索引擎、推薦系統、語音識別、智能翻譯等領域，這些領域都有一個共同的特點——依賴于復雜、高維度、多變特征的大數據。從這些真實、凌亂、無模式和復雜的大數據中挖掘人類感興趣的知識。制造業的一些工藝方案和工藝參數是否可以通過機器來自主學習掌握？機器學習等人工智能方法是否可以在工件加工中過程中得以應用？以下將針對大數據下的制造信息挖掘與學習展開介紹。如今在滿足信息化條件的數控系統可輕松得到從設計到產品的所有生產加工數據，系統在具備標準的網絡化數據接口的前提下，即可輕松捕獲、記錄并上傳機床的各類數據；數據平臺對搜集來的各類數據進行分類、甄別和存儲；通過智能算法來挖掘海量數據中的信息，并依靠機器學習等人工智能算法，使機器掌握零件的加工方法，這些通過機器學習總結的加工經驗將為新零件的加工提供有效建議。同時，這些信息將為智能工藝規劃和智能工藝參數整定提供可靠依據。
1、工藝數據重要性
眾所周知，在具有相同加工條件的情況下，零件加工的工藝流程和工藝參數直接決定了零件加工的質量和效率。以往的研究僅能針對指定的加工要求做針對性的優化，基于現有理論和加工經驗，工程師們總結出了機械加工工藝手冊，列舉了一般情況下的加工工藝流程；又如針對工藝參數的選擇方面，相關書籍例如《機械切削工藝參數速查手冊》、《實用機械加工手冊》等都是針對特定情況下加工某些特定零件的推薦加工參數，其查詢效率和被加工零件種類的全面性難以保證。若想達到較滿意的加工效果，還需要工程師和機床操作技術人員長期的加工經驗，考慮機床、母材、刀具等的綜合情況，來調整零件的加工工藝和工藝參數。數控系統在加工過程中可以通過技術方法來監測并記錄上述的所有加工信息，其即可記錄加工的工藝與參數，又可檢測加工的質量、效率。具備了上述網絡化的數控系統可將這些信息記錄到工藝大數據平臺中。但這些原始數據關系復雜，且可能存在錯誤數據，無法直接用于分析和推理，所以需要一種依賴于現有加工數據自主挖掘信息的大數據挖掘系統。
2、工藝數據的收集與管理
利用現有大數據挖掘與管理方法，對收集的有用加工信息進行提取，并最終給出針對某類加工特征的參數優化建議，這些建議將指導下一件產品加工。大數據平臺又可將本次加工信息與之前的信息進行對比，評估所提供的加工建議是否合理。文獻 [17] 提出了建立“制造工藝大數據”收集激勵機制和甄別平臺，支撐高端數控發展的思想。該思想強調首先開發工藝數據收集工具如手機 APP 等工具，通過激勵機制將一線工人掌握的加工數據通過工藝 APP 上傳到云端服務器；然后經過專業甄別和優化，建立工藝參數數據庫（見圖 2）；文獻 [18] 描述了整個制造系統中數據的收集與綜合應用，并對數據收集方法做了相關綜述和研究。可見數據收集在制造智能化過程中有較大的作用。
圖2 具有大數據支持的數據收集系統
3 、基于機器學習的工藝經驗提煉
具備了信息收集與存儲系統，工藝數據平臺從而擁有了具有自我標注的閉環反饋學習途徑，滿足了大數據時代實現機器學習和其他人工智能的算法需求。人工智能平臺下的機器學習依賴的是原始數據，而不是由人工試驗測得的標準加工方案或標準參數手冊。通過人工智能算法對搜集來的加工數據進行分析和自我標注，并將這些帶有標注信息的加工數據應用到新一次工件的加工中，這些新產品在加工過程中又會產生新的加工數據和加工結果，人工智能平臺通過對前后兩次的加工結果、不同機床不同加工條件等多維度的比較分析中，總結出多維的機器學習經驗，應用于對新一次加工的幫助和指導。文獻 [19]綜述了專家系統的發展過程，數控系統的專家系統也正向著數據和網絡化發展。文獻 [20] 等分別描述了人工智能在航空制造領域和汽車生產中的應用。在機器學習和大數據挖掘興起的當今，利用人工智能對制造數據所包含的信息進行提取、挖掘和學習，將為生產制造提供很多具有現實意義的指導。
數控系統的智能化
具備了網絡化的數控系統配合大數據平臺知識庫的支撐，數控系統內部即可實現真正的智能工藝規劃。系統自身可解析工件的加工要求，結合自身的機床參數，智能匹配大數據平臺中最優工藝流程和最優加工參數，從而在無專業 CAM 設計人員與經驗工人的情況下，實現零件的傻瓜式加工。系統在加工過程中記錄的加工參數和加工結果又可作為原始數據上傳至大數據平臺。
1、智能化功能
對數控行業來說，傳統數控系統被動地接受指令，系統自身并不知道加工零件特征，也無法感知當前加工狀態。相反，基于網絡化的數控可保證各模塊及時準確獲取所需信息；大數據平臺為工藝參數選取提供數據支持；云計算為高復雜性機器學習、數據挖掘算法提供了保證。隨著互聯網技術、傳感技術和計算技術的發展，數控系統有望實現更高層次的智能化功能，包括自動加載工件，自動規劃并優化刀具路徑；精確感知加工狀態并反饋感知結果，優化工藝路線；自適應控制和在機監測等。因此，數控系統智能化功能將主要表現在：工藝規劃策略和工藝參數、控制參數智能化調整和決策。
2、 加工工藝智能規劃
在網絡和大數據平臺的支撐下，數控系統自身將具備分析與決策的主動權。數控系統中的工藝規劃主要包括工藝路線和工藝參數規劃，基于 STEP-NC 數據模型側重描述加工目標，即被加工零件的制造特征和技術要求。與傳統 CAD-CAPP/CAM-CNC 模式不同，STEP-CN 趨向于決策和控制一體化的自制系統，所以基于 STEP-NC 的數控系統是體現機床智能化的典型代表。山東大學劉日良、張承瑞等將基于 STEP-NC 的工藝規劃分為離線規劃、在線規劃和實時規劃 3 類。其中，離線規劃是由 CAPP/CAM 完成的，在線規劃和實時規劃則是由數控系統完成。在線規劃過程中，數控系統可根據機床自身的參數特性，對STEP-NC 數據中的加工要求進行參數細化。對于不同數控系統，由于性能和參數不同，可能獲得不同的在線規劃結果，這些加工策略與加工參數是當前加工條件下的最優方案。實時規劃則是根據機床當前的運行狀態，實時地對刀具軌跡和加工參數進行調整（見圖 3）。市場上已有一些智能化數控功能的宣傳，例如海德漢智能機床中的振顫控制（ACC）、自適應控制（AFC）、擺線銑削、關聯軸誤差補償（CTC）等技術。這些實時層的智能化參數調整脫離了工件的制造特征，是一套相對獨立的智能化參數微調系統。由于數控系統本身對模型制造特征的認知及分析能力不足，致使系統并不知道何時應該啟用何種控制策略，因此該類智能化模塊與上述基于 STEP-NC 智能化實時參數規劃還有一定本質性的區別。近幾年，有學者對基于 STEP-NC 的閉環制造工藝進行了相關研究，由于 STEP-NC 數據具有機床與CAx 之間的雙向數據傳輸特性，其依賴于全新 Onto STEP-NC 數據結構，并可將加工過程中的信息反饋至 CAx 系統。CAx 系統可分析工藝策略、參數和當前參數的加工過程、加工結果等，并根據分析結果動態調整加工策略與加工參數。這樣便形成了從加工策略到加工過程的閉環反饋，通過其動態調整達到生產質量和效率的最優，真正意義上實現了決策的智能化。
圖3 STEP-NC條件下的分層規劃
3 、控制參數智能調整
由于單軸的位置控制已滿足不了機床高精度的需求，自 Koren提出交叉耦合控制（CCC）后，輪廓誤差跟蹤控制技術逐年興起，這種控制方式可充分考慮軌跡的全局信息，對以減小輪廓誤差為目標的各軸進行動態調整。但在現有輪廓誤差控制方法絕大部分是針對運動控制器本身的研究中，運動控制器需要已知軌跡的全局信息，而在傳統數控系統中，位置環的輸入參數是經過插補后的離散點。因此，驅動器無法獲得軌跡的全局信息。有學者針對這種特殊情況設計了適用于數控系統的交叉耦合位置控制器，但無法達到最優效果。其本質是數控系統與伺服驅動器相互通訊能力以及計算能力不足導致的；近些年學者提出五軸機床高速狀態下輪廓誤差跟蹤控制算法。而當代處理器處理速度、GPU多核并行計算速度、高速網絡總線通信帶寬每年都在成倍增長，智能制造下的網絡化、云計算等技術將使CNC與伺服驅動器之間的“溝通”和“思考”不再會有障礙，復雜輪廓誤差控制算法將會在基于網絡化的數控系統中應用與實現。
4 、智能感知加工狀態并反饋決策
為了進一步提高數控系統的加工效率和加工精度，數控系統自身應該具有一定的感知當前加工狀態并決策控制參數的能力。外界加工條件的改變會影響工件的加工精度，例如，切削過程中由于共振等導致主軸的顫振或是由于溫升導致的尺寸變化等。為解決這些問題，一些學者將測量與傳感系統集成到數控系統中，數控系統可根據傳感器反饋回來的數據動態調整控制參數。文獻[28] 采用傳感器監測機床主軸位移、溫度、切削力等參數，對機床主軸剛度特性進行研究，并依照傳感器數據提升了端銑的效率和精度。日本馬扎克 MAZAK 公司智能機床的振動智能模塊，通過機床加速度傳感器反饋回的振動信息，采用主動振動控制技術，動態調整加工參數，使機床振動減至最小，這些誤差補償技術都依賴于傳感器與控制系統的結合，文獻[29] 采用實時監測系統對刀具的工作狀態進行監測，實現了刀具壽命預測、可視化診斷等功能。針對機床高精加工方面，莫斯科自動化研究所的 PUSH 認為，熱誤差占機床總誤差的 25%~75% 左右。王海同等對近些年熱誤差補償的算法進行了綜述，分別討論了經驗熱誤差建模方法和理論熱誤差建模方法國內外的研究現狀，分析了各個模型的優缺點，提出當今熱誤差補償建模技術的不足。瑞士米克朗公司對切削熱與加工精度的關系進行了長期跟蹤研究，并得到了很多現場試驗數據和經驗值，提出智能熱補償系統（ITC），通過布置在機床多處的溫度傳感器采集溫度數據，借助基于結構的熱位移補償技術對加工參數進行動態調整，從而提高了高精度機床對溫度的適應范圍。對進給率的動態調整和對主軸的顫振抑制，都是在高精度要求的前提下最大化機床的加工效率，而溫度誤差補償則提高了機床對環境的適應能力，基于控制算法的誤差補償技術也需要在數控系統中進行集成。高速高精永遠是機床的發展方向，智能化機床應該利用自己所能感知到的信息，分析出機床當前的工作狀態，動態調整各加工參數，使其在工作精度和工作效率的綜合結果上達到最優。
結束語
（1）標準化的信息接口對數控系統的發展與智能化具有重要的意義，基 于 STEP-NC 的 數 據 接 口 是CNC 未來發展的必然趨勢，通過標準的接口實現 CAx 頂層設計和 CNC 底層加工的雙向信息互通。
（2）機床加工過程中的狀態監測、數據記錄和信息共享是機床實現智能化的基礎。數控系統在加工過程中對其自身加工數據的采集和記錄，為制造大數據平臺下的數據挖掘提供了數據來源。
（3）基于“制造工藝大數據”平臺的智能工藝規劃為數控系統的工藝規劃提供了參考和依據，有望成為智能數控系統的必備功能模塊。
（4）在數控系統網絡化和信息共享的基礎上，有望實現智能工藝規劃和在線工藝參數調整等功能，用于在有限條件下針對性優化機床加工精度和效率。
（5）在數控系統對內部數據分析的基礎上，通過接入外部傳感器，豐富其對加工過程的感知能力，針對性優化加工參數或加工工藝，更有利于提高機床高速高精的性能.
來源：(1. 清華大學機械工程系，北京 100084; 2. 清華大學摩擦學國家重點實驗室，北京 100084;3. 清華大學精密超精密制造裝備與控制北京市重點實驗室，北京 100084)
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