智能制造環(huán)境下的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展需求探析

趙建林 武漢職業(yè)技術學院

為進一步提高綜合制造水平，我國正逐步實施“中國制造2025”行動綱領，其核心內容在于實現(xiàn)智能化生產制造，搭建智能化生產流水線，運用智能化企業(yè)管理運營模式，即重視有效融合工業(yè)化與信息化，實現(xiàn)這一目標的前提條件是提高制造設備智能化水平，實現(xiàn)智能化生產主要在于應用數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控機床等先進科學技術。因而，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展智能化成為大勢所趨，本文主要從信息共享、數(shù)控系統(tǒng)智能化功能以及工藝數(shù)據平臺等方面探析智能制造環(huán)境下的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展需求。

一、數(shù)控系統(tǒng)信息共享

基于網絡技術、計算機技術，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)升級、轉型，其運行模式與結構發(fā)生翻天覆地的變化，由封閉走向開放，從單機運行轉變?yōu)榫W絡數(shù)控。這就需要標準化、智能化的開放式數(shù)據接口，該數(shù)據接口使得不同系統(tǒng)對信息模型具有統(tǒng)一的描述，需要基于總線的傳感部件以及執(zhí)行部件，該部件實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)信息互通。

（一）標準化、智能化的開放式數(shù)據接口

在智能制造環(huán)境下，數(shù)控系統(tǒng)以制造系統(tǒng)為基礎獲取零部件加工要求，并完成加工后將信息反饋回制造系統(tǒng)，實現(xiàn)制造系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的信息共享與互通。目前，實現(xiàn)兩大系統(tǒng)信息互通的數(shù)據接口依舊普遍采用ISO-6983 代碼。傳統(tǒng)的數(shù)據接口僅對工件的加工軌跡做出規(guī)定，而無法向數(shù)控系統(tǒng)傳遞工藝規(guī)劃信息以及工件本身描述信息，因而，STEP-NC 數(shù)據接口逐漸在制造加工也得到應用，該數(shù)據接口能夠有效解決信息互通中信息單向傳輸以及信息丟失等問題。STEP-NC 工藝實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)與制造系統(tǒng)實時信息互通，為數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)智能化提供了條件。

（二）智能化的執(zhí)行部件以及傳感部件

數(shù)控系統(tǒng)不僅要與制造系統(tǒng)實現(xiàn)信息互通，還要與執(zhí)行部件以及傳感部件進行實時交互。目前，數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的信息交互普遍利用脈沖信號的方式，難以達到高精度高速度的制造需求。隨著科技水平的不斷提高，現(xiàn)場總線技術較好地解決了數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)之間的信息交互問題，不僅優(yōu)化了系統(tǒng)結構，而且實現(xiàn)了高效的信息共享。現(xiàn)場總線具有實時性、同步性、短周期以及可靠性高等優(yōu)勢，其中實時性是指現(xiàn)場總線具備準確的通訊機制以及同時間確定動作能力；同步性則是指插補到伺服這一數(shù)據傳輸過程各軸運動嚴格一致，有效避免信息抖動以及同步誤差；短周期則是現(xiàn)場總線具有短周期傳遞小數(shù)據的特點；可靠性高則要求現(xiàn)場總線時刻保障數(shù)據正確性。當前現(xiàn)場總線并沒有統(tǒng)一協(xié)議標準，數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)仍未充分結合發(fā)揮最佳性能，這要求相關學者進一步深入研究如何優(yōu)化高速總線系統(tǒng)。

二、工藝數(shù)據信息挖掘

如今，信息化數(shù)控系統(tǒng)能夠輕松獲取生產流水線上所有加工數(shù)據，在具備標準化、智能化的開放式數(shù)據接口的條件下，實現(xiàn)收集、存儲以及上傳機床各類數(shù)據；數(shù)據平臺有效整合、分類各類數(shù)據；應用智能算法挖掘更多信息，通過人工智能使得機器具備學習能力，為加工制造提供決策依據。

（一）工藝數(shù)據的重要性

在相同加工條件下，零件加工工藝質量由工藝參數(shù)以及工藝流程共同決定。在加工過程中，數(shù)控系統(tǒng)借助相關技術記錄全部加工工藝參數(shù)以及加工信息，以檢測制造效率以加工質量。信息化的數(shù)控系統(tǒng)將記錄的信息上傳至相應的工藝大數(shù)據平臺。但是原始數(shù)據具有關系復雜。、存在誤差等特點，無法直接進行分析、推理，因而，需要一套能夠依據現(xiàn)有工藝數(shù)據自主挖掘數(shù)據信息的大數(shù)據挖掘系統(tǒng)。

（二）收集與管理工藝數(shù)據

借助大數(shù)據挖掘技術以及現(xiàn)代管理方法，提取收集到的加工數(shù)據中有用信息，并針對某一工藝參數(shù)提出優(yōu)化建議，并指導下一個部件的加工工作。大數(shù)據平臺會對比此次加工信息以及先前的加工信息，評估并提出更合理的加工意見。

（三）基于機器學習提煉工藝經驗

工藝數(shù)據臺平臺具備了數(shù)據收集以及信息存儲功能，進而擁有閉環(huán)反饋學習途徑，滿足智能制造環(huán)境下人工智能以及機器學習的算法需求。

機器學習主要依據原始數(shù)據，未經人工試驗。利用人工智能算法分析并自我標注[5]收集到的加工數(shù)據，并將帶有標注的工藝數(shù)據應用于下一個產品的加工中，下一個產品在實際加工過程中會產生新的工藝數(shù)據，人工智能平臺對這兩次加工結果、機床加工條件等進行多維度比較分析，最終總結出加工工藝經驗，以指導新產品的加工。

三、智能制造環(huán)境下的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展需求探析

（一）智能化

隨著計算機技術、傳感技術的不斷發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)有望進一步提高智能化水平，完善諸如優(yōu)化走刀路徑、自動加載工件等智能化功能，精確掌握加工情況，并準確反饋感知的加工信息，優(yōu)化工藝工序路線，提高自適應控制水平，實現(xiàn)在機監(jiān)測。

（二）智能規(guī)劃加工工藝

基于大數(shù)據平臺，數(shù)控系統(tǒng)具備自主分析與主動決策的能力。數(shù)控系統(tǒng)中加工工藝規(guī)劃包括規(guī)劃工藝路線以及工藝參數(shù)，STEP-NC工藝側重描述被加工元件的技術要求以及制造特征。，是一種實現(xiàn)決策、控制一體化的數(shù)控系統(tǒng)。

（三）智能調整控制參數(shù)

輪廓誤差跟蹤、交叉耦合等控制技術逐漸興起，這類控制方法充分考慮加工軌跡的全部信息，動態(tài)調整各軸工藝，以縮小輪廓誤差。這種主要研究運動控制器的輪廓誤差控制方法無法使得驅動器獲取軌跡整體信息，針對這一問題，有學者提出復雜輪廓誤差跟蹤算法，并有望廣泛應用于網絡化數(shù)控系統(tǒng)。

（四）智能獲取加工狀態(tài)信息

數(shù)控系統(tǒng)具有一定的自我感知力，能夠感知現(xiàn)下加工狀態(tài)，并擁有控制參數(shù)、自主決策的能力。然而，外界環(huán)境會對工件加工工藝精度產生影響。為了提高數(shù)控系統(tǒng)的加工精度與質量，有學者在數(shù)控系統(tǒng)中集成測量、傳感系統(tǒng)，使得數(shù)控系統(tǒng)可以借助傳感器反饋的信息對控制參數(shù)進行動態(tài)調整。

綜上所述，在智能制造環(huán)境下，標準化、智能化的開放式數(shù)據接口，收集與管理工藝數(shù)據等技術對提升數(shù)控系統(tǒng)智能化水平具有重要意義，為了實現(xiàn)加工制造業(yè)的長足發(fā)展，我國學者應深入研究加工工藝信息互通、參數(shù)控制等方面的內容，構建更高層次的智能化數(shù)控系統(tǒng)。