離散制造車間下智能加工設備構建方法研究*

沈小雨，唐敦兵，張澤群，鄭 杜，管晨丞

（南京航空航天大學機電學院，南京 210016）

在“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”的時代下，加工任務呈現(xiàn)出多樣化、動態(tài)化以及不確定性，對制造過程與制造設備提出了更高的要求，同時制造系統(tǒng)要求具有足夠的柔性和自組織、自適應的能力，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計及加工能力很難滿足這種條件。20世紀90年代以來，人們結合信息化、計算機等技術，提出計算機集成制造、信息化制造，將企業(yè)決策、經(jīng)營管理、生產(chǎn)制造、銷售及售后服務有機地結合在一起，實現(xiàn)了制造過程中的部分自動化。隨著互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)時代的到來，在原有的集成制造基礎之上，結合人工智能，提出了一種新型制造理念——智能制造[1]。

智能裝備是智能制造研究中的重點方向，是整個智能制造系統(tǒng)的基礎設備，包括智能加工設備、智能運輸設備、智能檢測設備等。其中智能加工設備是智能裝備中的重點對象，承擔著加工這項重要任務，要求其具有對加工任務的適應性，能夠與制造系統(tǒng)中其他加工設備交流協(xié)商，共同分配加工任務。加工設備的智能化程度直接決定了整個制造系統(tǒng)的智能化程度，目前工件的形狀越來越復雜且加工精度要求越來越高，國內外研究機構普遍認為提高加工設備的智能化是主要解決途徑，從而提出了智能機床的概念。

華中科技大學石磊等[2]提出了一種智能加工中心的設計方法及模型，指出智能加工設備不僅要具有多功能數(shù)控加工的功能，還必須具備感知、判斷、決策、監(jiān)控以及與其他單元交互的功能。國防科技大學梁建成等[3]在機床的智能加工體系研究中提出了智能加工的基本概念與內容，表示智能加工就是要解決加工過程中眾多不確定性的、要有人干預才能解決的問題。鄢萍等[4]提出了智能機床狹義和廣義定義，狹義定義強調的是加工設備單機所具備的智能功能和對加工過程多目標優(yōu)化的支持性，而廣義定義強調的是在以人為本人際協(xié)調的宗旨下，機床以及一定方式組合的加工設備或生產(chǎn)線所具備的智能功能和對制造系統(tǒng)多目標優(yōu)化運行的支持性。駱金威等[5]通過對航空結構件加工的研究，提出航空結構件智能化加工設備的發(fā)展方向，表示加工設備將逐步從數(shù)字化時代走向智能化時代，其主要特點是機床軟、硬件設備等多智能體系統(tǒng)的集成及應用，核心技術在于機床對加工程序的智能化識別。邵澤明等[6]應用人工智能方法以及融合智能傳感器技術，通過識別、分析、判斷及推理，實現(xiàn)了數(shù)控機床的智能功能。

國外的學者與研究機構也對智能加工設備進行了相關研究。Mazak公司對智能機床給出的定義[7]：數(shù)控機床能感知自身的狀態(tài)和加工環(huán)境的變化，并根據(jù)自身狀態(tài)以及加工環(huán)境的變化來調整加工參數(shù)。Liu等[8]認為現(xiàn)有的計算機數(shù)控（Computer numerical control，CNC）系統(tǒng)僅支持供應商特定的NC程序輸入，限制了具有不同程序格式的其他類似功能NC程序的應用，為處理各種NC程序，提出了一種智能NC程序處理器（NC program processor，NCPP）。

通過對國內外研究成果的分析，發(fā)現(xiàn)目前對智能加工設備方面的問題研究主要集中在數(shù)控機床NC程序自適應技術、加工工藝智能設計、設備信息感知與設備故障預測等方面，研究中大多針對獨立的設備進行智能化改造，沒有對設備在制造系統(tǒng)中的加工過程進行系統(tǒng)考慮，無法體現(xiàn)物聯(lián)環(huán)境下制造車間的功能。隨著物聯(lián)制造技術的不斷發(fā)展，加工設備彼此之間的聯(lián)系更加緊密，在加工過程中愈發(fā)強調設備之間的互聯(lián)互通。同時在實際生產(chǎn)環(huán)境中，由于不同廠商的數(shù)控系統(tǒng)存在異構性和封閉性，設備的控制與通信無法通過統(tǒng)一模式實現(xiàn)，導致設備在制造系統(tǒng)中互聯(lián)效率較低。針對上述情況，從制造系統(tǒng)層面對加工設備進行智能化構建的需求問題亟待解決。為此，本文提出一種智能加工設備的構建方法，通過以下3個部分進行展開。

1 智能加工設備體系結構

1.1 基本結構

智能加工設備是基礎制造技術、計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)技術等相關技術的結合體，是這些學科發(fā)展的必然結果?！肮I(yè)4.0”與“中國制造2025”都對其相關概念進行了定義，根據(jù)學者們在此方面的研究成果總結，同時結合本文研究人員當前實驗室的構建結果來看，智能加工設備由以下基本部分組成：信息處理、決策系統(tǒng)、執(zhí)行機構，如圖1所示。3部分相輔相成，與其他設備相互協(xié)商，共同實現(xiàn)智能加工。

圖1 智能加工設備基本結構Fig.1 Basic structure of intelligent processing equipment

信息處理是智能加工設備的感知部分，接受訂單信息、環(huán)境狀態(tài)信息，將其進行部分處理送至決策系統(tǒng)；同時擔任著與其他設備交流的任務，將自身的加工狀態(tài)與制造系統(tǒng)中其他設備實時交流，根據(jù)其他設備的狀態(tài)信息對自身的加工做出合理的調整與規(guī)劃。

分析決策系統(tǒng)是智能加工設備的核心部分，是智能加工設備的大腦；根據(jù)接收到的訂單信息進行決策，實現(xiàn)不同類型的加工調整，將設備的狀態(tài)發(fā)送至信息處理部分，用于實現(xiàn)與制造系統(tǒng)中其他設備交流，并將相關的處理、控制信息存儲至數(shù)據(jù)庫，方便實現(xiàn)信息化管理；同時決策系統(tǒng)控制著執(zhí)行機構，實現(xiàn)加工設備的基本功能。

執(zhí)行機構是智能加工設備的基礎部分，主要用來接收決策系統(tǒng)的信息，并根據(jù)其控制信號控制加工設備自身的相關部分，如刀具、夾具、NC代碼、實際加工等。同時執(zhí)行機構可以實時反饋加工情況至決策系統(tǒng)，決策系統(tǒng)根據(jù)不同情況做出合理調整，改善加工過程。

目前，根據(jù)智能加工設備的特點，除了設備本體的數(shù)控加工特點外，主要還具備如下特點：

（1）智能控制加工動作。加工設備完成加工任務是由最基本的加工動作組合在一起而實現(xiàn)的。對加工動作進行智能控制，通過自身的反饋信息與外部的狀態(tài)信息，實時對加工動作進行調整；如根據(jù)機械手的送料信息判定夾具是否開合，根據(jù)工件的準備狀態(tài)控制加工程序啟動與暫停。

（2）智能交互。工件的加工任務是由設備間相互配合完成的，合理定義設備間信息交互的方式，實現(xiàn)設備間智能交互，通過相互交流設備當前的狀態(tài)，協(xié)作完成加工；如機械手與機床間智能交互，合理進行物料的夾取與釋放。

（3）多智能體系統(tǒng)。單獨的一個智能加工設備就可以看作是一個智能體，多智能體系統(tǒng)是由多個智能體組成的集合，智能體之間及智能體與環(huán)境之間通過通信協(xié)商共同完成加工任務。

1.2 構建問題描述

為了更接近工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，在實驗室模擬車間環(huán)境中使用了不同品牌的加工設備，具體設備情況如圖2所示，其中加工設備和輔助設備包括加工設備、緩沖區(qū)、REID讀寫器、其他傳感器。

圖2 實驗室模擬車間Fig.2 Laboratory simulation workshop

對于本文中加工設備情況，車間物理實體可以分為多種類型的設備，包括倉儲設備、銑削設備、車削設備、AGV設備、機器人單元和檢測設備。本文以FANUC系統(tǒng)的數(shù)控銑削設備為例，介紹如何實現(xiàn)其智能化構建，如何針對環(huán)境變化做出適當?shù)臎Q定，以及如何通過與其他智能設備協(xié)商來驅動車間制造系統(tǒng)正常運行。數(shù)控銑削設備由搭載具體的數(shù)控系統(tǒng)的本體組成之外，相應的會為其配套工件緩沖區(qū)、RFID讀取器/寫入器以及傳感器，如圖3所示。

圖3 銑削設備及其配套輔助設備Fig.3 Milling equipment and auxiliary equipment

在該銑削設備中，銑床的CNC、緩沖區(qū)的單片機控制器和RFID讀寫器控制器均連接到用作控制的嵌入式工控機中。

2 關鍵技術

2.1 構建加工設備適配層

適配層是根據(jù)車間內不同類型的加工設備而構建的統(tǒng)一控制、采集、交互程序的集合，其中包括控制層、監(jiān)測層以及基本的信息交互層，如圖4所示?？刂茖映袚鷮υO備最基本的控制方式，包括NC代碼的執(zhí)行、夾具的開合等；監(jiān)測層主要負責對機床當前狀態(tài)的監(jiān)測，包括加工狀態(tài)、機床報警狀態(tài)、設備運行狀態(tài)；信息交互層則是對機床自身的信息傳遞，包括NC代碼傳輸和傳遞設備的狀態(tài)信息。

以本文中提到的FANUC 0i CNC系統(tǒng)的數(shù)控銑床為例，來說明如何構建適配層?？蓮墓俜角阔@得相關FOCAS協(xié)議的軟件SDK開發(fā)包，該開發(fā)包用于實現(xiàn)FANUC 0i系統(tǒng)中的內部寄存器基本讀寫功能?；赟DK中的API函數(shù)，根據(jù)圖5所示的結構開發(fā)了采用FANUC的CNC系統(tǒng)的鏈接庫，并將其封裝到相應的DLL中。CNC系統(tǒng)的鏈接庫可分為3個塊，即CNC控制塊、CNC狀態(tài)監(jiān)視塊和NC程序上傳/下載塊，分別與圖4中的基礎組成相對應。

圖4 適配層基本組成Fig.4 Basic composition of adaptation-layer

CNC控制塊和CNC狀態(tài)監(jiān)視塊始終通過讀取或寫入CNC中的寄存器值來控制和監(jiān)視機床動作。作者團隊總結了通用CNC機床的動作，如夾具開合、安全門開關和NC程序啟動與停止等，同時還保留了一部分寄存器來控制或記錄這些機床運動信息。寄存器的名稱和狀態(tài)位存放在配置文件中，當程序運行時動態(tài)加載。相關的寄存器地址及其對應的值已在配置文件中預設，如圖5所示，其中FANUC 0i中的R0998.0寄存器點用于NC程序啟動執(zhí)行。同時，在必要的控制情況下，需要在CNC系統(tǒng)中修改梯形圖邏輯編程語言（LAD），以在LAD和適配層之間建立邏輯連接。

圖5 鏈接庫結構Fig.5 Structure of link library

通常，適配層的構建是總結和歸納的過程。如果適配層已包含連接到設備的DLL鏈接庫程序文件，則該設備可以實現(xiàn)即插即用，用于基本的智能化構建設備的制造系統(tǒng)中。到目前為止，作者團隊已經(jīng)為幾種型號的CNC和數(shù)十種型號的PLC設計了適配層解決方案，涵蓋了國內工廠常用的控制系統(tǒng)。

2.2 建立智能分析層

加工設備的智能分析層可分為兩部分：一部分是與當前環(huán)境狀況相關的加工任務信息（如正在加工的工件狀態(tài)、待處理任務的信息）；另一部分是設備本身的動作信息，包括何時打開門、何時啟動程序、當前任務完成所需時間以及使用夾具狀況、使用刀具信息和選擇具體的NC程序等。

對于第1部分，主要考慮是否可以接受當前正在進行加工工件的下一個工藝步驟，是否適合自加載，是否會出現(xiàn)擾動等。最終實現(xiàn)合理的任務分配，以便設備負載趨于平衡，并確保工件的交貨期。單個加工設備無法決定最終的任務分配，只有通過智能加工設備之間的交互和協(xié)商，才能確定該設備的任務，并且還需要一些代理功能來提供幫助。在實際加工環(huán)境下，加工設備的狀態(tài)設置為MA，可以使用以下消息集表示。

MA= {，fix，Bf，Vg}

消息1：∈M代表加工設備的類型。其中，M為一組加工設備類型定義，M={m1，m2，…，mJ}。

消息2：fix代表當前的夾具。如果它與工藝步驟中使用的夾具不同，則將具體的工裝信息發(fā)送給相應的管理人員以更換設備的夾具。

消息3：Bf={x1，x2，…，xN1}用于記錄緩沖區(qū)中工件的狀態(tài)。N1表示緩沖區(qū)的大小。可以通過函數(shù)式（1）獲取緩沖區(qū)中工件的狀態(tài)，對于空閑緩沖區(qū)則設置為0。

消息4：Vg={Vg1，Vg2，…，VgN2}是一組變量，用于記錄設備運行時的信息，如加工設備運行時間，加工設備等待時間和加工設備負載等。其中的變量根據(jù)需要進行擴展，N2代表變量的個數(shù)。以每個加工設備的負載為例，公式（2）和（3）分別描述了如何計算加工設備的輸入和輸出負載。

對于第2部分，在確定加工任務序列的前提下，通過對相關任務信息的分析，保證加工設備自身操作的準確性。不僅需要完成一般的動作（如AGV到達時接收托盤操作，需要取出工件時打開門操作），而且還需要與加工設備相對應輔助設備的一些特殊的操作。某些操作是由規(guī)則驅動的反應性操作，這些規(guī)則使用“if–then”結構在相應的配置表中配置，并且某些操作很特殊，內容不清楚，有必要通過分析當前條件來確定這些操作的內容。對于加工設備，加工動作是特殊操作的基本動作。在這種情況下，加工設備需要加工不同類型的工件，即使是相同類型的工件，不同加工任務情況下的加工時間也不同。同時，在更改任務時需要重新生成NC代碼。該過程如圖6所示。

當運載工件的托盤到達緩沖區(qū)時，RFID讀取器獲取有關存儲在RFID標簽中的任務ID和工藝矩陣的信息，信息格式如圖7所示。任務工件可以抽象為特定的數(shù)學模型以標準化其定義，以下符號描述了在模型中用于任務工件信息的索引和參數(shù)。

圖7 存儲在RFID標簽中的任務工件的描述信息Fig.7 Description of task artifact stored in RFID tag

零件類型集定義為：P={p1，p2，…，pK}。

運輸設備的集合定義為：E={e1，e2，…，eH}。

第i個加工任務設置為pi，可以使用以下消息集表示：

pi={pk，dpi，VPi，EPi，CPi，OPi}

消息1：Ek∈P代表當前待加工任務工件的類型。

消息2：dpi代表成品交貨日期，它是加工任務的限制時間。

通過讀取到的信息，可以獲得消息集。夾具是否需要更換可以由EPi的值確定?？梢酝ㄟ^VPi和OPi的值來分析當前需要加工的類型。此外，可以從一組CPi中提取當前加工的參數(shù)值。在這種情況下，加工的類型是常量，因此可以總結出常規(guī)算法并將其用于生成相應的NC程序。在該算法中，加工形狀特征和相應的參數(shù)值用作輸入變量。

在圖6所示的示例中，通過分析工件消息集，由加工設備的智能分析層分析結果可知需要在板類工件上加工直徑為30mm和深度為3mm的兩個孔。然后，使用指定的常規(guī)算法生成相應的NC代碼，并通過適配層將其傳輸?shù)紺NC系統(tǒng)。

圖6 通過RFID信息自動處理Fig.6 Automatic processing through RFID information

通常，將相應的控制算法與軟件寫入嵌入式計算機中，它為加工設備提供了智能化處理功能，并使設備成為可以對環(huán)境變化做出正確反應的獨立個體。最終，這些獨立的個體可以驅動加工設備間交互完成加工任務。

2.3 定義加工設備與其他設備交互方式

2.3.1 正常加工下的交互方法

加工設備與制造系統(tǒng)中其他設備交互主要目的是協(xié)商完成任務分配和工件加工，如圖8所示。與機械手之間的交互主要體現(xiàn)在執(zhí)行加工任務過程中。加工開始前機械手查詢加工設備是否準備完成以及安全門與夾具是否為打開狀態(tài)，查詢狀態(tài)合理后，機械手則將待加工工件的毛坯放置在加工設備內并發(fā)送送料完成信息；加工設備接收到送料完成狀態(tài)之后則開始進行加工；加工完成以后，機械手獲取任務完成信息，取出成品工件，機械手與機床恢復至初始的準備完成狀態(tài)。

圖8 加工設備與其他設備交互功能邏輯圖Fig.8 Logical diagram of interaction between processing equipment and other equipment

加工設備與其他設備交互采用的是改進合同網(wǎng)協(xié)議交互模型，每當招標書到達后，加工設備會從數(shù)據(jù)庫中查詢自身狀態(tài)、當前任務、緩存等信息，封裝成投標書，發(fā)送給招標發(fā)起方。每當收到競標成功的通知，意味著加工設備將有新的加工任務，加工設備會將任務放入待加工列表中等待加工，并將相應緩沖區(qū)設置為等待狀態(tài)。加工設備同時需要負責加工工件，當工件加工完成后，需要判斷所有工序是否完成加工，如果完成了則需通知倉庫執(zhí)行成品入庫，否則加工設備需要針對下一道工序向其他設備發(fā)布任務，確定任務接收方后，由AGV將工件送至相應加工設備處。

2.3.2 設備故障的處理

車間設備故障通常可以分為通信故障和非通信故障兩種，設備發(fā)生通信故障時無法主動與系統(tǒng)中其他設備協(xié)商，緩存的任務無法處理。為了解決這種問題，提出圖9所示的故障處理策略，有效應對兩種故障的發(fā)生。

圖9 故障處理策略Fig.9 Trouble shooting strategy

每當加工設備獲取加工任務時，會將當前自身的狀態(tài)與任務信息發(fā)送至系統(tǒng)中的其他設備，其他設備接受有效信息后進行記錄存儲。加工結束后，系統(tǒng)中其他設備會進行相應的狀態(tài)調整。當設備發(fā)生非通信故障時，主動告知其他加工設備它的故障情況；對于設備的通信故障，由于加工設備會存在無響應的狀態(tài)，系統(tǒng)中其他設備會主動感知。當感知到加工設備出現(xiàn)故障以后，感知到故障的設備會將之前記錄的狀態(tài)信息發(fā)送給任務發(fā)起方，告知發(fā)起方需要重新發(fā)布加工任務。

3 智能加工設備運行試驗

離散制造車間實驗室由以下系統(tǒng)組成：倉儲系統(tǒng)、加工系統(tǒng)和運輸系統(tǒng)、仿真試驗平臺，如圖10所示。其中，倉儲系統(tǒng)由1個自動化立體倉庫組成，主要負責工件的出入庫操作。加工系統(tǒng)包括2臺數(shù)控車床、2臺數(shù)控銑床和2臺加工中心，均已進行智能化的構建。運輸系統(tǒng)包括2臺自動導引小車和2個七自由度機械臂手，主要負責物料的運輸和搬運。

圖10 離散制造車間仿真試驗平臺布局圖Fig.10 Layout diagram of simulation experiment platform for discrete manufacturing workshop

圖11（a）為軸類零件，試驗中加工路線為“車–車–銑”；圖11（b）為法蘭類零件，試驗中加工路線為“車–銑–鉆”；圖11（c）為平板類零件，加工時在固定位置銑出用戶上傳圖案，試驗中加工路線為“銑”。

圖11 定制產(chǎn)品類型Fig.11 Custom product type

實際驗證過程中，根據(jù)表1按照時間順序，下放一組訂單，每次試驗具有可對比性，同一訂單在不同試驗中，參數(shù)保持一致性。

表1 按時間順序提交的一組訂單Table 1 A set of orders submitted in chronological order

3.1 傳統(tǒng)加工設備與智能化加工設備對比

對于本文所設置的試驗，使用傳統(tǒng)的加工設備完成的訂單任務的甘特圖如圖12所示，其完成這組試驗的總時間與總負載分別是425和1607；使用智能化的加工設備完成訂單任務的甘特圖如圖13所示，其完成總時間與總負載分別是411和1408；對比可以看出，相比傳統(tǒng)加工設備，使用智能化加工設備的效率指標提升，負載量也有明顯的下降。

圖12 傳統(tǒng)的加工設備完成訂單任務甘特圖Fig.12 Gantt chart of traditional processing equipment to complete order task

圖13 智能化的加工設備完成訂單任務的甘特圖Fig.13 Gantt chart of intelligent processing equipment to complete order task

3.2 故障試驗

在進行智能化加工設備完成訂單任務試驗的基礎上，模擬加工過程中設備出現(xiàn)故障的情況，試驗甘特圖如圖14所示。在時間為170時將機床M2連接到交換機上的網(wǎng)線拔下，造成M2通信故障，在時間為220時將機床M2的通信恢復正常。故障發(fā)生時刻，O18號訂單正在加工，O10號訂單加工完成但沒有及時被運走。其他加工設備感知到機床M2通信故障，從數(shù)據(jù)庫中讀取M2當前所有任務訂單，將O10號和O18號訂單發(fā)給訂單發(fā)起方。M2通信故障恢復后，繼續(xù)參與任務協(xié)商招標及訂單加工。

圖14 模擬設備故障下的一組任務甘特圖Fig.14 Gantt chart of a set of tasks when simulating equipment failure

4 結論

本文以離散制造車間中的加工設備為對象，結合物聯(lián)制造技術，并根據(jù)實際生產(chǎn)環(huán)境中的需求，提出了一種智能加工設備的構建方法。在分析智能加工設備體系結構后，通過3個關鍵技術論述如何構建面向多種類型數(shù)控系統(tǒng)的智能加工設備；構建設備的適配層是構建智能加工設備的基礎，通過開發(fā)適配層中的控制、監(jiān)測以及NC傳輸模塊，實現(xiàn)設備的基本運動控制與數(shù)據(jù)獲取功能；結合設備外部環(huán)境與自身狀況信息，構建設備的智能分析層，以實現(xiàn)合理的任務分配，以便設備負載趨于平衡，并確保工件的交貨期；定義設備間交互方式，讓設備具備與其他設備交流的能力，實現(xiàn)與整個制造系統(tǒng)進行信息交互，確保準確高效地完成加工任務。最后本文將理論研究成果應用于離散制造車間實驗室中，對該構建方法的可行性和有效性進行驗證。結果顯示，通過該構建的加工設備，在相同訂單下加工效率得到提升，總負載實現(xiàn)平衡；同時在故障情況下，依托于制造系統(tǒng)中其他設備交互與自身智能分析，合理實現(xiàn)任務的重新分配。

需要注意的是，對于不同的數(shù)控系統(tǒng)，其內部的控制器的控制方式不同，但基本構建思路一樣；同時因為實時信息交互的安全性和準確性、數(shù)據(jù)大量處理等問題都會影響加工設備的執(zhí)行，所以智能設備工業(yè)環(huán)境下需要信息通信和大數(shù)據(jù)處理等技術的支撐發(fā)展。