面向智能制造的數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通互操作

望君儒

摘要：機(jī)械制造業(yè)是工業(yè)的主體，第四次工業(yè)革命的到來為制造業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型提供了新的機(jī)遇，發(fā)展智能制造已成為搶占制造技術(shù)制高點(diǎn)的突破口，世界各國(guó)紛紛推出產(chǎn)業(yè)政策，推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如德國(guó)率先提出“工業(yè)4.0”，建設(shè)高端智慧工廠和智能制造創(chuàng)新中心;美國(guó)提出“國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”，推進(jìn)建設(shè)制造業(yè)關(guān)鍵領(lǐng)域和完備創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng);日本提出“工業(yè)價(jià)值鏈”，聯(lián)合100多家企業(yè)共同建設(shè)日本智能制造聯(lián)合體，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)工廠;《英國(guó)工業(yè)2050戰(zhàn)略》提出“服務(wù)再制造”，以數(shù)字技術(shù)改變傳統(tǒng)供應(yīng)鏈;《中國(guó)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展》把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向。智能制造的實(shí)質(zhì)是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的全方位數(shù)字化，關(guān)鍵基礎(chǔ)是數(shù)控機(jī)床（包括機(jī)床、機(jī)器人、量?jī)x具、傳感器等）的智能互聯(lián)互通互操作。

關(guān)鍵詞：智能制造;數(shù)控機(jī)床

1數(shù)控機(jī)床大數(shù)據(jù)分類

（1）屬性數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)在機(jī)床全生命周期中不會(huì)發(fā)生改變，如機(jī)床構(gòu)造（如三軸鉆攻中心由3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸和1個(gè)主軸構(gòu)成）、部件類型（如控制器、軸等）、機(jī)床生產(chǎn)廠家、機(jī)床生產(chǎn)日期等。

（2）參數(shù)數(shù)據(jù)為了生產(chǎn)過程的有效控制，數(shù)控系統(tǒng)以參數(shù)的形式對(duì)機(jī)床運(yùn)行的各種物理量進(jìn)行描述，這類數(shù)據(jù)稱為參數(shù)數(shù)據(jù)，包括NC參數(shù)、軸參數(shù)、通道參數(shù)及設(shè)備參數(shù)等。

（3）邏輯數(shù)據(jù)數(shù)控機(jī)床通過PLC程序?qū)Ω鞑考倪\(yùn)行邏輯進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，包括CNC裝置的控制功能、準(zhǔn)備功能、插補(bǔ)功能、進(jìn)給功能、補(bǔ)償功能、監(jiān)視和診斷功能等，如當(dāng)監(jiān)視和診斷模塊發(fā)出特定報(bào)警時(shí)，不允許機(jī)床執(zhí)行正常加工操作;機(jī)床防護(hù)門處于“打開”狀態(tài)時(shí)，不允許執(zhí)行運(yùn)行操作。

（4）任務(wù)數(shù)據(jù)數(shù)控機(jī)床通過G代碼描述加工任務(wù)，G代碼一般由CAM系統(tǒng)生成，是現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)數(shù)控機(jī)床發(fā)出加工要求的主要載體，也是數(shù)控機(jī)床最主要的任務(wù)數(shù)據(jù)。

（5）狀態(tài)數(shù)據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)是零件數(shù)控加工的質(zhì)量、精度和效率優(yōu)劣直接或間接的定量描述。其既包含機(jī)床完成工作任務(wù)過程中數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部反饋控制所獲得的海量電控?cái)?shù)據(jù)，如主軸功率、主軸負(fù)載電流、進(jìn)給軸負(fù)載電流、跟蹤誤差和材料切除率等，也包括通過外部傳感器采集的物理和幾何數(shù)據(jù)，如切削力、溫度、振動(dòng)、空間誤差、熱變形和零件表面粗糙度等。

2 數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通互操作

數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通互操作是溝通數(shù)控機(jī)床與數(shù)據(jù)應(yīng)用的使能技術(shù)，是“讓工業(yè)設(shè)備說話的技術(shù)”。

2.1 數(shù)控機(jī)床互聯(lián)

互聯(lián)（Interconnection）是指構(gòu)成數(shù)控機(jī)床與數(shù)據(jù)應(yīng)用信息交互系統(tǒng)的物理部件和介質(zhì)，主要包括設(shè)備本體、傳輸介質(zhì)和通訊接口，類似于人類的信息交流系統(tǒng)的互聯(lián)部分，主要包括發(fā)聲器官（嘴巴）、收聽器官（耳朵）和傳輸介質(zhì)（空氣）。隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的互聯(lián)通信方式經(jīng)歷了早期的串口和USB，至今以太網(wǎng)憑借實(shí)時(shí)性、高可靠性等優(yōu)勢(shì)，已成為其主流互聯(lián)方式。如華中數(shù)控HNC-848D配置的IPC提供兩個(gè)R J45接口，分別負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)之間，以及數(shù)控系統(tǒng)與外部通信單元之間的以太網(wǎng)互聯(lián)通信。

近年來，移動(dòng)互聯(lián)通信（4G/5G）開始在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域得到深入應(yīng)用，使得工廠不再需要復(fù)雜的線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各系統(tǒng)可直接進(jìn)行無線傳輸、無線控制。特別是5G通信大帶寬、低時(shí)延和多連接的特性，已支持打造中國(guó)商飛、吉利汽車和三一重工等一批5G+智能制造工廠。

2.2 數(shù)控機(jī)床互通

互通（Intercommunication）是數(shù)控機(jī)床向外部傳輸數(shù)據(jù)的“數(shù)字化載體”，同樣類似人類信息交互系統(tǒng)空氣振動(dòng)使發(fā)聲器官發(fā)出信號(hào)。信號(hào)通過空氣傳播，最終被收聽器官接收，也就是說“振動(dòng)”是實(shí)現(xiàn)人類交流互通的一種信號(hào)。對(duì)于數(shù)控機(jī)床，無論是什么類型的信號(hào)（電脈沖、光脈沖等），最終都需要組織成某種形式的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸，互通便是負(fù)責(zé)完成“信號(hào)”到“數(shù)據(jù)幀”的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)通信雙方統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互方式，使得數(shù)據(jù)可以被數(shù)據(jù)交互雙方正確解析。

3 典型互聯(lián)互通互操作工控協(xié)議

3.1 OPC UA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

相較于其他協(xié)議，OPC UA其實(shí)更適用于PLC，支持對(duì)象更加豐富，拓展性也更好，為此越來越多的公司將其作為開放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括主流的自動(dòng)化廠商，以及IT界的華為、CISCO及Microsoft等都是OPC UA的支持者，很多企業(yè)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了O P C U A應(yīng)用程序的開發(fā)與應(yīng)用，包括西門子、發(fā)那科、倍福、ABB及愛默生等。但是，OPC UA在通信實(shí)時(shí)性上具有局限性，不適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)互通。目前，OPC UA正在積極與TSN（TimeSensitive Networking，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行融合，構(gòu)建“OPC UA over TSN”模式的通信架構(gòu)，解決O P C U A不能很好地滿足對(duì)時(shí)間敏感的工業(yè)應(yīng)用需求的問題。這種模式在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用雖然尚處于起步階段，但越來越多的工業(yè)供應(yīng)商、ICT廠商和芯片供應(yīng)商已在共同加快對(duì)該通信模式的融合、測(cè)試和驗(yàn)證。如2018年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等超過20家國(guó)際組織和業(yè)界知名廠商聯(lián)手發(fā)布了包含6大工業(yè)互聯(lián)場(chǎng)景的TSN+OPC UA智能制造測(cè)試床;2019年，上海華為全聯(lián)接大會(huì)期間，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟牽頭35家國(guó)際有影響力的企業(yè)和組織，首次在國(guó)內(nèi)展示了面向智慧工廠的邊緣計(jì)算OPC UA over TSN測(cè)試床。TSN與OPC UA融合技術(shù)可為數(shù)控機(jī)床大數(shù)據(jù)的采集、傳輸、融合與分享構(gòu)建更高效的通信網(wǎng)絡(luò)，正在成為OPC UA協(xié)議在工業(yè)預(yù)測(cè)性維護(hù)、遠(yuǎn)程運(yùn)維、生產(chǎn)監(jiān)控及可視化信息管理等方面進(jìn)行應(yīng)用的關(guān)鍵推動(dòng)因素。

3.2 MTConnect協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

M T C o n n e c t協(xié)議是美國(guó)制造技術(shù)協(xié)會(huì)A M T于2 0 0 6年提出，主要用于數(shù)控機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交互。相較于其他協(xié)議而言，MTConnect協(xié)議具備以下特點(diǎn)。9B744F64-AD13-4FFE-AAB4-6320412952CD

（1）基于XML技術(shù)提供易于交互的、機(jī)器可讀的數(shù)據(jù)。

（2）采用HTTP作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，兼容整個(gè)生產(chǎn)操作中使用的其他標(biāo)準(zhǔn)。

（3）對(duì)Linux系統(tǒng)提供源碼開源，通過語義模型提供用于數(shù)據(jù)建模和組織的方法，以此支持異構(gòu)機(jī)床互操作。因此，MTConnect為機(jī)床廠商提供了一個(gè)即插即用、標(biāo)準(zhǔn)開放的數(shù)據(jù)互操作協(xié)議。對(duì)于機(jī)床用戶而言，基于MTConnect可快速對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行升級(jí)改造，使原有舊機(jī)床不再是“啞設(shè)備”。

3.3 NC-Link協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

目前，NC-Link協(xié)議已在武漢華中數(shù)控、廣州數(shù)控、科德數(shù)控、沈陽高精數(shù)控等企業(yè)的數(shù)控產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了集成，并在藍(lán)思科技、比亞迪、四川普什寧江、吉林通用、西格馬數(shù)控機(jī)床及寶雞機(jī)床等企業(yè)的生產(chǎn)線和智能工廠進(jìn)行了應(yīng)用，華為、聯(lián)想及浪潮等ICT企業(yè)也參加到標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)驗(yàn)證和推廣應(yīng)用行列。在CIMT2021國(guó)際機(jī)床展會(huì)上，NC-Link現(xiàn)場(chǎng)接入了上百臺(tái)不同類型和不同品牌的工業(yè)設(shè)備，展示了其多型異構(gòu)工業(yè)設(shè)備與協(xié)議的兼容能力。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的核心，本文首先對(duì)數(shù)控機(jī)床大數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類介紹，并針對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)車間多型異構(gòu)設(shè)備并存現(xiàn)象，概述了數(shù)控機(jī)床的互聯(lián)互通互操作，以及典型互聯(lián)互通互操作協(xié)議的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍及應(yīng)用現(xiàn)狀等。在智能制造浪潮背景下，特別是面對(duì)疫情沖擊及逆全球化趨勢(shì)，更多的傳統(tǒng)制造企業(yè)開始用大數(shù)據(jù)和人工智能打造企業(yè)智慧大腦，深度應(yīng)用數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)、效率分析、預(yù)測(cè)預(yù)警、工藝優(yōu)化、質(zhì)量提升及遠(yuǎn)程運(yùn)維等智能化功能，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化運(yùn)營(yíng)，提升企業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維保及運(yùn)營(yíng)等能力，重塑企業(yè)價(jià)值體系，提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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