洪溥
(山西工程科技職業(yè)大學(xué),山西 太原 030619)
由于數(shù)字技術(shù)的特殊地位,國(guó)家從其發(fā)展之初就給予了高度重視和支持。我國(guó)數(shù)字技術(shù)的發(fā)展過(guò)程可以分為2個(gè)階段。數(shù)字控制技術(shù)在第一階段經(jīng)歷了從無(wú)到有的過(guò)程,在第二階段,數(shù)字管理進(jìn)入了穩(wěn)定發(fā)展階段,并取得了巨大的成果。從1958年到1965年,我國(guó)開(kāi)始在試驗(yàn)階段開(kāi)發(fā)數(shù)字銑床。從1965年到1972年,在晶體管數(shù)字控制系統(tǒng)的建立階段,雖然數(shù)控機(jī)床的數(shù)量和類(lèi)型都很小,但在許多復(fù)雜零件的加工中,從實(shí)驗(yàn)階段到實(shí)際生產(chǎn)階段的轉(zhuǎn)變已經(jīng)開(kāi)始。從1972年到1979年,集成電路數(shù)控系統(tǒng)研制成功,數(shù)控技術(shù)開(kāi)始在銑削、鉆孔、鏜孔、磨削、齒輪切削、電加工等領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用。CPC專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一種數(shù)控線切割機(jī),該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,價(jià)格低廉,迫切需要加工模具。
1980年以后,數(shù)控技術(shù)進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展的第二階段。從“六五”到“十三五”的30多年時(shí)間里,國(guó)家把數(shù)控機(jī)床列為國(guó)家重點(diǎn)科技專(zhuān)業(yè),本文重點(diǎn)研究汽車(chē)領(lǐng)域高精度、高速、高可靠性的高端數(shù)控機(jī)床的通用關(guān)鍵技術(shù),如高速數(shù)字控制系統(tǒng)、功能部件的可靠性和精度、適應(yīng)航空時(shí)代的高數(shù)控機(jī)床等關(guān)鍵技術(shù),完善自主開(kāi)發(fā)的高性能數(shù)控機(jī)床,整體技術(shù)水平躋身國(guó)際先進(jìn)行列,部分產(chǎn)品已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
目前,國(guó)內(nèi)大多數(shù)機(jī)床制造商只能生產(chǎn)低端和低端數(shù)控設(shè)備,高端數(shù)控技術(shù)仍掌握在海外領(lǐng)先企業(yè)手中。中國(guó)高端數(shù)控設(shè)備的國(guó)內(nèi)覆蓋率僅為6%,主要部件均采用國(guó)外技術(shù),引進(jìn)國(guó)外數(shù)控技術(shù)系統(tǒng),無(wú)法實(shí)現(xiàn)外部系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化,技術(shù)的發(fā)展只是模仿國(guó)外,這在很大程度上制約了國(guó)內(nèi)數(shù)字技術(shù)的發(fā)展。引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)作為發(fā)展數(shù)字技術(shù)的捷徑,并不能從根本上提高我國(guó)數(shù)字控制技術(shù)的水平,只有在這個(gè)基礎(chǔ)上消化吸收技術(shù),才能帶動(dòng)自身的發(fā)展。究其原因,是我國(guó)數(shù)字技術(shù)發(fā)展缺乏自主創(chuàng)新,大多數(shù)企業(yè)把引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)作為最短的途徑,不愿付出昂貴的成本建立自己的數(shù)字控制系統(tǒng)和研發(fā)團(tuán)隊(duì),不能從根本上改善數(shù)字控制技術(shù),技術(shù)的發(fā)展總是受制于人。
盡管近年來(lái)數(shù)字自動(dòng)化發(fā)展迅速,但其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。許多制造企業(yè)認(rèn)為,這是好事,但與國(guó)外相比,我國(guó)的數(shù)字化管理技術(shù)應(yīng)用自動(dòng)化和設(shè)備自動(dòng)化的發(fā)展還相對(duì)落后。數(shù)控生產(chǎn)自動(dòng)化具有效率高、時(shí)效性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)化可以提供高難度、高重復(fù)性、高強(qiáng)度和惡劣的工作條件。然而,數(shù)字技術(shù)的自動(dòng)化仍然面臨著許多問(wèn)題,主要是技術(shù)不發(fā)達(dá),沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的回收文件,過(guò)程無(wú)法分解和轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制程序,無(wú)法實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化。機(jī)器使用壽命短,故障率高。生產(chǎn)自動(dòng)化要求設(shè)備穩(wěn)定性高,否則可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故,但由于操作環(huán)境、工作強(qiáng)度等因素,大多數(shù)國(guó)產(chǎn)設(shè)備,該機(jī)故障率高、使用壽命短,生產(chǎn)自動(dòng)化必須將生產(chǎn)技術(shù)與數(shù)控自動(dòng)化相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝設(shè)備的自動(dòng)化,不同行業(yè)和企業(yè)有自己獨(dú)特的加工技術(shù)。對(duì)于大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō),缺乏數(shù)字化管理專(zhuān)業(yè)人員,這阻礙了自動(dòng)處理程序向數(shù)字化產(chǎn)品的發(fā)展。
數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年,但目前大多數(shù)數(shù)字控制技術(shù)仍然封閉在系統(tǒng)中,模塊功能固定,與不同的軟件制造商不兼容。用戶無(wú)法擴(kuò)展和開(kāi)發(fā)系統(tǒng),維護(hù)成本高,增加了投資風(fēng)險(xiǎn)和成本。這種特殊的數(shù)字系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和制造業(yè)的變化,也不能適應(yīng)制造業(yè)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。因此,有必要打破以前封閉的數(shù)字控制系統(tǒng),開(kāi)發(fā)一個(gè)開(kāi)放的、易于推廣的、靈活的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)(ONC),允許用戶在系統(tǒng)中輸入模塊化的傳感器進(jìn)行復(fù)位、修改、擴(kuò)展和集成,對(duì)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷。根據(jù)IEEE的定義,開(kāi)放式數(shù)字控制系統(tǒng)允許各種應(yīng)用系統(tǒng)在平臺(tái)上運(yùn)行,它由不同的制造商提供,并與其他系統(tǒng)和用戶交互。開(kāi)放式數(shù)字控制的概念首次出現(xiàn)在美國(guó)的NGC(下一代控制器)項(xiàng)目中。隨后,世界各國(guó)紛紛開(kāi)展研究。例如,美國(guó)的OMAC程序提供了一個(gè)更完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過(guò)定義不同的API接口模塊來(lái)創(chuàng)建不同類(lèi)型的控制器,不同模塊之間的接口用定義Microsoft IDL接口的語(yǔ)言定義;歐洲OSACA計(jì)劃規(guī)定,系統(tǒng)平臺(tái)的軟件組件由操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和配置系統(tǒng)組成,開(kāi)放式數(shù)字控制系統(tǒng)由一系列邏輯獨(dú)立的控制模塊組成,這些模塊與平臺(tái)具有友好的接口,如圖1所示。在日本,osec計(jì)劃根據(jù)需求將控制系統(tǒng)劃分為不同的功能塊,這些功能塊由相同的功能塊組成,為數(shù)字控制系統(tǒng)中的每個(gè)模塊提供目標(biāo)控制、內(nèi)容處理和實(shí)時(shí)功能。歐盟建議STEP-NC充分利用信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)CAD、CAM和CNC之間的無(wú)縫連接,為CNC系統(tǒng)提供完整的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。
圖1 ONC系統(tǒng)架構(gòu)
目前,開(kāi)放式內(nèi)部系統(tǒng)主要包括兩種形式:基于軟件芯片的開(kāi)放式數(shù)字控制系統(tǒng),它是抽象的,不受數(shù)字控制系統(tǒng)主要功能的影響。它僅限于crystal和重復(fù)應(yīng)用程序定義的特性,它們是應(yīng)用范圍狹窄的簡(jiǎn)單軟件源。另一種方案是基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開(kāi)放式數(shù)字控制系統(tǒng),它將大量并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào),可用于在數(shù)百個(gè)雙電纜或光纜設(shè)備之間傳輸和傳輸信息,但總線技術(shù)的高成本使這項(xiàng)技術(shù)超出了每個(gè)人的能力范圍。此外,我國(guó)也對(duì)STEP-NC技術(shù)進(jìn)行了一些研究,研究STEP-NC開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用總體而言,國(guó)內(nèi)開(kāi)放式數(shù)控技術(shù)發(fā)展不足,現(xiàn)有的開(kāi)放式數(shù)字控制技術(shù)不能廣泛應(yīng)用。
隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇,市場(chǎng)動(dòng)態(tài)需求和先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展,制造企業(yè)不僅需要快速整合資源的能力,對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)也在于提高資源利用效率的能力。智能制造與基于“工業(yè)4.0”網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)模式在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)相互聯(lián)系,利用下一代信息、人工智能和生產(chǎn)管理技術(shù),實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)與生產(chǎn)、產(chǎn)品管理與服務(wù)。智能制造是學(xué)習(xí)知識(shí),而不是智能數(shù)據(jù)制造過(guò)程,因此,智能生產(chǎn)不僅是大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程信息的收集,也是數(shù)據(jù)分析和處理,指導(dǎo)解決方案和應(yīng)用的生產(chǎn),通過(guò)不斷學(xué)習(xí)不斷更新智能制造系統(tǒng),利用現(xiàn)有知識(shí)創(chuàng)造新知識(shí)。智能制造包括數(shù)字制造、網(wǎng)絡(luò)制造和新一代智能制造包括智能產(chǎn)品、智能制造和智能服務(wù)系統(tǒng)。通過(guò)內(nèi)部業(yè)務(wù)的橫向和縱向整合,形成了一個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò),提供實(shí)時(shí)控制和產(chǎn)品生命周期優(yōu)化,智能設(shè)備、智能服務(wù)系統(tǒng)、智能制造(數(shù)字控制)數(shù)據(jù)用于收集、分析,挖掘并支持智能決策。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天,世界各國(guó)都非常重視數(shù)字控制技術(shù)的智能化生產(chǎn)和應(yīng)用。在一些擁有先進(jìn)數(shù)字控制和智能制造技術(shù)的國(guó)家,已經(jīng)建立了完整的數(shù)字控制技術(shù)智能制造系統(tǒng),而在我國(guó)機(jī)床的智能生產(chǎn)和數(shù)字化管理明顯不發(fā)達(dá),還沒(méi)有建立起完整的系統(tǒng)。首先,必須對(duì)智能制造數(shù)控技術(shù)的機(jī)器和設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整,高精度的設(shè)備可以提高智能制造的開(kāi)發(fā)水平和效率,使數(shù)控技術(shù)更加精確。目前,許多國(guó)家都在進(jìn)行數(shù)字控制系統(tǒng)的公開(kāi)研發(fā)。在數(shù)字控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展中,必須建立數(shù)字控制技術(shù)與智能制造相結(jié)合的模式,模擬智能數(shù)字控制程序使人們對(duì)其有了越來(lái)越清晰的認(rèn)識(shí)。
現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)服務(wù)于機(jī)械制造業(yè),但目前數(shù)控系統(tǒng)仍需要人工控制,這就需要一批熟悉數(shù)控技術(shù)使用的操作人員。因此,提高數(shù)字技術(shù)的自動(dòng)化水平是市場(chǎng)的期望。自動(dòng)化技術(shù)在制造業(yè)的廣泛應(yīng)用已成為一種普遍現(xiàn)象,因?yàn)樗梢允蛊髽I(yè)降低勞動(dòng)力成本,提高生產(chǎn)效率,確保安全生產(chǎn)。生產(chǎn)自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。在精細(xì)完善的生產(chǎn)技術(shù)背景下,中國(guó)制造業(yè)將向精細(xì)化、批發(fā)化、專(zhuān)業(yè)化方向發(fā)展。在數(shù)字控制技術(shù)的支持下,機(jī)械制造已經(jīng)向自動(dòng)化方向發(fā)展,有效地滿足了日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求,市場(chǎng)將朝著多元化方向發(fā)展,產(chǎn)品種類(lèi)將繼續(xù)增加,設(shè)計(jì)和生產(chǎn)將朝著多元化方向發(fā)展。隨著數(shù)字化設(shè)備生產(chǎn)能力的提高,企業(yè)安全性、穩(wěn)定性和精細(xì)化生產(chǎn)技術(shù)的提高,隨著數(shù)控專(zhuān)家的引進(jìn),國(guó)內(nèi)數(shù)控自動(dòng)化水平將迅速提高。
目前,柔性制造技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)極大地提高了生產(chǎn)能力。然而,生產(chǎn)和數(shù)字控制系統(tǒng)的“靈活性”仍然有限。為了應(yīng)對(duì)日益頻繁和不可預(yù)測(cè)的市場(chǎng)變化,制造企業(yè)需要開(kāi)放的生產(chǎn)系統(tǒng),這也是智能制造的重要基礎(chǔ)。開(kāi)放式數(shù)字控制系統(tǒng)為二次開(kāi)發(fā)提供了平臺(tái),允許用戶擴(kuò)展和重新開(kāi)發(fā)自己的特殊應(yīng)用和技術(shù)技能,以集成到管理系統(tǒng)中。數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是數(shù)字控制系統(tǒng),數(shù)字設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接將極大地促進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)實(shí)施系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在信息集成領(lǐng)域的需求,以及這種新生產(chǎn)模式的實(shí)現(xiàn),如何實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)、虛擬生產(chǎn)、全球生產(chǎn)等為了實(shí)現(xiàn)信息化,企業(yè)必須通過(guò)將數(shù)字控制系統(tǒng)與CAD、CAM、CAPP等輔助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接起來(lái),傳輸圖紙、工藝、,智能生產(chǎn)的特點(diǎn)是數(shù)字化生產(chǎn)、信息生產(chǎn)和智能化生產(chǎn),不同生產(chǎn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互是必要的。在信息化的基礎(chǔ)上打造知識(shí)分子,在生產(chǎn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上,通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)和智能學(xué)習(xí)算法賦予機(jī)器“智慧”,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自適應(yīng)控制、智能故障診斷和智能生產(chǎn)管理的目標(biāo)?,F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)必須向智能化方向發(fā)展,數(shù)控系統(tǒng)的智能化內(nèi)容體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:收集生產(chǎn)過(guò)程中獲取的生產(chǎn)數(shù)據(jù),通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和智能學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量管理;設(shè)備自動(dòng)化、傳感器性能和智能算法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的數(shù)字化處理和自適應(yīng)控制;負(fù)荷模型的自動(dòng)選擇和自動(dòng)識(shí)別;借助數(shù)據(jù)控制設(shè)備和圖像識(shí)別等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了IT智能學(xué)習(xí)模式。智能設(shè)備的智能控制和故障診斷。
分布式自主生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)多要素生產(chǎn)系統(tǒng),是CPS(網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng))的主要組成部分之一,它結(jié)合了材料網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬制造技術(shù)。Intranet使企業(yè)能夠在處理器中感知、收集和傳輸數(shù)據(jù),并在特定的數(shù)字技術(shù)支點(diǎn)上智能地進(jìn)行生產(chǎn)。智能制造、CPS和物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系“智能”生產(chǎn)、CPS和基于intranet的生產(chǎn)是密不可分的。智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵是集成互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息通信技術(shù)、生產(chǎn)管理技術(shù)。因此,制造業(yè)可以準(zhǔn)確地考慮市場(chǎng)需求的多樣化和對(duì)環(huán)境變化的快速響應(yīng),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)、決策和應(yīng)用,引入入侵網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模數(shù)據(jù)、平臺(tái)系統(tǒng)技術(shù),虛擬信息技術(shù)和傳感器技術(shù)是CPS建設(shè)的關(guān)鍵,推動(dòng)虛擬網(wǎng)絡(luò)與物理世界的融合,使制造業(yè)不僅可以提供物質(zhì)產(chǎn)品,還可以提供與產(chǎn)品相關(guān)的服務(wù)信息通信技術(shù)包括傳感器技術(shù),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析增強(qiáng)了真實(shí)感和虛擬現(xiàn)實(shí)。
智能制造的核心滲透到設(shè)計(jì)、制造、管理、服務(wù)等生產(chǎn)環(huán)節(jié),具有自我感受、自我教育、自主決策、自我實(shí)現(xiàn)、適應(yīng)性等功能。一種新的生產(chǎn)模式是“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的高水平,其概念是第一個(gè)集成并深入融入新一代信息通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的建筑技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備,尤其包括高端數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、智能測(cè)試儀器和3D打印設(shè)備,靈活的自動(dòng)化生產(chǎn)線等實(shí)施智能化生產(chǎn)的特點(diǎn)是依靠智能化生產(chǎn)計(jì)劃建立智能化化工廠,生產(chǎn)過(guò)程中的智能化生產(chǎn)交互,車(chē)間設(shè)備之間的智能交互,企業(yè)資源智能化管理、生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量智能化管理、分析決策智能化等車(chē)間的智能化生產(chǎn)管理需要計(jì)算機(jī)化,其基礎(chǔ)是信息化、信息化生產(chǎn)管理,依托數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、工業(yè)信息系統(tǒng)、現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集、云計(jì)算和大規(guī)模數(shù)據(jù)挖掘,創(chuàng)建企業(yè)、生產(chǎn)和管理綜合信息。高檔數(shù)控機(jī)床具有資金管理、遠(yuǎn)程控制診斷、智能測(cè)量等特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償和優(yōu)化加工,高檔數(shù)控機(jī)床可以通過(guò)接口和網(wǎng)絡(luò)信息化為企業(yè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)分析需要先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)作為支撐,提高數(shù)字技術(shù)的自動(dòng)化程度,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)夾具、加工自動(dòng)化和IT加工優(yōu)化。隨著數(shù)字控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)連接的開(kāi)放,生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)可以通過(guò)平臺(tái)框架數(shù)據(jù)管理中的機(jī)床接口和傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;數(shù)字技術(shù)的智能化為數(shù)控機(jī)床的智能測(cè)量、實(shí)時(shí)補(bǔ)償和智能設(shè)備故障診斷提供了功能。
綜上所述,在中國(guó)智能制造發(fā)展的背景下,闡述了我國(guó)數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和“中國(guó)制造2025”,在第四次工業(yè)革命前夕,我國(guó)數(shù)字技術(shù)發(fā)展不足,創(chuàng)新不足,自動(dòng)化水平低,以及不夠開(kāi)放的數(shù)字控制技術(shù)。在“中國(guó)制造2025”的沖擊下,我們的數(shù)字控制技術(shù)必然朝著自動(dòng)化、接入擴(kuò)展、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和智能化的方向發(fā)展。數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)從特殊的閉環(huán)控制逐步發(fā)展到通用的開(kāi)閉環(huán)控制模式,硬件和軟件系統(tǒng)以及控制方法也在變得越來(lái)越智能化。在這一趨勢(shì)下,數(shù)字控制方法如智能化手段管理、智能設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷、智能測(cè)量、自適應(yīng)處理已成為智能化生產(chǎn)的基石。我國(guó)數(shù)字技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。要明確當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀,確定我國(guó)制造業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),在我國(guó)制造業(yè)集約化發(fā)展政策中,實(shí)現(xiàn)數(shù)字技術(shù)的重大突破,有效提高國(guó)家智能化生產(chǎn)水平,加快我國(guó)制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型進(jìn)程,加快我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型。