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工業(yè)4.0時代對智能數(shù)控系統(tǒng)的未來趨勢研究
在工業(yè)4.0及“互聯(lián)網(wǎng)+”的大環(huán)境下，數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展與競爭出現(xiàn)了新的變化，在中國更多的競爭將會聚焦在如何利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，讓數(shù)控系統(tǒng)的計算能力獲得無限擴展，并且通過對分享經(jīng)濟等新興商業(yè)模式的理解，合理打造與之相適應的功能成為未來的重要趨勢。
1.數(shù)控系統(tǒng)智能化要求
數(shù)控機床智能化的需求
從制造技術本身來看，數(shù)控系統(tǒng)的智能化在如圖4的四個方面進行：操作智能化、加工智能化、維護智能化和管理智能化。
機床在加工過程中通過采用各種傳感器，借助實時監(jiān)控和補償技術，進一步提高機床的性能。日本馬扎克、大隈等公司在智能化方面提供了許多*的技術，如主軸抑振、智能防碰撞等功能。沈陽機床i5數(shù)控提供了基于特征的編程和圖形化診斷等功能。
2.基于云平臺的數(shù)控系統(tǒng)
在云計算的基礎上德國斯圖加特大學提出“本地化(glocalized)”云端數(shù)控系統(tǒng)，其概念如圖5所示，從圖中可見，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的人機界面、數(shù)控核心和PLC都移至云端，本地僅保留機床的伺服驅動和安全控制，在云端增加通信模塊、中間件和以太網(wǎng)接口，通過路由器與本地數(shù)控系統(tǒng)通信。這樣一來，在云端有每一臺機床的“數(shù)字孿生(Digital Twin)”，在云端就可進行機床的配置、優(yōu)化和維護，極大方便了機床的使用。實現(xiàn)所謂的控制器即服務CaaS(Control as a Service)。
云端數(shù)控系統(tǒng)的概念
數(shù)字孿生是指特定物理對象的數(shù)字鏡像，包括描述其幾何、材料、組件和行為的設計規(guī)范和工程模型以及其所代表實體*的生產(chǎn)和運營數(shù)據(jù)，成為形影不離的“伴侶”，是物理對象屬性及狀態(tài)的和準確的實時鏡像，包括形狀、位置、狀態(tài)和運動。機床的數(shù)字孿生可在多個信息域同時存在，有多個“化身”，在產(chǎn)品設計階段承擔方案論證、結構和功能驗證以及性能參數(shù)優(yōu)化的作用；在構建工廠的規(guī)劃階段參與完成布局規(guī)劃、系統(tǒng)優(yōu)化模擬仿真等工作；在運行階段進行加工狀態(tài)判斷和預測，實現(xiàn)機床的智能控制和預防性維護，直到產(chǎn)品報廢終結，甚至在其后還存在。
3.互聯(lián)網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)及其生態(tài)系統(tǒng)
在互聯(lián)網(wǎng)條件下，數(shù)控系統(tǒng)必須要成為一個能夠產(chǎn)生數(shù)據(jù)的透明的智能終端，讓制造過程及其全生命周期“數(shù)據(jù)透明”。通過智能終端的“透明”，實現(xiàn)制造過程的透明，不僅僅方便加工零件，同時產(chǎn)生服務于管理、財務、生產(chǎn)、銷售的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備、生產(chǎn)計劃、設計、制造、供應鏈、人力、財務、銷售、庫存等一系列生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)的資源整合與信息互聯(lián)。
沈陽機床集團圍繞i5智能機床在世界上建立起了機床生態(tài)系統(tǒng)，圖6是i5智能機床關于數(shù)據(jù)產(chǎn)生和應用的示意圖，通過“透明”的i5智能系統(tǒng)，i5智能機床可以實時在線，為上述管理過程提供的數(shù)據(jù)依據(jù)，成為新制造業(yè)態(tài)的基礎。
i5智能機床的數(shù)據(jù)產(chǎn)生及應用
基于iSESOL實現(xiàn)的智能機床互聯(lián)網(wǎng)應用框架
iSESOL(i-Smart Engineering & Services Online，是沈陽機床旗下的公司研發(fā)的云制造平臺，例如云端產(chǎn)能分享平臺，用戶可以將閑置產(chǎn)能公示于iSESOL產(chǎn)能平臺，有產(chǎn)能需求的用戶無需購買設備即可快速獲得制造能力，通過這種方式產(chǎn)能提供方可以利用閑置產(chǎn)能獲得收益，產(chǎn)能需求方可以以較低的成本獲得制造能力，雙方通過分享獲得利益zui大化。無疑，這種模式將會成為制造業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+的一個重要形式。
上圖為基于iSESOL平臺的智能機床互聯(lián)網(wǎng)應用框架。所有的i5智能設備通過iPort協(xié)議接入iSESOL網(wǎng)絡，非i5的設備(如OPC UA終端或者MTConnect終端)可以通過iPort網(wǎng)關接入iSESOL網(wǎng)絡。類似ERP、MES、遠程看板等云端的APP應用通過iSESOL聚合的實時數(shù)據(jù)和訪問接口實現(xiàn)對遠程設備的統(tǒng)一訪問。iSESOL提供針對不同設備的數(shù)據(jù)字典映射統(tǒng)一不同設備的訪問方式，云端APP只需通過標準的服務或者參數(shù)命名即可訂閱各類事件和數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)統(tǒng)一的設備訪問。zui終用戶可以通過不同的終端安裝APP實現(xiàn)對設備的各類互聯(lián)網(wǎng)應用。在這個平臺下建立的產(chǎn)能協(xié)同生態(tài)系統(tǒng)目前已接入機床幾千臺，目前日常聯(lián)機接入二千五百臺左右。
機床數(shù)控系統(tǒng)的智能化與網(wǎng)絡化是大勢所趨，基于CPS的理念引導智能數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展，通過網(wǎng)絡、平臺從整個系統(tǒng)的視角實現(xiàn)數(shù)控機床的智能化。
智能化的發(fā)展是一個循序漸進的過程，目前對智能化還有不同的理解，也沒有普遍適用的解決方案。數(shù)控機床商業(yè)模式的創(chuàng)新和真正落地運營就一定依賴于數(shù)控系統(tǒng)的智能化與網(wǎng)絡化。未來的數(shù)控系統(tǒng)將會越來越多地將互聯(lián)網(wǎng)的影響滲透到制造環(huán)節(jié)，通過數(shù)據(jù)的累積、傳輸和挖掘，將會誕生越來越多的智能化制造能力，透明和分享化將會為制造業(yè)帶來翻天覆地的變革。
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