引自：《智能制造裝備基礎(chǔ)》（作者：吳玉厚、陳關(guān)龍、張珂、趙德宏、鞏亞東、劉春時）
「 1. 基本概念 」
數(shù)字控制系統(tǒng)（numerical control system）是指根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機系統(tǒng)。自20世紀50年代起，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了多次變革，目前已進入第七代，如圖1所示。
圖1 數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)更新歷程
智能制造裝備數(shù)控系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的數(shù)字控制系統(tǒng)，它與智能元器件、智能化軟件平臺等共同使裝備實現(xiàn)智能化，除能控制機械設(shè)備的動作外，還具有預測、感知、分析、推理、決策等功能，可實現(xiàn)加工優(yōu)化、實時補償、智能測量、遠程監(jiān)控和診斷。在裝備數(shù)控化的基礎(chǔ)上，可進一步提高裝備的生產(chǎn)效率、制造精度，降低能源資源消耗。
智能制造系統(tǒng)為分布式自主制造系統(tǒng)，其由若干智能系統(tǒng)組成。根據(jù)生產(chǎn)任務不同細化層次，智能系統(tǒng)劃分為不同級別，各系統(tǒng)間通過網(wǎng)絡實現(xiàn)信息連接，實現(xiàn)數(shù)字化協(xié)同。數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，目前主要分為4種結(jié)構(gòu)形式：專用CNC+PC機、工業(yè)PC機+運動控制卡、全軟件型及基于總線形式的數(shù)控系統(tǒng)。其中，工業(yè)PC機+運動控制卡的開放性及性能較好。
圖2 數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成
未來智能制造裝備數(shù)控系統(tǒng)應該具備以下能力：
（1）能夠感知自身狀態(tài)和加工能力并能自我標定；
（2）能夠監(jiān)視和優(yōu)化加工過程，并對加工質(zhì)量進行評估；
（3）具有自主學習能力；
（4）能夠?qū)崿F(xiàn)人與機床，機床與機床間的互聯(lián)互通。
智能數(shù)控系統(tǒng)具有“四化”特征：
（1）多功能化（multi-functional）——多軸聯(lián)動，曲面直接插補（SDI），3D刀補，多種工藝方法控制，復合加工工藝控制（包括增材制造過程控制）等；
（2）集成化（integrated）——CAD/CAM/CMM，STEP-NC，伺服總線，運動軸和加工過程先進控制，有線網(wǎng)絡/無線網(wǎng)絡，工藝仿真/工藝數(shù)據(jù)庫等；
（3）智能化（smart）——工件/刀具識別，狀態(tài)檢測，自適應控制，幾何/溫度自動補償，實時圖像監(jiān)測，在位快速測量，遠程控制等；
（4）綠色化（green）——輕量化結(jié)構(gòu)，運行過程優(yōu)化/能效管理，綠色切削，模塊化可重構(gòu)。
數(shù)控系統(tǒng)一般由3大部分組成：控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和位置測量系統(tǒng)。其中，控制系統(tǒng)是數(shù)控機床的“大腦”，是一個具有計算能力的控制元件或者計算機，負責向伺服系統(tǒng)發(fā)送運動控制指令。位置測量系統(tǒng)負責檢測機械的運動位置和速度，并將信息反饋到控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，達到精確控制的目的。伺服系統(tǒng)將來自控制系統(tǒng)的控制指令和測量系統(tǒng)的反饋信息進行比較和調(diào)節(jié)后，通過控制電流驅(qū)動伺服電機，再由伺服電機驅(qū)動機床部件的運動，所以“伺服”是將電能轉(zhuǎn)化為機械運動的過程?？刂葡到y(tǒng)和伺服系統(tǒng)之間由現(xiàn)場總線連接，總線負責傳遞信息數(shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)的“神經(jīng)網(wǎng)絡”。數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能制造裝備數(shù)控系統(tǒng)具備傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的基本硬件，以及基于PC控制的全軟件式結(jié)構(gòu)。其體系結(jié)構(gòu)從嵌入式向開放式系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，從專用封閉式轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ瞄_放式，不僅能使機床實現(xiàn)數(shù)控，而且能使機床與移動互聯(lián)網(wǎng)無縫連接，其核心技術(shù)為信息通信技術(shù)（ICT）。智能制造裝備數(shù)控系統(tǒng)除了使機床具備感知、自學習、自診斷、自判斷能力外，還增加了從用戶角度定義的智能化功能。例如，三維仿真功能：使操作人員預覽加工軌跡，提升管理效率，分辨后續(xù)加工問題；工藝支持功能：把操作經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為程序代碼，指導經(jīng)驗匱乏人員；特征編程功能：系統(tǒng)根據(jù)三維圖紙調(diào)用后臺工藝支持功能，直接生成加工程序，并完成校對測量等任務；圖形診斷功能：使智能設(shè)備可以自動診斷故障，生成三維圖片引導用戶解決問題，在網(wǎng)絡支持下，可實現(xiàn)遠程診斷功能，與企業(yè)上層信息管理系統(tǒng)連接，以智能設(shè)備為中心，又可集成作業(yè)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理、成本核算等信息系統(tǒng)。數(shù)控機床在生產(chǎn)人工制品的同時也產(chǎn)生相應的數(shù)據(jù)。智能制造裝備的可控制及聯(lián)動軸數(shù)較傳統(tǒng)設(shè)備更多，如五軸數(shù)控系統(tǒng)與兩軸、三軸系統(tǒng)有著巨大的技術(shù)跨越，不僅需要完成底層算法，還需考慮軸與軸之間的協(xié)調(diào)、同步及規(guī)劃。智能制造裝備數(shù)控系統(tǒng)作為機床的“大腦”，集成了開放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)、大數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)，直接決定著機床裝備的智能化水平。（1） 開放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)。遵循公開性、擴展性及兼容性原則，確保機床中的軟硬件具有互換性、可擴展性和互操作性。包括系統(tǒng)平臺和應用軟件，其中系統(tǒng)平臺對機床運動部件進行數(shù)字量控制，它所具備的硬件和軟件平臺用于運行應用軟件。硬件平臺是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的物理實體，主要包括處理器、存儲器、電源、I/O接口、顯示器、控制面板及外設(shè)裝置。在系統(tǒng)、軟件和程序的驅(qū)動下，完成各項任務。軟件平臺是開放式數(shù)控系統(tǒng)的核心，包括操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)和編程接口等，應用軟件在軟件平臺中對系統(tǒng)硬件進行利用和控制。（2） 應用軟件分為標準模塊庫。運動控制模塊、I/O控制模塊、邏輯控制模塊、網(wǎng)絡控制模塊等；系統(tǒng)配置軟件將各模塊配置成一致、完整的應用軟件系統(tǒng)，是軟件集成的工具和方法；用戶應用軟件根據(jù)應用協(xié)議自行開發(fā)或由系統(tǒng)制造商開發(fā)。（3） 大數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)。主要負責采集機床內(nèi)部或外加傳感器的信息，如主軸電流、力矩、刀具狀態(tài)、G指令時間、位置、速度等內(nèi)部信息和振動、熱誤差、變形量等外部信息，以支撐制造過程管理及分析優(yōu)化。（4） 多傳感器融合模塊。采集機床加工過程相關(guān)信息并進行融合、特征提取，為智能控制、故障診斷及加工工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。未來智能化數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究在于數(shù)控系統(tǒng)的開放化、網(wǎng)絡化；具有自適應、自學習的智能伺服系統(tǒng)；多傳感器信息融合理論及技術(shù)；CAD、CAM、CNC集成技術(shù)等，如圖3所示。圖3 智能制造裝備數(shù)控系統(tǒng)框架
「 3. 數(shù)控裝備智能編程與工藝優(yōu)化 」
智能制造裝備數(shù)控系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)平臺支撐下，可在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)真正的智能工藝規(guī)劃，可分析加工要求，參照機床自身參數(shù)，智能匹配大數(shù)據(jù)平臺中的最優(yōu)工藝流程和加工參數(shù)，取代CAM設(shè)計人員，并在加工過程中不斷記錄加工參數(shù)和結(jié)果，更新工藝數(shù)據(jù)庫。
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)與制造系統(tǒng)的交互數(shù)據(jù)接口采用ISO-6983(G&M）標準代碼，僅規(guī)定了工件加工軌跡信息和開關(guān)量狀態(tài)，造成CAD/CAM、CAPP中工件描述信息及加工工藝信息無法傳遞到數(shù)控系統(tǒng)，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)僅僅是制造系統(tǒng)中的一個孤立單元。2001年ISO14649（STEP-NC）標準被提出，它可與ISO10303無縫銜接，用以解決數(shù)控系統(tǒng)和CAD/CAM間信息丟失和單向傳遞問題。該協(xié)議采用高層信息表達產(chǎn)品數(shù)據(jù)，描述制造對象的特征及技術(shù)要求，并傳送給車間現(xiàn)場，使加工對象的幾何信息、技術(shù)要求、拓撲信息及現(xiàn)場修改信息等能在數(shù)控系統(tǒng)及制造系統(tǒng)間雙向交互?；赟TEP-NC的工藝規(guī)劃和加工程序生成，可實現(xiàn)自主決策及加工過程優(yōu)化。圖4所示為基于STEP-NC的智能數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)架。圖4 3種STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)類型目前應用的主要數(shù)控編程（NCP-NC programming）系統(tǒng)為CAD/CAM軟件。CAM軟件的作用是利用計算機編程生成機床設(shè)備能夠讀取的代碼，是將零件設(shè)計、工藝和工序轉(zhuǎn)換成數(shù)控程序的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。輸入CAM的內(nèi)容是來自CAD的零件設(shè)計信息和CAPP的零件工藝信息，這些信息通過CAM軟件在自動或人工干預下生成數(shù)控程序。一般步驟為：（1）準備原始數(shù)據(jù)。首先人們必須給計算機送入必要的原始數(shù)據(jù)，這些原始數(shù)據(jù)描述了被加工零件的所有信息，包括零件的幾何形狀、尺寸和幾何要素之間的相互關(guān)系，刀具運動軌跡和工藝參數(shù)等。（2）輸入翻譯。原始數(shù)據(jù)以某種方式輸入計算機后，計算機并不能立即識別和處理，必須通過一套預先存放在計算機中的編程系統(tǒng)軟件，將其翻譯成計算機能夠識別和處理的形式。這種軟件又成為編譯軟件。（3）數(shù)學處理。這部分主要是根據(jù)已經(jīng)翻譯的原始數(shù)據(jù)計算出刀具相對于工件的運動軌跡。編譯和計算合稱為前置處理。（4）后置處理。后置處理就是編程系統(tǒng)將前置處理的結(jié)果處理成具體的數(shù)控機床所需要的輸入信息，即形成了零件加工的數(shù)控程序。（5）信息的輸出。將后置處理得到的程序信息，可制成穿孔紙帶，用于數(shù)控機床的輸入；也可利用計算機和數(shù)控機床的通信接口直接把程序信息輸入數(shù)控機床。「 4. 智能制造裝備數(shù)控系統(tǒng)云服務 」
云服務（cloud service）：面向客戶端，通過云計算，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把大量可擴展的、彈性的IT相關(guān)能力作為一種服務提供給多個客戶。
數(shù)控系統(tǒng)云服務實際就是將數(shù)控系統(tǒng)、并行信息處理、網(wǎng)絡技術(shù)、工業(yè)控制等技術(shù)融合，涉及數(shù)控加工、協(xié)同制造管理、并行控制、故障診斷、網(wǎng)絡通信、自動控制、信號處理等領(lǐng)域。采用云服務，數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線誤差綜合補償控制、CAD/CAPP/CAM/CNC集成、交互式協(xié)同等功能。
云服務用于數(shù)控加工設(shè)備的控制，其特征在于：該云數(shù)控系統(tǒng)包括云控制核心節(jié)點、云測控子節(jié)點、微調(diào)驅(qū)動單元、實時通信網(wǎng)絡和在線互聯(lián)網(wǎng)絡。其中，云控制核心節(jié)點主要實現(xiàn)人機操作和主控功能，還實現(xiàn)各種復雜的信號處理、組合控制和復合控制算法的運算與控制指令輸出，遠程通信、協(xié)調(diào)管理操作功能。云測控子節(jié)點主要完成各種部件的運行狀態(tài)信號檢測和微調(diào)控制信號的產(chǎn)生，同時接受云控制核心節(jié)點的協(xié)調(diào)、管理、控制指令，其中一部分子節(jié)點根據(jù)具體需要配合云控制核心節(jié)點完成核心的實時控制功能實現(xiàn)，各獨立的云測控子節(jié)點之間根據(jù)其內(nèi)在有機聯(lián)系實現(xiàn)合理連接，實現(xiàn)交互式協(xié)作測控功能。微調(diào)驅(qū)動單元接受云測控子節(jié)點的指令，完成對各自針對數(shù)控加工設(shè)備內(nèi)部部件的微調(diào)控制執(zhí)行操作。實時通信網(wǎng)絡構(gòu)成云控制核心節(jié)點內(nèi)部、云控制核心節(jié)點與云測控子節(jié)點之間、云測控子節(jié)點之間的在線數(shù)據(jù)傳遞功能。在線互聯(lián)網(wǎng)絡完成云控制核心節(jié)點與外部相關(guān)組件之間的通信功能。
1）云服務整體架構(gòu)
云服務提供：面向云服務消費者，提供登錄界面和訪問；根據(jù)云服務資源狀況和消費者需求，包裝云服務資源；對云服務的消費設(shè)立服務等級，按需消費；管理云消費者狀態(tài)和請求。
云服務管理：運行云計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，保障云架構(gòu)的穩(wěn)定和可靠性。
云服務資源：軟件服務（software as a service）、平臺服務（platform as a service）、基礎(chǔ)架構(gòu)服務（infrastructure as a service）、云儲存。
智能制造裝備系統(tǒng)中加入云服務，基于機床可智能、互聯(lián)的云制造，使分散式的或分級式的生產(chǎn)組織成為可能。如圖5所示，由云平臺協(xié)調(diào)的機床加工生產(chǎn)體系或網(wǎng)絡是以機床而不是以企業(yè)為單位的，因而可以解決規(guī)模經(jīng)濟與靈活生產(chǎn)之間的矛盾。（1）滿足數(shù)控系統(tǒng)和云服務平臺間數(shù)據(jù)交互和邊緣處理需求：（2）實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的裝備認證接入和數(shù)據(jù)采集；（3）設(shè)置加密通道，保障工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸安全；（4）支持多種數(shù)據(jù)采集模式（實時數(shù)據(jù)采集、非實時的周期性采集）。制造業(yè)的未來將會是一個復雜的信息物理系統(tǒng)（CPS）——所有的產(chǎn)品、設(shè)備、工廠都將通過互聯(lián)網(wǎng)相互連接，實現(xiàn)信息的交換，制造業(yè)的價值鏈從物理的實體拓展到虛擬的網(wǎng)絡空間。（5）改變產(chǎn)品的定義和設(shè)計。產(chǎn)品變成一個包含有物理實體和虛擬空間的復雜系統(tǒng)，產(chǎn)品性能的改進將通過軟件的升級來完成，改變產(chǎn)品的性能。遠程監(jiān)測、維修和控制產(chǎn)品成為可能，通過分析產(chǎn)品產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)可以不斷優(yōu)化產(chǎn)品性能，并使產(chǎn)品實現(xiàn)更高級的自主化功能。（6）拓寬工業(yè)的邊界。企業(yè)競爭不再是單個產(chǎn)品之間的競爭，當產(chǎn)品成為一個系統(tǒng)的組成部分后，更激烈的競爭將會發(fā)生在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間。（7）改變企業(yè)的商業(yè)模式。產(chǎn)品價值鏈將會被重新塑造，企業(yè)活動從銷售產(chǎn)品轉(zhuǎn)向提供服務，按時租賃的商業(yè)模式因能夠獲得產(chǎn)品實時使用數(shù)據(jù)而成為可能。（8）出現(xiàn)智慧工廠。通過智能、互聯(lián)產(chǎn)品組成系統(tǒng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)對工廠的信息化管理；安全管理成為企業(yè)要重視的問題之一；改變企業(yè)的技術(shù)架構(gòu)、人力資源、組織結(jié)構(gòu)和文化。（1）短信服務功能：將機床的加工狀態(tài)以文本信息SMS形式發(fā)送到指定的維護或管理人員的手機上，使其第一時間了解到當前機床狀態(tài)，及時處理已經(jīng)發(fā)生的故障，從而提高生產(chǎn)效率。（2）現(xiàn)場監(jiān)控和遠程診斷：利用局域網(wǎng)或現(xiàn)場總線功能，將CNC與PC連接起來，既可根據(jù)工序計劃自動分配并傳遞NC程序到相應機床，又可實時采集機床狀態(tài)并監(jiān)控加工現(xiàn)場的作業(yè)，還可將工廠網(wǎng)絡與系統(tǒng)供應商的網(wǎng)絡相連，由系統(tǒng)供應商的專家人員提供遠程診斷服務，解決工廠技術(shù)人員無法排除的故障。（3）PLC程序在線編輯和診斷：在數(shù)控系統(tǒng)中集成軟PLC功能，實現(xiàn)在線編輯、編譯、下載和診斷功能，提供梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本、功能模塊圖等多種編程語言，由用戶根據(jù)自身習慣進行選擇?？蓪LC程序在線診斷功能和圖形化診斷功能結(jié)合起來，可以從圖形化診斷界面進入對應PLC程序模塊進行在線診斷。
