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面向智能制造的数控系统

随着德国的提出, 智能制造 成为制造技术发展的主攻方向。和美国工业互联网等都从国家的战略角度明确了智能制造的核心地位,并且相互间技术的交流与标准融合不断加深。特别是我国从制造大国向制造强国的转型更加迫切,着力发展智能装备和智能产品,推进生产过程智能化,成为实现中国制造2025目标的关键,其中十大重点领域就包括高档数控机床和,所以面向智能制造的数控技术成为需要优先解决的重要课题。

实现智能制造的核心是信息处理和物理过程的深度融合,传统制造过程主要是在实体空间依靠生产设备制造产品,设备和过程本身很少或不产生数据,即使很少的数据信息也处于割裂状态,制造效率和程度的提高主要靠物理设备。随着网络信息技术的发展,逐步发展为通过物联网和互联网进行人与人、人与机、机与机的协同和交互模式,进一步建立物理设备和过程的数字模型,不断进行仿真和优化,提高生产效率和效益,这就是所谓的CPS(Cyber Physical systems)信息物理融合系统。面向智能制造的数控系统必然是以CPS为基础构建,它不再仅仅是机床设备的,而是成为工厂甚至整个智慧城市的一个智能节点。

实现智能数控的技术路线

什么是智能制造目前还没有统一的认识,相关文献主要从智能制造具有的特征方面来描述。1988年日本通产省( MITI) 提出智能制造系统(intelligent manufacturing System,IMS) 的设想,1989年形成国际合作项目正式文件,旨在21世纪全球化的大趋势下通过国际合作共同研发新一代制造系统,迎接新世纪全球变化的挑战。20 世纪90年代IMS项目对未来工厂的构思,已经大致涵盖今天智能制造的内涵。

智能制造是一个系统,它不仅仅是智能技术的组合,也不仅仅局限在生产制造的业务领域,它是以融合了当前最新技术,贯穿研发、制造、客户服务等的全价值链领域。所以数控系统的智能化就不能仅仅从制造环节本身考虑,提高其工艺柔性、质量和效率,还要从整个系统的角度考虑。特别是我国数控系统厂商和研究机构,在传统制造技术本身落后于先进发达国家,如何在新模式和理念的引导下实现超越成为数控系统发展的新路径。基于互联网和计算机技术的“互联网+”恰是技术升级中一个非常重要突破点。如何发挥中国的互联网和制造融合的优势将会成为制造业转型升级的重要路径。

在中国信息物理系统白皮书中提出的构成CPS的四大核心要素,“一硬”( 感知和自动控制)、“一软”(工业软件)、“一网”(工业网络)、“一平台”(工业云和智能服务平台),通过状态感知、实时分析、科学决策、精准执行四个过程解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题,提高资源配置效率,实现资源优化(图1)。状态感知就是通过各种各样的传感器感知物质世界的运行状态;实时分析就是通过工业软件实现数据、信息、知识的转化;科学决策就是通过大数据平台实现异构系统数据的流动与知识的分享;精准执行就是通过控制器、执行器等机械硬件实现对决策的反馈响应。CPS具有明显的层级特征,小到一个智能部件、一个智能产品,大到整个智能工厂都能构成信息物理系统。信息物理系统建设的过程就是从单一部件、单机设备、单一环节、单一场景的局部小系统不断向大系统、巨系统演进的过程。CPS分为单元级、系统级、系统之系统SoS(System of Systems)级三个层次。虽然数控机床可看成由多个具有单元级的主轴单元、进给单元以及冷却系统等单元组成,但这些单元在系统中不具独立承担任务的功能,所以将数控系统看成单元级CPS更容易理解制造系统及制造生态系统的三层架构。

面向智能制造的数控系统

在互联网技术的推动下,越来越多的新兴商业模式不断涌现。其中最具代表性的就是“分享经济”,它给我们带来了基于分享模式的新业态,例如在汽车、房产等领域出现的APP打车、APP租房等互联网的分享应用模式。在制造业,互联网和新经济模式如何落地?如何适应“分享经济”将会成为一个重要的研究内容。

智能手机的出现使得互联网相关产业进入了一个爆发式的增长,新兴商业模式不断出现,智能终端在技术上的突破在其中起到了极其重要的作用,所有互联网相关的应用和技术都离不开通过智能终端与人建立的链接。而在机床行业中,链接人与设备的智能终端正是数控机床的大脑数控系统,所以以CPS架构研发面向智能制造的数控系统,并以此构建起制造生态系统是实现智能制造的可行路线。




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