隨著德國工業(yè)4.0的提出，智能制造成為制造技術發(fā)展的主攻方向。中國制造2025和美國工業(yè)互聯(lián)網等都從國家的戰(zhàn)略角度明確了智能制造的核心地位，并且相互間技術的交流與標準融合不斷加深。特別是我國從制造大國向制造強國的轉型更加迫切，著力發(fā)展智能裝備和智能產品，推進生產過程智能化，成為實現(xiàn)中國制造2025目標的關鍵，其中十大重點領域就包括高檔數控機床和機器人，所以面向智能制造的數控技術成為需要優(yōu)先解決的重要課題。

實現(xiàn)智能制造的核心是信息處理和物理過程的深度融合，傳統(tǒng)制造過程主要是在實體空間依靠生產設備制造產品，設備和過程本身很少或不產生數據，即使很少的數據信息也處于割裂狀態(tài)，制造效率和自動化程度的提高主要靠物理設備。隨著網絡信息技術的發(fā)展，逐步發(fā)展為通過物聯(lián)網和互聯(lián)網進行人與人、人與機、機與機的協(xié)同和交互模式，進一步建立物理設備和過程的數字模型，不斷進行仿真和優(yōu)化，提高生產效率和效益，這就是所謂的CPS(Cyber Physical Systems)信息物理融合系統(tǒng)。面向智能制造的數控系統(tǒng)必然是以CPS為基礎構建，它不再僅僅是機床設備的控制系統(tǒng)，而是成為工廠甚至整個智慧城市的一個智能節(jié)點。

實現(xiàn)智能數控的技術路線

什么是智能制造目前還沒有統(tǒng)一的認識，相關文獻主要從智能制造具有的特征方面來描述。1988年日本通產省( MITI) 提出智能制造系統(tǒng)(intelligent manufacturing system，IMS) 的設想，1989年形成國際合作項目正式文件，旨在21世紀全球化的大趨勢下通過國際合作共同研發(fā)新一代制造系統(tǒng)，迎接新世紀全球變化的挑戰(zhàn)。20 世紀90年代IMS項目對未來工廠的構思，已經大致涵蓋今天智能制造的內涵。

智能制造是一個系統(tǒng)，它不僅僅是智能技術的組合，也不僅僅局限在生產制造的業(yè)務領域，它是以融合了當前最新技術，貫穿研發(fā)、制造、客戶服務等的全價值鏈領域。所以數控系統(tǒng)的智能化就不能僅僅從制造環(huán)節(jié)本身考慮，提高其工藝柔性、質量和效率，還要從整個系統(tǒng)的角度考慮。特別是我國數控系統(tǒng)廠商和研究機構，在傳統(tǒng)制造技術本身落后于先進發(fā)達國家，如何在新模式和理念的引導下實現(xiàn)超越成為數控系統(tǒng)發(fā)展的新路徑?；诨ヂ?lián)網和計算機技術的“互聯(lián)網+”恰是技術升級中一個非常重要突破點。如何發(fā)揮中國的互聯(lián)網和制造融合的優(yōu)勢將會成為制造業(yè)轉型升級的重要路徑。

在中國信息物理系統(tǒng)白皮書中提出的構成CPS的四大核心要素，“一硬”( 感知和自動控制)、“一軟”(工業(yè)軟件)、“一網”(工業(yè)網絡)、“一平臺”(工業(yè)云和智能服務平臺)，通過狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行四個過程解決生產制造、應用服務過程中的復雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現(xiàn)資源優(yōu)化(圖1)。狀態(tài)感知就是通過各種各樣的傳感器感知物質世界的運行狀態(tài)；實時分析就是通過工業(yè)軟件實現(xiàn)數據、信息、知識的轉化；科學決策就是通過大數據平臺實現(xiàn)異構系統(tǒng)數據的流動與知識的分享；精準執(zhí)行就是通過控制器、執(zhí)行器等機械硬件實現(xiàn)對決策的反饋響應。CPS具有明顯的層級特征，小到一個智能部件、一個智能產品，大到整個智能工廠都能構成信息物理系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)建設的過程就是從單一部件、單機設備、單一環(huán)節(jié)、單一場景的局部小系統(tǒng)不斷向大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)演進的過程。CPS分為單元級、系統(tǒng)級、系統(tǒng)之系統(tǒng)SoS(System of Systems)級三個層次。雖然數控機床可看成由多個具有單元級的主軸單元、進給單元以及冷卻系統(tǒng)等單元組成，但這些單元在系統(tǒng)中不具獨立承擔任務的功能，所以將數控系統(tǒng)看成單元級CPS更容易理解制造系統(tǒng)及制造生態(tài)系統(tǒng)的三層架構。

圖1 CPS本質

在互聯(lián)網技術的推動下，越來越多的新興商業(yè)模式不斷涌現(xiàn)。其中最具代表性的就是“分享經濟”，它給我們帶來了基于分享模式的新業(yè)態(tài)，例如在汽車、房產等領域出現(xiàn)的APP打車、APP租房等互聯(lián)網的分享應用模式。在制造業(yè)，互聯(lián)網和新經濟模式如何落地？如何適應“分享經濟”將會成為一個重要的研究內容。

智能手機的出現(xiàn)使得互聯(lián)網相關產業(yè)進入了一個爆發(fā)式的增長，新興商業(yè)模式不斷出現(xiàn)，智能終端在技術上的突破在其中起到了極其重要的作用，所有互聯(lián)網相關的應用和技術都離不開通過智能終端與人建立的鏈接。而在機床行業(yè)中，鏈接人與設備的智能終端正是數控機床的大腦數控系統(tǒng)，所以以CPS架構研發(fā)面向智能制造的數控系統(tǒng)，并以此構建起制造生態(tài)系統(tǒng)是實現(xiàn)智能制造的可行路線。

數控系統(tǒng)的開放互聯(lián)

從19世紀50年代第一臺數控系統(tǒng)出現(xiàn)到現(xiàn)代開放式數控系統(tǒng)，期間經歷了多次重大變化，但是這些變化都局限在單機的功能和單元技術的革新和升級。設備的聯(lián)網相關技術進展緩慢。

近年來，出現(xiàn)了不同結構層次的數控系統(tǒng)產品，包括全系統(tǒng)、半成品和核心軟件，見表1。例如，德國的ISG公司僅提供數控軟件知識產權，由用戶自行配置或二次開發(fā)形成自己品牌的數控產品。美國國家標準與技術研究院NIST及其他開源組織可提供開源的LinuxCNC數控軟件，用戶可免費得到其源代碼，并可在GNU共享協(xié)議下進行開發(fā)。德國的PA(Power Automation)公司、倍福(Beckhoff)公司則提供模塊化的數控系統(tǒng)平臺，由用戶自行配置后形成自己品牌的數控產品。美國DeltaTau公司提供PMAC運動控制卡和相關軟件，由用戶開發(fā)組成自己的數控系統(tǒng)等。

表2描述了數控系統(tǒng)互聯(lián)方式的變化：數控系統(tǒng)的互聯(lián)方式從最早的串行通信逐步升級為以太網通信。不同類型(品牌)的數控系統(tǒng)的通訊端口、通訊協(xié)議千差萬別。從表1還可以看出，在不同的時期，不同的階段，數控系統(tǒng)廠家設計并提供了面向不同應用目標的通訊方式和通訊協(xié)議。比如最早期的I/O方式用于和其他設備進行握手和工作協(xié)同。在第二階段的串口通訊時期(其實這個技術目前還有很多國內外廠商正在使用)，主要是由于數控系統(tǒng)內存偏小，在遇到大程序時進行在線的NC文件下載，即最基礎的DNC功能，這種方式由于其技術門檻低，簡單、易行、低成本而被國內數控廠商所廣泛使用，但是這也同時限制了國內數控系統(tǒng)對于網絡技術的應用，功能極為有限。第三階段，類似Fanuc、Siemens等中高端數控系統(tǒng)都配備了以太網接口，比如西門子數控系統(tǒng)提供基于OPC的標準化局域網通訊協(xié)議，數據采集和文件傳輸往標準化靠攏，但是這個階段的系統(tǒng)設計及網絡協(xié)議設計依然局限于局域網應用，更多的還是基于傳統(tǒng)的DNC設計思想，這個時期的數控系統(tǒng)網絡傳輸相關功能主要針對數據上傳和下載(如備份/恢復，NC程序下載和上傳，參數設定等)以滿足點對點或者局域網的互聯(lián)應用目標，但在互聯(lián)網時代到來時上述功能及其協(xié)議的形式卻又顯得有些捉襟見肘。

表2. 數控系統(tǒng)互聯(lián)方式的變化

以1996年發(fā)布的OPC協(xié)議為例，其最初目的是把PLC特定的協(xié)議(如Modbus，Profibus總線等)抽象為標準化的接口，通過以太網向HMI/MES等系統(tǒng)提供標準化的連接通訊支持，這種面向局域網的通信存在如下缺點：平臺局限、防火墻穿透困難、OPC無法支持互聯(lián)網、安全功能弱、數據完整性無法確保。

1、平臺局限，跨平臺幾乎無法實現(xiàn)。OPC基于微軟的COM/DCOM技術開發(fā)，只能運行于Windows系統(tǒng)，在如今工業(yè)控制領域流行的Linux等嵌入式平臺上無法支持，并且2002年初微軟宣布停止COM技術的研發(fā)，OPC的技術基礎面臨淘汰。

2、防火墻穿透困難，OPC通信在跨越計算機邊界時很難完成，用戶需要在防火墻中打開很多端口才能夠讓DCOM通信穿越，這嚴重影響了整個網絡的安全性和可靠性。

3、對Web等互聯(lián)網應用的支持缺失，OPC無法支持互聯(lián)網，

4、數據結構支持弱，OPC無法支持類似結構化數據等復雜數據規(guī)范。

5、安全功能弱，類似設備認證、數據加密等網絡應用中非常重要的安全功能在老式OPC協(xié)議中并未設計。

6、數據完整性無法確保，在通信中斷或者異常時，OPC協(xié)議并無法確保傳輸數據的準確送達，數據通信常常會因此損壞并無法找回。

針對上述缺點，第四階段的通訊設計出現(xiàn)了OPC UA和MTConnect等面向互聯(lián)網應用的協(xié)議設計。

OPC UA為OPC基金會在原有OPC協(xié)議的基礎上進行了擴展和升級，首先解決了操作系統(tǒng)平臺的依賴問題，并且對互聯(lián)網環(huán)境下的應用提供了更多的支持。OPC UA通過隧道技術解決了網絡安全及防火墻穿透等問題，并支持發(fā)布訂閱等面向互聯(lián)網應用的新興通訊技術，其技術框架如圖2所示。

圖2 OPC UA架構

MTConnect是由美國機械制造技術協(xié)會(AMT)發(fā)起，聯(lián)合美國通用電氣等世界領先制造企業(yè)制定的開源、免費的機床通信標準，旨在提升來自不同制造商、軟件商的制造裝備、設備和軟件應用之間的互操作性。其技術框架如圖3所示。但是，各大數控廠商的系統(tǒng)架構不同，參數、文件命名規(guī)范甚至操作系統(tǒng)都不盡相同，想要對數量龐大的數控設備進行統(tǒng)一的規(guī)范，并且使得數量龐大的類似ERP、MES等客戶端廠商進行統(tǒng)一規(guī)范并使得相關應用得以協(xié)同工作依然是一個漫漫長征路。

MTConnect協(xié)議僅僅針對客戶端與設備的通訊進行了約定，但是并未對互聯(lián)網端的應用及其協(xié)調互通接口進行約定，其問題的根本與OPC UA一樣，本質上還是基于點對點的通訊問題解決，但是互聯(lián)網環(huán)境下的應用需求不僅僅局限于此。因而MTConnect的協(xié)議需要一套云端應用的規(guī)范來進行合理的補充，才能夠使得數控機床的互聯(lián)網應用得以真正順暢實現(xiàn)。

圖3 MTConnect架構

智能數控系統(tǒng)的發(fā)展

在工業(yè)4.0及“互聯(lián)網+”的背景下，數控系統(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)網的優(yōu)勢，讓數控系統(tǒng)的計算能力獲得無限擴展，并且通過對分享經濟等新興商業(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.數控系統(tǒng)智能化要求

圖4  數控機床智能化的需求

從制造技術本身來看，數控系統(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先進的技術，如主軸抑振、智能防碰撞等功能。沈陽機床i5數控提供了基于特征的編程和圖形化診斷等功能。

2.基于云平臺的數控系統(tǒng)

在云計算的基礎上德國斯圖加特大學提出“全球本地化(glocalized)”云端數控系統(tǒng)，其概念如圖5所示，從圖中可見，傳統(tǒng)數控系統(tǒng)的人機界面、數控核心和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、中間件和以太網接口，通過路由器與本地數控系統(tǒng)通信。這樣一來，在云端有每一臺機床的“數字孿生(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)。

圖5 云端數控系統(tǒng)的概念

數字孿生是指特定物理對象的數字鏡像，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特有的生產和運營數據，成為形影不離的“伴侶”，是物理對象屬性及狀態(tài)的最新和準確的實時鏡像，包括形狀、位置、狀態(tài)和運動。機床的數字孿生可在多個信息域同時存在，有多個“化身”，在產品設計階段承擔方案論證、結構和功能驗證以及性能參數優(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，直到產品報廢終結，甚至在其后還存在。

3.互聯(lián)網數控系統(tǒng)及其生態(tài)系統(tǒng)

在互聯(lián)網條件下，數控系統(tǒng)必須要成為一個能夠產生數據的透明的智能終端，讓制造過程及其全生命周期“數據透明”。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，同時產生服務于管理、財務、生產、銷售的實時數據，實現(xiàn)設備、生產計劃、設計、制造、供應鏈、人力、財務、銷售、庫存等一系列生產和管理環(huán)節(jié)的資源整合與信息互聯(lián)。

沈陽機床集團圍繞i5智能機床在世界上領先建立起了機床生態(tài)系統(tǒng)，圖6是i5智能機床關于數據產生和應用的示意圖，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精準的數據依據，成為新制造業(yè)態(tài)的基礎。

圖6 i5智能機床的數據產生及應用

圖7 基于iSESOL實現(xiàn)的智能機床互聯(lián)網應用框架

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，例如云端產能分享平臺，用戶可以將閑置產能公示于iSESOL產能平臺，有產能需求的用戶無需購買設備即可快速獲得制造能力，通過這種方式產能提供方可以利用閑置產能獲得收益，產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最大化。無疑，這種模式將會成為制造業(yè)互聯(lián)網+的一個重要形式。

圖7為基于iSESOL平臺的智能機床互聯(lián)網應用框架。所有的i5智能設備通過iPort協(xié)議接入iSESOL網絡，非i5的設備(如OPC UA終端或者MTConnect終端)可以通過iPort網關接入iSESOL網絡。類似ERP、MES、遠程看板等云端的APP應用通過iSESOL聚合的實時數據和訪問接口實現(xiàn)對遠程設備的統(tǒng)一訪問。iSESOL提供針對不同設備的數據字典映射統(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命名即可訂閱各類事件和數據信息，實現(xiàn)統(tǒng)一的設備訪問。最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)網應用。在這個平臺下建立的產能協(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。

4 結論和展望

機床數控系統(tǒng)的智能化與網絡化是大勢所趨，基于CPS的理念引導智能數控系統(tǒng)發(fā)展，通過網絡、平臺從整個系統(tǒng)的視角實現(xiàn)數控機床的智能化。

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控系統(tǒng)的智能化與網絡化。未來的數控系統(tǒng)將會越來越多地將互聯(lián)網的影響滲透到制造環(huán)節(jié)，通過數據的累積、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。