數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS的設(shè)計和實現(xiàn)
1 數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS參考體系結(jié)構(gòu)
1.1 數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS定義
數(shù)控加工智能監(jiān)控CPS定義：根據(jù)數(shù)控機床實際生產(chǎn)作業(yè)監(jiān)控需求，以數(shù)控機床本體建模和運動特征抽象、數(shù)控加工過程的實時狀態(tài)感知和實時數(shù)據(jù)處理技術(shù)為基礎(chǔ)，融合數(shù)控加工過程三維實時復現(xiàn)、智能數(shù)據(jù)分析、實時狀態(tài)評估、異常預(yù)警和自主化智能控制能力的，通過分布式網(wǎng)絡(luò)融合形成的計算更實時、過程更動態(tài)、控制更精確、運行更智能，具備高度自治性的數(shù)控機床智能監(jiān)控系統(tǒng)。
1.2 數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS體系結(jié)構(gòu)
本文參照基于服務(wù)角度的CPS 4層抽象架構(gòu)，結(jié)合數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS的實際特點，提出了一個面向服務(wù)的數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS體系結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
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圖5 數(shù)控機床智能監(jiān)控ＣＰＳ系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
（1）感控層。
數(shù)控加工智能監(jiān)控CPS的感控節(jié)點層是CPS與數(shù)控機床實際物理過程的交互點，包含了CPS的物理元素，如數(shù)控機床實體，運動部件，傳感器，各類物理的控制器、驅(qū)動器和數(shù)控加工物理對象及資源（如刀具、工裝等）等，主要涉及控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、感知技術(shù)、通信技術(shù)等。
數(shù)控機床智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的核心是感知功能的構(gòu)建和感知網(wǎng)絡(luò)的融合。通過在數(shù)控機床物理實體加裝相應(yīng)傳感器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集功能部件，并與數(shù)控加工物理對象（刀具、工裝、毛坯等）交聯(lián)耦合，形成具有感知、控制執(zhí)行與自主決策功能的CPS感控節(jié)點，并以數(shù)控機床數(shù)據(jù)采集器和控制網(wǎng)絡(luò)的形式實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用自主開發(fā)的數(shù)控機床數(shù)據(jù)采集器與傳感器網(wǎng)絡(luò)融合的方式，構(gòu)建具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控機床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由采集層、處理層、服務(wù)層和應(yīng)用層4層組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。
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圖６數(shù)控機床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
（2）網(wǎng)絡(luò)通信層。
在實際數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS中，網(wǎng)絡(luò)通信層面臨的**挑戰(zhàn)是如何保證虛擬空間與物理空間之間大容量、高實時性數(shù)據(jù)的高可靠性、低延遲傳輸；同時，隨著智能設(shè)備和智能感知設(shè)備的大量普及，未來作業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)接入需求將成幾何級數(shù)增加。鑒于現(xiàn)有作業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)在傳輸可靠性和傳輸性能方面的實際情況，采用分布式數(shù)據(jù)采集體系的設(shè)計，在感知層和處理層優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理策略，采用“分步+冗余”的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理機制，可**降低實時數(shù)據(jù)采集和處理過程對網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性、實時性和高帶寬要求。
但隨著后續(xù)數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS系統(tǒng)的大規(guī)模工程化應(yīng)用，仍迫切需要采用新一代具有充足帶寬、接入能力強、超低時延的下一代工業(yè)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。同時，應(yīng)充分關(guān)注具備較高可靠性、較低時延、較大接入容量的無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，以滿足未來作業(yè)現(xiàn)場廣泛的移動接入需求。
（3）資源服務(wù)層。
由于數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS系統(tǒng)中針對物理環(huán)境的感知、監(jiān)測和分析決策處理過程有大量的數(shù)據(jù)存儲、計算、分析、控制決策處理需求，而感控層的數(shù)據(jù)存儲、處理能力是有限的。因此，對獲取的實時數(shù)據(jù)進行融合處理，從海量數(shù)據(jù)中分析、提取有用信息，是資源服務(wù)層的主要功能。數(shù)控機床智能監(jiān)控CPS系統(tǒng)的資源服務(wù)層作為系統(tǒng)運行的支撐平臺，向上，為決策及應(yīng)用層提供各類數(shù)據(jù)分析、圖形運算、大數(shù)據(jù)處理能力支持；向下，為感控層提供海量數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理服務(wù)支持；同時，對感控層的感知組件及執(zhí)行器進行抽象建模，形成虛擬空間與物理空間融合交互的服務(wù)中間件，實現(xiàn)狀態(tài)報告、監(jiān)控指令、機床操作控制指令的集成功能。
（4）決策應(yīng)用層。
決策應(yīng)用層是面向應(yīng)用和操作者的，其主要目標是實現(xiàn)數(shù)控機床運行過程的可視化監(jiān)測和自主化、智能化控制。一方面，決策應(yīng)用層作為操作者的功能增強裝備，能夠為操作者提供更實時、更**、具備決策參考價值的數(shù)控加工過程工況信息和智能分析評價數(shù)據(jù)，以提高操作者對整個數(shù)控加工過程的感知、控制能力；另一方面，作為具備高度自主性的智能監(jiān)控系統(tǒng)，決策應(yīng)用層利用內(nèi)嵌的大數(shù)據(jù)計算、智能數(shù)據(jù)分析能力，對實際加工過程進行實時狀態(tài)評估，可實現(xiàn)智能化的加工過程預(yù)測、異常報警和智能防錯控制，這使數(shù)控加工過程進一步向智能化、少人化甚至無人化方向演進成為可能。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
通過對數(shù)控機床運動部件精確建模及數(shù)控機床坐標聯(lián)動控制機制、各組坐標軸耦合關(guān)系的動態(tài)解析，在自主開發(fā)的三維仿真平臺中實現(xiàn)了數(shù)控機床靜態(tài)模型、動態(tài)運動部件的動態(tài)加載和交互式控制。同時，結(jié)合對數(shù)控機床實際加工過程原點設(shè)置、刀具參數(shù)的采集及工裝、毛坯狀態(tài)的自動檢查，自動構(gòu)建數(shù)控機床虛擬仿真運行環(huán)境，通過數(shù)控機床實時數(shù)據(jù)采集器采集的高實時度（毫秒級）的機床實際運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)控機床實際加工過程的超低延時、真度的加工過程三維可視化復現(xiàn)，系統(tǒng)運行界面如圖7所示。
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圖７數(shù)控加工過程三維可視化復現(xiàn)程序運行界面
系統(tǒng)基于“感知-分析-決策-控制-反饋-評估”的閉環(huán)控制機制，在準確評估數(shù)控加工過程運行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，智能提取數(shù)控加工過程的異常和例外信息，結(jié)合已經(jīng)建立的數(shù)控加工過程異常狀態(tài)響應(yīng)和處理規(guī)則，研究并**了加工時間智能預(yù)測、加工狀態(tài)智能評估、異常狀態(tài)自動預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)。目前，系統(tǒng)已實現(xiàn)基于狀態(tài)評估規(guī)則和預(yù)定義操作流程的NC程序加載控制、原點校驗、刀具參數(shù)及刀具補償數(shù)據(jù)校驗等，并可對數(shù)控加工過程主軸負載異常、功率突變等狀態(tài)進行**識別和報警，**提高了數(shù)控加工過程的智能化監(jiān)控水平。
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當前，美國、德國等西方先進工業(yè)國家大力推進智能制造技術(shù)研究及應(yīng)用，我國“兩化”深度融合也在深入推進，CPS作為智能制造領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，已經(jīng)成為當前學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界優(yōu)先研究和發(fā)展的重要領(lǐng)域。為了更好地實現(xiàn)CPS在制造業(yè)各領(lǐng)域的應(yīng)用，需要**現(xiàn)有的計算模式、物理架構(gòu)、控制方法和通信環(huán)境的束縛。當前制造業(yè)CPS的研究重點包括：CPS相關(guān)共性技術(shù)研究（如大數(shù)據(jù)、云計算、實時計算、智能控制理論等），CPS關(guān)鍵支撐技術(shù)研究（如面向CPS的下一代通信技術(shù)、智能傳感器及網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)、異構(gòu)異質(zhì)系統(tǒng)集成、新一代仿真技術(shù)及融合控制技術(shù)等）。推進CPS在制造業(yè)的**落地和應(yīng)用，需要學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界共同努力，以逐步開啟制造業(yè)CPS研究及應(yīng)用的新局面
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