隨著新一代信息技術的發(fā)展及其與先進制造技術深度融合，全球興起了以智能制造為代表的新一輪產業(yè)變革。而物聯(lián)網和各種新型設備的不斷涌現(xiàn)推動了邊緣計算的產生。邊緣計算充分利用物聯(lián)網終端的嵌入式計算能力，與云計算結合，通過交互協(xié)作實現(xiàn)系統(tǒng)整體的智能化。

　　數(shù)控系統(tǒng)作為制造技術與信息技術融合的產物，工業(yè)互聯(lián)網以及“智能制造”的發(fā)展對數(shù)控系統(tǒng)的設計提出了新要求，萬物互聯(lián)時代的到來為數(shù)控系統(tǒng)智能化提供了新方向。

　　在開放式數(shù)控系統(tǒng)的基礎上，通過將工業(yè)物聯(lián)網、邊緣計算、數(shù)字孿生、人工智能等新一代信息技術融入數(shù)控系統(tǒng)，開展基于邊緣智能的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)，在確保加工控制要求的基礎上，進一步實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)對加工過程的泛在感知及智能控制，以增強系統(tǒng)加工處理能力;并通過智能編程、智能故障診斷和遠程監(jiān)控，以及設備故障的預測診斷等功能，提升數(shù)控機床的性能和可靠性，提高復雜零件的加工效率和質量，在航空航天、汽車制造等領域具有廣泛的應用前景。

　　本文通過分析智能制造與新一代信息技術對數(shù)控技術產生的新要求，提出了基于邊緣智能的開放式數(shù)控系統(tǒng)的多維度需求框架，建立了可重構數(shù)控系統(tǒng)平臺、基于信息終端的工藝鏈集成以及基于工業(yè)大數(shù)據(jù)產品生命周期管理體系結構，研制了“藍天數(shù)控”系統(tǒng)，并通過航空制造領域關鍵零件的加工控制應用，探索了實現(xiàn)基于邊緣智能的開放式數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)路徑。

　　一、數(shù)控系統(tǒng)的新需求

　　作為制造技術與信息技術融合的產物，數(shù)控系統(tǒng)伴隨著信息技術的發(fā)展而不斷演化。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)為滿足其對功能與性能安全、可靠的要求，通常采用封閉式結構。PC技術的發(fā)展推動了數(shù)控系統(tǒng)從封閉走向開放，并促使其使用成本的降低。

　　開放式數(shù)控技術不僅使數(shù)控系統(tǒng)在制造車間得到普及，也為融入新的技術奠定了基礎。近年來，信息與通信技術的發(fā)展，特別是傳感器、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、人工智能以及邊緣計算的發(fā)展，為研制智能化數(shù)控系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，并對數(shù)控系統(tǒng)提出了新的需求：

　　(1)將邊緣智能應用于數(shù)控系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)實時性及隱私性要求;

　　(2)將智能控制技術與自動化技術融合數(shù)控系統(tǒng)，以提高加工的精度、質量和效率;

　　(3)通過工業(yè)互聯(lián)網技術實現(xiàn)加工過程的感知及與智能工廠的融合，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)字化車間的互聯(lián)互通;

　　(4)通過數(shù)字化技術實現(xiàn)工件設計與編程、機床配套調試的優(yōu)化、加工過程仿真等工序鏈的一體化;

　　(5)通過互操作技術將數(shù)控系統(tǒng)與車間工藝與企業(yè)信息系統(tǒng)整合在一起，為數(shù)字化和無紙化生產，實現(xiàn)智能工廠奠定基礎。

　　另一方面，近年來智能制造在航空航天領域的推廣與應用，也使數(shù)控機床不再是單純的加工設備，而是智能工廠/數(shù)字化車間的重要組成部分。智能制造的批量客戶化的制造需求，要求將加工現(xiàn)場的感知、大數(shù)據(jù)處理、數(shù)字化建模、智能決策等新功能集成到數(shù)控系統(tǒng)中，形成制造過程的閉環(huán)。研制基于邊緣智能的開放式數(shù)控系統(tǒng)(見圖1)，建立系統(tǒng)在不確定環(huán)境中的智能行為，應對不確定的市場環(huán)境，是數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與應用的新的方向。

　　二、基于邊緣智能的開放式數(shù)控系統(tǒng)

　　針對新一代信息技術發(fā)展以及航空航天等領域的智能制造需求，本文基于開放式“藍天數(shù)控”產品，提出了一種多維度的基于邊緣智能的開放式數(shù)控系統(tǒng)框架，由功能/性能、工藝鏈、產品生命周期三個維度要求組成：

　　(1)個性化功能/性能需求?？蛻艋圃炷Ｊ揭笙到y(tǒng)滿足可擴展、互操作、可移植、可伸縮;

　　(2)工藝鏈集成需求。在網絡化制造環(huán)境下，數(shù)控機床不再是孤立的結點，而是整個制造系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。工業(yè)互聯(lián)網、互聯(lián)互通及互操作技術的發(fā)展，為促進產品設計、工藝、加工的一體化，實現(xiàn)制造過程閉環(huán)提供了支撐;

　　(3)生命周期管理需求。物聯(lián)網、工業(yè)大數(shù)據(jù)以及人工智能技術的發(fā)展，為開展故障診斷、運行狀態(tài)監(jiān)測、設備健康管理等提供了技術支撐。

　　針對個性化功能/性能需求，系統(tǒng)在硬件上采用M︰N的可重構方式，軟件上采用基于中間件的二次開發(fā)平臺，建立可重構的數(shù)控系統(tǒng)平臺;針對工藝鏈集成需求，通過研制基于信息終端的網絡化平臺，以支持制造過程工藝鏈的集成;針對生命周期管理需求，通過構建包含制造、用戶、運行、診斷的大數(shù)據(jù)平臺，開發(fā)相關支持工具，以實現(xiàn)數(shù)控產品生命周期的管理。

　　1. 可重構的數(shù)控系統(tǒng)平臺

　　可重構的數(shù)控系統(tǒng)平臺由軟件平臺和硬件平臺組成。如圖2所示，硬件平臺包含人機接口單元(HMU)和控制單元(NCU)，采用M︰N的可重構方式，即根據(jù)客戶需求，可實現(xiàn)多個人機接口單元對應多個控制單元。每個控制單元通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)對驅動器、I/O單元、傳感器網關的控制。傳感器網關支持有線/無線傳感器介入。無線方式包括WiFi、RFID等無線射頻方式。傳感器通過廣播同步與總線同步相結合的方式，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集與控制信息的同步。

　　軟件平臺采用基于中間件的層次化結構，以支持用戶個性化功能的開發(fā)(見圖3)。其中，智能化中間件具有支持運算、插補、控制、I/O、工藝及人機交互的組件庫，以實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實時、非實時及人機界面的控制;數(shù)據(jù)共享區(qū)為組件庫提供數(shù)據(jù)源;基于Web服務模塊實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與其他單元的數(shù)據(jù)交互，支持數(shù)據(jù)采集與云端應用。二次開發(fā)接口包含由基于QT跨平臺圖形引擎、Android SDK等形成數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺的開發(fā)工具鏈，基于圖形顯示、組件操作、工藝編程、任務管理、狀態(tài)監(jiān)控的二次開發(fā)接口庫，基于移動終端智能APP軟件的應用管理器，任務管理、機床監(jiān)控及診斷等個性化功能的二次開發(fā)以及跨平臺APP應用的開發(fā)和管理。

　　但隨著數(shù)據(jù)采集技術的進步與人工智能應用的不斷加深，也引出數(shù)據(jù)量過大導致的網絡傳輸延遲大、數(shù)據(jù)傳輸代價高以及計算安全和隱私風險等問題，無法有效滿足用戶對計算服務即時響應的需求。

　　在此基礎上，由邊緣計算與人工智能融合而成的邊緣智能范式為解決上述問題提供了有效保障。邊緣計算將計算資源和服務從遠離用戶的云端下沉到網絡邊緣側，從而有效降低網絡延遲和帶寬消耗;在更靠近用戶和數(shù)據(jù)源頭的網絡邊緣側利用Docker、Kubernetes等容器化服務部署架構訓練和深度學習模型，從而改善AI應用的性能和成本。

　　基于人工智能的邊緣計算解決方案需要實現(xiàn)云端、邊緣與終端設備三者間的協(xié)同作用(見圖4)。邊緣端通過有線網絡和無線網絡從數(shù)控系統(tǒng)平臺采集高頻數(shù)據(jù)，在邊緣網關與服務器端實現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾、時序匹配、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)緩存以及數(shù)據(jù)打包等數(shù)據(jù)預處理和數(shù)據(jù)存儲服務;邊緣服務器利用有限的計算資源完成具有實時性要求或數(shù)據(jù)敏感的智能應用，并將應用反饋的決策信息反饋給數(shù)控系統(tǒng);對于邊緣難以完成的任務，邊緣端將預處理得到的結構化數(shù)據(jù)發(fā)送至云端完成，從而實現(xiàn)云邊端在計算、存儲等資源上的協(xié)同。

　　2. 基于信息終端的工藝鏈集成平臺

　　圍繞工藝鏈集成需求，基于“藍天數(shù)控”的開放式體系結構，構建了基于信息終端的網絡化平臺(見圖5)。通過信息終端，建立智能設備、生產單元、車間的信息通道，支持設備間的互聯(lián)互通及互操作，實現(xiàn)制造過程中工藝參數(shù)、設備狀態(tài)、業(yè)務流程等數(shù)據(jù)、多媒體信息以及制造過程信息間的交互，從而確?！熬幊谭抡妗に囕o助→加工準備→加工過程→工件測量”制造過程工藝鏈的集成與閉環(huán)控制。

　　信息終端由支持多平臺的顯示終端與多協(xié)議網絡代理服務器組成，其中代理服務器通過融合不同廠商的通訊協(xié)議，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)信息終端與藍天數(shù)控系統(tǒng)、第三方數(shù)控系統(tǒng)，以及相關現(xiàn)場設備的互聯(lián)互通及互操作，并為工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺、MES系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實與中央管控平臺提供數(shù)據(jù)共享接口，實現(xiàn)智能化數(shù)控系統(tǒng)與車間智能設備和制造執(zhí)行系統(tǒng)的信息集成。

　　3. 基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的產品生命周期管理平臺

　　基于采用信息終端的網絡化平臺，通過解決工業(yè)大數(shù)據(jù)采集、存儲、管理與挖掘等關鍵技術，研制了匯聚生產工藝參數(shù)、設備狀態(tài)等工業(yè)大數(shù)據(jù)的信息平臺，為開展產品生命周期的管理奠定基礎?；诖髷?shù)據(jù)平臺，通過對產品制造信息、用戶檔案、產品跟蹤、調試維護、參數(shù)導航、故障診斷等數(shù)據(jù)信息的采集，實現(xiàn)產品生命周期管理，具體包括生產制造、安裝調試、診斷維護、改進升級等管理。

　　生產制造管理根據(jù)產品制造過程中的生產、組裝、測試等信息，建立產品的生產制造數(shù)據(jù)庫。產品安裝調試管理按照客戶的個性化需求建立用戶檔案，當數(shù)控系統(tǒng)在機床廠進行配套后，可將產品與機床的匹配參數(shù)上傳到產品用戶數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)對產品的跟蹤管理。當數(shù)控機床到最終用戶進行加工應用時，產品用戶數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)機床的具體加工對象，對數(shù)控產品的初始參數(shù)進行導航設置。當產品出現(xiàn)故障時，設備的故障類型、故障原因、維修記錄等信息上傳到故障維護數(shù)據(jù)庫中。同時，故障維護數(shù)據(jù)庫利用大數(shù)據(jù)以及專家系統(tǒng)，綜合設備參數(shù)、設備運行狀態(tài)、故障類型、故障原因、故障維修記錄等信息，給出設備故障的原因分析與維修建議，以實現(xiàn)對產品生命周期的管理。

　　三、“藍天數(shù)控”及應用實踐

　　基于邊緣智能的開放式“藍天數(shù)控”系統(tǒng)，由車間網絡層、控制層和設備層三個層次組成。車間網絡層通過工業(yè)以太網實現(xiàn)車間設備與數(shù)控機床的互聯(lián)互通，通過信息終端實現(xiàn)工藝鏈的集成與互操作;控制層采用M:N的可重構方式，通過基于中間件的二次開發(fā)平臺實現(xiàn)客戶化個性化功能的開發(fā);設備層通過智能網關實現(xiàn)傳感器的介入以及智能應用的部署，支持加工現(xiàn)場的感知和產品生命周期的管理。

　　基于邊緣智能的開放式“藍天數(shù)控”系統(tǒng)，針對航空制造領域飛機結構件、發(fā)動機葉片等關鍵部件的制造需求，開發(fā)了相應的數(shù)控系統(tǒng)，以對系統(tǒng)的個性化功能/性能、工藝鏈集成以及產品生命周期管理進行應用驗證。

　　其中，動梁橋式龍門雙閉環(huán)反饋同步控制，對系統(tǒng)運動控制層面的個性化功能/性能需求進行了驗證;雙通道11軸激光微孔冷加工數(shù)控機床、雙通道14軸數(shù)控砂帶磨削中心，對系統(tǒng)工藝層面與運動控制層面的個性化功能/性能需求進行了驗證;航空制造領域數(shù)字化車間驗證了基于信息終端的工藝鏈集成與數(shù)控設備生命周期管理需求。

　　1. 動梁橋式龍門雙閉環(huán)反饋同步控制

　　針對GMC2060U五軸動梁橋式龍門加工中心(見圖6)及GMC3060/GMC2060高速龍門銑床的特點，6米長的龍門軸X軸要求采用4個電機同步驅動，同時完成消隙任務，并在雙驅龍門兩側同時安裝了海德漢的距離編碼格式的光柵尺作為位置檢測反饋系統(tǒng)。要求系統(tǒng)既要保證4個電機的同步驅動控制及扭曲量誤差控制，又要保證靜態(tài)及動態(tài)的間隙消除，同時還要完成雙尺的全閉環(huán)檢測實時反饋的任務。

　　針對上述控制要求，“藍天數(shù)控”系統(tǒng)采用EtherCAT高速總線通訊技術，由上位數(shù)控系統(tǒng)主機作為主站，與作為從站的各電機驅動器進行時間輪詢的實時通訊，通過數(shù)據(jù)給定、全站點狀態(tài)監(jiān)測、速度、位置、電流等三環(huán)采集、雙尺位置及誤差扭曲數(shù)據(jù)反饋、報警機制實時處理，并通過系統(tǒng)的智能調節(jié)、調整及自整定，以及驅動側的工藝調節(jié)器的配合、優(yōu)化等一系列核心算法，實現(xiàn)了配套應用。

　　2. 雙通道11軸激光微孔冷加工數(shù)控機床

　　雙通道11軸激光葉片微孔冷加工機床(見圖7)是集光、機、電、檢測于一體的復雜系統(tǒng)，其控制對象包括：機床軸運動控制、激光器功率監(jiān)測與控制、復合光束掃描模塊控制、光束指向監(jiān)測與調整控制、光學掃描頭切換伺服控制、終端監(jiān)測控制、恒重疊率螺旋掃描控制和非圓形面掃描加工控制，以及三維檢測輔助定位控制等。

　　“藍天數(shù)控”系統(tǒng)通過采用多通道控制、RTCP、高速程序預處理、焦距測量、三維測量、光路切換、四光楔掃描，以及功率檢測等功能，實現(xiàn)一個通道5軸聯(lián)動用于葉片工件姿態(tài)轉換，一個通道6軸聯(lián)動用于激光設備光束指向調整和打孔檢測。該設備適用于各類金屬、非金屬材料表面的微結構處理，進行微腔、型腔、盲孔、通孔、異形孔、異形槽、復雜形貌微結構的切割加工。

　　3. 雙通道14軸數(shù)控砂帶磨削中心

　　針對航發(fā)精鍛葉片自適應砂帶磨削中心(見圖8)的特點，采用雙工位14軸的機床設計，其中7軸5聯(lián)動數(shù)控砂帶邊緣磨削工位實現(xiàn)航空發(fā)動機葉片型面的磨削加工，7軸6聯(lián)動圓角磨削工位實現(xiàn)根部轉角、阻尼臺或葉尖等易干涉部位的磨削加工，磨削中心具備在機檢測、快速模型重構、快速裝夾、自適應磨削功能。

　　圍繞機床的控制要求：雙通道、耦合軸、五軸聯(lián)動、全閉環(huán)反饋、砂帶張緊力控制等，通過開展多通道多軸聯(lián)動砂帶磨削運動控制方法、加工過程干涉檢測技術、磨削軌跡優(yōu)化技術、收放卷自適應磨削技術、數(shù)控系統(tǒng)與砂帶磨削中心控制系統(tǒng)集成技術等關鍵技術研究，研制面向航發(fā)精鍛葉片自適應砂帶磨削中心的數(shù)控產品，實現(xiàn)了一次裝夾完成多種尺寸和規(guī)格的發(fā)動機葉片葉尖、型面、進/排氣邊、葉根圓角和凸臺過渡區(qū)部位的磨削集成加工。

　　4.支持工藝鏈集成與設備管理的數(shù)字化車間

　　圍繞航空制造領域數(shù)字化車間對工藝鏈集成的需求，通過開展設備互聯(lián)互通、邊緣智能、工業(yè)大數(shù)據(jù)管理、數(shù)字孿生與3D數(shù)字可視化等關鍵技術開發(fā)，解決了從設備控制到車間管理的數(shù)字化車間關鍵技術，建立了從設備層到車間層及企業(yè)層的數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)了機加設備、檢測設備、后處理設備、物流設備、倉儲設備等現(xiàn)場設備的互聯(lián)互通，形成了基于邊緣智能的數(shù)字化車間成套解決方案(見圖9)，包括基于工業(yè)互聯(lián)網的設備互聯(lián)互通平臺、工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺、3D數(shù)字可視化平臺、故障預測與健康管理平臺、能耗監(jiān)控管理平臺、網絡化實時視頻監(jiān)控平臺等。

? ? ? ?基于數(shù)字化車間提供的網絡化平臺，進行了智能故障診斷與遠程監(jiān)控的開發(fā)(見圖10)，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)對加工過程的全面感知及智能控制，提高了設備故障的預測診斷能力，增強了系統(tǒng)的處理能力，提升了數(shù)控機床的性能和可靠性。