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

　　數(shù)控系統(tǒng)作為制造技術(shù)與信息技術(shù)融合的產(chǎn)物，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及“智能制造”的發(fā)展對數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)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(chǔ)上，通過將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、數(shù)字孿生、人工智能等新一代信息技術(shù)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(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)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(qiáng)系統(tǒng)加工處理能力;并通過智能編程、智能故障診斷和遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及設(shè)備故障的預(yù)測診斷等功能，提升數(shù)控機(jī)床的性能和可靠性，提高復(fù)雜零件的加工效率和質(zhì)量，在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　本文通過分析智能制造與新一代信息技術(shù)對數(shù)控技術(shù)產(chǎn)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(gòu)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(chǎn)品生命周期管理體系結(jié)構(gòu)，研制了“藍(lán)天數(shù)控”系統(tǒng)，并通過航空制造領(lǐng)域關(guān)鍵零件的加工控制應(yīng)用，探索了實(shí)現(xiàn)基于邊緣智能的開放式數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)路徑。

　　一、數(shù)控系統(tǒng)的新需求

　　作為制造技術(shù)與信息技術(shù)融合的產(chǎn)物，數(shù)控系統(tǒng)伴隨著信息技術(shù)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(jié)構(gòu)。PC技術(shù)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(shù)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(shù)奠定了基礎(chǔ)。近年來，信息與通信技術(shù)的發(fā)展，特別是傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、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(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)實(shí)時性及隱私性要求;

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

　　(3)通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)加工過程的感知及與智能工廠的融合，實(shí)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(shù)實(shí)現(xiàn)工件設(shè)計與編程、機(jī)床配套調(diào)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(shù)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(chǎn)，實(shí)現(xiàn)智能工廠奠定基礎(chǔ)。

　　另一方面，近年來智能制造在航空航天領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用，也使數(shù)控機(jī)床不再是單純的加工設(shè)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(yīng)對不確定的市場環(huán)境，是數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)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(shù)發(fā)展以及航空航天等領(lǐng)域的智能制造需求，本文基于開放式“藍(lán)天數(shù)控”產(chǎn)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(chǎn)品生命周期三個維度要求組成：

　　(1)個性化功能/性能需求。客戶化制造模式要求系統(tǒng)滿足可擴(kuò)展、互操作、可移植、可伸縮;

　　(2)工藝鏈集成需求。在網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下，數(shù)控機(jī)床不再是孤立的結(jié)點(diǎn)，而是整個制造系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)互通及互操作技術(shù)的發(fā)展，為促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝、加工的一體化，實(shí)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(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，為開展故障診斷、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備健康管理等提供了技術(shù)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(gòu)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(gòu)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(wǎng)絡(luò)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(gòu)建包含制造、用戶、運(yùn)行、診斷的大數(shù)據(jù)平臺，開發(fā)相關(guān)支持工具，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控產(chǎn)品生命周期的管理。

　　1. 可重構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)平臺

　　可重構(gòu)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(jī)接口單元(HMU)和控制單元(NCU)，采用M︰N的可重構(gòu)方式，即根據(jù)客戶需求，可實(shí)現(xiàn)多個人機(jī)接口單元對應(yīng)多個控制單元。每個控制單元通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動器、I/O單元、傳感器網(wǎng)關(guān)的控制。傳感器網(wǎng)關(guān)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(jié)合的方式，實(shí)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(jié)構(gòu)，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(yùn)算、插補(bǔ)、控制、I/O、工藝及人機(jī)交互的組件庫，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時、非實(shí)時及人機(jī)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(wù)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與其他單元的數(shù)據(jù)交互，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集與云端應(yīng)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(wù)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(yīng)用管理器，任務(wù)管理、機(jī)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(yīng)用的開發(fā)和管理。

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

　　在此基礎(chǔ)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(wù)從遠(yuǎn)離用戶的云端下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，從而有效降低網(wǎng)絡(luò)延遲和帶寬消耗;在更靠近用戶和數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)利用Docker、Kubernetes等容器化服務(wù)部署架構(gòu)訓(xùn)練和深度學(xué)習(xí)模型，從而改善AI應(yīng)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(shí)現(xiàn)云端、邊緣與終端設(shè)備三者間的協(xié)同作用(見圖4)。邊緣端通過有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)從數(shù)控系統(tǒng)平臺采集高頻數(shù)據(jù)，在邊緣網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器端實(shí)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(yù)處理和數(shù)據(jù)存儲服務(wù);邊緣服務(wù)器利用有限的計算資源完成具有實(shí)時性要求或數(shù)據(jù)敏感的智能應(yīng)用，并將應(yīng)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(wù)，邊緣端將預(yù)處理得到的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)發(fā)送至云端完成，從而實(shí)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(lán)天數(shù)控”的開放式體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了基于信息終端的網(wǎng)絡(luò)化平臺(見圖5)。通過信息終端，建立智能設(shè)備、生產(chǎn)單元、車間的信息通道，支持設(shè)備間的互聯(lián)互通及互操作，實(shí)現(xiàn)制造過程中工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、業(yè)務(wù)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(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器組成，其中代理服務(wù)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(shí)現(xiàn)信息終端與藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)、第三方數(shù)控系統(tǒng)，以及相關(guān)現(xiàn)場設(shè)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(shí)與中央管控平臺提供數(shù)據(jù)共享接口，實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)控系統(tǒng)與車間智能設(shè)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(chǎn)品生命周期管理平臺

　　基于采用信息終端的網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵技術(shù)，研制了匯聚生產(chǎn)工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等工業(yè)大數(shù)據(jù)的信息平臺，為開展產(chǎn)品生命周期的管理奠定基礎(chǔ)?；诖髷?shù)據(jù)平臺，通過對產(chǎn)品制造信息、用戶檔案、產(chǎn)品跟蹤、調(diào)試維護(hù)、參數(shù)導(dǎo)航、故障診斷等數(shù)據(jù)信息的采集，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理，具體包括生產(chǎn)制造、安裝調(diào)試、診斷維護(hù)、改進(jìn)升級等管理。

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

　　三、“藍(lán)天數(shù)控”及應(yīng)用實(shí)踐

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

　　基于邊緣智能的開放式“藍(lán)天數(shù)控”系統(tǒng)，針對航空制造領(lǐng)域飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機(jī)葉片等關(guān)鍵部件的制造需求，開發(fā)了相應(yīng)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(chǎn)品生命周期管理進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

　　其中，動梁橋式龍門雙閉環(huán)反饋同步控制，對系統(tǒng)運(yùn)動控制層面的個性化功能/性能需求進(jìn)行了驗(yàn)證;雙通道11軸激光微孔冷加工數(shù)控機(jī)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(yùn)動控制層面的個性化功能/性能需求進(jìn)行了驗(yàn)證;航空制造領(lǐng)域數(shù)字化車間驗(yàn)證了基于信息終端的工藝鏈集成與數(shù)控設(shè)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(diǎn)，6米長的龍門軸X軸要求采用4個電機(jī)同步驅(qū)動，同時完成消隙任務(wù)，并在雙驅(qū)龍門兩側(cè)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(jī)的同步驅(qū)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(shí)時反饋的任務(wù)。

　　針對上述控制要求，“藍(lán)天數(shù)控”系統(tǒng)采用EtherCAT高速總線通訊技術(shù)，由上位數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)作為主站，與作為從站的各電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行時間輪詢的實(shí)時通訊，通過數(shù)據(jù)給定、全站點(diǎn)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(jī)制實(shí)時處理，并通過系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)、調(diào)整及自整定，以及驅(qū)動側(cè)的工藝調(diào)節(jié)器的配合、優(yōu)化等一系列核心算法，實(shí)現(xiàn)了配套應(yīng)用。

　　2. 雙通道11軸激光微孔冷加工數(shù)控機(jī)床

　　雙通道11軸激光葉片微孔冷加工機(jī)床(見圖7)是集光、機(jī)、電、檢測于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，其控制對象包括：機(jī)床軸運(yùn)動控制、激光器功率監(jiān)測與控制、復(fù)合光束掃描模塊控制、光束指向監(jiān)測與調(diào)整控制、光學(xué)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(lán)天數(shù)控”系統(tǒng)通過采用多通道控制、RTCP、高速程序預(yù)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(shí)現(xiàn)一個通道5軸聯(lián)動用于葉片工件姿態(tài)轉(zhuǎn)換，一個通道6軸聯(lián)動用于激光設(shè)備光束指向調(diào)整和打孔檢測。該設(shè)備適用于各類金屬、非金屬材料表面的微結(jié)構(gòu)處理，進(jìn)行微腔、型腔、盲孔、通孔、異形孔、異形槽、復(fù)雜形貌微結(jié)構(gòu)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(yīng)砂帶磨削中心(見圖8)的特點(diǎn)，采用雙工位14軸的機(jī)床設(shè)計，其中7軸5聯(lián)動數(shù)控砂帶邊緣磨削工位實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)葉片型面的磨削加工，7軸6聯(lián)動圓角磨削工位實(shí)現(xiàn)根部轉(zhuǎn)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(jī)檢測、快速模型重構(gòu)、快速裝夾、自適應(yīng)磨削功能。

　　圍繞機(jī)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(yùn)動控制方法、加工過程干涉檢測技術(shù)、磨削軌跡優(yōu)化技術(shù)、收放卷自適應(yīng)磨削技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)與砂帶磨削中心控制系統(tǒng)集成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，研制面向航發(fā)精鍛葉片自適應(yīng)砂帶磨削中心的數(shù)控產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了一次裝夾完成多種尺寸和規(guī)格的發(fā)動機(jī)葉片葉尖、型面、進(jìn)/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(shè)備管理的數(shù)字化車間

　　圍繞航空制造領(lǐng)域數(shù)字化車間對工藝鏈集成的需求，通過開展設(shè)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(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，解決了從設(shè)備控制到車間管理的數(shù)字化車間關(guān)鍵技術(shù)，建立了從設(shè)備層到車間層及企業(yè)層的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)了機(jī)加設(shè)備、檢測設(shè)備、后處理設(shè)備、物流設(shè)備、倉儲設(shè)備等現(xiàn)場設(shè)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(wǎng)的設(shè)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(yù)測與健康管理平臺、能耗監(jiān)控管理平臺、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時視頻監(jiān)控平臺等。

? ? ? ?基于數(shù)字化車間提供的網(wǎng)絡(luò)化平臺，進(jìn)行了智能故障診斷與遠(yuǎn)程監(jiān)控的開發(fā)(見圖10)，實(shí)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(shè)備故障的預(yù)測診斷能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的處理能力，提升了數(shù)控機(jī)床的性能和可靠性。