開放式、智能化的“藍天數控”在航空製造領域（yù）的應用（yòng）實踐
2020-12-22 來源：-- 作者：-
根據國家有關部門要求，中國機床工具工業協會組織（zhī）重點企業開展產業鏈供應鏈研究，梳理行業發展脈絡，推動行業企（qǐ）業融入以（yǐ）內循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局。為（wéi）此，協會傳媒部就國產數控係（xì）統開發進展和應用推廣情況進（jìn）行了采訪梳理，並（bìng）予以係列（liè）報（bào）道，供行業企業和廣大用戶參考。
隨著新一代信息技術的發展及其與先進製（zhì）造技術深度融合，全球興起了以（yǐ）智能製造為代表的新（xīn）一輪產業變革。而物聯網和各種新型設備的不（bú）斷湧現推動了邊緣計算的產生（shēng）。邊緣計算充分利用物聯網終（zhōng）端（duān）的嵌入式計算能力，與雲計算結合，通過交互協作實現係（xì）統整體的智（zhì）能化。
數控係統作（zuò）為（wéi）製造技術與信（xìn）息技術融合的產物，工業互聯網以及“智能（néng）製造”的發展對數控（kòng）係統的設計提出了新（xīn）要求，萬物互聯時代的到（dào）來為數控係統智能化提供了新（xīn）方向。
在開放式數控係統的基礎上，通過將工業物聯網、邊緣計算、數（shù）字孿（luán）生、人工（gōng）智（zhì）能等新一代信息技術融入數控係統，開展基（jī）於邊緣智能的開放式數控係統（tǒng）的研發，在確保加工控製要求的基礎上，進一步實現數控係統對（duì）加工過程的泛在感知及智能控製，以增強係統加工處理能力；並通過智能編程（chéng）、智能故障診斷和遠程監控，以及設備故障的（de）預測診斷等（děng）功能，提升數控（kòng）機床的性能和可靠性，提高複雜零件的加工（gōng）效率和質量，在航空航天、汽車製造等領域具有廣（guǎng）泛（fàn）的應用前景。
本文通過（guò）分析智能製造與新一代信息（xī）技術對數控技術產生（shēng）的新要求，提出了基於邊緣智能的開放式（shì）數控係統的多維（wéi）度需求框（kuàng）架，建立了可重構數控係統平台、基（jī）於（yú）信息終端的工藝鏈集成以及基於工業大數（shù）據產（chǎn）品生命周期管（guǎn）理體係結構，研製了（le）“藍天數控”係統，並通過航空製造領域關鍵零（líng）件的加工控製應用，探索了實現基於邊緣智能的開放式數控係統的實現路徑。
一、數控係統的新（xīn）需求
作為製造技術與信息技（jì）術融合的產物，數控（kòng）係統伴隨著信息（xī）技術的（de）發展而不斷演化。傳統的（de）數控係統（tǒng）為滿（mǎn）足（zú）其對（duì）功能與性能安全、可靠的要求，通常采用封閉式結構。PC技術的發展（zhǎn）推動了數控係統從封閉走向開放，並促使其使用成本的降（jiàng）低。
開放式（shì）數控技術不僅使數控係統在製造車間得到普及，也為融入新的技術奠定了基礎。近年來，信息與通信技術的（de）發展，特（tè）別是（shì）傳感器、物（wù）聯（lián）網、大數據、人工智能以及邊緣計算的發展，為研製（zhì）智能化（huà）數（shù）控係統創（chuàng）造了條件，並對數控係（xì）統提出了新的需求：
（1）將邊緣智能應用於數控係統（tǒng），以（yǐ）滿足係統實時性及隱私性要求；
（2）將智能控製技術與自動化技術融合數控係（xì）統，以提高加工的精度、質量和效（xiào）率；
（3）通過工業互聯網技（jì）術實現（xiàn）加工過（guò）程的感知及與（yǔ）智能工廠的融合，實現數控係統與數字化車間的互聯互通（tōng）；
（4）通過數字化技術實現工件設計與編（biān）程、機（jī）床配套調試的優化（huà）、加工過程仿真等工序鏈的一體化；
（5）通過互操（cāo）作（zuò）技術將數控係統與車間工藝（yì）與企業信息係統整合在一起，為數字化和無紙化生產，實現（xiàn）智能工廠奠定基（jī）礎。
另一方麵，近年來智（zhì）能製造在航空（kōng）航天領域（yù）的推廣與應用，也使數控機（jī）床不再是單純（chún）的加（jiā）工設備，而是（shì）智能工廠/數（shù）字化車間的重要組成部分。智能（néng）製造的批量客（kè）戶化的製造需（xū）求，要求將加工現場的感（gǎn）知、大（dà）數據處理、數字化建模、智能決策等新功能（néng）集成到數控係統中，形成製造過程的閉環（huán）。研（yán）製基於邊緣智（zhì）能的開放式數控係統（見圖1），建立係統在不確定環境中的智能行為，應對不確定的市場環（huán）境，是數控係統開發（fā）與應用的新的方向。
圖（tú）1 開放式、智能化數控（kòng）係統
二、基於邊緣智能的開放式數控係統
針對新一代信息技術發展以及航空航天等領域的智能製造（zào）需求（qiú），本文基於開放（fàng）式“藍天數控”產品，提出了一（yī）種多維度的基於邊緣智能的開放式數控係（xì）統框（kuàng）架（jià），由功能/性能、工（gōng）藝鏈、產品生命周期（qī）三（sān）個（gè）維度要求組（zǔ）成：
（1）個性化功能/性能（néng）需求。客戶化製（zhì）造模式要（yào）求係統（tǒng）滿足可擴展、互操作、可移植、可伸縮；
（2）工藝（yì）鏈集成需求。在網絡化製造環境下，數控機床（chuáng）不再是孤立的結點（diǎn），而是整個製造係統中的重要環節。工業互聯網、互聯互通及互操作技術的發展，為促進產（chǎn）品（pǐn）設計、工藝、加工的一體化，實現製造過程閉環提供了支撐；
（3）生命（mìng）周期管理需求。物聯網、工業大（dà）數據以及人工智能技術的發展（zhǎn），為開展故障診斷、運行狀態監測、設備健康管（guǎn）理等提供了技術支撐。
針（zhēn）對個性化功能/性（xìng）能需求，係統在硬件上（shàng）采用M︰N的可重構方式，軟件上采用基於中（zhōng）間件的二次開發（fā）平台，建立可重構的（de）數控係統平台；針對工藝鏈集成需求，通過研製基（jī）於信息終端的網絡化平台，以支持製造過程工藝鏈的集成（chéng）；針對生命周期管（guǎn）理需求，通過構建包含（hán）製造、用戶、運（yùn）行、診斷的大數據平台，開發相關支持工具，以實現數控產品生命周期的管理。
1. 可重構的數控係統平台
可重構的數控係統平台由軟件平（píng）台和硬件平台組成。如圖2所示，硬件平台包含（hán）人機接口單（dān）元（HMU）和控製單元（NCU），采用M︰N的可重構方式（shì），即根（gēn）據客戶需求，可實現多個人機接口單元對應多個控製單（dān）元。每個控製單元通過現（xiàn）場總線（xiàn）實現對驅動器、I/O單元、傳感器網關的（de）控製。傳感器網關支持有線/無線傳感器介入（rù）。無線方式包括WiFi、RFID等無線射（shè）頻方式（shì）。傳感器通過廣播同步與總線同步相結合的方式，實（shí）現傳感器數據（jù）的采集與控製信息（xī）的同（tóng）步。
圖2 可重構硬件平台
軟件平台采用基於中間件的層次化結構，以支（zhī）持用戶個性化功（gōng）能的開發（見圖3）。其中，智（zhì）能化中間件具有支持運算、插補、控（kòng）製、I/O、工（gōng）藝及人機交互的（de）組件庫，以實現數控係統實時、非實時及人機界麵的控（kòng）製；數據共享區為組件庫（kù）提供數據源；基於Web服務模塊實現數控（kòng）係統與（yǔ）其他單元的數據交互，支持數據采集與（yǔ）雲端應用。二次開發（fā）接口包含由基於QT跨平台圖形引擎、androids SDK等形成數控係統二次開發平台的開發工具鏈，基於圖形顯示、組件操作、工藝編程、任務（wù）管理、狀態監控的二（èr）次開發接口庫，基於移動終端智能（néng）APP軟（ruǎn）件的應用管理器，任務管理、機床（chuáng）監（jiān）控及（jí）診斷等個性化功能的二次開（kāi）發（fā）以及跨平台APP應用（yòng）的開發和管理。
圖3 基（jī）於中間件的二次開發平台
但（dàn）隨著數據采集技術的進步與人工智能應（yīng）用的不斷加（jiā）深，也引出數據量過大導致的（de）網絡傳輸延（yán）遲大、數據傳輸代價（jià）高以及計算安全（quán）和隱（yǐn）私（sī）風險（xiǎn）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（jī）礎上，由邊緣計算與人工智能融合而成的邊緣智（zhì）能範式（shì）為解決上（shàng）述問題（tí）提供（gòng）了有效保障。邊（biān）緣（yuán）計算將計算資（zī）源和服務從遠離用戶的雲端下沉到網（wǎng）絡邊緣側，從而有（yǒu）效降低網絡延遲和帶寬消耗；在（zài）更靠近用（yòng）戶和數據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（yòng）的性能和成本。
基於人工智能的邊緣計算解決方案需要（yào）實現（xiàn）雲端、邊緣與終（zhōng）端設備三者間的協同作用（見圖4）。邊緣端（duān）通過有線網絡和無線網（wǎng）絡從數控係統平台采集高頻數據，在邊緣網關與服務器端實現數據過濾、時序匹配、數據壓縮（suō）、數據緩存以及數（shù）據（jù）打包等數據預處理和數據存儲服務；邊緣服務器利（lì）用有限的（de）計算資源完成具有實時性要求或數據敏感的智能應用（yòng），並將應用反饋的決策信息（xī）反饋（kuì）給數控係（xì）統；對於邊緣（yuán）難以完成的任務（wù），邊緣端將（jiāng）預處理（lǐ）得到的結構化數（shù）據發送至雲端完成，從而實現雲邊端在計算、存儲等資源上（shàng）的協同。
圖4 基於人工智能的邊緣計算解（jiě）決方案
2. 基於信息終端的工（gōng）藝鏈集成平台
圍繞工藝鏈集成需求，基於“藍天數控”的開放式體係結構（gòu），構建了基於信息終端的網絡化平（píng）台（見圖5）。通過信息終端，建立智能設備、生產單（dān）元、車間的（de）信息通道，支持（chí）設備間的互（hù）聯互通及互操作，實現製造過程中工藝參數、設備狀態、業務流程等數據、多媒體信息以及製造過程信息間的交（jiāo）互，從而確保“編程仿真→工藝輔助→加工準備→加工過程→工件測量（liàng）”製造過程工藝鏈的集成與閉環（huán）控製。
圖5 基於信息終端的網絡平台
信息終端由（yóu）支持多平台的顯示終端與（yǔ）多協議網絡代理服務器組成，其中代理服務（wù）器通過融合不同廠（chǎng）商的通訊協議，建立（lì）統一的數據（jù）模型，實現信息終（zhōng）端與藍天數控係統、第（dì）三方數控係統，以及相關現場設備的互聯互通（tōng）及互操作，並為（wéi）工業大數據平台、MES係統、虛擬現實與中央管控（kòng）平（píng）台提（tí）供數據共享接口，實現（xiàn）智能化數控係統與車間智能設備和製造執行係統的信息集（jí）成（chéng）。
3. 基於工業大數據的產品生命周（zhōu）期管理平台
基於采用信息終端的網絡化平台，通過解決工業大數據采集、存儲、管理與挖掘等關鍵技術，研製了匯聚生產工藝參數、設備狀態等工業大數據的信息平台（tái），為開展產（chǎn）品生命周期的（de）管理奠定基礎。基於大數據平台，通過對產品製造信息、用（yòng）戶檔案、產品跟蹤、調（diào）試維（wéi）護、參數導航、故障診斷等數據信息的采（cǎi）集，實現產品生命周期管理（lǐ），具（jù）體（tǐ）包括生產製造（zào）、安裝調試（shì）、診（zhěn）斷維護、改進升級等管理。
生產製造管理根據產品製造過程中的生產、組裝（zhuāng）、測試等信息（xī），建立產品的生（shēng）產製造數據庫。產品安裝調試管（guǎn）理按照客戶的個性化需（xū）求建立用（yòng）戶檔案（àn），當數控係統在（zài）機床廠進行配套後，可將（jiāng）產品與（yǔ）機（jī）床的匹配參數上傳到產（chǎn）品用（yòng）戶數據庫中（zhōng），實（shí）現對產品的跟蹤（zōng）管理（lǐ）。當數控機床到（dào）最終用（yòng）戶進行（háng）加工應用時，產品用（yòng）戶數據庫（kù）可以根據機床的具體加工對象，對數控產品的初始參數進行（háng）導航設置。當產品出現故障時，設備（bèi）的故障類型、故障（zhàng）原因（yīn）、維修記錄等（děng）信息上（shàng）傳到故障維護數（shù）據庫中。同時，故障維護數據（jù）庫利用大（dà）數據以及專家係統，綜合設備參數、設備運行狀態、故障類型、故（gù）障原因、故障維修記錄等信息（xī），給出設備故障的原因分析與維修建議，以實現對產品生命周期的管理。
三、“藍（lán）天（tiān）數控”及應用實踐
基（jī）於邊（biān）緣智能的開放式“藍天數控（kòng）”係統，由車間網絡層、控製層和設備層三個（gè）層次組成。車間網絡層通過工業以太網實現車間設備與數控機床的互聯互通，通過信息終端實現工（gōng）藝（yì）鏈的集成與互操作；控製層采用M:N的可重構方（fāng）式，通過基於中間件的二次開發平台實現客戶化個性化功能的開發；設備層通過智能網關實現傳（chuán）感器的介入以及智能（néng）應（yīng）用的部署，支持加工現場的感知和產品生命周（zhōu）期的管理。
基（jī）於邊緣智能的開放式“藍天（tiān）數控”係（xì）統，針對航空製造領域飛機結構件、發動機葉片等關鍵部件的製造（zào）需求，開發了相（xiàng）應的數控係統，以對係統的（de）個性化（huà）功能（néng）/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反饋同步控製（zhì），對（duì）係（xì）統運動控製層麵的個性化功（gōng）能/性能（néng）需求進行了驗證；雙通道（dào）11軸激光（guāng）微孔（kǒng）冷加工數控機床、雙通道（dào）14軸（zhóu）數控砂帶磨削中心，對係（xì）統工藝層麵與運動控製層麵的個性化功能/性能（néng）需求進行了驗證；航空製造領域數（shù）字化車間驗證了基於信息終端的工（gōng）藝鏈集成與數控設備生命周期管理需求。
1. 動梁橋式龍門雙閉（bì）環反饋同步控製
針對GMC2060U五軸（zhóu）動梁橋式龍（lóng）門加工中心（見圖（tú）6）及GMC3060/GMC2060高速龍門（mén）銑床的特（tè）點，6米（mǐ）長的龍門軸X軸要求（qiú）采用（yòng）4個電機同步驅動，同時完成（chéng）消隙（xì）任務（wù），並在雙（shuāng）驅龍門兩側同時安裝了（le）海德漢的距離編碼格（gé）式的光柵尺作為位置檢測反饋係統（tǒng）。要（yào）求係統既要（yào）保證4個電機的同步（bù）驅動控製及扭曲量（liàng）誤差控製，又要保證靜態及動態的間隙消除，同時還要（yào）完成雙尺的全閉環檢測實時反饋的任務。
圖6 GMC2060u類設備動梁橋式龍門結構
針對上述控製要求，“藍天數控”係統采用EtherCAT高速總線通訊（xùn）技術，由上位數控係統主機作為主站，與作為從（cóng）站（zhàn）的各電機驅（qū）動器進行（háng）時間輪詢的實時通訊，通過數據給定、全站點狀態（tài）監測、速度、位置、電流等三環采集、雙尺位置及（jí）誤差扭曲數（shù）據反饋（kuì）、報警機製實（shí）時（shí）處理，並通過係統的智能調節、調整及自（zì）整定（dìng），以及驅動側的工（gōng）藝調節器的配合、優化等一係列核心算法，實現了配套應用。
2. 雙通道11軸（zhóu）激光微孔（kǒng）冷加工數（shù）控機床
雙通道11軸激光葉片微孔冷加（jiā）工機床（見圖7）是集光、機、電、檢測於一體的（de）複雜係統，其控製對象包括：機床軸運動控製、激光器功（gōng）率監（jiān）測與控製、複合光束掃描模塊控（kòng）製、光（guāng）束指向監測與調整控製、光學掃（sǎo）描（miáo）頭切換伺服控製、終端監（jiān）測控製、恒重疊率螺旋（xuán）掃描控製和非圓形麵掃描加工控製，以及三維檢測輔助定位控製等。
圖7 激光微（wēi）孔冷加工數（shù）控機床
“藍天數控（kòng）”係統通過采（cǎi）用多通道控製、RTCP、高速（sù）程序預處理（lǐ）、焦距測量、三維測量、光路切換、四光楔掃描，以及功率檢（jiǎn）測等（děng）功能，實現一個通道（dào）5軸聯動用於葉（yè）片工件姿態（tài）轉換，一個通道6軸聯動用（yòng）於激光（guāng）設備光束指向調整和打（dǎ）孔（kǒng）檢測。該設備適用於各類金屬、非金（jīn）屬材料表麵的微結構處（chù）理，進行微腔、型腔、盲孔、通孔、異形孔、異形槽、複雜形貌（mào）微（wēi）結構的切割加工。
3. 雙通道14軸數控（kòng）砂帶磨削中心（xīn）
針對航發精鍛葉（yè）片自（zì）適應砂帶磨削中（zhōng）心（見圖8）的特點，采用雙工位14軸的機床設計，其中7軸5聯動數控砂帶邊緣磨削工位實現航（háng）空發動機葉片型麵的磨削（xuē）加工，7軸6聯動（dòng）圓角磨削工位實現根部轉角、阻（zǔ）尼台或葉尖等易幹涉部位的磨削加工，磨削中心具備在（zài）機檢測、快速（sù）模型重構、快速裝夾、自適應磨削功能。
圖8 砂帶磨削中心
圍繞機床的控製要求：雙（shuāng）通道、耦（ǒu）合軸、五軸聯動、全閉環反饋、砂帶張緊力控製等，通過開展多通道多軸聯動砂帶磨削運動控製方法、加工過程（chéng）幹涉檢測技術、磨削軌跡優化技術、收放卷自適應磨削技術、數控係統與砂帶磨削中心控製係統集成技術等關鍵技術（shù）研究，研製麵向航發精鍛葉（yè）片自適應砂（shā）帶（dài）磨削中心的數（shù）控產品，實現了一次裝夾完成（chéng）多種尺寸和規格（gé）的發動機葉片葉尖（jiān）、型（xíng）麵、進/排氣邊、葉根圓角和凸台過渡（dù）區部位的磨削集成加工。
4. 支持工藝鏈集（jí）成與設備管理的數字（zì）化車（chē）間
圍繞航空製造領域數字化車間對（duì）工藝鏈集成的需求，通過開展設備互聯互通、邊緣智能、工（gōng）業（yè）大數據管理、數字孿生與3D數字可視化等關鍵（jiàn）技術開發，解（jiě）決了從設備控製到車間管理的數字化（huà）車間關鍵技術，建立了從設備層到車間層及企業層的數據通道，實現了機加設備、檢測設（shè）備、後（hòu）處理設備、物流設備、倉儲設備等（děng）現場設備的互聯互通，形成了基於邊緣智（zhì）能的數字（zì）化車間成套解決方案（見圖9），包括基於工業互聯網的設備互聯互通平台（tái）、工業（yè）大數據平台、3D數字（zì）可視化平台、故障預（yù）測與健康管理平台、能耗監控管理平台、網（wǎng）絡化（huà）實時視頻監（jiān）控平台等。
圖9 支持工藝鏈集成的數字化車間
基於數字化車間提供的網絡化平台，進行了智（zhì）能故障（zhàng）診斷與遠程監控的開發（見圖10），實（shí）現（xiàn）了數控係統對加工過程的全麵感知及智能（néng）控製，提高（gāo）了設備故障的預（yù）測診斷能力（lì），增強了（le）係統的處理能力，提（tí）升了數控機床的性（xìng）能和可靠性。
圖10 設備的維護與可視化管理
（供稿：沈陽中（zhōng）科數控技術股份有限公（gōng）司（sī）、中科院沈陽計算所高檔數（shù）控國（guó）家工程研究中心 編輯整理：梅峰（fēng））
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