智能制造环境下的数控系统发展需求探析

赵建林 武汉职业技术学院

为进一步提高综合制造水平，我国正逐步实施“中国制造2025”行动纲领，其核心内容在于实现智能化生产制造，搭建智能化生产流水线，运用智能化企业管理运营模式，即重视有效融合工业化与信息化，实现这一目标的前提条件是提高制造设备智能化水平，实现智能化生产主要在于应用数控系统、数控机床等先进科学技术。因而，数控系统发展智能化成为大势所趋，本文主要从信息共享、数控系统智能化功能以及工艺数据平台等方面探析智能制造环境下的数控系统发展需求。

一、数控系统信息共享

基于网络技术、计算机技术，数控系统实现升级、转型，其运行模式与结构发生翻天覆地的变化，由封闭走向开放，从单机运行转变为网络数控。这就需要标准化、智能化的开放式数据接口，该数据接口使得不同系统对信息模型具有统一的描述，需要基于总线的传感部件以及执行部件，该部件实现数控系统信息互通。

（一）标准化、智能化的开放式数据接口

在智能制造环境下，数控系统以制造系统为基础获取零部件加工要求，并完成加工后将信息反馈回制造系统，实现制造系统与数控系统的信息共享与互通。目前，实现两大系统信息互通的数据接口依旧普遍采用ISO-6983 代码。传统的数据接口仅对工件的加工轨迹做出规定，而无法向数控系统传递工艺规划信息以及工件本身描述信息，因而，STEP-NC 数据接口逐渐在制造加工也得到应用，该数据接口能够有效解决信息互通中信息单向传输以及信息丢失等问题。STEP-NC 工艺实现了数控系统与制造系统实时信息互通，为数控系统实现智能化提供了条件。

（二）智能化的执行部件以及传感部件

数控系统不仅要与制造系统实现信息互通，还要与执行部件以及传感部件进行实时交互。目前，数控系统与伺服系统的信息交互普遍利用脉冲信号的方式，难以达到高精度高速度的制造需求。随着科技水平的不断提高，现场总线技术较好地解决了数控系统与伺服系统之间的信息交互问题，不仅优化了系统结构，而且实现了高效的信息共享。现场总线具有实时性、同步性、短周期以及可靠性高等优势，其中实时性是指现场总线具备准确的通讯机制以及同时间确定动作能力；同步性则是指插补到伺服这一数据传输过程各轴运动严格一致，有效避免信息抖动以及同步误差；短周期则是现场总线具有短周期传递小数据的特点；可靠性高则要求现场总线时刻保障数据正确性。当前现场总线并没有统一协议标准，数控系统与伺服系统仍未充分结合发挥最佳性能，这要求相关学者进一步深入研究如何优化高速总线系统。

二、工艺数据信息挖掘

如今，信息化数控系统能够轻松获取生产流水线上所有加工数据，在具备标准化、智能化的开放式数据接口的条件下，实现收集、存储以及上传机床各类数据；数据平台有效整合、分类各类数据；应用智能算法挖掘更多信息，通过人工智能使得机器具备学习能力，为加工制造提供决策依据。

（一）工艺数据的重要性

在相同加工条件下，零件加工工艺质量由工艺参数以及工艺流程共同决定。在加工过程中，数控系统借助相关技术记录全部加工工艺参数以及加工信息，以检测制造效率以加工质量。信息化的数控系统将记录的信息上传至相应的工艺大数据平台。但是原始数据具有关系复杂。、存在误差等特点，无法直接进行分析、推理，因而，需要一套能够依据现有工艺数据自主挖掘数据信息的大数据挖掘系统。

（二）收集与管理工艺数据

借助大数据挖掘技术以及现代管理方法，提取收集到的加工数据中有用信息，并针对某一工艺参数提出优化建议，并指导下一个部件的加工工作。大数据平台会对比此次加工信息以及先前的加工信息，评估并提出更合理的加工意见。

（三）基于机器学习提炼工艺经验

工艺数据台平台具备了数据收集以及信息存储功能，进而拥有闭环反馈学习途径，满足智能制造环境下人工智能以及机器学习的算法需求。

机器学习主要依据原始数据，未经人工试验。利用人工智能算法分析并自我标注[5]收集到的加工数据，并将带有标注的工艺数据应用于下一个产品的加工中，下一个产品在实际加工过程中会产生新的工艺数据，人工智能平台对这两次加工结果、机床加工条件等进行多维度比较分析，最终总结出加工工艺经验，以指导新产品的加工。

三、智能制造环境下的数控系统发展需求探析

（一）智能化

随着计算机技术、传感技术的不断发展，数控系统有望进一步提高智能化水平，完善诸如优化走刀路径、自动加载工件等智能化功能，精确掌握加工情况，并准确反馈感知的加工信息，优化工艺工序路线，提高自适应控制水平，实现在机监测。

（二）智能规划加工工艺

基于大数据平台，数控系统具备自主分析与主动决策的能力。数控系统中加工工艺规划包括规划工艺路线以及工艺参数，STEP-NC工艺侧重描述被加工元件的技术要求以及制造特征。，是一种实现决策、控制一体化的数控系统。

（三）智能调整控制参数

轮廓误差跟踪、交叉耦合等控制技术逐渐兴起，这类控制方法充分考虑加工轨迹的全部信息，动态调整各轴工艺，以缩小轮廓误差。这种主要研究运动控制器的轮廓误差控制方法无法使得驱动器获取轨迹整体信息，针对这一问题，有学者提出复杂轮廓误差跟踪算法，并有望广泛应用于网络化数控系统。

（四）智能获取加工状态信息

数控系统具有一定的自我感知力，能够感知现下加工状态，并拥有控制参数、自主决策的能力。然而，外界环境会对工件加工工艺精度产生影响。为了提高数控系统的加工精度与质量，有学者在数控系统中集成测量、传感系统，使得数控系统可以借助传感器反馈的信息对控制参数进行动态调整。

综上所述，在智能制造环境下，标准化、智能化的开放式数据接口，收集与管理工艺数据等技术对提升数控系统智能化水平具有重要意义，为了实现加工制造业的长足发展，我国学者应深入研究加工工艺信息互通、参数控制等方面的内容，构建更高层次的智能化数控系统。