基于指令域电控数据分析的数控机床工作过程CPS 建模及应用外文翻译资料

 2022-03-22 08:03

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基于指令域电控数据分析的数控机床工作过程CPS 建模及应用

摘要

建立机器的信息物理系统 (CPS) 模型是智能制造的关键技术。本文指出了数控机床工作过程中数控系统内部的海量电控数据是构建数控机床工作过程CPS 模型的大数据的主要来源； 提出了基于指令域电控数据分析方法，利用被加工零件的G 指令对数控加工的工作任务进行定量描述，在指令域内建立数控机床的工作任务、制造资源和运行状态之间的实时、精准的映射关系，以此为基础进一步构建数控机床工作过程的CPS 模型；利用这一模型，进行了数控加工工艺参数优化、数控机床健康保障等智能化应用的案例研究。

关键词

信息物理系统（CPS）;大数据;计算机数控（CNC）机床;工作过程的电子数据;指令域;智能加工

1.介绍

智能制造是新工业革命的核心技术，包括制造业的数字化，网络化和智能化。 “中国制造2025”，“德国工业4.0”和美国的工业互联网都专注于智能制造和信息和制造技术的深度整合，以推动下一次工业革命。虽然每个国家的战略优先事项都不同，但核心技术在网络 - 物理系统（CPS）[1]。

CPS是在传感器技术的基础上实现集成计算，通信和控制的智能制造系统的基础。系统架构通常由设备层，感知层，网络层，认知层和控制层组成。在物理空间（PS）中感测，收集，传输，存储，挖掘和分析关于机器的信息之后，在网络空间（CS）中建立镜像物理机器的数字化机器（i-Machine） CPS认知层上的物理机的数字模型（或简称为“机器的CPS模型”）。

智能制造的关键是在认知层上设置机器的CPS模型。使用这些模型，人们可以估计机器的预定任务的工作性能，建立结合信息，机器和人的集成环境，并且确定智能控制策略;实现协调，交互和动态控制;最终实现智能制造。

计算机数控机床是制造企业最根本，最重要的生产设备和最重要的物质资源。为了实现智能制造，建立数控机床的CPS模型是很重要的。考虑到CNC机床是由机床，切削工具，夹具，工件和工作任务组成的复杂动态系统，创建CNC机床的CPS模型是一个巨大的挑战。

几个最近的研究集中在基于数学和物理计算的CPS建模方法，集中在正向理论建模方法。 Jensen et al。 [2]提出了基于物理模型建立CPS的十个步骤，并系统地描述和评估了以这种方式建立的CPS。 Derler et al。 [3]分析了CPS模型的内在异质性，并发性和对时序的敏感性，并提出通过混合系统建模，并行和异构计算模型，领域特定本体和功能的联合建模来构建CPS模型和实现架构。 Wu和Chen [4]利用多域建模语言Modelica建立了多域物理系统仿真和优化平台，以实现多物理模型的表达，建模，计算和优化。

包含机床，切削刀具，夹具和工件的过程系统是一个具有机械，电磁，流体，热，材料和控制部件的复杂动态系统。因此，使用任何单个数学或物理方法以完整和准确的方式描述CNC机床的CPS模型是非常困难的。此外，由于组装质量和加工条件的差异，理论模型中的大量参数（例如，机械工具的摩擦，刚度和材料性质）具有高色散。随着大数据技术的出现，理论建模与大数据方法的结合使得提高数控机床CPS模型的完整性和准确性成为可能。

近年来，基于大数据的CPS建模方法的研究已经得到广泛关注。 2006年，美国制造技术协会（AMT）和国家标准与技术研究所（NIST）提出了用于数控机床数据采集和传输的通信标准MTConnectTM [5]。 Kao et al。 [6]建议通过WatchdogAgentreg;工具提供服务建立CS，并直接对这样获得的数据建立预测和健康管理（PHM）技术。 Wang [7]提出了一个CPS方案，其中工厂设立了分布式过程规划系统，动态资源规划系统，实时过程监控系统，远程控制系统等。 Lee et al。 [8,9]指出，收集和分析工业大数据是建立CPS以及未来智能制造设备的关键。他们提出了一种用于建立数控机床CPS的5C（配置，认知，网络，转换，连接）系统结构，其中可以使用射频识别（RFID）技术收集数控机床的状态数据，可以基于控制和检查数据识别CNC机床及其部件的加工过程和退化。 Wan et al。 [10]使用物联网和多感知网络技术来增强用于信息交换的机对机（M2M）系统，以实现智能决策和系统的自动控制，从而从M2M系统到CPS的机床。总结这些研究，我们认为在数控机床CPS建模的研究有三个关键点。

（1）要充分收集和利用来自使用数控机床在其整个生命周期中产生的大数据，并为此大数据与理论建模方法，以建立数控机床的CPS模式结合。数控机床的整个生命周期包括开发，设计，制造，安装，使用，维护，维修，报废和回收等几个阶段。在这个周期的最重要的阶段，那些发生在用户现场，有大量的重复工作，包括调试，测试，试切割和生产加工。这些工作产生大量的信息和数据，例如控制指令，轮廓误差和功耗。这些信息和数据应该在CS中收集，存储和挖掘。机器操作员还积累了相当多的经验和技术知识，这也应该在CS中得到节省和利用。通过大数据与理论模型的整合，可以提高数控机床CPS建模的完整性和准确性。因此，一个充满活力和不断发展的数控机床CPS模式可以建立主要使用存储在CS中数控机床的整个生命周期中的大数据，与理论模型相结合。

（2）有必要建立主要使用数控系统内部产生的电子数据的数控机床工作过程的CPS模式。数控系统由数控机床，伺服驱动器，伺服电机等组成，是数控机床的重要控制单元。对于CNC机床的CPS模型，CNC系统不仅是PS中的重要物理资源，而且是CS中的重要信息资源。在CNC机床的工作过程中，在CNC系统内产生大量的由控制和反馈信号组成的电子数据。该数据以时间特异性，定量和准确的方式描述机床的任务（或工作条件）和操作状态，并且具有非结构和多维的特征。电子数据的获取可以通过许多方法实现，包括将外部传感器添加到机床和从CNC系统的内部直接获取。与从外部传感器采集相比，从CNC系统直接采集电子数据更直接，完整和可靠。今后，数控系统将作为必要的数控机床的CPS造型的大数据的主要来源。

（3）要充分收集和利用数控机床工作任务的信息和数据。 CNC机床执行由控制CNC系统的操作员输入的加工程序的G代码。大多数研究收集了主轴电流和主轴振动等运行状态数据，并在时域和频域进行了分析，试图为数控机床的工作过程建立一个CPS模型。然而，在实际的加工过程中，工件的形状和材料，加工策略，切削工具，固定装置和技术经常变化;因此，基于时域收集的操作状态数据不能定量和精确地描述复杂的加工任务。结果，不可能建立工作任务数据和操作状态数据之间的关系，导致具有不太实用的不完全和不确定的CPS模型。例如，当机床进行重负荷切削时，主轴电流可能增加;然而，它也可以在主轴故障时增加。如果不能理解机床正在执行的特定任务，则不可能仅基于主轴电流的增加来确定主轴的操作状态是否正常。

机床数控改造

一、数控系统发展简史及趋势

1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。

1.1、数控（NC）阶段（1952～1970年）

早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路'搭'成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代--电子管；1959年的第二代--晶体管；1965年的第三代--小规模集成电路。

1.2、计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）

到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的'通用'两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。

到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。

到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。

总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代--小型计算机；1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC（国外称为PC-BASED）。

还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的'数控'，实质上已是指'计算机数控'了。

1.3、数控未来发展的趋势

1.3.1　继续向开放式、基于PC的第六代方向发展

基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。

1.3.2向高速化和高精度化发展

这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。

1.3.3向智能化方向发展

随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。

（1）应用自适应控制技术

数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。

（2）引入专家系统指导加工

将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。

（3）引入故障诊断专家系统

（4）智能化数字伺服驱动装置

可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。

二、机床数控化改造的必要性

2.1、微观看改造的必要性

从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。

2.1.1 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。

由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。

2.1.2 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。

由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了'柔性自动化'。

2.1.3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要'修配'。

2.1.4 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。

2.1.5 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。

2.1.6 由以上五条派生的好处。

如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。

以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。

2.2、宏观看改造的必要性

从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已达20.8％，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。

三、机床与生产线数控化改造的市场

3.1、机床数控化改造的市场

我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6％。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。

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