作者：晏嫚1，代超仁1，王蕭1，馮冰艷1，楊華斌2，胡宜2?（1. 國家智能設(shè)計與數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新中心；2. 武漢華中數(shù)控股份有限公司）

數(shù)控機床全生命周期管理系統(tǒng)需求分析

數(shù)控機床作為國之重器、工業(yè)母機，是制造企業(yè)最基本、最重要的制造裝備，代表了國家的核心競爭力。互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)節(jié)點，是工業(yè)控制基礎(chǔ)信息設(shè)施、制造企業(yè)重要的物理資源。

近年來，高性能數(shù)控機床的市場需求大大增加。制約我國機床行業(yè)向高端化、智能化方向發(fā)展的因素有：①機床行業(yè)整機的零部件及附件種類繁多、結(jié)構(gòu)相異、數(shù)據(jù)多源異構(gòu)及數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊等，呈現(xiàn)“信息孤島”， 企業(yè)內(nèi)部難以實現(xiàn)高效的信息化管理與數(shù)據(jù)共享；②機床行業(yè)標識解析規(guī)范不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)封閉無法在行業(yè)內(nèi)互聯(lián)互通，也無法與頂級節(jié)點互聯(lián)互通；③設(shè)備互聯(lián)互通能力差。數(shù)控機床加工現(xiàn)場存在多源異構(gòu)設(shè)備，導(dǎo)致協(xié)議標準不統(tǒng)一、互不兼容，致使協(xié)議適配、協(xié)議解析和數(shù)控機床互聯(lián)互通縱向集成能力困難；④機床行業(yè)缺乏一個開放、包容的公共服務(wù)平臺，使得機床行業(yè)內(nèi)企業(yè)之間缺乏優(yōu)勢互補、資源整合的能力，跨企業(yè)、跨地區(qū)之間難以形成良好的合作關(guān)系。

武漢華中數(shù)控股份有限公司建立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析二級節(jié)點（機床行業(yè)），為機床領(lǐng)域的企業(yè)和用戶提供規(guī)范的標識編碼注冊和標識解析服務(wù)，作為機床行業(yè)二級節(jié)點進行建設(shè)、運營、應(yīng)用和推廣，促進工業(yè)大數(shù)據(jù)的合理流通和應(yīng)用。

基于上述需求分析，本文立足于數(shù)控機床智能制造高質(zhì)量發(fā)展要求，面向機床行業(yè)，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，以“機床大數(shù)據(jù)”為核心，建立機床全生命周期健康保障體系。通過標識解析體系與iNC-Cloud 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、NC-Link集成，建立數(shù)控系統(tǒng)廠、數(shù)控機床廠和終端用戶廠等多級數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)機床從采購生產(chǎn)、機床裝配、故障處理、常規(guī)保養(yǎng)、定期體檢和遠程運維等全生命周期管理，推進機床行業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

基于標識解析技術(shù)的數(shù)控機床全生命周期管理系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 　總體架構(gòu)

基于標識解析技術(shù)的數(shù)控機床全生命周期管理系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1 所示。圍繞機床生產(chǎn)、制造和運行等環(huán)節(jié)中產(chǎn)品質(zhì)量溯源難、產(chǎn)品過程紙質(zhì)化和數(shù)據(jù)集成困難等問題，借助華中數(shù)控自主研發(fā)的面向裝備制造領(lǐng)域的iNC-Cloud 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、智能車間互聯(lián)通信協(xié)議NC-Link 等信息化技術(shù)，開展機床海量數(shù)據(jù)采集存儲應(yīng)用分析及基于標識體系的主動標識，完成機床數(shù)據(jù)縱向集成；建立數(shù)控系統(tǒng)、機床廠和用戶廠等三級數(shù)據(jù)中心，通過從機床裝配、調(diào)試、補償、健康保障和遠程運維等技術(shù)研究，開展機床全生命周期管理系統(tǒng)的產(chǎn)品化研發(fā)與集成測試，提升企業(yè)對機床生產(chǎn)制造過程數(shù)據(jù)采集和管控分析能力，有助于打通機床功能部件研發(fā)設(shè)計、機床生產(chǎn)制造和用戶企業(yè)經(jīng)營使用等各環(huán)節(jié)企業(yè)間協(xié)同創(chuàng)新堵點，實現(xiàn)企業(yè)間信息橫向集成。通過數(shù)控機床全生命周期數(shù)據(jù)橫縱向?qū)Ρ确治觥⑿阅芊答亙?yōu)化和不斷迭代提升， 推動數(shù)控機床從“能用”到“好用”，助力數(shù)控機床功能、性能和可靠性提升。

2.2 　解決方案

基于標識解析技術(shù)的數(shù)控機床全生命周期管理系統(tǒng)解決方案，如圖2 所示。以“機床全生命周期數(shù)據(jù)”為系統(tǒng)數(shù)據(jù)源驅(qū)動基礎(chǔ)，從數(shù)控機床及其組件中獲取準確可靠的數(shù)據(jù)源作為運營維護的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，通過機床全生命周期的感知數(shù)據(jù)緊密驅(qū)動，圍繞機床全生命周期制造過程，以“數(shù)控機床數(shù)字孿生”為核心指導(dǎo)思想，形成機床“裝配、調(diào)試、補償、健康保障和運營維護”等各階段數(shù)據(jù)采集，提升企業(yè)生產(chǎn)機床性能優(yōu)化反饋及產(chǎn)品質(zhì)量。其中“裝配、調(diào)試、補償和健康保障”四位一體是圍繞機床的設(shè)計、制造階段管理，遠程運維是機床的使用、報廢階段管理，基于標識解析實現(xiàn)四位一體與遠程運維的橫向集成，從而實現(xiàn)機床全生命周期的管理。

系統(tǒng)功能模塊

3.1 　三級數(shù)據(jù)中心建設(shè)

三級數(shù)據(jù)中心包括用戶企業(yè)級、機床企業(yè)級和功能部件企業(yè)級數(shù)據(jù)中心，同時各數(shù)據(jù)中心也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析企業(yè)節(jié)點，與二級節(jié)點（機床行業(yè)）橫向集成。

對于數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)，建立面向機床廠和用戶廠的數(shù)據(jù)中心。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)可以協(xié)助機床廠完成機床售后服務(wù)，并能夠深入用戶廠有針對性地提出深度服務(wù)，如刀具壽命優(yōu)化、主軸運轉(zhuǎn)優(yōu)化和數(shù)控系統(tǒng)智能化功能等。

對于機床生產(chǎn)企業(yè)，建立面向機床廠設(shè)備管理數(shù)據(jù)中心。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，機床生產(chǎn)企業(yè)可以將其生產(chǎn)的機床從生產(chǎn)制造期間的四位一體數(shù)據(jù)，到出廠后客戶處的遠程運維數(shù)據(jù)，統(tǒng)一整合管理。及時對設(shè)備進行監(jiān)控管理，響應(yīng)用戶提出的維修保養(yǎng)需求，實現(xiàn)機床出廠前設(shè)備質(zhì)量提升和溯源管理，出廠后服務(wù)從被動響應(yīng)式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃雨P(guān)懷式。

對于機床用戶企業(yè)，建立機床全生命周期管理系統(tǒng)的應(yīng)用驗證數(shù)據(jù)中心。用戶企業(yè)將車間視為一個邏輯單元，可以建立以車間為標準的邊緣計算平臺和企業(yè)私有數(shù)據(jù)倉。當機床發(fā)生故障時或預(yù)測性故障前，通過邊緣計算平臺將車間管理、運維管理和生產(chǎn)制造內(nèi)部進行閉環(huán)處理，提升數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級能力。同時，如果用戶現(xiàn)場不能閉環(huán)解決機床故障時，可通過運維管理中心將需要運維的設(shè)備進行專用數(shù)據(jù)外發(fā)，既保護了企業(yè)數(shù)據(jù)信息，也提升了遠程運維的互聯(lián)互通能力。

3.2 　標識解析體系建設(shè)

2020 年，華中數(shù)控建立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析二級節(jié)點（機床行業(yè)），向上對接國家頂級節(jié)點，向下對接機床行業(yè)企業(yè)節(jié)點，為機床領(lǐng)域的企業(yè)和用戶提供靈活的標識編碼注冊和標識解析服務(wù)。通過二級節(jié)點、數(shù)據(jù)資源、基礎(chǔ)技術(shù)與開放的應(yīng)用服務(wù)平臺的協(xié)同，促進企業(yè)節(jié)點與標識解析二級節(jié)點機床應(yīng)用服務(wù)平臺、國家頂級節(jié)點的互聯(lián)互通，其中二級節(jié)點機床應(yīng)用服務(wù)平臺包括基礎(chǔ)設(shè)施、管理體系、功能體系和安全保障等內(nèi)容。機床行業(yè)標識解析二級節(jié)點打造典型性和示范性的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析集成創(chuàng)新應(yīng)用模式，包括供應(yīng)鏈管理、機床設(shè)備整機和部件產(chǎn)品溯源等集成創(chuàng)新應(yīng)用，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、加工工況和故障樣本等數(shù)據(jù)在脫敏情況下，在全行業(yè)內(nèi)的流通和落地應(yīng)用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析二級節(jié)點（機床行業(yè)）體系架構(gòu)如圖3 所示。

3.3 　基于NC-Link 標準的數(shù)控機床主動標識技術(shù)

華中數(shù)控自主研發(fā)的NC-Link 協(xié)議為設(shè)備物聯(lián)的統(tǒng)一標準協(xié)議，并形成了智能工廠數(shù)控機床互聯(lián)接口規(guī)范（GB/T 41970—2022），實現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備/ 模塊/ 系統(tǒng)/ 平臺的互聯(lián)互通，覆蓋機床生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)、功能部件和周邊傳感器，并將異構(gòu)多源數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一解析與轉(zhuǎn)換，從機床設(shè)備、傳感器終端采集到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。NC-Link 協(xié)議達到統(tǒng)一接口形式、簡化設(shè)備接入和簡化應(yīng)用開發(fā)的目的， 能夠很好地滿足面向多源異構(gòu)數(shù)控裝備接口兼容需求。

在此基礎(chǔ)上，開發(fā)一款兼容國內(nèi)外主流數(shù)控機床的互聯(lián)通信主動標識產(chǎn)品iNC-Box 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)系列產(chǎn)品，如圖4 所示。主要用于工業(yè)現(xiàn)場數(shù)控機床數(shù)據(jù)采集過程中通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)傳輸至指定的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，為客戶提供大量、高頻和低延時數(shù)據(jù)采集能力，以及一定的下行交互能力。主動標識iNC-Box 按照北向聯(lián)網(wǎng)方式的不同分為WLAN 版、4G 版和WiFi 版三個版本，全系支持以太網(wǎng)、IO 和RS485 三種南向采集方式，可以滿足各類工業(yè)現(xiàn)場聯(lián)網(wǎng)采集需求。目前，支持市面上多家主流品牌，如發(fā)那科、西門子、新代、三菱、廣州數(shù)控和凱恩帝等。支持的數(shù)據(jù)除機床內(nèi)部數(shù)據(jù)以外，還包括振動傳感器、聲音傳感器和溫度傳感器等外接設(shè)備，將采集到數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)譯為NC-Link 協(xié)議后傳輸至邊緣計算系統(tǒng)iNC-Edge 進行數(shù)據(jù)融合， 邊緣計算機可視作企業(yè)級數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)節(jié)點。

3.4 　基于標識的機床全生命周期管理數(shù)據(jù)橫向集成

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析體系幫助機床行業(yè)企業(yè)實現(xiàn)功能部件、機床產(chǎn)品和終端用戶的對象的標識注冊和解析， 解決同類型機床功能部件/ 附件在企業(yè)之間編碼標識不統(tǒng)一的關(guān)鍵問題，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)間產(chǎn)品信息的互聯(lián)互通，同時實現(xiàn)機床裝備領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈上下游數(shù)據(jù)的橫向集成。如圖5 所示，圍繞標識體系，將散落在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上的離散數(shù)據(jù)進行整合，將機床從生產(chǎn)、測試、裝配、調(diào)試和使用各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)集成打通，針對使用環(huán)節(jié)、維修環(huán)節(jié)、再制造環(huán)節(jié)和報廢回收環(huán)節(jié)，研發(fā)質(zhì)量追溯管理、機床遠程運維等產(chǎn)品全生命周期管理的集成應(yīng)用新模式， 提升機床制造過程智能化升級。

基于標識解析技術(shù)的數(shù)控機床全生命周期管理系統(tǒng)實現(xiàn)

基于標識解析技術(shù)的數(shù)控機床四位一體數(shù)據(jù)，貫通圍繞機床制造過程“裝配、調(diào)試、補償和健康保障”。形成數(shù)控機床裝配質(zhì)量評價體系，實現(xiàn)機床全生命周期數(shù)據(jù)快速有效地歸集與分析，加速發(fā)現(xiàn)問題- 分析問題- 解決問題的機床性能提升循環(huán)速度，從而實現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)機床性能優(yōu)化的加速反饋與全面提升。如圖6、圖7 所示。

數(shù)控機床遠程運維系統(tǒng)（出廠后），如圖8 所示。主要面向數(shù)控機床系統(tǒng)廠、機床廠和用戶廠形成遠程服務(wù)維修應(yīng)用的數(shù)據(jù)支持。對數(shù)控機床進行機床檔案建設(shè)、故障監(jiān)控、故障分析、故障處理、定期體檢和預(yù)測性維護等機床智能維護，為提升高端數(shù)控系統(tǒng)功能、性能和可靠性提供數(shù)據(jù)支持和應(yīng)用環(huán)境。

數(shù)控機床產(chǎn)品全生命周期的追溯，如圖9 所示，記錄設(shè)備全生命周期（出廠、使用、維護和返修）的過程數(shù)據(jù)，形成產(chǎn)品全生命周期信息知識庫，為系統(tǒng)或設(shè)備的性能優(yōu)化、功能改進和運維保養(yǎng)等提供支持。

結(jié)束語

數(shù)控機床高質(zhì)量發(fā)展離不開數(shù)據(jù)驅(qū)動。基于標識解析技術(shù)的數(shù)控機床全生命周期管理系統(tǒng)，通過國家自主可控的NC-Link 互聯(lián)通信協(xié)議，實現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)縱向集成， 同時與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析二級節(jié)點（機床行業(yè)）集成， 實現(xiàn)行業(yè)企業(yè)節(jié)點與數(shù)據(jù)中心橫向集成。

圍繞數(shù)控機床在出廠前、出廠后的不同階段，開展機床四位一體、遠程運維等設(shè)備全生命周期管理的模式創(chuàng)新和轉(zhuǎn)變。據(jù)2022 年在用戶處統(tǒng)計，機床故障處理效率提升13%，效率和設(shè)備維修成本改善8%，用戶自主處理率達6%，專家資源復(fù)合利用提升15% 等，全面提升機床質(zhì)量效率。

本文立足于機床裝備智能制造需求提高工業(yè)母機安全性能，保障國家信息安全，目前已在機械加工、電子產(chǎn)品、家電和能源裝備等多個行業(yè)得到成功應(yīng)用，對推進整個離散行業(yè)的自動化和智能化水平，具有重大工程價值和示范效應(yīng)。

編輯：黃飛

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