機械設備智能設計制造系統體系結構分析

葉衛江 閆孟濤 劉婷婷

（1.陜西省煙草公司渭南市公司，陜西渭南 714000；2.福建科盛智能物流裝備有限公司，福建泉州 362100）

0 引言

智能制造是對制造活動進行信息感知和分析、對知識進行表達和學習的綜合交叉技術，是知識屬性與作用得以實現的必要途徑。智能制造技術涵蓋了產品全生命周期的設計與制造、管理與服務以及其他制造環節的活動。智能制造技術是一種制造技術，是一種自動化技術，是一種系統工程和人工智能相互滲透、相互交織在一起的綜合技術。

高檔數控系統是高檔數控機床的“大腦”，是保證智能制造良好性能、較低成本與可靠性的關鍵部件。數字控制這一概念是美國帕森斯公司在1948 年提出來的，將其運用于外形復雜的飛機樣板加工環節。1952 年帕森斯公司與麻省理工學院合作，為解決復雜零件自動化加工問題，開發了全球首臺數控機床。數字控制技術的主要特點是將連續的模擬信號轉換為離散的數字信號，通過計算機對這些數字信號進行處理和控制，從而實現對機械設備的精確控制。數字控制技術在現代機械設備制造中得到了廣泛的應用，如數控機床、工業機器人、自動化生產線等。隨著科技的不斷發展，數字控制技術在智能制造和工業互聯網等領域也將發揮越來越重要的作用[1]。

1 智能化數控系統的需求分析

1.1 智能化數控系統硬件技術需求

1）通用開放式的硬件體系。符合智能制造底層加工裝備智能化控制要求的高端數控系統，要求以開放式硬件體系為架構。傳統主流數控系統主要采用封閉式結構嵌入式系統，把運動控制作為中心，由于嵌人式系統自身處理速度、內存容量、計算能力是有限的，很難實現多路工作狀態下的動態控制、在線檢測等，無法完成復雜信號處理與數據融合，很難實現比較復雜的多個補償合成閉環控制過程。與此同時，各類通訊網絡的使用也存在諸多不便。當前PC 硬件體系獲得高速發展，它在處理速度、內存容量、計算能力、網絡通訊等方面具有諸多優勢，十分契合智能制造需求。因此，智能制造所需的加工設備控制系統應采用通用PC 體系，以開放式結構為基礎進行設計。滿足智能制造需求的高檔數控系統應考慮以嵌入式系統為主的硬件體系，在滿足智能制造需求的前提下，嵌入式系統作為高檔數控系統，應將嵌入式系統作為硬件體系的核心，以嵌入式系統為基礎完成專用模塊，配合以通用PC 為基礎的核心模塊，構成的分布式控制網絡是一種良好的高檔數控系統解決方案，在智能制造方面發揮很好的作用[2]。

2）良好的硬件互換和兼容能力。滿足智能制造對底層加工設備智能化控制要求的高端數控系統，要求其具有良好的硬件兼容能力。由于智能制造是一個龐大的體系，內部的裝置類型多種多樣，底層硬件一定要有很好的互換性、兼容性，可以兼容單個硬件。因此，高端數控系統須采用開放式結構，以適應硬件互換性、兼容性等方面的需求。

3）良好的分層網絡通訊能力。智能制造體系內存在著各種各樣的通訊網絡。管理層、資源調度層、協同與合作層、設備控制層等常常需要不同的通訊網絡（例如以太網、現場總線和實時網絡）才能執行其信息交互任務。因此，高端數控需要具備上述各類通訊網絡連接的接口，以滿足實際需要[3]。

1.2 智能化數控系統軟件技術需求

（1）運行平臺通用性。以開放的PC 結構硬件體系為核心，設計核心高端系統的硬件結構，適應智能制造的要求，相應地，軟件面亦需要統一的軟件運行平臺與之相配合。數控系統最重要的任務就是要實現實時運動控制功能。因此，數控系統必須有一個性能優越的實時軟件操作系統做核心支撐平臺；伴隨著智能制造的發展，數控系統既需要對加工設備進行控制和管理，也需要在企業內部管理進行線上實時的介入，促進企業內部協同管理的同時，還要滿足CADCAPPCAM 等功能集成需要，數控系統要具備的較強數據處理能力、分布式測控、網絡通訊處理、并行處理等能力，這就要求數控系統具有多任務并行處理功能。同時，在軟件設計時，符合智能制造要求的高端數控系統，一定要嚴格遵循信息交互的統一流程要求，確保其實用性和有效性[4]。

（2）單臺數控加工設備需求。開放式、軟件化的體系結構實現了數控功能的多軸聯動；復雜加工過程中各種先進的組合控制功能（對多種不同被處理物料進行溫度、振動、張力、應力、形變的控制與補償功能）；刀具切削時，磨損自動在線補償功能；機床加工時，在線溫度補償功能；對被加工工件多種性能參數進行在線檢測功能；復合加工的組合控制功能；數控機床的在線監測與故障處理功能；復雜加工的在線模擬與驗證功能；數控系統的在線升級及技術支持功能等。

（3）CAD/CAM 技術集成需求。基于通用軟件的操作平臺，方便了CAD/CAM 軟件和數控系統一體化集成；擁有獨立后處理模塊，方便數控加工設備和CAM 軟件的協同作業；兼容主流CAM 軟件，迅速連接有效的數據接口；擁有通用網絡通訊接口和配套軟件功能，方便數控加工程序等相關數據的交互[5]。

2 智能化數控系統軟硬件架構分析

2.1 智能化數控系統硬件平臺

中科數控系統可重構硬件平臺包括人機交互單元（HMU）和控制單元（NCU）。利用M:N 重構方式進行，結合實際需要，可實現多個人機接口單元對應多個控制單元。各個控制單元經現場總線完成驅動器、I/O 單元的控制、傳感器網關的控制。傳感器網關支持有/無線傳感器的干預。無線方式有WIFI、RFID 和其他無線射頻方式。傳感器采用廣播同步和總線同步組合，實現了傳感器數據獲取和控制信息同步。HMU 是數控裝置人機接口的組成部分，主要是對數控裝置進行指令輸入、系統狀態顯示、聯機幫助、交互式編程，為機床信息管理的功能提供計算平臺和網絡化接口。

NCU 為數控裝置的控制部分，NCU 采用箱式多插槽結構，插槽內可以插設CPU 控制板和若干功能擴展板。

2.2 智能化數控系統軟件架構

RCS（Real-time Control System）是美國國家標準與技術研究院的智能系統部（Intelligent SystemsDivision）研發的一套完整的實時控制系統。RCS 推動開放式、研制可互操作、可測量智能系統，其核心是James S.Albus 于1991 年提出的智能化架構。由A1bus 開發的智能軟件平臺由六元組組成，數控系統內設有四元組，硬件邏輯為傳感器與執行器，軟件邏輯具有感知模塊、世界模型、行為生成模塊與價值判斷模塊。智能化數控系統軟件架構如圖1 所示。

圖1 智能化數控系統架構

傳感器及執行器是數控系統與外界環境進行信息互換的橋梁。傳感器采集外界信息是數控系統感知輸入模塊的過程，執行器是數控系統的最后執行元件，它的行為可以改變外界環境，例如機床刀具運動、毛坯切削為工件。世界模型為智能系統對外界狀態的最佳估計，里面有知識數據庫，可以儲存先驗知識。世界模型具有預測與評估外部世界狀態的功能，能模擬事件的發展過程。價值判斷模塊可以計算存在的利弊、確定性與不確定性，對觀測外部狀態以及假設行為進行結果評估，評判最優結果[3]。

智能化數控系統各模塊實施前，行為生成模塊可以對生成行為進行假設，世界模型的預測結果是對價值判斷模塊進行的評價。因此，行為生成模塊選擇了“最優解”，也就是最優規劃，并加以實施[6]。

圖2 為智能化數控系統的軟件架構圖，由人機交互界面組成、NML（NeutralMessage Language）中間消息語言、解釋器和運動控制層。運動控制層由軌跡規劃模塊、前瞻模塊、正逆向運動學模塊、平滑插補模塊、狀態信息模塊與軸命令模塊組成。數控加工時，上層模塊向下層模塊下發指令，下層模塊將狀態及錯誤信息反饋至上層模塊。比如，人機交互界面將G 代碼段以NML 的方式發送到解釋器，解釋器對指令進行解析，對執行錯誤指令進行處理，解析結果，經NML 及共享內存傳輸至運動控制模塊，錯誤信息及當前解釋器狀態轉交人機交互界面顯示及處理。解釋器解析的中間結果是一組中間形式的指令集，它由運動段開始，軌跡規劃模塊依據這些資料規劃并體驗前瞻、運動學及平滑插補模塊，最后下發給伺服控制器插補點[7]。

圖2 智能化數控系統軟件架構

在圖2 所示的體系結構中，解釋器以及運動控制層均滿足A1bus 架構，解釋器內存在一個四元組結構。類似地，在運動控制層也存在四元組構造，還有感知模塊、軌跡生成模塊、曲線模型與價值判斷等。運動控制層中有行為生成模塊，其與軌跡生成相對應。感知處理模塊用于獲取下層伺服控制器反饋信息，實際軸命令由正向運動學變換，并轉移到上層。軌跡生成模塊通過軌跡規劃、前瞻、逆向運動學、平滑插補等子模塊，生成最后軌跡點，下發至伺服控制器。在價值判斷模塊和曲線模型的相互作用下，選擇最佳軌跡[8]。

圖3 為一種智能數控系統的軌跡規劃體系結構，軌跡規劃模塊內設有四元組。軌跡生成模塊對規劃進行假設，該曲線模型基于軌跡信息對規劃結果進行預測。價值判斷模塊用于選擇最優解，并將其交付給行為產生模塊，軌跡生成模塊將任務分解并層層細化，最后向執行器發出一系列的微指令。

圖3 智能軌跡規劃層級的內部架構

3 結語

隨著現代科技的飛速發展，機械設備智能設計制造系統在工程領域中具有越來越重要的作用。通過體系結構分析可以發現，智能設計制造系統在信息集成、模塊化設計、分布式控制和智能化決策等方面具有顯著優勢。此外，智能設計制造系統還具有較強的靈活性和可擴展性，可以滿足不同領域和行業的需求。本文深入分析了智能數控系統軌跡規劃體系結構、軌跡生成模塊、曲線模型等。智能化機械設備的發展前景十分廣闊，加強相關設計和研究，有利于機械設備的智能化發展，有利于提升制造系統的應用效果。