劉廣杰+洪月蓉

摘要：隨著機(jī)床的的快速發(fā)展，智能機(jī)床已經(jīng)成為了未來機(jī)床發(fā)展的必然趨勢(shì)。在文中介紹了CPS系統(tǒng)，并就面向智能機(jī)床以及服務(wù)的CPS參考模型進(jìn)行了論述，以期可以為智能機(jī)床的發(fā)展提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】智能機(jī)床 CPS 服務(wù)

1 特點(diǎn)

CPS是系統(tǒng)的系統(tǒng)，其一個(gè)基本的特征就是物理空問的對(duì)象都可以在CPS中找到虛擬的映像。而虛擬的映像又會(huì)對(duì)實(shí)際的物理空問產(chǎn)生影響。目前，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床的控制結(jié)構(gòu)和邏輯基本上遵循分布式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)

主控制器（CNC）負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制，處于分布式控制結(jié)構(gòu)的第一層，第二層由邏輯控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、主軸控制器組成，其負(fù)責(zé)將主控制器的指令轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以理解的方式（開關(guān)信號(hào)或者電流信號(hào)），第三層由執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，比如伺服電機(jī)、主軸電機(jī)、冷卻液泵、照明等。然后是各種反饋信息，用于檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否執(zhí)行到位。因此信息存在三個(gè)傳遞的層次。

從CPS基本定義的角度來看，數(shù)控機(jī)床具備了一個(gè)CPS系統(tǒng)的基本特征。人的指令通過數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算后變成機(jī)器可以理解的信息傳遞到各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制部件上，運(yùn)動(dòng)控制或者邏輯控制部件經(jīng)過信號(hào)處理和運(yùn)算來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳感器將反饋信號(hào)傳回運(yùn)動(dòng)控制或邏輯控制部件，完成控制閉環(huán)。

3 特征

在而向智能機(jī)床及服務(wù)的CPS這種網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)中，非常明顯的表現(xiàn)出以下的一些特征，這是傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床CPS所不具備的特征，同時(shí)這些特征與前述講過的傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床CPS的特征并不矛盾和沖突，甚至是前述特征的繼承和發(fā)展。

（1）全局虛擬化，徹底打破物理空問的束縛，每一個(gè)實(shí)際的物理設(shè)備都在虛擬空問里而有一個(gè)相應(yīng)的映像，這個(gè)映像是對(duì)物理設(shè)備的各種狀態(tài)和能力的一種數(shù)據(jù)化。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)將變成一個(gè)服務(wù)發(fā)布的點(diǎn)，這種服務(wù)的發(fā)布將使網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)能夠讀懂這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以做的事情，當(dāng)前的狀態(tài)等等，全局虛擬化是后而的機(jī)器自組態(tài)、機(jī)器自治的基礎(chǔ)。每個(gè)設(shè)備都可以通過修改虛擬空問中對(duì)應(yīng)的映像的參數(shù)而對(duì)物理空問中的設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的影Ⅱ向。

（2）標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)義和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，設(shè)備互連的一個(gè)基礎(chǔ)就是相互之問能夠“讀懂”對(duì)方的信息，就像人類世界一樣，必須有大家都能夠懂得的語(yǔ)言或者動(dòng)作進(jìn)行交流，才能夠相互理解彼此。那么在全局虛擬化的基礎(chǔ)上，通過采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)義描述，通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行相互之問的信息傳輸，才能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。

（3）全局時(shí)問的同步性和局部的實(shí)時(shí)性，由于工業(yè)制造的特性，其設(shè)備相互之問的配合需要有一定的時(shí)序，否則容易因?yàn)闀r(shí)序的混亂和不一致而導(dǎo)致不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生。因此在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，需要對(duì)時(shí)問保持同步，才能保證制造過程中的時(shí)序不會(huì)產(chǎn)生混亂。同時(shí)對(duì)于智能機(jī)床來說，其屬于運(yùn)動(dòng)控制的配合部分依然需要毫秒甚至微秒級(jí)的實(shí)時(shí)同步。

（4）設(shè)備自治和自組態(tài)，在基于設(shè)備互聯(lián)互通基礎(chǔ)上，形成以服務(wù)為需求發(fā)起的設(shè)備自治形式將是未來智能制造非常重要的基礎(chǔ)。由于傳統(tǒng)的分布式控制結(jié)構(gòu)在虛擬空問中被打破，不同的服務(wù)可以根據(jù)需求隨時(shí)重組各種所需要的組建進(jìn)行服務(wù)，關(guān)于這部分，還可以進(jìn)行更深入的討論，如下圖所示僅作為概念展示。

（5）組件化和服務(wù)化，組件化的概念類似于模塊化，在物理空問里，功能相關(guān)的部件將以組件的形式出現(xiàn)，每一個(gè)組件就是可以完成某一項(xiàng)功能和服務(wù)的模塊，組件之問通過相互組合產(chǎn)生新的功能和形態(tài)。

（6）廣域性，由于智能機(jī)床的組件化以及組件的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，使這些組件在虛擬空問中都有相應(yīng)的映像，因此在虛擬空問中，很多分布在不同物理空問中的組件，可以連接起來從而產(chǎn)生新的服務(wù)。

（7）安全性，在設(shè)備互聯(lián)互通的時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)上的應(yīng)用也將而臨和互聯(lián)網(wǎng)一樣的挑戰(zhàn)，就是安全性，安全性體現(xiàn)在比如信息傳輸?shù)陌踩?，信息存?chǔ)的安全性，設(shè)備的操作權(quán)限的安全性。由于設(shè)備在虛擬空問里都有相應(yīng)的映像，而且對(duì)這些映像的操作則物理空問里實(shí)際上也會(huì)產(chǎn)生同樣的操作。因此設(shè)備虛擬映像的操作權(quán)限的安全性也就變得跟信息傳輸和存儲(chǔ)的安全性同樣重要，甚至更為重要。

（8）數(shù)據(jù)的操作性，由于全局虛擬化的應(yīng)用，使得一切的在物理空問的活動(dòng)都可以在虛擬空問中以數(shù)據(jù)的形式存在，因此對(duì)這些海量數(shù)據(jù)的協(xié)作、分析、應(yīng)用等操作將產(chǎn)生極大的應(yīng)用價(jià)值。未來大量的服務(wù)將基于對(duì)于數(shù)據(jù)的操作而進(jìn)行，因?yàn)橥ㄟ^數(shù)據(jù)的分析，不僅可以知道現(xiàn)在，更可以預(yù)測(cè)未來，這將在未來智能機(jī)床的維護(hù)服務(wù)中取得非常重要的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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