智能制造成为制造技术的主攻方向 数控系统备受瞩目

随着德国工业4.0的提出，智能制造已成为制造技术发展的核心方向。中国制造2025和美国工业互联网等战略均明确了智能制造的核心地位，各国间的技术交流与标准融合也在不断加深。尤其在我国，从制造大国向制造强国的转型愈发迫切，发展智能装备和智能产品，推进生产过程的智能化，成为实现中国制造2025目标的关键。其中，数控技术和机器人领域作为十大重点领域之一，显得尤为关键。面向智能制造的数控技术已成为亟待优先解决的重要课题。

智能制造的核心在于信息处理和物理过程的深度融合。传统制造主要依赖实体空间内的生产设备来制造产品，设备和过程本身几乎不产生数据。但随着网络信息技术的飞速发展，人与人、人与机器、机器与机器之间的协同和交互模式开始通过物联网和互联网进行。这种转变促使我们建立物理设备和过程的数字模型，进行仿真和优化，从而提高生产效率和效益。这就是所谓的CPS（信息物理融合系统）。面向智能制造的数控系统正是基于CPS构建，它不再仅仅是机床设备的控制系统，而是成为工厂乃至整个智慧城市的一个智能节点。

对于实现智能数控的技术路线，我们首先需要理解智能制造的内涵。虽然对于智能制造的定义尚未统一，但相关文献主要描述其具备的特征。早在1988年，日本通产省就提出了智能制造系统（IMS）的设想。21世纪的全球化大趋势下，通过国际合作共同研发新一代制造系统已成为迎接全球化挑战的重要方式。数控系统的智能化需要从整个系统的角度出发，不仅考虑制造环节本身的工艺柔性、质量和效率，还需融合当前最新技术，贯穿研发、制造、客户服务等的全价值链领域。

在我国，如何借助互联网和计算机技术实现制造模式的转型升级成为数控系统发展的新路径。互联网+技术升级中的一个重要突破点是实现互联网与制造的深度融合。中国信息物理系统白皮书提出了构成CPS的四大核心要素：感知和自动控制的“一硬”、工业软件的“一软”、工业网络的“一网”以及工业云和智能服务平台的“一平台”。这四大要素通过状态感知、实时分析、科学决策、精准执行四个过程解决生产制造过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。

在互联网技术的推动下，新兴商业模式如分享经济不断涌现。在制造业中，如何适应这一新模式将成为一个重要的研究内容。智能手机的出现推动了互联网产业的爆发式增长，其中智能终端技术的突破起到了关键作用。在机床行业，作为连接人与设备的智能终端，数控机床的数控系统正是实现智能制造的关键。以CPS架构研发面向智能制造的数控系统，构建制造生态系统是实现智能制造的可行路线。

在此背景下，我们有必要深入研究智能制造的相关技术和应用，不断探索新的方法和路径，以实现我国制造业的转型升级。数控系统的开放互联：历史演变与新的挑战

自19世纪50年代首台数控系统诞生以来，数控技术不断进步，尤其是近年来，数控系统正朝着开放互联的方向发展。这些变化不仅局限于单机功能和单元技术的革新和升级，更包括设备联网技术的突破。

当前，数控系统产品呈现出多样化的结构层次，包括全系统、半成品和核心软件。例如，德国的ISG公司提供数控软件知识产权，用户可根据自身需求进行配置或二次开发，形成独特品牌的数控产品。同样，美国的NIST及其他开源组织提供开源的LinuxCNC数控软件，用户在GNU共享协议下可自由获取并开发。如德国的PA（PowerAutomation）公司和倍福（Beckhoff）公司，提供模块化的数控系统平台，用户可依据自身需求进行配置，创建独特的数控系统。

在数控系统的互联方式上，早期主要通过串行通信进行，随着技术的发展，逐渐升级为以太网通信。不同类型的数控系统，其通讯端口和协议存在巨大差异。历史进程中，数控系统厂家针对不同应用目标设计了多种通讯方式和协议。例如，早期的I/O方式用于设备间的握手和工作协同；串口通讯时期，主要用于大程序的在线NC文件下载，即DNC功能。虽然这种方式因其低成本被国内数控厂商广泛采用，但却限制了数控系统对网络技术的应用。

进入中高端数控系统阶段，如fanuc和Siemens系统都配备了以太网接口，提供了基于OPC的标准化局域网通讯协议。但即便在这个阶段，数控系统的网络传输功能依然以数据上传和下载为主，不能满足互联网时代的需求。尤其是1996年发布的OPC协议，虽然初衷是将PLC特定协议抽象为标准化接口，但在实际应用中面临诸多挑战：平台局限、防火墙穿透难、无法支持互联网、安全功能弱、数据完整性无法保障等。

为了解决这些问题，新一代的通讯设计出现了OPCUA和MTConnect等面向互联网应用的协议。OPCUA在原有OPC协议的基础上进行扩展和升级，解决了操作系统平台依赖问题，并对互联网应用提供更多支持。而MTConnect是由美国机械制造技术协会发起的机床通信标准，旨在提升不同制造商、软件间的互操作性。

尽管有了新的协议和标准，但由于各大数控厂商的系统架构、参数、文件命名规范甚至操作系统都不尽相同，要实现数量庞大的数控设备的统一规范，并使得众多如ERP、MES等客户端厂商进行协同工作，依然是一项艰巨的任务。这需要行业内的各方共同努力，以实现数控系统的真正开放互联。在探讨数控系统的未来发展中，我们聚焦于MTConnect协议与云端应用的融合，以及智能数控系统如何在互联网背景下实现无缝衔接。随着工业4.0和“互联网+”的推进，数控系统的智能化已成为必然趋势。

一、MTConnect协议的云端拓展

MTConnect协议为客户端与设备的通信提供了明确约定，但对于互联网端的应用及其互通接口却未涉及。与OPCUA相似，MTConnect本质上仍是基于点对点的通讯问题解决方案。在互联网环境下，应用需求远不止于此。要让数控机床的互联网应用流畅实现，必须为MTConnect协议补充一套云端应用的规范。

二、数控系统的智能化发展

随着技术的发展，数控系统的智能化成为行业关注的焦点。智能化涉及四个关键方面：操作智能化、加工智能化、维护智能化和管理智能化。机床在加工过程中通过采用各种传感器和实时监控技术，提高性能，实现更高级的功能。例如，日本马扎克和大隈等公司推出的主轴抑振、智能防碰撞等技术都是这一趋势的生动体现。沈阳机床i5数控系统则提供了基于特征的编程和图形化诊断等功能，满足用户多样化的需求。

三、基于云平台的数控系统创新

德国斯图加特大学提出的“全球本地化”云端数控系统概念，是一个创新性的尝试。在这一模式下，传统数控系统的人机界面、数控核心和PLC都移至云端，而本地仅保留机床的伺服驱动和安全控制。通过增加通信模块、中间件和以太网接口，实现云端与本地数控系统的便捷通信。数字孪生技术的引入，使得每一台机床在云端都有其“数字镜像”，从而进行机床的配置、优化和维护。

四、互联网数控系统及其生态系统建设

在互联网背景下，数控系统必须成为产生数据的透明智能终端，实现制造过程的透明化。这不仅便于零件加工，还能产生服务于管理、财务等各个层面的实时数据。沈阳机床集团围绕i5智能机床建立的机床生态系统，就是一个生动的实践。通过透明的i5智能系统，机床可以实时在线，为管理过程提供精准数据依据。iSESOL云制造平台实现了产能的分享，为制造业的互联网+模式提供了新的可能。

在此平台上，所有的智能设备通过特定协议接入网络，非智能设备也可通过网关接入。云端的APP应用通过聚合的实时数据和访问接口实现对远程设备的统一访问。最终用户可以通过各种终端安装APP，实现对设备的各类互联网应用。这一平台下建立的产能协同生态系统已接入数千台机床，日常联机接入数量也相当可观。结论与展望：机床数控系统的智能化和网络化趋势不可逆转。在CPS理念的指引下，智能数控系统正逐步发展，通过网络和平台的整合，实现从全局角度推动数控机床的智能化进程。

智能化演变并非一蹴而就，当前对于智能化的理解尚存差异，尚未有普适的解决方案。商业模式的革新与数控系统的智能化和网络化紧密相连，特别是在数控机床领域。未来的数控系统将日益融入互联网元素，深刻影响制造流程。借助数据的累积、传输与深度挖掘，智能化制造能力将不断突破，透明化和分享化的理念将为制造业带来翻天覆地的变革，开辟新的发展空间。在智能化浪潮中，我们充满期待和机遇。