01
數(shù)控機(jī)床全生命周期管理系統(tǒng)需求分析
數(shù)控機(jī)床作為國(guó)之重器、工業(yè)母機(jī)，是制造企業(yè)最基本、最重要的制造裝備，代表了國(guó)家的核心競(jìng)爭(zhēng)力?；ヂ?lián)網(wǎng)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，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(jī)床的市場(chǎng)需求大大增加。制約我國(guó)機(jī)床行業(yè)向高端化、智能化方向發(fā)展的因素有：①機(jī)床行業(yè)整機(jī)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(shí)現(xiàn)高效的信息化管理與數(shù)據(jù)共享；②機(jī)床行業(yè)標(biāo)識(shí)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(jí)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通；③設(shè)備互聯(lián)互通能力差。數(shù)控機(jī)床加工現(xiàn)場(chǎng)存在多源異構(gòu)設(shè)備，導(dǎo)致協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(jī)床互聯(lián)互通縱向集成能力困難；④機(jī)床行業(yè)缺乏一個(gè)開放、包容的公共服務(wù)平臺(tái)，使得機(jī)床行業(yè)內(nèi)企業(yè)之間缺乏優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、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(biāo)識(shí)解析二級(jí)節(jié)點(diǎn)（機(jī)床行業(yè)），為機(jī)床領(lǐng)域的企業(yè)和用戶提供規(guī)范的標(biāo)識(shí)編碼注冊(cè)和標(biāo)識(shí)解析服務(wù)，作為機(jī)床行業(yè)二級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、應(yīng)用和推廣，促進(jìn)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(jī)床智能制造高質(zhì)量發(fā)展要求，面向機(jī)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(jī)床大數(shù)據(jù)”為核心，建立機(jī)床全生命周期健康保障體系。通過標(biāo)識(shí)解析體系與iNC-Cloud 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、NC-Link集成，建立數(shù)控系統(tǒng)廠、數(shù)控機(jī)床廠和終端用戶廠等多級(jí)數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)機(jī)床從采購(gòu)生產(chǎn)、機(jī)床裝配、故障處理、常規(guī)保養(yǎng)、定期體檢和遠(yuǎn)程運(yùn)維等全生命周期管理，推進(jìn)機(jī)床行業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。
02
基于標(biāo)識(shí)解析技術(shù)的數(shù)控機(jī)床全生命周期管理系統(tǒng)架構(gòu)
2.1 總體架構(gòu)
基于標(biāo)識(shí)解析技術(shù)的數(shù)控機(jī)床全生命周期管理系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1 所示。圍繞機(jī)床生產(chǎn)、制造和運(yùn)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(tái)、智能車間互聯(lián)通信協(xié)議NC-Link 等信息化技術(shù)，開展機(jī)床海量數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)應(yīng)用分析及基于標(biāo)識(shí)體系的主動(dòng)標(biāo)識(shí)，完成機(jī)床數(shù)據(jù)縱向集成；建立數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床廠和用戶廠等三級(jí)數(shù)據(jù)中心，通過從機(jī)床裝配、調(diào)試、補(bǔ)償、健康保障和遠(yuǎn)程運(yùn)維等技術(shù)研究，開展機(jī)床全生命周期管理系統(tǒng)的產(chǎn)品化研發(fā)與集成測(cè)試，提升企業(yè)對(duì)機(jī)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(jī)床功能部件研發(fā)設(shè)計(jì)、機(jī)床生產(chǎn)制造和用戶企業(yè)經(jīng)營(yíng)使用等各環(huán)節(jié)企業(yè)間協(xié)同創(chuàng)新堵點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間信息橫向集成。通過數(shù)控機(jī)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(dòng)數(shù)控機(jī)床從“能用”到“好用”，助力數(shù)控機(jī)床功能、性能和可靠性提升。
2.2 解決方案
基于標(biāo)識(shí)解析技術(shù)的數(shù)控機(jī)床全生命周期管理系統(tǒng)解決方案，如圖2 所示。以“機(jī)床全生命周期數(shù)據(jù)”為系統(tǒng)數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)，從數(shù)控機(jī)床及其組件中獲取準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)源作為運(yùn)營(yíng)維護(hù)的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，通過機(jī)床全生命周期的感知數(shù)據(jù)緊密驅(qū)動(dòng)，圍繞機(jī)床全生命周期制造過程，以“數(shù)控機(jī)床數(shù)字孿生”為核心指導(dǎo)思想，形成機(jī)床“裝配、調(diào)試、補(bǔ)償、健康保障和運(yùn)營(yíng)維護(hù)”等各階段數(shù)據(jù)采集，提升企業(yè)生產(chǎn)機(jī)床性能優(yōu)化反饋及產(chǎn)品質(zhì)量。其中“裝配、調(diào)試、補(bǔ)償和健康保障”四位一體是圍繞機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造階段管理，遠(yuǎn)程運(yùn)維是機(jī)床的使用、報(bào)廢階段管理，基于標(biāo)識(shí)解析實(shí)現(xiàn)四位一體與遠(yuǎn)程運(yùn)維的橫向集成，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床全生命周期的管理。
03
系統(tǒng)功能模塊
3.1 三級(jí)數(shù)據(jù)中心建設(shè)
三級(jí)數(shù)據(jù)中心包括用戶企業(yè)級(jí)、機(jī)床企業(yè)級(jí)和功能部件企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心，同時(shí)各數(shù)據(jù)中心也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析企業(yè)節(jié)點(diǎn)，與二級(jí)節(jié)點(diǎn)（機(jī)床行業(yè)）橫向集成。
對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)，建立面向機(jī)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(jī)床廠完成機(jī)床售后服務(wù)，并能夠深入用戶廠有針對(duì)性地提出深度服務(wù)，如刀具壽命優(yōu)化、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)優(yōu)化和數(shù)控系統(tǒng)智能化功能等。
對(duì)于機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)，建立面向機(jī)床廠設(shè)備管理數(shù)據(jù)中心。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)可以將其生產(chǎn)的機(jī)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(yuǎn)程運(yùn)維數(shù)據(jù)，統(tǒng)一整合管理。及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理，響應(yīng)用戶提出的維修保養(yǎng)需求，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dòng)響應(yīng)式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)關(guān)懷式。
對(duì)于機(jī)床用戶企業(yè)，建立機(jī)床全生命周期管理系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證數(shù)據(jù)中心。用戶企業(yè)將車間視為一個(gè)邏輯單元，可以建立以車間為標(biāo)準(zhǔn)的邊緣計(jì)算平臺(tái)和企業(yè)私有數(shù)據(jù)倉。當(dāng)機(jī)床發(fā)生故障時(shí)或預(yù)測(cè)性故障前，通過邊緣計(jì)算平臺(tái)將車間管理、運(yùn)維管理和生產(chǎn)制造內(nèi)部進(jìn)行閉環(huán)處理，提升數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)能力。同時(shí)，如果用戶現(xiàn)場(chǎng)不能閉環(huán)解決機(jī)床故障時(shí)，可通過運(yùn)維管理中心將需要運(yùn)維的設(shè)備進(jìn)行專用數(shù)據(jù)外發(fā)，既保護(hù)了企業(yè)數(shù)據(jù)信息，也提升了遠(yuǎn)程運(yùn)維的互聯(lián)互通能力。
3.2 標(biāo)識(shí)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(biāo)識(shí)解析二級(jí)節(jié)點(diǎn)（機(jī)床行業(yè)），向上對(duì)接國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)，向下對(duì)接機(jī)床行業(yè)企業(yè)節(jié)點(diǎn)，為機(jī)床領(lǐng)域的企業(yè)和用戶提供靈活的標(biāo)識(shí)編碼注冊(cè)和標(biāo)識(shí)解析服務(wù)。通過二級(jí)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)資源、基礎(chǔ)技術(shù)與開放的應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)的協(xié)同，促進(jìn)企業(yè)節(jié)點(diǎn)與標(biāo)識(shí)解析二級(jí)節(jié)點(diǎn)機(jī)床應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)、國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通，其中二級(jí)節(jié)點(diǎn)機(jī)床應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)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(jī)床行業(yè)標(biāo)識(shí)解析二級(jí)節(jié)點(diǎn)打造典型性和示范性的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析集成創(chuàng)新應(yīng)用模式，包括供應(yīng)鏈管理、機(jī)床設(shè)備整機(jī)和部件產(chǎn)品溯源等集成創(chuàng)新應(yīng)用，實(shí)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(biāo)識(shí)解析二級(jí)節(jié)點(diǎn)（機(jī)床行業(yè)）體系架構(gòu)如圖3 所示。
3.3 基于NC-Link 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控機(jī)床主動(dòng)標(biāo)識(shí)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，并形成了智能工廠數(shù)控機(jī)床互聯(lián)接口規(guī)范（GB/T 41970—2022），實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備/ 模塊/ 系統(tǒng)/ 平臺(tái)的互聯(lián)互通，覆蓋機(jī)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(jìn)行統(tǒng)一解析與轉(zhuǎn)換，從機(jī)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(dá)到統(tǒng)一接口形式、簡(jiǎn)化設(shè)備接入和簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)外主流數(shù)控機(jī)床的互聯(lián)通信主動(dòng)標(biāo)識(shí)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(chǎng)數(shù)控機(jī)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(shí)數(shù)據(jù)采集能力，以及一定的下行交互能力。主動(dòng)標(biāo)識(shí)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(gè)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(chǎng)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(jī)床內(nèi)部數(shù)據(jù)以外，還包括振動(dòng)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(jì)算系統(tǒng)iNC-Edge 進(jìn)行數(shù)據(jù)融合， 邊緣計(jì)算機(jī)可視作企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)。
3.4 基于標(biāo)識(shí)的機(jī)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(biāo)識(shí)解析體系幫助機(jī)床行業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)功能部件、機(jī)床產(chǎn)品和終端用戶的對(duì)象的標(biāo)識(shí)注冊(cè)和解析， 解決同類型機(jī)床功能部件/ 附件在企業(yè)之間編碼標(biāo)識(shí)不統(tǒng)一的關(guān)鍵問題，實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(biāo)識(shí)體系，將散落在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將機(jī)床從生產(chǎn)、測(cè)試、裝配、調(diào)試和使用各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)集成打通，針對(duì)使用環(huán)節(jié)、維修環(huán)節(jié)、再制造環(huán)節(jié)和報(bào)廢回收環(huán)節(jié)，研發(fā)質(zhì)量追溯管理、機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維等產(chǎn)品全生命周期管理的集成應(yīng)用新模式， 提升機(jī)床制造過程智能化升級(jí)。
04
基于標(biāo)識(shí)解析技術(shù)的數(shù)控機(jī)床全生命周期管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
基于標(biāo)識(shí)解析技術(shù)的數(shù)控機(jī)床四位一體數(shù)據(jù)，貫通圍繞機(jī)床制造過程“裝配、調(diào)試、補(bǔ)償和健康保障”。形成數(shù)控機(jī)床裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)床性能提升循環(huán)速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)機(jī)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(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)（出廠后），如圖8 所示。主要面向數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)廠、機(jī)床廠和用戶廠形成遠(yuǎn)程服務(wù)維修應(yīng)用的數(shù)據(jù)支持。對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行機(jī)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(cè)性維護(hù)等機(jī)床智能維護(hù)，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(jī)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(hù)和返修）的過程數(shù)據(jù)，形成產(chǎn)品全生命周期信息知識(shí)庫，為系統(tǒng)或設(shè)備的性能優(yōu)化、功能改進(jìn)和運(yùn)維保養(yǎng)等提供支持。
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結(jié)束語
數(shù)控機(jī)床高質(zhì)量發(fā)展離不開數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)?；跇?biāo)識(shí)解析技術(shù)的數(shù)控機(jī)床全生命周期管理系統(tǒng)，通過國(guó)家自主可控的NC-Link 互聯(lián)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)縱向集成， 同時(shí)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析二級(jí)節(jié)點(diǎn)（機(jī)床行業(yè)）集成， 實(shí)現(xiàn)行業(yè)企業(yè)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)中心橫向集成。
圍繞數(shù)控機(jī)床在出廠前、出廠后的不同階段，開展機(jī)床四位一體、遠(yuǎn)程運(yùn)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(jì)，機(jī)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(dá)6%，專家資源復(fù)合利用提升15% 等，全面提升機(jī)床質(zhì)量效率。
本文立足于機(jī)床裝備智能制造需求提高工業(yè)母機(jī)安全性能，保障國(guó)家信息安全，目前已在機(jī)械加工、電子產(chǎn)品、家電和能源裝備等多個(gè)行業(yè)得到成功應(yīng)用，對(duì)推進(jìn)整個(gè)離散行業(yè)的自動(dòng)化和智能化水平，具有重大工程價(jià)值和示范效應(yīng)。
