沈小雨，唐敦兵，張澤群，鄭 杜，管晨丞

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

在“工業(yè)4.0”與“中國(guó)制造2025”的時(shí)代下，加工任務(wù)呈現(xiàn)出多樣化、動(dòng)態(tài)化以及不確定性，對(duì)制造過程與制造設(shè)備提出了更高的要求，同時(shí)制造系統(tǒng)要求具有足夠的柔性和自組織、自適應(yīng)的能力，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及加工能力很難滿足這種條件。20世紀(jì)90年代以來，人們結(jié)合信息化、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，提出計(jì)算機(jī)集成制造、信息化制造，將企業(yè)決策、經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)制造、銷售及售后服務(wù)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了制造過程中的部分自動(dòng)化。隨著互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，在原有的集成制造基礎(chǔ)之上，結(jié)合人工智能，提出了一種新型制造理念——智能制造[1]。

智能裝備是智能制造研究中的重點(diǎn)方向，是整個(gè)智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，包括智能加工設(shè)備、智能運(yùn)輸設(shè)備、智能檢測(cè)設(shè)備等。其中智能加工設(shè)備是智能裝備中的重點(diǎn)對(duì)象，承擔(dān)著加工這項(xiàng)重要任務(wù)，要求其具有對(duì)加工任務(wù)的適應(yīng)性，能夠與制造系統(tǒng)中其他加工設(shè)備交流協(xié)商，共同分配加工任務(wù)。加工設(shè)備的智能化程度直接決定了整個(gè)制造系統(tǒng)的智能化程度，目前工件的形狀越來越復(fù)雜且加工精度要求越來越高，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)普遍認(rèn)為提高加工設(shè)備的智能化是主要解決途徑，從而提出了智能機(jī)床的概念。

華中科技大學(xué)石磊等[2]提出了一種智能加工中心的設(shè)計(jì)方法及模型，指出智能加工設(shè)備不僅要具有多功能數(shù)控加工的功能，還必須具備感知、判斷、決策、監(jiān)控以及與其他單元交互的功能。國(guó)防科技大學(xué)梁建成等[3]在機(jī)床的智能加工體系研究中提出了智能加工的基本概念與內(nèi)容，表示智能加工就是要解決加工過程中眾多不確定性的、要有人干預(yù)才能解決的問題。鄢萍等[4]提出了智能機(jī)床狹義和廣義定義，狹義定義強(qiáng)調(diào)的是加工設(shè)備單機(jī)所具備的智能功能和對(duì)加工過程多目標(biāo)優(yōu)化的支持性，而廣義定義強(qiáng)調(diào)的是在以人為本人際協(xié)調(diào)的宗旨下，機(jī)床以及一定方式組合的加工設(shè)備或生產(chǎn)線所具備的智能功能和對(duì)制造系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行的支持性。駱金威等[5]通過對(duì)航空結(jié)構(gòu)件加工的研究，提出航空結(jié)構(gòu)件智能化加工設(shè)備的發(fā)展方向，表示加工設(shè)備將逐步從數(shù)字化時(shí)代走向智能化時(shí)代，其主要特點(diǎn)是機(jī)床軟、硬件設(shè)備等多智能體系統(tǒng)的集成及應(yīng)用，核心技術(shù)在于機(jī)床對(duì)加工程序的智能化識(shí)別。邵澤明等[6]應(yīng)用人工智能方法以及融合智能傳感器技術(shù)，通過識(shí)別、分析、判斷及推理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的智能功能。

國(guó)外的學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)也對(duì)智能加工設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)研究。Mazak公司對(duì)智能機(jī)床給出的定義[7]：數(shù)控機(jī)床能感知自身的狀態(tài)和加工環(huán)境的變化，并根據(jù)自身狀態(tài)以及加工環(huán)境的變化來調(diào)整加工參數(shù)。Liu等[8]認(rèn)為現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer numerical control，CNC）系統(tǒng)僅支持供應(yīng)商特定的NC程序輸入，限制了具有不同程序格式的其他類似功能NC程序的應(yīng)用，為處理各種NC程序，提出了一種智能NC程序處理器（NC program processor，NCPP）。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外研究成果的分析，發(fā)現(xiàn)目前對(duì)智能加工設(shè)備方面的問題研究主要集中在數(shù)控機(jī)床NC程序自適應(yīng)技術(shù)、加工工藝智能設(shè)計(jì)、設(shè)備信息感知與設(shè)備故障預(yù)測(cè)等方面，研究中大多針對(duì)獨(dú)立的設(shè)備進(jìn)行智能化改造，沒有對(duì)設(shè)備在制造系統(tǒng)中的加工過程進(jìn)行系統(tǒng)考慮，無法體現(xiàn)物聯(lián)環(huán)境下制造車間的功能。隨著物聯(lián)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，加工設(shè)備彼此之間的聯(lián)系更加緊密，在加工過程中愈發(fā)強(qiáng)調(diào)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，由于不同廠商的數(shù)控系統(tǒng)存在異構(gòu)性和封閉性，設(shè)備的控制與通信無法通過統(tǒng)一模式實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)備在制造系統(tǒng)中互聯(lián)效率較低。針對(duì)上述情況，從制造系統(tǒng)層面對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行智能化構(gòu)建的需求問題亟待解決。為此，本文提出一種智能加工設(shè)備的構(gòu)建方法，通過以下3個(gè)部分進(jìn)行展開。

1 智能加工設(shè)備體系結(jié)構(gòu)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

智能加工設(shè)備是基礎(chǔ)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的結(jié)合體，是這些學(xué)科發(fā)展的必然結(jié)果?！肮I(yè)4.0”與“中國(guó)制造2025”都對(duì)其相關(guān)概念進(jìn)行了定義，根據(jù)學(xué)者們?cè)诖朔矫娴难芯砍晒偨Y(jié)，同時(shí)結(jié)合本文研究人員當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建結(jié)果來看，智能加工設(shè)備由以下基本部分組成：信息處理、決策系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖1所示。3部分相輔相成，與其他設(shè)備相互協(xié)商，共同實(shí)現(xiàn)智能加工。

圖1 智能加工設(shè)備基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of intelligent processing equipment

信息處理是智能加工設(shè)備的感知部分，接受訂單信息、環(huán)境狀態(tài)信息，將其進(jìn)行部分處理送至決策系統(tǒng)；同時(shí)擔(dān)任著與其他設(shè)備交流的任務(wù)，將自身的加工狀態(tài)與制造系統(tǒng)中其他設(shè)備實(shí)時(shí)交流，根據(jù)其他設(shè)備的狀態(tài)信息對(duì)自身的加工做出合理的調(diào)整與規(guī)劃。

分析決策系統(tǒng)是智能加工設(shè)備的核心部分，是智能加工設(shè)備的大腦；根據(jù)接收到的訂單信息進(jìn)行決策，實(shí)現(xiàn)不同類型的加工調(diào)整，將設(shè)備的狀態(tài)發(fā)送至信息處理部分，用于實(shí)現(xiàn)與制造系統(tǒng)中其他設(shè)備交流，并將相關(guān)的處理、控制信息存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，方便實(shí)現(xiàn)信息化管理；同時(shí)決策系統(tǒng)控制著執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)加工設(shè)備的基本功能。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是智能加工設(shè)備的基礎(chǔ)部分，主要用來接收決策系統(tǒng)的信息，并根據(jù)其控制信號(hào)控制加工設(shè)備自身的相關(guān)部分，如刀具、夾具、NC代碼、實(shí)際加工等。同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以實(shí)時(shí)反饋加工情況至決策系統(tǒng)，決策系統(tǒng)根據(jù)不同情況做出合理調(diào)整，改善加工過程。

目前，根據(jù)智能加工設(shè)備的特點(diǎn)，除了設(shè)備本體的數(shù)控加工特點(diǎn)外，主要還具備如下特點(diǎn)：

（1）智能控制加工動(dòng)作。加工設(shè)備完成加工任務(wù)是由最基本的加工動(dòng)作組合在一起而實(shí)現(xiàn)的。對(duì)加工動(dòng)作進(jìn)行智能控制，通過自身的反饋信息與外部的狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)對(duì)加工動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整；如根據(jù)機(jī)械手的送料信息判定夾具是否開合，根據(jù)工件的準(zhǔn)備狀態(tài)控制加工程序啟動(dòng)與暫停。

（2）智能交互。工件的加工任務(wù)是由設(shè)備間相互配合完成的，合理定義設(shè)備間信息交互的方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間智能交互，通過相互交流設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，協(xié)作完成加工；如機(jī)械手與機(jī)床間智能交互，合理進(jìn)行物料的夾取與釋放。

（3）多智能體系統(tǒng)。單獨(dú)的一個(gè)智能加工設(shè)備就可以看作是一個(gè)智能體，多智能體系統(tǒng)是由多個(gè)智能體組成的集合，智能體之間及智能體與環(huán)境之間通過通信協(xié)商共同完成加工任務(wù)。

1.2 構(gòu)建問題描述

為了更接近工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室模擬車間環(huán)境中使用了不同品牌的加工設(shè)備，具體設(shè)備情況如圖2所示，其中加工設(shè)備和輔助設(shè)備包括加工設(shè)備、緩沖區(qū)、REID讀寫器、其他傳感器。

圖2 實(shí)驗(yàn)室模擬車間Fig.2 Laboratory simulation workshop

對(duì)于本文中加工設(shè)備情況，車間物理實(shí)體可以分為多種類型的設(shè)備，包括倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備、銑削設(shè)備、車削設(shè)備、AGV設(shè)備、機(jī)器人單元和檢測(cè)設(shè)備。本文以FANUC系統(tǒng)的數(shù)控銑削設(shè)備為例，介紹如何實(shí)現(xiàn)其智能化構(gòu)建，如何針對(duì)環(huán)境變化做出適當(dāng)?shù)臎Q定，以及如何通過與其他智能設(shè)備協(xié)商來驅(qū)動(dòng)車間制造系統(tǒng)正常運(yùn)行。數(shù)控銑削設(shè)備由搭載具體的數(shù)控系統(tǒng)的本體組成之外，相應(yīng)的會(huì)為其配套工件緩沖區(qū)、RFID讀取器/寫入器以及傳感器，如圖3所示。

圖3 銑削設(shè)備及其配套輔助設(shè)備Fig.3 Milling equipment and auxiliary equipment

在該銑削設(shè)備中，銑床的CNC、緩沖區(qū)的單片機(jī)控制器和RFID讀寫器控制器均連接到用作控制的嵌入式工控機(jī)中。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 構(gòu)建加工設(shè)備適配層

適配層是根據(jù)車間內(nèi)不同類型的加工設(shè)備而構(gòu)建的統(tǒng)一控制、采集、交互程序的集合，其中包括控制層、監(jiān)測(cè)層以及基本的信息交互層，如圖4所示?？刂茖映袚?dān)對(duì)設(shè)備最基本的控制方式，包括NC代碼的執(zhí)行、夾具的開合等；監(jiān)測(cè)層主要負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)床當(dāng)前狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，包括加工狀態(tài)、機(jī)床報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；信息交互層則是對(duì)機(jī)床自身的信息傳遞，包括NC代碼傳輸和傳遞設(shè)備的狀態(tài)信息。

以本文中提到的FANUC 0i CNC系統(tǒng)的數(shù)控銑床為例，來說明如何構(gòu)建適配層。可從官方渠道獲得相關(guān)FOCAS協(xié)議的軟件SDK開發(fā)包，該開發(fā)包用于實(shí)現(xiàn)FANUC 0i系統(tǒng)中的內(nèi)部寄存器基本讀寫功能。基于SDK中的API函數(shù)，根據(jù)圖5所示的結(jié)構(gòu)開發(fā)了采用FANUC的CNC系統(tǒng)的鏈接庫(kù)，并將其封裝到相應(yīng)的DLL中。CNC系統(tǒng)的鏈接庫(kù)可分為3個(gè)塊，即CNC控制塊、CNC狀態(tài)監(jiān)視塊和NC程序上傳/下載塊，分別與圖4中的基礎(chǔ)組成相對(duì)應(yīng)。

圖4 適配層基本組成Fig.4 Basic composition of adaptation-layer

CNC控制塊和CNC狀態(tài)監(jiān)視塊始終通過讀取或?qū)懭隒NC中的寄存器值來控制和監(jiān)視機(jī)床動(dòng)作。作者團(tuán)隊(duì)總結(jié)了通用CNC機(jī)床的動(dòng)作，如夾具開合、安全門開關(guān)和NC程序啟動(dòng)與停止等，同時(shí)還保留了一部分寄存器來控制或記錄這些機(jī)床運(yùn)動(dòng)信息。寄存器的名稱和狀態(tài)位存放在配置文件中，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)加載。相關(guān)的寄存器地址及其對(duì)應(yīng)的值已在配置文件中預(yù)設(shè)，如圖5所示，其中FANUC 0i中的R0998.0寄存器點(diǎn)用于NC程序啟動(dòng)執(zhí)行。同時(shí)，在必要的控制情況下，需要在CNC系統(tǒng)中修改梯形圖邏輯編程語言（LAD），以在LAD和適配層之間建立邏輯連接。

圖5 鏈接庫(kù)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of link library

通常，適配層的構(gòu)建是總結(jié)和歸納的過程。如果適配層已包含連接到設(shè)備的DLL鏈接庫(kù)程序文件，則該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)即插即用，用于基本的智能化構(gòu)建設(shè)備的制造系統(tǒng)中。到目前為止，作者團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為幾種型號(hào)的CNC和數(shù)十種型號(hào)的PLC設(shè)計(jì)了適配層解決方案，涵蓋了國(guó)內(nèi)工廠常用的控制系統(tǒng)。

2.2 建立智能分析層

加工設(shè)備的智能分析層可分為兩部分：一部分是與當(dāng)前環(huán)境狀況相關(guān)的加工任務(wù)信息（如正在加工的工件狀態(tài)、待處理任務(wù)的信息）；另一部分是設(shè)備本身的動(dòng)作信息，包括何時(shí)打開門、何時(shí)啟動(dòng)程序、當(dāng)前任務(wù)完成所需時(shí)間以及使用夾具狀況、使用刀具信息和選擇具體的NC程序等。

對(duì)于第1部分，主要考慮是否可以接受當(dāng)前正在進(jìn)行加工工件的下一個(gè)工藝步驟，是否適合自加載，是否會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)等。最終實(shí)現(xiàn)合理的任務(wù)分配，以便設(shè)備負(fù)載趨于平衡，并確保工件的交貨期。單個(gè)加工設(shè)備無法決定最終的任務(wù)分配，只有通過智能加工設(shè)備之間的交互和協(xié)商，才能確定該設(shè)備的任務(wù)，并且還需要一些代理功能來提供幫助。在實(shí)際加工環(huán)境下，加工設(shè)備的狀態(tài)設(shè)置為MA，可以使用以下消息集表示。

MA= {，fix，Bf，Vg}

消息1：∈M代表加工設(shè)備的類型。其中，M為一組加工設(shè)備類型定義，M={m1，m2，…，mJ}。

消息2：fix代表當(dāng)前的夾具。如果它與工藝步驟中使用的夾具不同，則將具體的工裝信息發(fā)送給相應(yīng)的管理人員以更換設(shè)備的夾具。

消息3：Bf={x1，x2，…，xN1}用于記錄緩沖區(qū)中工件的狀態(tài)。N1表示緩沖區(qū)的大小?？梢酝ㄟ^函數(shù)式（1）獲取緩沖區(qū)中工件的狀態(tài)，對(duì)于空閑緩沖區(qū)則設(shè)置為0。

消息4：Vg={Vg1，Vg2，…，VgN2}是一組變量，用于記錄設(shè)備運(yùn)行時(shí)的信息，如加工設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，加工設(shè)備等待時(shí)間和加工設(shè)備負(fù)載等。其中的變量根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，N2代表變量的個(gè)數(shù)。以每個(gè)加工設(shè)備的負(fù)載為例，公式（2）和（3）分別描述了如何計(jì)算加工設(shè)備的輸入和輸出負(fù)載。

對(duì)于第2部分，在確定加工任務(wù)序列的前提下，通過對(duì)相關(guān)任務(wù)信息的分析，保證加工設(shè)備自身操作的準(zhǔn)確性。不僅需要完成一般的動(dòng)作（如AGV到達(dá)時(shí)接收托盤操作，需要取出工件時(shí)打開門操作），而且還需要與加工設(shè)備相對(duì)應(yīng)輔助設(shè)備的一些特殊的操作。某些操作是由規(guī)則驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)性操作，這些規(guī)則使用“if–then”結(jié)構(gòu)在相應(yīng)的配置表中配置，并且某些操作很特殊，內(nèi)容不清楚，有必要通過分析當(dāng)前條件來確定這些操作的內(nèi)容。對(duì)于加工設(shè)備，加工動(dòng)作是特殊操作的基本動(dòng)作。在這種情況下，加工設(shè)備需要加工不同類型的工件，即使是相同類型的工件，不同加工任務(wù)情況下的加工時(shí)間也不同。同時(shí)，在更改任務(wù)時(shí)需要重新生成NC代碼。該過程如圖6所示。

當(dāng)運(yùn)載工件的托盤到達(dá)緩沖區(qū)時(shí)，RFID讀取器獲取有關(guān)存儲(chǔ)在RFID標(biāo)簽中的任務(wù)ID和工藝矩陣的信息，信息格式如圖7所示。任務(wù)工件可以抽象為特定的數(shù)學(xué)模型以標(biāo)準(zhǔn)化其定義，以下符號(hào)描述了在模型中用于任務(wù)工件信息的索引和參數(shù)。

圖7 存儲(chǔ)在RFID標(biāo)簽中的任務(wù)工件的描述信息Fig.7 Description of task artifact stored in RFID tag

零件類型集定義為：P={p1，p2，…，pK}。

運(yùn)輸設(shè)備的集合定義為：E={e1，e2，…，eH}。

第i個(gè)加工任務(wù)設(shè)置為pi，可以使用以下消息集表示：

pi={pk，dpi，VPi，EPi，CPi，OPi}

消息1：Ek∈P代表當(dāng)前待加工任務(wù)工件的類型。

消息2：dpi代表成品交貨日期，它是加工任務(wù)的限制時(shí)間。

通過讀取到的信息，可以獲得消息集。夾具是否需要更換可以由EPi的值確定?？梢酝ㄟ^VPi和OPi的值來分析當(dāng)前需要加工的類型。此外，可以從一組CPi中提取當(dāng)前加工的參數(shù)值。在這種情況下，加工的類型是常量，因此可以總結(jié)出常規(guī)算法并將其用于生成相應(yīng)的NC程序。在該算法中，加工形狀特征和相應(yīng)的參數(shù)值用作輸入變量。

在圖6所示的示例中，通過分析工件消息集，由加工設(shè)備的智能分析層分析結(jié)果可知需要在板類工件上加工直徑為30mm和深度為3mm的兩個(gè)孔。然后，使用指定的常規(guī)算法生成相應(yīng)的NC代碼，并通過適配層將其傳輸?shù)紺NC系統(tǒng)。

圖6 通過RFID信息自動(dòng)處理Fig.6 Automatic processing through RFID information

通常，將相應(yīng)的控制算法與軟件寫入嵌入式計(jì)算機(jī)中，它為加工設(shè)備提供了智能化處理功能，并使設(shè)備成為可以對(duì)環(huán)境變化做出正確反應(yīng)的獨(dú)立個(gè)體。最終，這些獨(dú)立的個(gè)體可以驅(qū)動(dòng)加工設(shè)備間交互完成加工任務(wù)。

2.3 定義加工設(shè)備與其他設(shè)備交互方式

2.3.1 正常加工下的交互方法

加工設(shè)備與制造系統(tǒng)中其他設(shè)備交互主要目的是協(xié)商完成任務(wù)分配和工件加工，如圖8所示。與機(jī)械手之間的交互主要體現(xiàn)在執(zhí)行加工任務(wù)過程中。加工開始前機(jī)械手查詢加工設(shè)備是否準(zhǔn)備完成以及安全門與夾具是否為打開狀態(tài)，查詢狀態(tài)合理后，機(jī)械手則將待加工工件的毛坯放置在加工設(shè)備內(nèi)并發(fā)送送料完成信息；加工設(shè)備接收到送料完成狀態(tài)之后則開始進(jìn)行加工；加工完成以后，機(jī)械手獲取任務(wù)完成信息，取出成品工件，機(jī)械手與機(jī)床恢復(fù)至初始的準(zhǔn)備完成狀態(tài)。

圖8 加工設(shè)備與其他設(shè)備交互功能邏輯圖Fig.8 Logical diagram of interaction between processing equipment and other equipment

加工設(shè)備與其他設(shè)備交互采用的是改進(jìn)合同網(wǎng)協(xié)議交互模型，每當(dāng)招標(biāo)書到達(dá)后，加工設(shè)備會(huì)從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢自身狀態(tài)、當(dāng)前任務(wù)、緩存等信息，封裝成投標(biāo)書，發(fā)送給招標(biāo)發(fā)起方。每當(dāng)收到競(jìng)標(biāo)成功的通知，意味著加工設(shè)備將有新的加工任務(wù)，加工設(shè)備會(huì)將任務(wù)放入待加工列表中等待加工，并將相應(yīng)緩沖區(qū)設(shè)置為等待狀態(tài)。加工設(shè)備同時(shí)需要負(fù)責(zé)加工工件，當(dāng)工件加工完成后，需要判斷所有工序是否完成加工，如果完成了則需通知倉(cāng)庫(kù)執(zhí)行成品入庫(kù)，否則加工設(shè)備需要針對(duì)下一道工序向其他設(shè)備發(fā)布任務(wù)，確定任務(wù)接收方后，由AGV將工件送至相應(yīng)加工設(shè)備處。

2.3.2 設(shè)備故障的處理

車間設(shè)備故障通?？梢苑譃橥ㄐ殴收虾头峭ㄐ殴收蟽煞N，設(shè)備發(fā)生通信故障時(shí)無法主動(dòng)與系統(tǒng)中其他設(shè)備協(xié)商，緩存的任務(wù)無法處理。為了解決這種問題，提出圖9所示的故障處理策略，有效應(yīng)對(duì)兩種故障的發(fā)生。

圖9 故障處理策略Fig.9 Trouble shooting strategy

每當(dāng)加工設(shè)備獲取加工任務(wù)時(shí)，會(huì)將當(dāng)前自身的狀態(tài)與任務(wù)信息發(fā)送至系統(tǒng)中的其他設(shè)備，其他設(shè)備接受有效信息后進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。加工結(jié)束后，系統(tǒng)中其他設(shè)備會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)調(diào)整。當(dāng)設(shè)備發(fā)生非通信故障時(shí)，主動(dòng)告知其他加工設(shè)備它的故障情況；對(duì)于設(shè)備的通信故障，由于加工設(shè)備會(huì)存在無響應(yīng)的狀態(tài)，系統(tǒng)中其他設(shè)備會(huì)主動(dòng)感知。當(dāng)感知到加工設(shè)備出現(xiàn)故障以后，感知到故障的設(shè)備會(huì)將之前記錄的狀態(tài)信息發(fā)送給任務(wù)發(fā)起方，告知發(fā)起方需要重新發(fā)布加工任務(wù)。

3 智能加工設(shè)備運(yùn)行試驗(yàn)

離散制造車間實(shí)驗(yàn)室由以下系統(tǒng)組成：倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、加工系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)、仿真試驗(yàn)平臺(tái)，如圖10所示。其中，倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)由1個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)組成，主要負(fù)責(zé)工件的出入庫(kù)操作。加工系統(tǒng)包括2臺(tái)數(shù)控車床、2臺(tái)數(shù)控銑床和2臺(tái)加工中心，均已進(jìn)行智能化的構(gòu)建。運(yùn)輸系統(tǒng)包括2臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)引小車和2個(gè)七自由度機(jī)械臂手，主要負(fù)責(zé)物料的運(yùn)輸和搬運(yùn)。

圖10 離散制造車間仿真試驗(yàn)平臺(tái)布局圖Fig.10 Layout diagram of simulation experiment platform for discrete manufacturing workshop

圖11（a）為軸類零件，試驗(yàn)中加工路線為“車–車–銑”；圖11（b）為法蘭類零件，試驗(yàn)中加工路線為“車–銑–鉆”；圖11（c）為平板類零件，加工時(shí)在固定位置銑出用戶上傳圖案，試驗(yàn)中加工路線為“銑”。

圖11 定制產(chǎn)品類型Fig.11 Custom product type

實(shí)際驗(yàn)證過程中，根據(jù)表1按照時(shí)間順序，下放一組訂單，每次試驗(yàn)具有可對(duì)比性，同一訂單在不同試驗(yàn)中，參數(shù)保持一致性。

表1 按時(shí)間順序提交的一組訂單Table 1 A set of orders submitted in chronological order

3.1 傳統(tǒng)加工設(shè)備與智能化加工設(shè)備對(duì)比

對(duì)于本文所設(shè)置的試驗(yàn)，使用傳統(tǒng)的加工設(shè)備完成的訂單任務(wù)的甘特圖如圖12所示，其完成這組試驗(yàn)的總時(shí)間與總負(fù)載分別是425和1607；使用智能化的加工設(shè)備完成訂單任務(wù)的甘特圖如圖13所示，其完成總時(shí)間與總負(fù)載分別是411和1408；對(duì)比可以看出，相比傳統(tǒng)加工設(shè)備，使用智能化加工設(shè)備的效率指標(biāo)提升，負(fù)載量也有明顯的下降。

圖12 傳統(tǒng)的加工設(shè)備完成訂單任務(wù)甘特圖Fig.12 Gantt chart of traditional processing equipment to complete order task

圖13 智能化的加工設(shè)備完成訂單任務(wù)的甘特圖Fig.13 Gantt chart of intelligent processing equipment to complete order task

3.2 故障試驗(yàn)

在進(jìn)行智能化加工設(shè)備完成訂單任務(wù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，模擬加工過程中設(shè)備出現(xiàn)故障的情況，試驗(yàn)甘特圖如圖14所示。在時(shí)間為170時(shí)將機(jī)床M2連接到交換機(jī)上的網(wǎng)線拔下，造成M2通信故障，在時(shí)間為220時(shí)將機(jī)床M2的通信恢復(fù)正常。故障發(fā)生時(shí)刻，O18號(hào)訂單正在加工，O10號(hào)訂單加工完成但沒有及時(shí)被運(yùn)走。其他加工設(shè)備感知到機(jī)床M2通信故障，從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取M2當(dāng)前所有任務(wù)訂單，將O10號(hào)和O18號(hào)訂單發(fā)給訂單發(fā)起方。M2通信故障恢復(fù)后，繼續(xù)參與任務(wù)協(xié)商招標(biāo)及訂單加工。

圖14 模擬設(shè)備故障下的一組任務(wù)甘特圖Fig.14 Gantt chart of a set of tasks when simulating equipment failure

4 結(jié)論

本文以離散制造車間中的加工設(shè)備為對(duì)象，結(jié)合物聯(lián)制造技術(shù)，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的需求，提出了一種智能加工設(shè)備的構(gòu)建方法。在分析智能加工設(shè)備體系結(jié)構(gòu)后，通過3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)論述如何構(gòu)建面向多種類型數(shù)控系統(tǒng)的智能加工設(shè)備；構(gòu)建設(shè)備的適配層是構(gòu)建智能加工設(shè)備的基礎(chǔ)，通過開發(fā)適配層中的控制、監(jiān)測(cè)以及NC傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的基本運(yùn)動(dòng)控制與數(shù)據(jù)獲取功能；結(jié)合設(shè)備外部環(huán)境與自身狀況信息，構(gòu)建設(shè)備的智能分析層，以實(shí)現(xiàn)合理的任務(wù)分配，以便設(shè)備負(fù)載趨于平衡，并確保工件的交貨期；定義設(shè)備間交互方式，讓設(shè)備具備與其他設(shè)備交流的能力，實(shí)現(xiàn)與整個(gè)制造系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，確保準(zhǔn)確高效地完成加工任務(wù)。最后本文將理論研究成果應(yīng)用于離散制造車間實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)該構(gòu)建方法的可行性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，通過該構(gòu)建的加工設(shè)備，在相同訂單下加工效率得到提升，總負(fù)載實(shí)現(xiàn)平衡；同時(shí)在故障情況下，依托于制造系統(tǒng)中其他設(shè)備交互與自身智能分析，合理實(shí)現(xiàn)任務(wù)的重新分配。

需要注意的是，對(duì)于不同的數(shù)控系統(tǒng)，其內(nèi)部的控制器的控制方式不同，但基本構(gòu)建思路一樣；同時(shí)因?yàn)閷?shí)時(shí)信息交互的安全性和準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)大量處理等問題都會(huì)影響加工設(shè)備的執(zhí)行，所以智能設(shè)備工業(yè)環(huán)境下需要信息通信和大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的支撐發(fā)展。