01
數控機床全生命周期管理系統(tǒng)需求分析
數控機床作為國之重器、工業(yè)母機，是制造企業(yè)最基本、最重要的制造裝備，代表了國家的核心競爭力?；ヂ摼W基礎節(jié)點，是工業(yè)控制基礎信息設施、制造企業(yè)重要的物理資源。
近年來，高性能數控機床的市場需求大大增加。制約我國機床行業(yè)向高端化、智能化方向發(fā)展的因素有：①機床行業(yè)整機的零部件及附件種類繁多、結構相異、數據多源異構及數據質量參差不齊等，呈現“信息孤島”， 企業(yè)內部難以實現高效的信息化管理與數據共享；②機床行業(yè)標識解析規(guī)范不統(tǒng)一，數據封閉無法在行業(yè)內互聯互通，也無法與頂級節(jié)點互聯互通；③設備互聯互通能力差。數控機床加工現場存在多源異構設備，導致協議標準不統(tǒng)一、互不兼容，致使協議適配、協議解析和數控機床互聯互通縱向集成能力困難；④機床行業(yè)缺乏一個開放、包容的公共服務平臺，使得機床行業(yè)內企業(yè)之間缺乏優(yōu)勢互補、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系。
武漢華中數控股份有限公司建立了工業(yè)互聯網標識解析二級節(jié)點（機床行業(yè)），為機床領域的企業(yè)和用戶提供規(guī)范的標識編碼注冊和標識解析服務，作為機床行業(yè)二級節(jié)點進行建設、運營、應用和推廣，促進工業(yè)大數據的合理流通和應用。
基于上述需求分析，本文立足于數控機床智能制造高質量發(fā)展要求，面向機床行業(yè)，利用物聯網、大數據和人工智能等技術，以“機床大數據”為核心，建立機床全生命周期健康保障體系。通過標識解析體系與iNC-Cloud 工業(yè)互聯網平臺、NC-Link集成，建立數控系統(tǒng)廠、數控機床廠和終端用戶廠等多級數據中心，實現機床從采購生產、機床裝配、故障處理、常規(guī)保養(yǎng)、定期體檢和遠程運維等全生命周期管理，推進機床行業(yè)企業(yè)數字化轉型升級。
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基于標識解析技術的數控機床全生命周期管理系統(tǒng)架構
2.1 總體架構
基于標識解析技術的數控機床全生命周期管理系統(tǒng)總體架構，如圖1 所示。圍繞機床生產、制造和運行等環(huán)節(jié)中產品質量溯源難、產品過程紙質化和數據集成困難等問題，借助華中數控自主研發(fā)的面向裝備制造領域的iNC-Cloud 工業(yè)互聯網平臺、智能車間互聯通信協議NC-Link 等信息化技術，開展機床海量數據采集存儲應用分析及基于標識體系的主動標識，完成機床數據縱向集成；建立數控系統(tǒng)、機床廠和用戶廠等三級數據中心，通過從機床裝配、調試、補償、健康保障和遠程運維等技術研究，開展機床全生命周期管理系統(tǒng)的產品化研發(fā)與集成測試，提升企業(yè)對機床生產制造過程數據采集和管控分析能力，有助于打通機床功能部件研發(fā)設計、機床生產制造和用戶企業(yè)經營使用等各環(huán)節(jié)企業(yè)間協同創(chuàng)新堵點，實現企業(yè)間信息橫向集成。通過數控機床全生命周期數據橫縱向對比分析、性能反饋優(yōu)化和不斷迭代提升， 推動數控機床從“能用”到“好用”，助力數控機床功能、性能和可靠性提升。
2.2 解決方案
基于標識解析技術的數控機床全生命周期管理系統(tǒng)解決方案，如圖2 所示。以“機床全生命周期數據”為系統(tǒng)數據源驅動基礎，從數控機床及其組件中獲取準確可靠的數據源作為運營維護的數據分析基礎，通過機床全生命周期的感知數據緊密驅動，圍繞機床全生命周期制造過程，以“數控機床數字孿生”為核心指導思想，形成機床“裝配、調試、補償、健康保障和運營維護”等各階段數據采集，提升企業(yè)生產機床性能優(yōu)化反饋及產品質量。其中“裝配、調試、補償和健康保障”四位一體是圍繞機床的設計、制造階段管理，遠程運維是機床的使用、報廢階段管理，基于標識解析實現四位一體與遠程運維的橫向集成，從而實現機床全生命周期的管理。
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系統(tǒng)功能模塊
3.1 三級數據中心建設
三級數據中心包括用戶企業(yè)級、機床企業(yè)級和功能部件企業(yè)級數據中心，同時各數據中心也是工業(yè)互聯網標識解析企業(yè)節(jié)點，與二級節(jié)點（機床行業(yè)）橫向集成。
對于數控系統(tǒng)企業(yè)，建立面向機床廠和用戶廠的數據中心。通過工業(yè)互聯網，數控系統(tǒng)企業(yè)可以協助機床廠完成機床售后服務，并能夠深入用戶廠有針對性地提出深度服務，如刀具壽命優(yōu)化、主軸運轉優(yōu)化和數控系統(tǒng)智能化功能等。
對于機床生產企業(yè)，建立面向機床廠設備管理數據中心。通過工業(yè)互聯網，機床生產企業(yè)可以將其生產的機床從生產制造期間的四位一體數據，到出廠后客戶處的遠程運維數據，統(tǒng)一整合管理。及時對設備進行監(jiān)控管理，響應用戶提出的維修保養(yǎng)需求，實現機床出廠前設備質量提升和溯源管理，出廠后服務從被動響應式轉變?yōu)橹鲃雨P懷式。
對于機床用戶企業(yè)，建立機床全生命周期管理系統(tǒng)的應用驗證數據中心。用戶企業(yè)將車間視為一個邏輯單元，可以建立以車間為標準的邊緣計算平臺和企業(yè)私有數據倉。當機床發(fā)生故障時或預測性故障前，通過邊緣計算平臺將車間管理、運維管理和生產制造內部進行閉環(huán)處理，提升數字化轉型升級能力。同時，如果用戶現場不能閉環(huán)解決機床故障時，可通過運維管理中心將需要運維的設備進行專用數據外發(fā)，既保護了企業(yè)數據信息，也提升了遠程運維的互聯互通能力。
3.2 標識解析體系建設
2020 年，華中數控建立了工業(yè)互聯網標識解析二級節(jié)點（機床行業(yè)），向上對接國家頂級節(jié)點，向下對接機床行業(yè)企業(yè)節(jié)點，為機床領域的企業(yè)和用戶提供靈活的標識編碼注冊和標識解析服務。通過二級節(jié)點、數據資源、基礎技術與開放的應用服務平臺的協同，促進企業(yè)節(jié)點與標識解析二級節(jié)點機床應用服務平臺、國家頂級節(jié)點的互聯互通，其中二級節(jié)點機床應用服務平臺包括基礎設施、管理體系、功能體系和安全保障等內容。機床行業(yè)標識解析二級節(jié)點打造典型性和示范性的工業(yè)互聯網標識解析集成創(chuàng)新應用模式，包括供應鏈管理、機床設備整機和部件產品溯源等集成創(chuàng)新應用，實現設備狀態(tài)、加工工況和故障樣本等數據在脫敏情況下，在全行業(yè)內的流通和落地應用。工業(yè)互聯網標識解析二級節(jié)點（機床行業(yè)）體系架構如圖3 所示。
3.3 基于NC-Link 標準的數控機床主動標識技術
華中數控自主研發(fā)的NC-Link 協議為設備物聯的統(tǒng)一標準協議，并形成了智能工廠數控機床互聯接口規(guī)范（GB/T 41970—2022），實現異構設備/ 模塊/ 系統(tǒng)/ 平臺的互聯互通，覆蓋機床生產制造環(huán)節(jié)、功能部件和周邊傳感器，并將異構多源數據進行統(tǒng)一解析與轉換，從機床設備、傳感器終端采集到數據網關。NC-Link 協議達到統(tǒng)一接口形式、簡化設備接入和簡化應用開發(fā)的目的， 能夠很好地滿足面向多源異構數控裝備接口兼容需求。
在此基礎上，開發(fā)一款兼容國內外主流數控機床的互聯通信主動標識產品iNC-Box 數據采集網關系列產品，如圖4 所示。主要用于工業(yè)現場數控機床數據采集過程中通信協議轉換，并將數據傳輸至指定的數據網關，為客戶提供大量、高頻和低延時數據采集能力，以及一定的下行交互能力。主動標識iNC-Box 按照北向聯網方式的不同分為WLAN 版、4G 版和WiFi 版三個版本，全系支持以太網、IO 和RS485 三種南向采集方式，可以滿足各類工業(yè)現場聯網采集需求。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、廣州數控和凱恩帝等。支持的數據除機床內部數據以外，還包括振動傳感器、聲音傳感器和溫度傳感器等外接設備，將采集到數據統(tǒng)一轉譯為NC-Link 協議后傳輸至邊緣計算系統(tǒng)iNC-Edge 進行數據融合， 邊緣計算機可視作企業(yè)級數據中心基礎節(jié)點。
3.4 基于標識的機床全生命周期管理數據橫向集成
工業(yè)互聯網標識解析體系幫助機床行業(yè)企業(yè)實現功能部件、機床產品和終端用戶的對象的標識注冊和解析， 解決同類型機床功能部件/ 附件在企業(yè)之間編碼標識不統(tǒng)一的關鍵問題，實現產業(yè)鏈上下游企業(yè)間產品信息的互聯互通，同時實現機床裝備領域產業(yè)鏈上下游數據的橫向集成。如圖5 所示，圍繞標識體系，將散落在工業(yè)互聯網上的離散數據進行整合，將機床從生產、測試、裝配、調試和使用各環(huán)節(jié)數據集成打通，針對使用環(huán)節(jié)、維修環(huán)節(jié)、再制造環(huán)節(jié)和報廢回收環(huán)節(jié)，研發(fā)質量追溯管理、機床遠程運維等產品全生命周期管理的集成應用新模式， 提升機床制造過程智能化升級。
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基于標識解析技術的數控機床全生命周期管理系統(tǒng)實現
基于標識解析技術的數控機床四位一體數據，貫通圍繞機床制造過程“裝配、調試、補償和健康保障”。形成數控機床裝配質量評價體系，實現機床全生命周期數據快速有效地歸集與分析，加速發(fā)現問題- 分析問題- 解決問題的機床性能提升循環(huán)速度，從而實現對企業(yè)生產機床性能優(yōu)化的加速反饋與全面提升。如圖6、圖7 所示。
數控機床遠程運維系統(tǒng)（出廠后），如圖8 所示。主要面向數控機床系統(tǒng)廠、機床廠和用戶廠形成遠程服務維修應用的數據支持。對數控機床進行機床檔案建設、故障監(jiān)控、故障分析、故障處理、定期體檢和預測性維護等機床智能維護，為提升高端數控系統(tǒng)功能、性能和可靠性提供數據支持和應用環(huán)境。
數控機床產品全生命周期的追溯，如圖9 所示，記錄設備全生命周期（出廠、使用、維護和返修）的過程數據，形成產品全生命周期信息知識庫，為系統(tǒng)或設備的性能優(yōu)化、功能改進和運維保養(yǎng)等提供支持。
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結束語
數控機床高質量發(fā)展離不開數據驅動?；跇俗R解析技術的數控機床全生命周期管理系統(tǒng)，通過國家自主可控的NC-Link 互聯通信協議，實現行業(yè)數據縱向集成， 同時與工業(yè)互聯網標識解析二級節(jié)點（機床行業(yè)）集成， 實現行業(yè)企業(yè)節(jié)點與數據中心橫向集成。
圍繞數控機床在出廠前、出廠后的不同階段，開展機床四位一體、遠程運維等設備全生命周期管理的模式創(chuàng)新和轉變。據2022 年在用戶處統(tǒng)計，機床故障處理效率提升13%，效率和設備維修成本改善8%，用戶自主處理率達6%，專家資源復合利用提升15% 等，全面提升機床質量效率。
本文立足于機床裝備智能制造需求提高工業(yè)母機安全性能，保障國家信息安全，目前已在機械加工、電子產品、家電和能源裝備等多個行業(yè)得到成功應用，對推進整個離散行業(yè)的自動化和智能化水平，具有重大工程價值和示范效應。
