数控机床及其HCPS模型
2022-09-20 来源： 智造苑
从系统构造上看，智能制造始终都是由生产者（human）、信息（cyber）和机械物理系统（physical）构成，即HCPS。2017年年底，中国工程院提出了智能制造的3个基本范式：数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造——智能制造。依照智能制造的3个范式和机床的发展历程，机床从传统的手动操作机床向智能机床演化同样可以分为3个阶段：数字化+机床（numerical control machine tool，NCMT），即数控机床；互联网+数控机床（smart machine tool，SMT），即互联网机床；人工智能+互联网+数控机床，即智能机床（intelligent machine tool，IMT）。
第一个阶段是数控机床。其主要特征是：在人和手动机床之间增加了数控系统，人的体力劳动交由数控系统完成。
第二个阶段是互联网+机床。其主要特征是网络化等信息技术与数控机床的融合，赋予机床感知和连接能力，人的部分感知能力和部分知识赋予型脑力劳动交由数控系统完成。
第三个阶段是智能机床。其主要特征是：人工智能技术融入数控机床，赋予机床学习的能力，可生成并积累知识。人的知识学习型脑力劳动交由数控系统完成。
基于对数控机床发展阶段的分析，本文从智能化的视角对普通机床到智能机床的演化过程进行了梳理，并联系智能制造的发展，阐述各阶段对应的HCPS模型。
「1. 数控机床及其HCPS1.0模型」
200多万年前，人类就会制造和使用工具。从石器时代到青铜器时代、再到铁器时代，这种主要依靠人力和畜力为主要动力并使用简易工具的生产系统一直持续了百万年。以蒸汽机的发明为标志的动力革命引发了第一次工业革命，以电机的发明为标志的动力革命引发了第二次工业革命，人类不断发明、创造与改进各种动力机器并使用它们来制造各种工业品，这种由人和机器所组成的制造系统大量替代了人的体力劳动，大大提高了制造的质量和效率，社会生产力得以极大提高。
这些制造系统由人和物理系统（如机器）两大部分所组成，因此称为人-物理系统（human-physical systems，HPS）。其中，物理系统（physical systems）——P是主体，工作任务是通过物理系统完成的；而人（human）——H则是主宰和主导，人是物理系统的创造者，同时又是物理系统的使用者，完成工作任务所需的感知、学习认知、分析决策与控制操作等均由人来完成。
手动机床（manually operated machine tool，MOMT）是机床的最初形态，它是人和机床物理系统的融合。操作者通过人脑的感知和决策，用双手操控机床，完成零件加工。手动机床的加工过程完全由人完成信息感知、分析、决策和操作控制，构成了典型的HPS。手动机床控制原理的抽象描述如图1所示。
第二个阶段是互联网+机床。其主要特征是网络化等信息技术与数控机床的融合，赋予机床感知和连接能力，人的部分感知能力和部分知识赋予型脑力劳动交由数控系统完成。
第三个阶段是智能机床。其主要特征是：人工智能技术融入数控机床，赋予机床学习的能力，可生成并积累知识。人的知识学习型脑力劳动交由数控系统完成。
基于对数控机床发展阶段的分析，本文从智能化的视角对普通机床到智能机床的演化过程进行了梳理，并联系智能制造的发展，阐述各阶段对应的HCPS模型。
「1. 数控机床及其HCPS1.0模型」
200多万年前，人类就会制造和使用工具。从石器时代到青铜器时代、再到铁器时代，这种主要依靠人力和畜力为主要动力并使用简易工具的生产系统一直持续了百万年。以蒸汽机的发明为标志的动力革命引发了第一次工业革命，以电机的发明为标志的动力革命引发了第二次工业革命，人类不断发明、创造与改进各种动力机器并使用它们来制造各种工业品，这种由人和机器所组成的制造系统大量替代了人的体力劳动，大大提高了制造的质量和效率，社会生产力得以极大提高。
这些制造系统由人和物理系统（如机器）两大部分所组成，因此称为人-物理系统（human-physical systems，HPS）。其中，物理系统（physical systems）——P是主体，工作任务是通过物理系统完成的；而人（human）——H则是主宰和主导，人是物理系统的创造者，同时又是物理系统的使用者，完成工作任务所需的感知、学习认知、分析决策与控制操作等均由人来完成。
手动机床（manually operated machine tool，MOMT）是机床的最初形态，它是人和机床物理系统的融合。操作者通过人脑的感知和决策，用双手操控机床，完成零件加工。手动机床的加工过程完全由人完成信息感知、分析、决策和操作控制，构成了典型的HPS。手动机床控制原理的抽象描述如图1所示。
图1 手动机床控制原理的抽象描述
（a）手动机床控制原理；（b）手动机床构成的“人-机系统”（HPS）
20世纪中叶以后，随着制造业对于技术进步的强烈需求，以及计算机、通信和数字控制等信息化技术的发明和广泛应用，制造系统进入了数字化制造（digital manufacturing）时代。与传统制造相比，数字化制造最本质的变化是在人和物理系统之间增加了一个信息系统（cyber system）——C，从原来的“人-物理”二元系统发展成为“人-信息-物理”三元系统。信息系统是由软件和硬件组成的系统，其主要作用是对输入的信息进行各种计算分析，并代替操作者去控制物理系统完成工作任务。
数控机床是“人-信息-机系统”（human-cyber-physical systems，HCPS），即在“人”和“机”之间增加了一个信息系统。数控机床控制原理的抽象描述如图2所示。与手动机床相比，数控机床发生的本质变化是：在人和机床物理实体之间增加了数控系统。数控系统在机床的加工过程中发挥着重要作用。数控系统替代了人的体力劳动，控制机床完成加工任务。
图2 数控机床控制原理的抽象描述
（a）数控机床控制原理；（b）数控机床的“人-信息-机系统”（HCPS）
增加数控系统后，机床的计算分析、精确控制以及感知能力等都得到极大的提高，其结果是：一方面，制造系统的自动化程度、工作效率、质量与稳定性以及解决复杂问题的能力等各方面均得以显著提升；另一方面，不仅操作人员的体力劳动强度进一步降低，更重要的是，人类的部分脑力劳动也可由信息系统完成，知识的传播利用以及传承效率都得以有效提高。
但由于这个阶段的数控机床只是通过G代码来实现刀具、工件的轨迹控制，缺乏对机床实际加工状态（如切削力、惯性力、摩擦力、振动、切削力、热变形，以及环境变化等）的感知、反馈和学习建模的能力，导致实际路径可能偏离理论路径等问题，影响了加工精度、表面质量和生产效率。因此，传统的数控机床的智能化程度并不高，我们认为该阶段为数控机床HCPS的初级发展阶段（简称HCPS1.0）。
「2. 互联网+机床及其HCPS1.5模型」
20世纪末，互联网技术快速发展并得到广泛普及和应用，推动制造业从数字化制造向数字化网络化制造。数字化网络化制造本质上是“互联网+数字化制造”，可定义为“互联网+”制造，亦可定义为第二代智能制造。数字化网络化制造系统仍然是基于人、信息系统、物理系统三部分组成的HCPS，但这三部分相对于面向数字化制造的HCPS1.0均发生了根本性的变化，故而面向数字化网络化制造的HCPS可定义为HCPS1.5。最大的变化在于信息系统：互联网和云平台成为信息系统的重要组成部分，既连接信息系统各部分，又连接物理系统各部分，还连接人，是系统集成的工具；信息互通与协同集成优化成为了信息系统的重要内容。同时，HCPS1.5中的人已经延伸成为由网络连接起来的共同进行价值创造的群体，涉及企业内部、供应链、销售服务链和客户，使制造业的产业模式从以产品为中心向以客户为中心转变，产业形态从生产型制造向生产服务型制造转变。
“互联网+传感器”为互联网+机床的特征，它是典型的HCPS1.5，它主要解决了数控机床感知能力不够和信息难以连接互通的问题。
目前互联网、物联网、智能传感技术开始应用到数控机床的远程服务、状态监控、故障诊断、维护管理等方面，国内外机床企业开展了一定的研究和实践。Mazak公司、Okuma（大隈）公司、DMG-MORI（德玛吉）公司、FANUC公司、沈阳机床股份有限公司等纷纷推出了各自的“互联网+”机床。
与数控机床相比，互联网+机床增加了传感器，增强了对加工状态感知能力；应用工业互联网进行设备的连接互通，实现机床状态数据的采集和汇聚；对采集到的数据进行分析与处理，实现机床加工过程的实时或非实时的反馈控制。互联网+机床控制原理的抽象描述如图3所示。
图3 互联网+机床控制原理的抽象描述
（a）互联网+机床控制原理；（b）数字化网络化制造系统“人-信息-机系统”
互联网+机床具有一定的智能化水平，主要体现在：
（1）网络化技术和数控机床不断融合。2006年，美国机械制造技术协会（AMT）提出了MT-Connect协议，用于机床设备的互联互通。2018年，德国机床制造商协会（VDW）基于通信规范OPC统一架构（UA）的信息模型，制定了德国版的数控机床互联通信协议Umati。华中数控联合国内数控系统企业，提出数控机床互联通信协议NC-Link，实现了制造过程中工艺参数、设备状态、业务流程、跨媒体信息以及制造过程信息流的传输。
（2）制造系统开始向平台化发展。国外公司相继推出大数据处理的技术平台。GE公司推出面向制造业的工业互联网平台Predix，西门子发布了开放的工业云平台Mindsphere；华中数控率先推出了数控系统云服务平台，为数控系统的二次开发提供标准化开发和工艺模块集成方法。当前，这些平台主要停留在工业互联网、大数据、云计算技术层面上，随着智能化技术的发展，其呈现出应用到机床上的潜力与趋势。
（3）智能化功能初步呈现。国外，2006年，日本Mazak公司展出了具有四项智能功能的数控机床，包括主动振动控制、智能热屏障、智能安全屏障、语音提示。DMG MORI公司推出了CELOS应用程序扩展开放环境。FANUC公司开发了智能自适应控制、智能负载表、智能主轴加减速、智能热控制等智能机床控制技术。Heidenhain公司的TNC640数控系统具有高速轮廓铣削、动态监测、动态高精等智能化功能。国内的华中数控HNC-8数控系统集成了工艺参数优化、误差补偿、断刀监测、机床健康保障等智能化功能。
尽管“互联网+机床”已经发展了数十年，取得了一定的研究和实践成果，但到目前为止，只是实现了一些简单的感知、分析、反馈、控制，远没有达到完全替代人类脑力劳动的水平。由于过于依赖人类专家进行理论建模和数据分析，机床缺乏真正的智能，导致知识的积累艰难而缓慢，且技术的适应性和有效性不足。其根本原因在于机床自主学习、生成知识的能力尚未取得实质性突破。
「3. 智能机床及其HCPS2.0模型」
21世纪以来，移动互联网、大数据、云计算、物联网等信息技术日新月异、飞速发展，形成了群体性跨越。这些技术进步，集中汇聚在人工智能技术的战略性突破，其本质特征是具备了知识的生成、积累和运用的能力。人工智能与先进制造技术深度融合所形成的新一代智能制造技术，成为新一轮工业革命的核心驱动力，也为机床发展到智能机床，实现真正的智能化提供了重大机遇。
智能机床是在新一代信息技术的基础上，应用新一代人工智能技术和先进制造技术深度融合的机床，它利用自主感知与连接获取机床、加工、工况、环境有关的信息，通过自主学习与建模生成知识，并能应用这些知识进行自主优化与决策，完成自主控制与执行，实现加工制造过程的优质、高效、安全、可靠和低耗的多目标优化运行。其相对于面向数字化网络化制造的互联网+机床，又发生了本质性变化，因此智能机床可定义为HCPS2.0，如图4所示。
图4 智能机床定义
1）智能机床的特点
与数控机床、互联网+机床相比，智能机床在硬件、软件、交互方式、控制指令、知识获取等方面都有很大区别，具体见表1。
表1 数控机床、互联网+机床与智能机床
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技术/方法
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NCMT
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SMT
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IMT
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硬件
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CPU
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CPU
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CPU+GPU或NPU（AI芯片）
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软件
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应用软件
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应用软件+云+APP开发环境
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应用软件+云+APP开发环境+新一代人工智能
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开发平台
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数控系统二次开发平台
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数控系统二次开发平台+数据汇聚平台
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数控系统二次开发平台+数据汇聚与分析平台+新一代人工智能算法平台
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信息共享
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机床信息孤岛
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机床+网络+云+移动端
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机床+网络+云+移动端
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数据接口
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内部总线
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内部总线+外部互联协议+移动互联网
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内部总线+外部互联协议+移动互联网+模型级的数字孪生
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数据
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数据
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数据
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大数据
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机床功能
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固化功能
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固化功能+部分APP
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固化功能+灵活扩展的智能APP
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交互方式
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机床Local端
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Local、Cyber、Mobile端
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Local、Cyber、Mobile端
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分析方法
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时域信号分析+数据模板
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指令域大数据分析+新一代人工智能算法
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控制指令
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G代码：加工轨迹几何描述
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G代码：加工轨迹几何描述
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G代码+智能控制i代码
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知识
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人工调节
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人赋知识
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自主生成知识、人-机、机-机知识融合共享
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智能机床相对于互联网+机床最重要的变化发生在起主导作用的信息系统：信息系统增加了基于新一代人工智能技术的学习认知部分，不仅具有更加强大的感知、决策与控制的能力，更具有学习认知、产生知识的能力，即拥有真正意义上的“人工智能”；信息系统中的“知识库”是由人和信息系统自身的学习认知系统共同建立，它不仅包含人输入的各种知识，更重要的是包含着信息系统自身学习得到的知识，尤其是那些人类难以精确描述与处理的知识，知识库可以在使用过程中通过不断学习而不断积累、不断完善、不断优化。这样，人和信息系统的关系发生了根本性的变化，即从“授之以鱼”变成了“授之以渔”。
2）智能机床主要的智能化功能特征
不同智能机床的功能千差万别，但其追求的目标是一致的：高精、高效、安全、可靠与低耗。机床的智能化功能也围绕上述四个目标，可分为质量提升、工艺优化、健康保障、生产管理四大类。
（1）质量提升：提高加工精度和表面质量。提高加工精度是驱动机床发展的首要动力。为此，智能机床应具有加工质量保障和提升功能，可包括：机床空间几何误差补偿、热误差补偿、运动轨迹动态误差预测与补偿、双码联控曲面高精加工、精度/表面光顺优先的数控系统参数优化等功能。
（2）工艺优化：提高加工效率。工艺优化主要是根据机床自身物理属性和切削动态特性进行加工参数自适应调整（如进给率优化、主轴转速优化等）以实现特定的目的，如质量优先、效率优先和机床保护。其具体功能可包括：自学习/自生长加工工艺数据库、工艺系统响应建模、智能工艺响应预测、基于切削负载的加工工艺参数评估与优化、加工振动自动检测与自适应控制等。
（3）健康保障：保证设备完好、安全。机床健康保障主要解决机床寿命预测和健康管理问题，目的是实现机床的高效可靠运行。智能机床具有机床整体和部件级健康状态指示，以及健康保障功能开发工具箱。其具体功能可包括：主轴/进给轴智能维护、机床健康状态检测与预测性维护、机床可靠性统计评估与预测、维修知识共享与自学习等。
（4）生产管理：提高管理和使用操作效率。生产管理类智能化功能主要实现机床加工过程的优化及整个制造过程的低耗（时间和资源）。智能机床的生产管理类智能化功能主要分为机床状态监控、智能生产管理和机床操控这几类。其具体功能可包括：加工状态（断刀、切屑缠绕）智能判断、刀具磨损/破损智能检测、刀具寿命智能管理、刀具/夹具及工件身份ID与状态智能管理、辅助装置低碳智能控制等。
3）智能机床中“人”的作用
以智能机床为代表的HCPS2.0，引入了人工智能技术，机器将代替人部分学习型脑力劳动并完成决策，但并不意味着人的在制造系统中的作用变得不重要，反而进一步突出了人的中心地位：人作为制造系统创造者和操作者的能力和水平将极大提高，人类智慧的潜能将得以极大释放，社会生产力将得以极大解放。知识工程将使人类从大量脑力劳动和更多体力劳动中解放出来，人类可以从事更有价值的创造性工作。
2）智能机床主要的智能化功能特征
不同智能机床的功能千差万别，但其追求的目标是一致的：高精、高效、安全、可靠与低耗。机床的智能化功能也围绕上述四个目标，可分为质量提升、工艺优化、健康保障、生产管理四大类。
（1）质量提升：提高加工精度和表面质量。提高加工精度是驱动机床发展的首要动力。为此，智能机床应具有加工质量保障和提升功能，可包括：机床空间几何误差补偿、热误差补偿、运动轨迹动态误差预测与补偿、双码联控曲面高精加工、精度/表面光顺优先的数控系统参数优化等功能。
（2）工艺优化：提高加工效率。工艺优化主要是根据机床自身物理属性和切削动态特性进行加工参数自适应调整（如进给率优化、主轴转速优化等）以实现特定的目的，如质量优先、效率优先和机床保护。其具体功能可包括：自学习/自生长加工工艺数据库、工艺系统响应建模、智能工艺响应预测、基于切削负载的加工工艺参数评估与优化、加工振动自动检测与自适应控制等。
（3）健康保障：保证设备完好、安全。机床健康保障主要解决机床寿命预测和健康管理问题，目的是实现机床的高效可靠运行。智能机床具有机床整体和部件级健康状态指示，以及健康保障功能开发工具箱。其具体功能可包括：主轴/进给轴智能维护、机床健康状态检测与预测性维护、机床可靠性统计评估与预测、维修知识共享与自学习等。
（4）生产管理：提高管理和使用操作效率。生产管理类智能化功能主要实现机床加工过程的优化及整个制造过程的低耗（时间和资源）。智能机床的生产管理类智能化功能主要分为机床状态监控、智能生产管理和机床操控这几类。其具体功能可包括：加工状态（断刀、切屑缠绕）智能判断、刀具磨损/破损智能检测、刀具寿命智能管理、刀具/夹具及工件身份ID与状态智能管理、辅助装置低碳智能控制等。
3）智能机床中“人”的作用
以智能机床为代表的HCPS2.0，引入了人工智能技术，机器将代替人部分学习型脑力劳动并完成决策，但并不意味着人的在制造系统中的作用变得不重要，反而进一步突出了人的中心地位：人作为制造系统创造者和操作者的能力和水平将极大提高，人类智慧的潜能将得以极大释放，社会生产力将得以极大解放。知识工程将使人类从大量脑力劳动和更多体力劳动中解放出来，人类可以从事更有价值的创造性工作。
引自：《新一代智能化数控系统》（作者：陈吉红，杨建中，周会成）
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