云計(jì)算在智能機(jī)床控制體系中的應(yīng)用范文

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摘要：以智能機(jī)床的控制體系為著眼點(diǎn)，通過(guò)分析機(jī)床控制系統(tǒng)的發(fā)展及所存在問(wèn)題，提出將云計(jì)算的概念與數(shù)控機(jī)床智能控制相結(jié)合是解決問(wèn)題的有效途徑。針對(duì)國(guó)內(nèi)外云計(jì)算在制造業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析得出以云計(jì)算為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和調(diào)整機(jī)床控制體系這一研究思路，具有一定的創(chuàng)新性，可以依靠云計(jì)算的本質(zhì)特點(diǎn)，構(gòu)建一種新穎的、具備云計(jì)算基本特點(diǎn)的開(kāi)放式控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)計(jì)算的壓力來(lái)對(duì)計(jì)算能力進(jìn)行配置，符合機(jī)床智能化的總體趨勢(shì)。研究提出智能機(jī)床云控制體系的概念，剖析其內(nèi)涵，并結(jié)合云計(jì)算架構(gòu)，給出控制體系設(shè)計(jì)可采取分層級(jí)、任務(wù)化、數(shù)據(jù)流控制的思路。最后，設(shè)計(jì)智能機(jī)床云控制體系的總體結(jié)構(gòu)，并研究將智能機(jī)床云控制體系的進(jìn)行分解而后依據(jù)總體框架匯總的具體實(shí)施方法。研究結(jié)果為進(jìn)一步分析在這種控制架構(gòu)下，數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、數(shù)控機(jī)床的加工精度等內(nèi)容，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性及特點(diǎn)提供了總體構(gòu)想。因此，研究結(jié)果可以為解決智能機(jī)床的系統(tǒng)集成、大數(shù)據(jù)處理、計(jì)算速度和精度以及開(kāi)放性問(wèn)題提供一定的方法論。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；智能機(jī)床；控制體系；云控制體系

0前言

控制系統(tǒng)是智能機(jī)床實(shí)現(xiàn)未來(lái)智能制造的核心決定因素，它通過(guò)對(duì)影響加工精度和效率的物理量進(jìn)行檢測(cè)、建模、提取特征，自動(dòng)感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速做出實(shí)現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對(duì)機(jī)床的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使機(jī)床的加工過(guò)程處于最佳狀態(tài)。盡管目前的機(jī)床控制系統(tǒng)正從特殊的閉環(huán)控制轉(zhuǎn)變到通用、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的閉環(huán)控制，具備了高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特征，能夠完成自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)補(bǔ)償和在線故障診斷。但是由于采用了中心式封閉體系結(jié)構(gòu)，計(jì)算能力僵化，系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有實(shí)現(xiàn)信息回路，信息到?jīng)Q策再到控制系統(tǒng)的反饋無(wú)法實(shí)時(shí)和自動(dòng)完成，加工過(guò)程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的信息和價(jià)值也沒(méi)有被充分挖掘。而在這種大數(shù)據(jù)環(huán)境下，控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)床實(shí)時(shí)的狀態(tài)估計(jì)、精確決策和穩(wěn)定控制主要取決于控制系統(tǒng)能否具有一個(gè)能夠提供所需計(jì)算能力、開(kāi)放的控制結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造由傳統(tǒng)的基于網(wǎng)絡(luò)的分布式協(xié)同設(shè)計(jì)和制造轉(zhuǎn)變?yōu)榛谠频脑O(shè)計(jì)和制造[1-3]。眾多學(xué)者對(duì)云計(jì)算在制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了前瞻性的研究,特別是SCHLECHTENDAHL研究控制系統(tǒng)作為一種服務(wù)的可能性[4]。但是由于采用的是現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)時(shí)性不能保證。沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)建立i5云制造平臺(tái)，開(kāi)拓了制造模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)+制造模式的先河。華中8型智能數(shù)控系統(tǒng)依托云計(jì)算技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高速、高精、高效的加工[5]。雖然云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)在機(jī)床控制系統(tǒng)領(lǐng)域取得了成績(jī)，但是，到目前為止，國(guó)內(nèi)外尚未開(kāi)展以云計(jì)算為基礎(chǔ)對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整的研究。因此，論文研究以智能機(jī)床的控制體系為著眼點(diǎn)，將云的思想引入到機(jī)床控制體系中，形成新的機(jī)床云控制體系。設(shè)計(jì)的核心就是將機(jī)床各種參數(shù)匯聚到參數(shù)池中，而參數(shù)池則將數(shù)據(jù)作為服務(wù)提供給所需的控制系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)為機(jī)床智能化發(fā)展提供了新的思路，實(shí)現(xiàn)機(jī)床由機(jī)械運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化向信息控制的智能化方向發(fā)展，既與國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策相契合，也符合數(shù)控機(jī)床發(fā)展的趨勢(shì)。

1機(jī)床控制系統(tǒng)發(fā)展及所存在的問(wèn)題

自二十世紀(jì)初，美國(guó)福特公司引入生產(chǎn)線開(kāi)始，到目前基于云思想的制造系統(tǒng)拓展。以市場(chǎng)為導(dǎo)向、用戶(hù)為中心的發(fā)展理念使得機(jī)床控制系統(tǒng)的功能性越來(lái)越強(qiáng)、隨需調(diào)整能力越來(lái)越強(qiáng)。作為制造系統(tǒng)的主干，機(jī)床在不斷引入新技術(shù)以提升對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。而從機(jī)床控制系統(tǒng)功能變化過(guò)程中看，除了滿(mǎn)足基本控制目標(biāo)外，機(jī)床控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)幾個(gè)方面。工作效能越來(lái)越高，資源共享、信息共享，生產(chǎn)整體的目標(biāo)性增強(qiáng)；對(duì)各種變化的適應(yīng)能力越來(lái)越強(qiáng)，特別是對(duì)市場(chǎng)、產(chǎn)品、設(shè)計(jì)等變化的響應(yīng)時(shí)間變短、過(guò)渡的較平穩(wěn)；與外界的聯(lián)系越來(lái)越緊密，設(shè)計(jì)與工廠、車(chē)間、機(jī)床之間的聯(lián)系已經(jīng)開(kāi)始形成網(wǎng)絡(luò)。近幾年，以上這些廣義上的性能提升構(gòu)成了機(jī)床控制系統(tǒng)發(fā)展的主旋律。當(dāng)前的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了多種先進(jìn)的技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合、貝耶斯估計(jì)、H∞控制、滑?？刂频鹊龋珶o(wú)論我們?cè)谠O(shè)計(jì)中應(yīng)用了何種技術(shù)，最終都要遵循控制體系結(jié)構(gòu)的要求。通過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的應(yīng)用和反復(fù)調(diào)整，簡(jiǎn)單目標(biāo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)變得非常簡(jiǎn)捷和穩(wěn)定，而復(fù)雜控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)形式變成了現(xiàn)代控制系統(tǒng)研究的重點(diǎn)，管理經(jīng)驗(yàn)、專(zhuān)家知識(shí)、智能技術(shù)、規(guī)劃技巧等在這里才能大顯身手。但是智能機(jī)床控制系統(tǒng)發(fā)展依然面臨一些系統(tǒng)性的問(wèn)題。

1.1中心式控制負(fù)擔(dān)較大

目前數(shù)控機(jī)床智能化的現(xiàn)狀可以歸結(jié)為底層控制的智能技術(shù)的應(yīng)用，整體協(xié)調(diào)依然依靠控制中心。(1)參數(shù)處理要求能力非常大，復(fù)雜系統(tǒng)的模型計(jì)算、參數(shù)估計(jì)、預(yù)測(cè)、狀態(tài)判斷等都依靠于此中心，由于采用的時(shí)序的程序，節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的能力令人堪憂(yōu)，必為控制的瓶頸。(2)控制中心依然需要參與到數(shù)據(jù)處理中，由它確認(rèn)加工狀態(tài)。(3)控制中心必須同時(shí)承擔(dān)大量計(jì)算工作，否則延時(shí)嚴(yán)重。(4)需要引入?yún)?shù)處理計(jì)算來(lái)完成大量的測(cè)量信息的處理，將處理后數(shù)據(jù)傳遞給控制中心，控制中心順序來(lái)對(duì)規(guī)劃進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

1.2相對(duì)落后的系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)前控制系統(tǒng)架構(gòu)以應(yīng)用為主線，以實(shí)現(xiàn)控制功能為目標(biāo)，可能在某一獨(dú)立功能控制時(shí)采用了較為合理的層級(jí)式架構(gòu)，但在整個(gè)復(fù)雜控制系統(tǒng)中，從設(shè)計(jì)的初始就沒(méi)有全面考慮各系統(tǒng)間的聯(lián)系，結(jié)果造成功能間和數(shù)據(jù)間的分離(豎井結(jié)構(gòu))，加大了系統(tǒng)的控制復(fù)雜性，導(dǎo)致了相對(duì)僵化的系統(tǒng)架構(gòu)。智能機(jī)床需要一個(gè)穩(wěn)妥、可靠、有效的控制系統(tǒng)架構(gòu)，使之將準(zhǔn)確全面的感知能力、簡(jiǎn)單順暢的傳輸能力、高速精確的計(jì)算能力、穩(wěn)定快捷的執(zhí)行能力、全面協(xié)調(diào)的管理能力，等諸多功能，充分的展現(xiàn)出來(lái)，營(yíng)造出一個(gè)行之有效地操作空間。因此，將信息科學(xué)中云計(jì)算的思想引入到智能機(jī)床控制體系構(gòu)建中，將成為解決問(wèn)題的有效途徑。

2機(jī)床控制系統(tǒng)中的云計(jì)算應(yīng)用現(xiàn)狀

在信息技術(shù)領(lǐng)域中，云計(jì)算的應(yīng)用已被證明是一種顛覆性的技術(shù)[7]。其實(shí)質(zhì)是網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算、并行計(jì)算、效用計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、虛擬化、負(fù)載均衡等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。它旨在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把多個(gè)成本相對(duì)較低的計(jì)算實(shí)體整合成一個(gè)具有強(qiáng)大計(jì)算能力的完美系統(tǒng)，核心理念就是通過(guò)不斷提高“云”的處理能力，并將強(qiáng)大的計(jì)算能力分布到終端用戶(hù)手中，進(jìn)而減少用戶(hù)終端的處理負(fù)擔(dān)，最終使用戶(hù)終端簡(jiǎn)化成一個(gè)單純的輸入輸出設(shè)備，并能按需享受“云”的強(qiáng)大計(jì)算處理能力。自云計(jì)算技術(shù)在2009年獲得長(zhǎng)足的發(fā)展以來(lái)，人們的態(tài)度也逐漸由疑慮向更加接受的方向轉(zhuǎn)變，云計(jì)算也逐步融入了更多領(lǐng)域。隨著云計(jì)算應(yīng)用的多方嘗試，它已經(jīng)能夠成為關(guān)鍵性業(yè)務(wù)應(yīng)用的平臺(tái)。云計(jì)算技術(shù)在機(jī)床控制上的應(yīng)用還處于探索階段，主要體現(xiàn)為通過(guò)應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)的控制系統(tǒng)，以有償?shù)男问较驒C(jī)床提供技術(shù)服務(wù)；在營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)體系上，與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，對(duì)產(chǎn)品的流動(dòng)進(jìn)行全面掌控，增強(qiáng)商品信息的存儲(chǔ)和庫(kù)存的管理；從產(chǎn)品的原材料到產(chǎn)品出廠，進(jìn)行企業(yè)級(jí)的云管理控制，注重不同設(shè)備和不同部件的無(wú)縫連接，減少部件轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的時(shí)間。近五年，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷著一場(chǎng)模式轉(zhuǎn)變，核心制造功能被遷移，由傳統(tǒng)的基于網(wǎng)絡(luò)的分布式協(xié)同設(shè)計(jì)和制造轉(zhuǎn)變?yōu)榛谠频脑O(shè)計(jì)和制造CBDM(Cloud-BasedDesignandManufacturing)[1-3]。DazhongWu等眾多學(xué)者對(duì)云計(jì)算在制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了前瞻性的研究，2013年對(duì)CBDM系統(tǒng)進(jìn)行了定義，并于2015年以來(lái)提出了未來(lái)云計(jì)算應(yīng)用的愿景規(guī)劃?；谠频脑O(shè)計(jì)和制造指的是一種能促進(jìn)知識(shí)資源共享和產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)模型，通過(guò)社會(huì)化網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)提供者和消費(fèi)者之間的協(xié)商平臺(tái)減小費(fèi)用。CBDM包括按需自助服務(wù)，無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)接入、快速的可擴(kuò)展性、資源池和虛擬化。

CBDM指的是一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式，啟用服務(wù)消費(fèi)者配置選擇，并利用定制產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)資源和服務(wù)的范圍從計(jì)算機(jī)輔助工程軟件到可重構(gòu)制造系統(tǒng)[2][9]。但是，沒(méi)有一個(gè)現(xiàn)有的系統(tǒng)滿(mǎn)足所有定義的要求。2013年德國(guó)學(xué)者VERL等提出：從技術(shù)的角度來(lái)看，目前機(jī)床控制是有限的，如可擴(kuò)展性、啟動(dòng)和重新配置的時(shí)間、計(jì)算的復(fù)雜度、訪問(wèn)的安全性，這些都需要機(jī)床控制有一個(gè)全新的概念，將機(jī)床控制從機(jī)床本體中分離出來(lái)，移動(dòng)到云中，從而可以將機(jī)床控制作為一種服務(wù)[10]。2015年，SCHLECHTENDAHL將上述方法應(yīng)用到雙銑床中，建立模型并對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)器之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了分析，研究控制系統(tǒng)作為一種服務(wù)(ControlSystemasaService，CSaaS)的可能性[4]。但是由于采用的是現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)時(shí)性不能保證，需要進(jìn)一步研究其可行性。我國(guó)的機(jī)床控制系統(tǒng)也基本按圖1的趨勢(shì)發(fā)展，但是由于政策支撐僵化、結(jié)構(gòu)封閉不開(kāi)放、制造工藝和流程未充分體現(xiàn)等原因，制約了我國(guó)數(shù)控行業(yè)的發(fā)展[11]，使得我國(guó)數(shù)控領(lǐng)域進(jìn)步的腳步要略慢于世界先進(jìn)水平。為了加快發(fā)展步伐，2015年國(guó)家制定了《中國(guó)制造2025》，部署了全面推進(jìn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)智能制造是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇，強(qiáng)調(diào)了利用云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)升級(jí)改造的迫切性。沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)i5系列代表機(jī)床將intelligent、industry、information、internet、integrate集成在一起，并建立i5云制造平臺(tái)，開(kāi)拓了制造模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)+制造模式的先河。華中8型智能數(shù)控系統(tǒng)依托開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)軟硬件技術(shù)平臺(tái)；大數(shù)據(jù)采集、傳輸與儲(chǔ)存技術(shù)平臺(tái)；云計(jì)算、云服務(wù)技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高速、高精、高效的加工[5]。清華大學(xué)葉佩青教授提出建立“制造工藝大數(shù)據(jù)”收集激勵(lì)機(jī)制和甄別平臺(tái)，收集提煉全面細(xì)致的制造工藝數(shù)據(jù)和控制方法，積淀支撐高端數(shù)控的數(shù)控大數(shù)據(jù)，建立工藝數(shù)據(jù)和控制方法不斷完善的開(kāi)放式數(shù)控，補(bǔ)足我國(guó)數(shù)控行業(yè)制造工藝不全面細(xì)致的短板，并提出了基于組件技術(shù)數(shù)控APP概念，展現(xiàn)了全民數(shù)控創(chuàng)新的通途[11]。雖然云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)在機(jī)床控制系統(tǒng)領(lǐng)域取得了成績(jī)，但是，到目前為止，國(guó)內(nèi)外尚未開(kāi)展以云計(jì)算為基礎(chǔ)對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整的研究。

3云計(jì)算應(yīng)用于機(jī)床控制體系設(shè)計(jì)的可行性分析

機(jī)床控制問(wèn)題隸屬于復(fù)雜的大系統(tǒng)工程研究范疇，需要解決機(jī)床多任務(wù)協(xié)同，多維模型的建立和計(jì)算，加工工藝流程控制和參數(shù)處理，多源信號(hào)融合等諸多問(wèn)題。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，功能性目標(biāo)要顯著優(yōu)先于架構(gòu)的合理性，組成部分或以緊密耦合、或以完全隔離的方式固定構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)特定的業(yè)務(wù)功能。機(jī)床智能化就是需要控制中心能夠全面了解機(jī)床，能夠快速調(diào)整軟件。云計(jì)算是目前最先進(jìn)或者是經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)的最先進(jìn)的信息處理方式，它賦予軟件更大的空間，更動(dòng)態(tài)的思維。云計(jì)算也是一種基礎(chǔ)的架構(gòu)管理方法論，由大量資源組成資源池，用于動(dòng)態(tài)地創(chuàng)造高度虛擬化的數(shù)據(jù)流提供給用戶(hù)使用。在這種方法中，你根本就不用關(guān)注是哪個(gè)計(jì)算機(jī)算出的結(jié)果被系統(tǒng)所使用，完全可以通過(guò)使用軟件設(shè)計(jì)中“封裝”的概念，將資源池進(jìn)行封裝處理，這樣，數(shù)據(jù)就成為了個(gè)整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系的中心，系統(tǒng)必然能夠?qū)崿F(xiàn)的模塊化、組合化。這種方式已經(jīng)改變了以功能或任務(wù)為重心的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向，使得系統(tǒng)的模塊變的更通用化，結(jié)構(gòu)更加自由化，更加創(chuàng)新的將軟件的功能擴(kuò)大化。完全遵循了硬件的架構(gòu)體現(xiàn)了技術(shù)的先進(jìn)，軟件的應(yīng)用表現(xiàn)了思想的創(chuàng)新。將云計(jì)算的思想引入到機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，是通過(guò)改變信息流通方式來(lái)增強(qiáng)處理能力，通過(guò)信息的應(yīng)用來(lái)拓展自身的性能，可以使得信息流動(dòng)的控制成為可能，用簡(jiǎn)單的索取和服務(wù)，屏蔽復(fù)雜的過(guò)程，使信息的流動(dòng)更加多樣化，同時(shí)也使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備了彈性，易于將功能與信號(hào)分離，增加了統(tǒng)一管理的可能性，依靠控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)上的變化，來(lái)解決系統(tǒng)計(jì)算能力不強(qiáng)、模塊之間耦合等問(wèn)題。依托開(kāi)放式的云數(shù)據(jù)池結(jié)構(gòu)使得引入需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)成為可能，從而使控制系統(tǒng)中信息與信息流動(dòng)過(guò)程的協(xié)作更加高效。因此，對(duì)于數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)而言，采用云控制體系給出了一種開(kāi)放的機(jī)制，根據(jù)計(jì)算的壓力來(lái)對(duì)計(jì)算能力進(jìn)行配置。若加工任務(wù)非常復(fù)雜，則通過(guò)開(kāi)放的組織機(jī)制進(jìn)一步擴(kuò)展計(jì)算資源、合理分配計(jì)算任務(wù)。另外，作為一個(gè)整體智能化的要求，通過(guò)聯(lián)合其他計(jì)算能力云，形成一個(gè)大的計(jì)算能力云，就可以完成一系列的產(chǎn)品的生產(chǎn)，而且也打開(kāi)了不同產(chǎn)品間配合制造的大門(mén)。

4基于云計(jì)算的智能機(jī)床控制體系設(shè)計(jì)思路

4.1云控制體系的概念

結(jié)合以上分析，得出云控制體系是指能夠及時(shí)提出給各分支控制系統(tǒng)足夠的控制所需計(jì)算值。各分支控制系統(tǒng)本質(zhì)都可以歸結(jié)于一種硬件上相互獨(dú)立的控制回路，對(duì)這些分支系統(tǒng)而言，控制結(jié)構(gòu)固定不變，變化的主要是控制參數(shù)。這些參數(shù)是經(jīng)過(guò)比較復(fù)雜的計(jì)算獲得，假若將獲取參數(shù)的能力交付給這些分支系統(tǒng)，則這些分支系統(tǒng)可能會(huì)由于計(jì)算時(shí)間問(wèn)題，無(wú)法保證系統(tǒng)的反應(yīng)速度。而云控制體系就是設(shè)想將這些參數(shù)匯聚到參數(shù)池中，參數(shù)池將數(shù)據(jù)作為服務(wù)提供給所需的分支系統(tǒng)。這樣計(jì)算也就作為服務(wù)提供給了各分系統(tǒng)，所以必將減少子系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

4.2云控制體系的內(nèi)涵

云控制體系的內(nèi)涵是著眼于數(shù)據(jù)處理和管理。從服務(wù)類(lèi)型上講是屬于數(shù)據(jù)服務(wù)，提供和維護(hù)系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)池。云控制體系只是一種信息傳導(dǎo)的方式，與云計(jì)算的概念是大相徑庭的，云控制體系只是從云計(jì)算的工作模式中發(fā)現(xiàn)了適合于自己的一類(lèi)數(shù)據(jù)處理和管理的手段。

4.3云控制體系的設(shè)計(jì)思路

為了更好的完成控制工作，結(jié)合云計(jì)算架構(gòu)，對(duì)于機(jī)床控制體系設(shè)計(jì)可采取以下思路。(1)分層級(jí)設(shè)計(jì)。對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題深入抽象和簡(jiǎn)化，利用層次化過(guò)程，將具體的執(zhí)行下放，抽象理論的上移，形成各司其職的氛圍，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。(2)任務(wù)化設(shè)計(jì)。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，計(jì)算被視為控制環(huán)節(jié)放置在回路中，許多復(fù)雜的計(jì)算成為系統(tǒng)不穩(wěn)定的原由。而只有將計(jì)算與控制相剝離，將計(jì)算作為一種控制任務(wù)進(jìn)行處理，用能力解決計(jì)算問(wèn)題，用控制來(lái)解決并行問(wèn)題。(3)數(shù)據(jù)流控制設(shè)計(jì)。將數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的服務(wù)提供給所需者，以虛擬的數(shù)據(jù)池為中心，通過(guò)更新池內(nèi)的數(shù)據(jù)來(lái)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的工作，數(shù)據(jù)池使得數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的流動(dòng)都成為了服務(wù)。云池中的數(shù)據(jù)可以給出一個(gè)機(jī)床運(yùn)行的全面數(shù)據(jù)，如溫度、振動(dòng)等等。而控制中心依靠這些數(shù)據(jù)的分析，來(lái)對(duì)控制策略、加工過(guò)程進(jìn)行調(diào)整或者是重新設(shè)計(jì)，使決策更穩(wěn)妥；而控制中心決策的變化，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上就是云池中某些數(shù)據(jù)的改變，而一發(fā)動(dòng)全體，整個(gè)控制系統(tǒng)也隨之發(fā)生調(diào)整。智能化系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)云池反向向計(jì)算要數(shù)據(jù)，功能并行，軟件變化、集群能力變化、設(shè)備的增減等都與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。

5智能機(jī)床云控制體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1云控制體系的結(jié)構(gòu)

我們提出的云控制體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。(1)分成遠(yuǎn)端云和本地云，既充分利用了外界資源，又將變化的重心傾向于本地，主要是用云的思想來(lái)進(jìn)行本地控制系統(tǒng)改進(jìn)，為解決我國(guó)機(jī)床控制系統(tǒng)落后進(jìn)行有效探索。(2)組建虛擬數(shù)據(jù)池，將所有數(shù)據(jù)都放到池中，根據(jù)具體需要，將數(shù)據(jù)提供給軟件和硬件，以數(shù)據(jù)作為服務(wù)。(3)區(qū)分內(nèi)外數(shù)據(jù)，外數(shù)據(jù)集大，注重?cái)?shù)據(jù)共享，為更深應(yīng)用做基礎(chǔ)。內(nèi)數(shù)據(jù)針對(duì)性更強(qiáng)，與工作任務(wù)匹配，以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫ΓＷC實(shí)時(shí)性；(4)以工業(yè)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，抗干擾、速度快，實(shí)時(shí)好，動(dòng)態(tài)好。(5)內(nèi)部程序從各種數(shù)據(jù)池中提取或推送得到所需數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果以數(shù)據(jù)形式再放入到數(shù)據(jù)池中，操作系統(tǒng)按照規(guī)則，將某些數(shù)據(jù)推送到機(jī)床驅(qū)動(dòng)設(shè)備，進(jìn)行加工。加工過(guò)程中傳感器不斷將檢測(cè)數(shù)據(jù)采集，將檢測(cè)數(shù)據(jù)再放入到數(shù)據(jù)池中，由內(nèi)部程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。(6)數(shù)據(jù)傳輸分成兩種，分別用于處理計(jì)算數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，主要是為了減少工作環(huán)境對(duì)控制系統(tǒng)的干擾。(7)這種結(jié)構(gòu)基本上符合國(guó)內(nèi)外對(duì)云計(jì)算應(yīng)用在機(jī)床上的理解，只是拓展到了控制系統(tǒng)中。

5.2云控制體系總體結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施

以智能機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，將云控制體系的總體結(jié)構(gòu)可分解成下列部分進(jìn)行實(shí)施。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。首先將檢測(cè)同一機(jī)床狀態(tài)參數(shù)的傳感器形成系統(tǒng)，依托數(shù)據(jù)融合方法，提取出更高、更可靠的估計(jì)參數(shù)。其次，考慮機(jī)床加工的電磁環(huán)境影響，在充分調(diào)研和查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，挑選出帶寬、速率合理的數(shù)據(jù)傳輸總線形式。再者，采用時(shí)間序列分析的方法，將機(jī)床的各類(lèi)檢測(cè)參數(shù)有機(jī)的匯合，形成最終的傳感器網(wǎng)絡(luò)。數(shù)控機(jī)床執(zhí)行系統(tǒng)封裝方案設(shè)計(jì)。從軟件模塊設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，將機(jī)床操作的各個(gè)執(zhí)行單元數(shù)據(jù)化，形成各類(lèi)機(jī)床加工操作模塊，以控制參數(shù)和檢測(cè)參數(shù)作為執(zhí)行單元模塊的輸入和輸出，簡(jiǎn)化數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床控制網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)。與傳感器網(wǎng)絡(luò)分別設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于管理和數(shù)據(jù)分離，符合智能化控制的層級(jí)結(jié)構(gòu)，與智能化發(fā)展匹配。同樣既需要考慮機(jī)床加工的電磁環(huán)境影響，挑選出帶寬、速率合理的數(shù)據(jù)傳輸總線形式，又需要采用時(shí)間序列分析的方法，充分利用傳輸信道，保障控制參數(shù)高速、有序的轉(zhuǎn)遞。數(shù)據(jù)機(jī)床控制中心方案設(shè)計(jì)?？刂浦行耐瓿晒芾?、計(jì)算、傳輸?shù)裙δ?，云控制體系賦予控制中心更多的管理權(quán)限。從軟件工程的角度講，控制中心的方案應(yīng)該屬于軟件設(shè)計(jì)方案，將其分解成粗略分成顯示層、網(wǎng)絡(luò)層、計(jì)算層，而數(shù)據(jù)池設(shè)計(jì)被單獨(dú)出來(lái)，所有的數(shù)據(jù)都匯合在數(shù)據(jù)池中，管理層就是對(duì)數(shù)據(jù)池中的數(shù)據(jù)以及流向進(jìn)行控制。最終在完成各部分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，依照總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成統(tǒng)一的云控制系統(tǒng)架構(gòu)。

6結(jié)論

云計(jì)算技術(shù)是本世紀(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)最重要的發(fā)展，是新一代的科學(xué)技術(shù)革命，隨著技術(shù)的演進(jìn)，云計(jì)算也發(fā)展到了新的階段。作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的云計(jì)算在可以預(yù)計(jì)的未來(lái)將迸發(fā)更大的能量。(1)將云計(jì)算技術(shù)引入到機(jī)床控制領(lǐng)域，本身就是對(duì)于云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用的開(kāi)拓和探索。國(guó)內(nèi)外的研究大量集中于云計(jì)算在智能工廠中的應(yīng)用，而鮮有研究考慮到將其應(yīng)用于機(jī)床本身控制系統(tǒng)中。(2)以機(jī)床智能控制為牽引，深入將云計(jì)算思想和方法應(yīng)用其體系架構(gòu)設(shè)計(jì)研究中，已經(jīng)抓住了云計(jì)算技術(shù)在機(jī)床智能控制領(lǐng)域中發(fā)展的方向，為機(jī)床智能化提供一種可行的思路和方法。(3)提出建立云數(shù)據(jù)池的概念，首次將數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的流動(dòng)引入到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，真正實(shí)現(xiàn)了以數(shù)據(jù)為中心的控制系統(tǒng)體系架構(gòu)。(4)關(guān)于云計(jì)算在機(jī)床控制中研究已經(jīng)構(gòu)建了理論基礎(chǔ)，研究方向具有前瞻性。為機(jī)床智能化提供了新的研究思路。

作者：黃瑩1,2；盧秉恒1；趙萬(wàn)華1 單位：1.西安交通大學(xué)制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2.武警工程大學(xué)信息工程學(xué)院