基于计算机网络的远程加工工况信息集成技术研究

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近年来，制造业无论在观念上还是在技术上都发生了很大的变化。市场瞬息万变导致产品生命周期越来越短，对制造业的敏捷性提出了越来越高的要求，企业对市场的快速反应能力、产品生产的柔性度、企业重组与动态联盟的能力以及面向客户的全方位服务观念等已成为决定企业生存的重要因素。为提高企业的敏捷性，一方面要在企业中宣传贯彻敏捷制造的哲学思想，强化企业组织与管理，建立适应现代市场经济的企业内、外部管理机制；另一方面，需要用现代科学技术的新成果，研究提高企业敏捷性的新方法和新手段。远程工况信息集成便是提高企业敏捷性的重要手段之一。 ! c: O/ i7 {/ Q8 _# u3 y, Y+ V F

1 远程加工工况信息集成的基本思想

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经过多年的研究和发展，计算机集成制造技术取得了长足进步，从系统集成管理与决策、车间自动化、设备运行控制与调度仿真、设计自动化到计算机辅助质量保证技术等诸多方面都取得了可喜的成就，并在生产中应用，获得了良好的经济效益。近年来，虚拟制造、并行工程、敏捷制造、基于信息的制造技术的发展和自动化加工过程检测监控与多传感器数据融合技术的成熟，为CIMS向更深层次和更广泛的应用方向发展注入了新的研究内容。如何将现实的物理制造系统与基于信息的制造系统有效地集成于一体成为计算机集成制造技术发展的又一研究热点和关键。

任何一个计算机集成制造系统都是由实际物理制造系统和基于物理系统而抽象出来的信息制造系统组成的。要实现更广泛的计算机集成制造和基于信息的制造，就必须构造起联通实际物理制造系统与基于信息的制造系统的桥梁。数控机床，特别是加工中心的发展，为这一桥梁的建立奠定了初步基础。近年来，计算机网络技术的发展，为CIMS打破地域局限、建立异地集成制造系统提供了强有力的技术支持，从而为建立实际物理制造系统和基于信息的制造系统之间更紧密、更广泛的深层次和智能化联系奠定了基础。

异地加工工况信息集成，就是应用多传感器数据融合、信号处理和计算机网络技术将实际物理制造系统和基于信息的制造系统有机地联系起来，从而为基于信息的制造系统提供更加符合实际的初始数据，使其产生更加符合实际的结果，为指导实际物理系统有效工作提供新的手段。通过远程工况信息集成系统，产品设计人员、工艺规划人员、相关产品开发和系统维护、组织、调度人员可及时获得设备运行及设备误差分布等状况，为生产调度与运行仿真系统、设备维护与故障诊断系统提供了必不可少的信息，为数控编程系统有效补偿各种加工误差、提高加工精度以及虚拟制造系统初始化提供数据，为高级专家和高级管理人员指导生产提供了更加有效的手段。 , B0 K( ~6 ^, c2 e8 h$ k5 p

2 远程加工工况信息集成研究的发展状况

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异地加工工况信息集成的研究历史很短，其理论和技术尚不成熟。在制造领域，由于加工设备与环境交互的复杂性和非确定性，以及大数据量的实时传输受到通信条件的限制，针对加工设备远程操作的研究才刚刚开始。研究主要针对信息感知、信息处理、数据融合和集成方法几个方面，所涉及的信息主要包括设备运行状态信息、与切削过程有关的信息、与加工质量有关的信息、设备精度状况信息、系统工作环境状况信息等。该项技术研究得到了美国、日本、英国、澳大利亚及韩国等国家的高度重视，各国竞相开发相关技术。 ) y$ Y) Z/ W1 U# }8 Y4 Q

日本的IMS国际合作计划将制造设备远距离控制技术、远程传感技术、相应于人感觉的测量技术和生产中的人工现实感技术等列为其第一个十年计划的重要研究内容。在日本智能制造系统计划的支持下，日本东京大学的光石卫助教授等与美国乔治华盛顿大学的Bruce Kramer等联合开展了加工系统远程操作技术的研究，分别于1991年、1992年和1994年进行了3次机床异地加工工况信息集成和远程操作的原理性试验，被称为“从地球背面操作机床”。3次试验虽然都取得了预期的效果，但是仍然存在许多有待解决的理论和技术问题。澳大利亚在这方面也进行了研究，开发了利用因特网的加工单元异地加工工况信息集成与控制系统。 4 Q1 |% i$ I6 T. Z; D7 F, O

韩国的Pohang理工大学于1996年建成了基于Internet的网络虚拟制造系统，开发出异地设计系统、异地车间控制系统、异地监控系统以及服务于以上3个系统的通信媒介。这4个系统的计算机集成满足了用户异地设计的需要，将生产命令送到位于Pohang Chargwon的工厂，从而通过虚拟制造预测远程制造的可行性，为实现制造敏捷性提供了有力支持。德国阿亨工业大学开展了切削过程远程监控技术的研究，建立了演示实验系统。美国林肯大学以Internet为基础开展了电火花加工过程监控与信息集成技术的研究。美国麻省理工学院以Internet为基础正在开展远程加工和装配单元一体化研究，远程工况信息集成是其中的重要组成部分。

在我国，远程控制作业已开始受到重视，863计划中的智能机器人主题已将基于虚拟环境技术的遥控作业列为关键技术进行研究，但是针对制造加工系统的远程遥控作业及信息集成技术的研究才刚刚起步。

3 远程加工工况信息集成研究的必要性

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建立异地加工工况信息集成系统，将大大改善加工操作的环境，提高设备利用率和灵活性以及人机一体化智能水平。因而开展对远程加工工况信息集成研究是十分必要的。 + Z" W+ q+ q8 g* Z; }, N9 e" b

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1. 远程加工工况信息集成是CIMS中实现物理系统与虚拟制造系统有效集成必不可少的条件。异地工况信息集成系统可为虚拟制造系统动态准确地提供实际生产过程状态信息及初始化条件，从而使虚拟制造系统更符合实际。因此，只有解决异地工况信息集成问题，才能实现真正意义上的虚拟制造和虚拟制造系统与物理制造系统的集成。 ; j/ T+ T6 j: T2 _
2. 远程加工工况信息集成是充分发挥高级专家、高级管理人员对生产指导作用的有效途径。市场竞争，实质上是人才的竞争，如何高效率发挥高级技术人才和高级管理人才的作用是企业面临的一大难题。异地工况信息集成问题的解决，将使高级专家和管理人员通过计算机网络了解和掌握生产工况，并通过网络指导生产，解决生产中可能出现的各种难题，从而使制造系统高效、稳定地运行。 $ x1 c& _2 v' v/ a
3. 远程加工工况信息集成是产品设计、工艺规划和生产调度管理人员快速、简捷地掌握生产实际情况的有力工具，能有效地解决目前存在的设计人员、工艺人员与实际制造过程脱节的问题，有利于并行工作环境的建立，缩短了产品开发周期，减少了设计阶段的质量事故。 6 S* l3 \: Q) t5 p% [
4. 远程加工工况信息集成是实现异地制造、设备重组和制造系统优化的手段和工具，通过异地工况信息集成系统，可以在计算机网络上了解可选设备的实际工作状态，从而根据产品质量要求选择所需设备，优化系统组合。
5. 远程加工工况信息集成是不断积累制造知识和经验的有效途径，通过异地工况信息集成系统，可以实现制造和技术的传播、交流、共享与积累，促进智能制造的发展。
6. 远程加工工况信息集成是构成全球制造系统的重要组成部分，只有解决异地工况信息集成问题，才能实现操作人员和加工设备在地域上的分离，实现真正意义上的远程加工。

4 远程加工工况信息集成研究的技术基础

近年来，计算机网络，无论是网络硬件、网络协议、还是网络接口编程技术和理论的发展都十分迅速。Internet/Intranet网络已成功应用于许多领域的远程控制中，如医疗领域的专家汇诊、远程手术指导、远程作业机器人控制等，为实现制造过程远程加工工况信息集成提供了良好的物质、技术条件和宝贵经验。同时，经过几十年的发展，传感器技术、信息处理与数据融合技术、加工过程检测监控技术、制造系统运行控制与管理技术、制造系统故障诊断技术、机床特性的建模、加工误差分析与建模方法、切削过程和切削机理的研究、建模与仿真技术研究的深化和所取得的成就，使得建立远程加工工况信息集成系统成为可能，为研究的开展奠定了良好的理论和技术基础，从而具备了技术上的可行性。 # v2 i. Q3 U; r% ^! {

5 远程加工工况信息集成系统应用展望

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随着计算机集成制造技术向纵深方向发展，虚拟制造将成为CIMS的重要组成部分。作为连接现实物理制造系统和虚拟制造系统的桥梁，异地工况信息集成系统将为虚拟制造系统提供初始化信息，为异地产品设计人员提供实际工况信息，从而使虚拟制造系统的工作过程和结果输出更加符合实际，大大减少产品设计和工艺设计的质量事故，缩短产品开发周期。从这一点上讲，有多少家企业采用CIMS技术和概念，就有多少家异地工况信息集成系统的用户。 5 f1 L5 c6 t- q$ [

我国机械制造企业众多，随着计算机网络技术的应用，异地工况信息集成将成为机械制造企业的网上工具，因此，它在未来企业中的应用将是十分广泛的，具有十分广阔的市场。

作为机械制造业的一种网络工具，它还可以为产品及工艺设计人员提供实际工况信息，从而成为并行工程的一个重要组成部分和手段。它还将作为基于计算机网络的企业重组和动态联盟而广泛应用于设备优选和伙伴的优化组合。