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隨著德國(guó)工業(yè)4.0的提出，智能制造成為制造技術(shù)發(fā)展的主攻方向。中國(guó)制造2025和美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等都從國(guó)家的戰(zhàn)略角度明確了智能制造的核心地位，并且相互間技術(shù)的交流與標(biāo)準(zhǔn)融合不斷加深。特別是我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)型更加迫切，著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程智能化，成為實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造2025目標(biāo)的關(guān)鍵，其中十大重點(diǎn)領(lǐng)域就包括高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人，所以面向智能制造的數(shù)控技術(shù)成為需要優(yōu)先解決的重要課題。

實(shí)現(xiàn)智能制造的核心是信息處理和物理過(guò)程的深度融合，傳統(tǒng)制造過(guò)程主要是在實(shí)體空間依靠生產(chǎn)設(shè)備制造產(chǎn)品，設(shè)備和過(guò)程本身很少或不產(chǎn)生數(shù)據(jù)，即使很少的數(shù)據(jù)信息也處于割裂狀態(tài)，制造效率和自動(dòng)化程度的提高主要靠物理設(shè)備。隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)展為通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行人與人、人與機(jī)、機(jī)與機(jī)的協(xié)同和交互模式，進(jìn)一步建立物理設(shè)備和過(guò)程的數(shù)字模型，不斷進(jìn)行仿真和優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率和效益，這就是所謂的CPS(Cyber Physical Systems)信息物理融合系統(tǒng)。面向智能制造的數(shù)控系統(tǒng)必然是以CPS為基礎(chǔ)構(gòu)建，它不再僅僅是機(jī)床設(shè)備的控制系統(tǒng)，而是成為工廠甚至整個(gè)智慧城市的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)。

什么是智能制造目前還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，相關(guān)文獻(xiàn)主要從智能制造具有的特征方面來(lái)描述。1988年日本通產(chǎn)省( MITI) 提出智能制造系統(tǒng)(intelligent manufacturing system，IMS) 的設(shè)想，1989年形成國(guó)際合作項(xiàng)目正式文件，旨在21世紀(jì)全球化的大趨勢(shì)下通過(guò)國(guó)際合作共同研發(fā)新一代制造系統(tǒng)，迎接新世紀(jì)全球變化的挑戰(zhàn)。20 世紀(jì)90年代IMS項(xiàng)目對(duì)未來(lái)工廠的構(gòu)思，已經(jīng)大致涵蓋今天智能制造的內(nèi)涵。

智能制造是一個(gè)系統(tǒng)，它不僅僅是智能技術(shù)的組合，也不僅僅局限在生產(chǎn)制造的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，它是以融合了當(dāng)前最新技術(shù)，貫穿研發(fā)、制造、客戶服務(wù)等的全價(jià)值鏈領(lǐng)域。所以數(shù)控系統(tǒng)的智能化就不能僅僅從制造環(huán)節(jié)本身考慮，提高其工藝柔性、質(zhì)量和效率，還要從整個(gè)系統(tǒng)的角度考慮。特別是我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)廠商和研究機(jī)構(gòu)，在傳統(tǒng)制造技術(shù)本身落后于先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家，如何在新模式和理念的引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)超越成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的新路徑。基于互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的“互聯(lián)網(wǎng)+”恰是技術(shù)升級(jí)中一個(gè)非常重要突破點(diǎn)。如何發(fā)揮中國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)和制造融合的優(yōu)勢(shì)將會(huì)成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要路徑。

在中國(guó)信息物理系統(tǒng)白皮書(shū)中提出的構(gòu)成CPS的四大核心要素，“一硬”( 感知和自動(dòng)控制)、“一軟”(工業(yè)軟件)、“一網(wǎng)”(工業(yè)網(wǎng)絡(luò))、“一平臺(tái)”(工業(yè)云和智能服務(wù)平臺(tái))，通過(guò)狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行四個(gè)過(guò)程解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過(guò)程中的復(fù)雜性和不確定性問(wèn)題，提高資源配置效率，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化(圖1)。狀態(tài)感知就是通過(guò)各種各樣的傳感器感知物質(zhì)世界的運(yùn)行狀態(tài)；實(shí)時(shí)分析就是通過(guò)工業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)的轉(zhuǎn)化；科學(xué)決策就是通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的流動(dòng)與知識(shí)的分享；精準(zhǔn)執(zhí)行就是通過(guò)控制器、執(zhí)行器等機(jī)械硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)決策的反饋?lái)憫?yīng)。CPS具有明顯的層級(jí)特征，小到一個(gè)智能部件、一個(gè)智能產(chǎn)品，大到整個(gè)智能工廠都能構(gòu)成信息物理系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)建設(shè)的過(guò)程就是從單一部件、單機(jī)設(shè)備、單一環(huán)節(jié)、單一場(chǎng)景的局部小系統(tǒng)不斷向大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)演進(jìn)的過(guò)程。CPS分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)SoS(System of Systems)級(jí)三個(gè)層次。雖然數(shù)控機(jī)床可看成由多個(gè)具有單元級(jí)的主軸單元、進(jìn)給單元以及冷卻系統(tǒng)等單元組成，但這些單元在系統(tǒng)中不具獨(dú)立承擔(dān)任務(wù)的功能，所以將數(shù)控系統(tǒng)看成單元級(jí)CPS更容易理解制造系統(tǒng)及制造生態(tài)系統(tǒng)的三層架構(gòu)。

CPS本質(zhì)

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動(dòng)下，越來(lái)越多的新興商業(yè)模式不斷涌現(xiàn)。其中最具代表性的就是“分享經(jīng)濟(jì)”，它給我們帶來(lái)了基于分享模式的新業(yè)態(tài)，例如在汽車、房產(chǎn)等領(lǐng)域出現(xiàn)的APP打車、APP租房等互聯(lián)網(wǎng)的分享應(yīng)用模式。在制造業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)和新經(jīng)濟(jì)模式如何落地？如何適應(yīng)“分享經(jīng)濟(jì)”將會(huì)成為一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。

智能手機(jī)的出現(xiàn)使得互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)爆發(fā)式的增長(zhǎng)，新興商業(yè)模式不斷出現(xiàn)，智能終端在技術(shù)上的突破在其中起到了極其重要的作用，所有互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用和技術(shù)都離不開(kāi)通過(guò)智能終端與人建立的鏈接。而在機(jī)床行業(yè)中，鏈接人與設(shè)備的智能終端正是數(shù)控機(jī)床的大腦數(shù)控系統(tǒng)，所以以CPS架構(gòu)研發(fā)面向智能制造的數(shù)控系統(tǒng)，并以此構(gòu)建起制造生態(tài)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能制造的可行路線