作者：晏嫚1，代超仁1，王蕭1，馮冰艷1，楊華斌2，胡宜2?（1. 國家智能設計與數控技術創新中心；2. 武漢華中數控股份有限公司）

數控機床全生命周期管理系統需求分析

數控機床作為國之重器、工業母機，是制造企業最基本、最重要的制造裝備，代表了國家的核心競爭力。互聯網基礎節點，是工業控制基礎信息設施、制造企業重要的物理資源。

近年來，高性能數控機床的市場需求大大增加。制約我國機床行業向高端化、智能化方向發展的因素有：①機床行業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”， 企業內部難以實現高效的信息化管理與數據共享；②機床行業標識解析規范不統一，數據封閉無法在行業內互聯互通，也無法與頂級節點互聯互通；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機床行業缺乏一個開放、包容的公共服務平臺，使得機床行業內企業之間缺乏優勢互補、資源整合的能力，跨企業、跨地區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互聯網標識解析二級節點（機床行業），為機床領域的企業和用戶提供規范的標識編碼注冊和標識解析服務，作為機床行業二級節點進行建設、運營、應用和推廣，促進工業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展要求，面向機床行業，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 工業互聯網平臺、NC-Link集成，建立數控系統廠、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、常規保養、定期體檢和遠程運維等全生命周期管理，推進機床行業企業數字化轉型升級。

基于標識解析技術的數控機床全生命周期管理系統架構

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總體架構，如圖1 所示。圍繞機床生產、制造和運行等環節中產品質量溯源難、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的面向裝備制造領域的iNC-Cloud 工業互聯網平臺、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、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的產品化研發與集成測試，提升企業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設計、機床生產制造和用戶企業經營使用等各環節企業間協同創新堵點，實現企業間信息橫向集成。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解決方案，如圖2 所示。以“機床全生命周期數據”為系統數據源驅動基礎，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，提升企業生產機床性能優化反饋及產品質量。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。

系統功能模塊

3.1 　三級數據中心建設

三級數據中心包括用戶企業級、機床企業級和功能部件企業級數據中心，同時各數據中心也是工業互聯網標識解析企業節點，與二級節點（機床行業）橫向集成。

對于數控系統企業，建立面向機床廠和用戶廠的數據中心。通過工業互聯網，數控系統企業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，如刀具壽命優化、主軸運轉優化和數控系統智能化功能等。

對于機床生產企業，建立面向機床廠設備管理數據中心。通過工業互聯網，機床生產企業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，統一整合管理。及時對設備進行監控管理，響應用戶提出的維修保養需求，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為主動關懷式。

對于機床用戶企業，建立機床全生命周期管理系統的應用驗證數據中心。用戶企業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私有數據倉。當機床發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，既保護了企業數據信息，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互聯網標識解析二級節點（機床行業），向上對接國家頂級節點，向下對接機床行業企業節點，為機床領域的企業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，促進企業節點與標識解析二級節點機床應用服務平臺、國家頂級節點的互聯互通，其中二級節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。機床行業標識解析二級節點打造典型性和示范性的工業互聯網標識解析集成創新應用模式，包括供應鏈管理、機床設備整機和部件產品溯源等集成創新應用，實現設備狀態、加工工況和故障樣本等數據在脫敏情況下，在全行業內的流通和落地應用。工業互聯網標識解析二級節點（機床行業）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

華中數控自主研發的NC-Link 協議為設備物聯的統一標準協議，并形成了智能工廠數控機床互聯接口規范（GB/T 41970—2022），實現異構設備/ 模塊/ 系統/ 平臺的互聯互通，覆蓋機床生產制造環節、功能部件和周邊傳感器，并將異構多源數據進行統一解析與轉換，從機床設備、傳感器終端采集到數據網關。NC-Link 協議達到統一接口形式、簡化設備接入和簡化應用開發的目的， 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，可以滿足各類工業現場聯網采集需求。目前，支持市面上多家主流品牌，如發那科、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，將采集到數據統一轉譯為NC-Link 協議后傳輸至邊緣計算系統iNC-Edge 進行數據融合， 邊緣計算機可視作企業級數據中心基礎節點。

3.4 　基于標識的機床全生命周期管理數據橫向集成

工業互聯網標識解析體系幫助機床行業企業實現功能部件、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/ 附件在企業之間編碼標識不統一的關鍵問題，實現產業鏈上下游企業間產品信息的互聯互通，同時實現機床裝備領域產業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、調試和使用各環節數據集成打通，針對使用環節、維修環節、再制造環節和報廢回收環節，研發質量追溯管理、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。

基于標識解析技術的數控機床全生命周期管理系統實現

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，加速發現問題- 分析問題- 解決問題的機床性能提升循環速度，從而實現對企業生產機床性能優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（出廠后），如圖8 所示。主要面向數控機床系統廠、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功能、性能和可靠性提供數據支持和應用環境。

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，為系統或設備的性能優化、功能改進和運維保養等提供支持。

結束語

數控機床高質量發展離不開數據驅動。基于標識解析技術的數控機床全生命周期管理系統，通過國家自主可控的NC-Link 互聯通信協議，實現行業數據縱向集成， 同時與工業互聯網標識解析二級節點（機床行業）集成， 實現行業企業節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新和轉變。據2022 年在用戶處統計，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得到成功應用，對推進整個離散行業的自動化和智能化水平，具有重大工程價值和示范效應。

編輯：黃飛

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