云制造環境下生產資源虛擬化研究

魯 蕓,朱 慧

（中國航天科工集團第十研究院,貴陽 550009）

1 引言

隨著德國工業 4.0、美國工業互聯網以及中國制造 2025 不斷的深入推進，數字化、智能化、集成化、服務化的生產模式受到了工業界以及眾多學者的廣泛關注。本文對云制造環境下生產資源虛擬化與虛擬制造資源的處理應用這一方向進行深入的研究，主要包括云制造系統模型建立、物理制造資源與虛擬制造資源之間的轉化、虛擬制造資源處理系統的搭建以及云制造平臺應用系統的開發等方面。

2 云制造資源的分類

基于云制造環境下網絡化、集成化、智慧化以及共享化的特點，大量物理制造資源將被映射為虛擬制造資源。在完成制造資源虛擬化之前，需要對海量的制造資源進行特性分析與類別區分，為不同類別的制造資源制定相應的虛擬化方案，以實現物理實體向虛擬端的標準化轉化。本文依據國內外云制造資源分類的標準，在充分考察分析哈工大工業工程綜合實驗室后，將云制造資源分為了以下幾類。（1）產品信息類。（2）設備信息類。（3）物料信息類。（4）軟件信息類。（5）其他信息類。

3 云制造資源虛擬化技術

在云制造模式中，為了實現智能化、物聯化、服務化、集成化等目標，需要將物理制造資源映射為虛擬制造資源，以達到對制造全生命周期中各類資源的協同與優化。基于以上要求，云制造模式中借鑒了物聯網、工業互聯網以及信息物理系統等目前最為前沿的信息技術，目的就是為了使云制造模式能夠全方位、深層次的實現軟硬件的結合。針對種類繁多的制造資源與制造能力，其虛擬化的方法與途徑也各不相同。目前，較為常用的制造資源虛擬化的技術途徑有：RFID技術、傳感器技術、圖像識別技術、PLC技術、DNC技術，軟件接口開發等等。

4 生產端制造資源虛擬化的實現

生產制造端物理資源虛擬化的研究對象主要為各類機床設備，本文以HASSVF-2型數控加工中心作為對象，通過傳感器技術、PXI數據采集卡以及虛擬儀器技術實現其運行狀態參數的虛擬化。下面將分別從虛擬化過程總體結構設計、虛擬化硬件基礎以及虛擬化軟件實現三個方面對生產制造端資源虛擬化的實現進行論述。

4.1 虛擬化過程總體結構設計

對于能耗信息虛擬化的過程，將采用橫河CW240鉗式功率計，通過在機床電源處加裝三相功率傳感器，有功率計將數據進行解析，然后同RS232接口將數據傳輸至PXI機箱之中，通過相應的LabVIEW程序的設計，實現能耗數據的實時采集。在機床狀態信息的采集過程中，其振動信號和噪聲信號通過傳感器采集，并由PXI機箱作為下位機進行初步處理；功率信號通過功率計采集，然后通過串口發送至電腦。電腦主機接收了兩個設備的數據后進行處理、分析和數據同步。

4.2 虛擬化硬件基礎

生產制造端虛擬化所需的硬件包括采集振動信號的加速度傳感器、采集噪聲信號的聲壓傳感器、以及采集功率信號的功率傳感器；在數采和信號解析方面將采用PXI數據采集板卡和裝有NI公司的實時系統的PXI機箱，下面對系統的各部分硬件詳細說明。

（1）機床。目前在生產車間中的機床為的VF-2型數控立式銑床，其配備了40錐度的主軸箱，矢量雙驅動馬達以及雙支撐滾珠絲杠。在刀庫方面，其具有20個刀位。在最大加工行程方面，其X方向為762mm，Y方向為406mm，Z方向為508mm。

（2）振動傳感器。本文中振動信號的采集是通過在機床主軸兩端加裝加速度傳感器，分別采集X軸與Y軸的振動信號。加速度傳感器型號為VS109.1系列，由Vibrasens公司出品，傳感器的實際安裝情況如圖1所示。在參數方面，該傳感器的靈敏度為100mv/g，量程為正負50g，頻率范圍為0.5Hz至20KHz。

（3）噪聲傳感器。噪聲信號采集使用美國PCB公司陣列傳感生器及集成前放(型號130E22)，具體參數如下：直徑：0.25in；響應：自由場；靈敏度：45mV/Pa；頻響：20-10kHz；動態范圍：30 - 122dB；極化電壓：0V；溫度范圍：-10 - +55℃；輸出接頭：SMBSocket。

（4）功率采集設備。功率傳感器采用日本橫河株式會社生產型號為CW240的鉗式功率計，該功率計最大的采集量程為1000V，頻率范圍為45至65Hz。另外，該功率計有串口通信功能，可以連接電腦，并通過向串口發送相關指令來讀取數據。

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