云制造環(huán)境下生產(chǎn)資源虛擬化研究

魯 蕓,朱 慧

（中國(guó)航天科工集團(tuán)第十研究院,貴陽(yáng) 550009）

1 引言

隨著德國(guó)工業(yè) 4.0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及中國(guó)制造 2025 不斷的深入推進(jìn)，數(shù)字化、智能化、集成化、服務(wù)化的生產(chǎn)模式受到了工業(yè)界以及眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文對(duì)云制造環(huán)境下生產(chǎn)資源虛擬化與虛擬制造資源的處理應(yīng)用這一方向進(jìn)行深入的研究，主要包括云制造系統(tǒng)模型建立、物理制造資源與虛擬制造資源之間的轉(zhuǎn)化、虛擬制造資源處理系統(tǒng)的搭建以及云制造平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)等方面。

2 云制造資源的分類

基于云制造環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智慧化以及共享化的特點(diǎn)，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(duì)海量的制造資源進(jìn)行特性分析與類別區(qū)分，為不同類別的制造資源制定相應(yīng)的虛擬化方案，以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體向虛擬端的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化。本文依據(jù)國(guó)內(nèi)外云制造資源分類的標(biāo)準(zhǔn)，在充分考察分析哈工大工業(yè)工程綜合實(shí)驗(yàn)室后，將云制造資源分為了以下幾類。（1）產(chǎn)品信息類。（2）設(shè)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(shù)

在云制造模式中，為了實(shí)現(xiàn)智能化、物聯(lián)化、服務(wù)化、集成化等目標(biāo)，需要將物理制造資源映射為虛擬制造資源，以達(dá)到對(duì)制造全生命周期中各類資源的協(xié)同與優(yōu)化。基于以上要求，云制造模式中借鑒了物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及信息物理系統(tǒng)等目前最為前沿的信息技術(shù)，目的就是為了使云制造模式能夠全方位、深層次的實(shí)現(xiàn)軟硬件的結(jié)合。針對(duì)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(shù)途徑有：RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、PLC技術(shù)、DNC技術(shù)，軟件接口開(kāi)發(fā)等等。

4 生產(chǎn)端制造資源虛擬化的實(shí)現(xiàn)

生產(chǎn)制造端物理資源虛擬化的研究對(duì)象主要為各類機(jī)床設(shè)備，本文以HASSVF-2型數(shù)控加工中心作為對(duì)象，通過(guò)傳感器技術(shù)、PXI數(shù)據(jù)采集卡以及虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的虛擬化。下面將分別從虛擬化過(guò)程總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬化硬件基礎(chǔ)以及虛擬化軟件實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面對(duì)生產(chǎn)制造端資源虛擬化的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行論述。

4.1 虛擬化過(guò)程總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于能耗信息虛擬化的過(guò)程，將采用橫河CW240鉗式功率計(jì)，通過(guò)在機(jī)床電源處加裝三相功率傳感器，有功率計(jì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后同RS232接口將數(shù)據(jù)傳輸至PXI機(jī)箱之中，通過(guò)相應(yīng)的LabVIEW程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。在機(jī)床狀態(tài)信息的采集過(guò)程中，其振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)通過(guò)傳感器采集，并由PXI機(jī)箱作為下位機(jī)進(jìn)行初步處理；功率信號(hào)通過(guò)功率計(jì)采集，然后通過(guò)串口發(fā)送至電腦。電腦主機(jī)接收了兩個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理、分析和數(shù)據(jù)同步。

4.2 虛擬化硬件基礎(chǔ)

生產(chǎn)制造端虛擬化所需的硬件包括采集振動(dòng)信號(hào)的加速度傳感器、采集噪聲信號(hào)的聲壓傳感器、以及采集功率信號(hào)的功率傳感器；在數(shù)采和信號(hào)解析方面將采用PXI數(shù)據(jù)采集板卡和裝有NI公司的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的PXI機(jī)箱，下面對(duì)系統(tǒng)的各部分硬件詳細(xì)說(shuō)明。

（1）機(jī)床。目前在生產(chǎn)車間中的機(jī)床為的VF-2型數(shù)控立式銑床，其配備了40錐度的主軸箱，矢量雙驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以及雙支撐滾珠絲杠。在刀庫(kù)方面，其具有20個(gè)刀位。在最大加工行程方面，其X方向?yàn)?62mm，Y方向?yàn)?06mm，Z方向?yàn)?08mm。

（2）振動(dòng)傳感器。本文中振動(dòng)信號(hào)的采集是通過(guò)在機(jī)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(dòng)信號(hào)。加速度傳感器型號(hào)為VS109.1系列，由Vibrasens公司出品，傳感器的實(shí)際安裝情況如圖1所示。在參數(shù)方面，該傳感器的靈敏度為100mv/g，量程為正負(fù)50g，頻率范圍為0.5Hz至20KHz。

（3）噪聲傳感器。噪聲信號(hào)采集使用美國(guó)PCB公司陣列傳感生器及集成前放(型號(hào)130E22)，具體參數(shù)如下：直徑：0.25in；響應(yīng)：自由場(chǎng)；靈敏度：45mV/Pa；頻響：20-10kHz；動(dòng)態(tài)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(shè)備。功率傳感器采用日本橫河株式會(huì)社生產(chǎn)型號(hào)為CW240的鉗式功率計(jì)，該功率計(jì)最大的采集量程為1000V，頻率范圍為45至65Hz。另外，該功率計(jì)有串口通信功能，可以連接電腦，并通過(guò)向串口發(fā)送相關(guān)指令來(lái)讀取數(shù)據(jù)。

[1]延建林,孔德婧.解析“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”與“工業(yè) 4.0”及其對(duì)中國(guó)制造業(yè)發(fā)展的啟示[J].中國(guó)工程科學(xué),2015(07):141-144.

[2]盧秉恒.標(biāo)準(zhǔn)化助力“中國(guó)制造 2025”[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2016(11):18-19.

[3]陶永,王田苗,李秋實(shí),趙罡.基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的制造業(yè)全生命周期設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)一體化[J].科技導(dǎo)報(bào),2016(04):45-49.