机械加工行业单元级CPS的研究与设计

摘要：信息物理系统CPS（Cyber-Physical Systems）在高端装备制造业和复杂流程制造业，尤其是航空航天、国防、船舶、电力、石油化工等行业的应用研究，主要集中在安全和高性能架构、建模与分析上。在传统机械加工行业，由于其离散制造的特质，CPS应用首先要实现单元级数控机床的可视、可控、可互操作。现结合机械加工行业在智能制造方向的发展前景分析，提出一种单元级CPS的思路和框架，并基于Fanuc数控机床进行非嵌入外挂式的单元级CPS实现，最后从应用扩展和实效性角度讨论了机械加工行业单元级CPS的几点关键挑战。

关键词：CPS;信息物理系统;机械加工;智能制造

0    引言

CPS是将网络化信息系统和配套物理系统进行深度融合与析构的技术研究方向和应用组织形式。根据美国国家科学基金会（NSF）的定义，CPS是将计算与物理资源紧密结合所构成的系统，应具有对大规模互联物理系统进行实时监视、仿真、分析和控制的功能，最终目标是使未来的物理系统具有目前尚不具备的灵活性、自治性、高效率、高可靠性和高安全性[1]。更多研究学者认为，CPS是集成了计算系统、大规模通信网络、大规模传感器网络、控制系统和物理系统的新型互联系统[2]。但撇去规模支持的表述，CPS其根本是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务[3]。

目前，对CPS在高端装备制造业和复杂流程制造业，尤其是航空航天、国防、船舶、电力、石油化工等行业的应用研究主要集中在安全和高性能架构、建模与分析上[4-5]。……