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1 概述

市場(chǎng)上目前有刀具加工計(jì)數(shù)預(yù)測(cè)法、加裝傳感器物理監(jiān)測(cè)法等刀具監(jiān)測(cè)解決方案，均存在成本高、部署慢、準(zhǔn)確率低等弊端。邊緣側(cè)環(huán)境部署復(fù)雜、靈活性低，不利于大規(guī)模統(tǒng)一管理，整體維護(hù)、監(jiān)控和升級(jí)成本高。傳統(tǒng)刀具粗放式管理的痛點(diǎn)如下：

① 無(wú)法精確追溯刀具流轉(zhuǎn)，刀具壽命統(tǒng)計(jì)人工手動(dòng)統(tǒng)計(jì)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；

② 30%以上的刀具壽命都被設(shè)置為冗余而浪費(fèi)；

③ 刀具磨損、崩刀等過(guò)程無(wú)監(jiān)控，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大；

④ 邊緣側(cè)環(huán)境部署效率低下，大規(guī)模部署和管理難度高；

⑤ 機(jī)加工設(shè)備多，缺乏統(tǒng)一的監(jiān)控，隨機(jī)性大；

⑥ 刀具異常管為事后管理，無(wú)預(yù)測(cè)性監(jiān)控管理；

基于OpenStack的刀具監(jiān)測(cè)與壽命預(yù)測(cè)智能管理邊緣計(jì)算平臺(tái)基于OpenStack技術(shù)，以CNC機(jī)加工設(shè)備的物聯(lián)為基礎(chǔ)，對(duì)主軸負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)刀具在加工過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)管理以及數(shù)據(jù)信息可視化。邊緣數(shù)據(jù)能夠統(tǒng)一在核心云平臺(tái)進(jìn)行管理，集成了市場(chǎng)上約85%的不同品牌類(lèi)型的CNC系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)車(chē)間看板、PC端、移動(dòng)端的同時(shí)在線監(jiān)控和索引。

2 方案介紹

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于OpenStack的刀具監(jiān)測(cè)與壽命預(yù)測(cè)智能管理邊緣計(jì)算平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖`所示，九州云Animbus邊緣計(jì)算套件作為基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，為西格數(shù)據(jù)刀具智能管理系統(tǒng)提供運(yùn)行基礎(chǔ)設(shè)施與資源。借助九州云Animbus邊緣計(jì)算套件強(qiáng)大的應(yīng)用編排、服務(wù)交付、以及應(yīng)用生命周期管理能力，西格數(shù)據(jù)刀具智能管理系統(tǒng)能夠快速穩(wěn)定地交付至用戶生產(chǎn)環(huán)境，在用戶側(cè)（即邊緣側(cè)）為客戶提供智能制造與計(jì)算能力。系統(tǒng)架構(gòu)由三層構(gòu)成：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）硬件資源層：依托邊緣側(cè)的物理資源提供計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源

（2）邊緣虛擬化層：依托九州云Animbus邊緣計(jì)算套件，在硬件資源層的基礎(chǔ)上，提供邊緣側(cè)虛擬化資源與能力，幫助智能制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靈活快速的應(yīng)用編排、交付及生命周期管理。Animbus邊緣計(jì)算套件基于OpenStack打造，提供強(qiáng)大的資源虛擬化能力，支持虛擬機(jī)以及容器兩種虛擬化模式，支持邊緣計(jì)算中心的網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)虛擬化功能

（3）智能制造應(yīng)用層：西格數(shù)據(jù)刀具智能管理系統(tǒng)利用九州云Animbus邊緣計(jì)算套件，能夠快速靈活的在用戶側(cè)進(jìn)行部署并提供智能制造服務(wù)。西格數(shù)據(jù)刀具智能管理系統(tǒng)是針對(duì)工業(yè)制造領(lǐng)域內(nèi)企業(yè)在刀具使用過(guò)程中的痛點(diǎn)，為用戶打造的一款刀具智能管理應(yīng)用，通過(guò)智能采集分析生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)分析生產(chǎn)刀具壽命并實(shí)時(shí)告警，從而保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備不受損壞。

2.2 軟硬件平臺(tái)

· 軟件平臺(tái)

CentOS 7.3操作系統(tǒng)

九州云Animbus邊緣計(jì)算套件

西格數(shù)據(jù)刀具智能管理系統(tǒng)

· 硬件平臺(tái)

x86邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)*3（Intel Xeon E52650v2，64G內(nèi)存，4*3T HDD硬盤(pán)）

24口千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

2.3 數(shù)據(jù)通信與全生命周期

· 邊緣側(cè)數(shù)據(jù)是在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)產(chǎn)生的，包括生產(chǎn)機(jī)器運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)以及信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，具有高通量、流動(dòng)速度快、類(lèi)型多樣、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、分析處理實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)。其全生命周期包含以下流程，如圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)全生命周期流程

· 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)的過(guò)濾、清洗、聚合、質(zhì)量?jī)?yōu)化與語(yǔ)義分析

· 數(shù)據(jù)分析

基于流式數(shù)據(jù)分析對(duì)數(shù)據(jù)即來(lái)即處理，可以快速響應(yīng)事件和不斷變化的業(yè)務(wù)條件與需求，加速對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行持續(xù)分析

· 數(shù)據(jù)分發(fā)和策略執(zhí)行

基于預(yù)定義規(guī)則和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，在本地進(jìn)行策略執(zhí)行

· 數(shù)據(jù)可視化與存儲(chǔ)

采用時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)可以大大節(jié)省存儲(chǔ)空間并滿足高速的讀寫(xiě)操作需求

2.4 安全措施與服務(wù)

· 邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)安全

系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)安全，端點(diǎn)安全、軟件加固與安全配置、可靠的遠(yuǎn)程升級(jí)。安全與可靠的遠(yuǎn)程升級(jí)能夠及時(shí)完成漏洞與補(bǔ)丁的修復(fù)

· 網(wǎng)絡(luò)安全

包含防火墻、入侵檢測(cè)和防護(hù)、DDoS防護(hù)、VPN/TLS功能

· 邊緣側(cè)數(shù)據(jù)安全

包含邊緣側(cè)數(shù)據(jù)加密、隔離、銷(xiāo)毀、防篡改、隱私保護(hù)、訪問(wèn)控制與防泄漏。其中邊緣側(cè)數(shù)據(jù)加密包含在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的加密以及存儲(chǔ)時(shí)的加密

· 應(yīng)用安全

包含白名單、應(yīng)用安全審計(jì)、惡意代碼防范、Web應(yīng)用防火墻等安全功能。白名單是邊緣計(jì)算架構(gòu)中非常重要的功能，由于終端的海量異構(gòu)設(shè)備接入，傳統(tǒng)的IT安全授權(quán)模式不再適用，需要采用最小授權(quán)的安全模型管理應(yīng)用及訪問(wèn)權(quán)限

· 身份認(rèn)證管理

身份和認(rèn)證管理功能在系統(tǒng)架構(gòu)中遍布所有層級(jí)，本系統(tǒng)提供去中心化、分布式的認(rèn)證方式和證書(shū)管理方法

3 創(chuàng)新與優(yōu)勢(shì)

3.1 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

① 邊緣側(cè)兩臺(tái)服務(wù)器同時(shí)監(jiān)測(cè)256臺(tái)機(jī)床，基于以太網(wǎng)環(huán)境下的通訊協(xié)議進(jìn)行連接獲取負(fù)載數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)即插即用（15min以內(nèi)），硬件資源靈活調(diào)配，硬件成本相比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式降低95%以上；

② 基于95%置信度條件下主軸負(fù)載與刀具壽命的判定，機(jī)床刀具異常（磨損、斷刀、崩刃、卷刃等）50毫秒級(jí)監(jiān)測(cè)和反饋；

③ 刀具負(fù)載趨勢(shì)自學(xué)習(xí)和規(guī)則判斷，提取加工過(guò)程特征值與刀具壽命的關(guān)系，異常判定準(zhǔn)確度100%，刀具成本節(jié)約30%以上；

④ 業(yè)內(nèi)首個(gè)可以同時(shí)集成運(yùn)行市場(chǎng)上85%以上的不同品牌和不同類(lèi)型的CNC系統(tǒng)（FANUC oi系列/30i/31i/32i等、SIEMENS、華中數(shù)控、新代、三菱M60/M70/M80等、兄弟、馬扎克、阿奇 夏米爾、OSP、羅德斯、牧野、海德漢、 哈斯等）的工業(yè)智能解決方案；并且可同時(shí)監(jiān)測(cè)不同類(lèi)型、不同尺寸的加工刀具（車(chē)削、銑削、鉆削、拉刀等）；

⑤  基于OpenStack的核心云和邊緣云計(jì)算平臺(tái)，提供大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的PaaS平臺(tái)，與CNC控制技術(shù)的智能集成，實(shí)現(xiàn)負(fù)載曲線圖表化可視化。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

① 基于OpenStack的開(kāi)源云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)工業(yè)數(shù)據(jù)的快速處理和基礎(chǔ)服務(wù)的快速提供；

② 強(qiáng)大的CNC底層數(shù)據(jù)采集能力，強(qiáng)大的集成能力，適配不同品牌不同型號(hào)的數(shù)控設(shè)備；

③ 加工過(guò)程可視化，基于邊緣計(jì)算、平臺(tái)化部署；

④ 緊跟工業(yè)4.0潮流，多種移動(dòng)端接入，微信服務(wù)號(hào)或者APP；

⑤ 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力，自學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)圖表可視化；

⑥ 基于多年的工廠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)豐富的報(bào)表，可一鍵導(dǎo)出和打印，切合用戶需求；

⑦ 邊緣側(cè)基于連接通訊協(xié)議獲取數(shù)據(jù)，中心云端儲(chǔ)存分析，部署時(shí)間比傳統(tǒng)刀具監(jiān)測(cè)模式提高90%以上；硬件成本比傳統(tǒng)模式節(jié)約95%以上，給用戶更好的技術(shù)體驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

刀具智能管理解決方案基于機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)對(duì)刀具壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)與集中化管理，刀具壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上；可對(duì)斷刀、磨損、崩刃等現(xiàn)象實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析，刀具過(guò)程監(jiān)控曲線實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)，圖表化可視化呈現(xiàn)，準(zhǔn)確率99%；刀具智能管理云平臺(tái)集成了強(qiáng)大的大數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，可以自主設(shè)置，將正常加工時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)算法訓(xùn)練，自學(xué)習(xí)，成為一塊置信區(qū)域（即“包絡(luò)圖”）。目前該方案已成功部署運(yùn)用于昆山富士和機(jī)械、昆山六豐機(jī)械、鐵姆肯軸承、蘇州九邦機(jī)電、菲舍爾航空部件等機(jī)加工企業(yè)。

來(lái)源：浙江九州云信息科技有限公司