全国关键专利解读：深度剖析与实践应用

数控机床能很好地解决复杂、精密、批量级、多品种的零件加工问题，具有高精度、高效率、操作方便等优点，在现代企业中得到了非常广泛的应用。目前国内外主流高档数控系统的软硬件体系多为上下位机结构：上位机与下位机均安装在数控机床旁边，上位机负责系统非实时性任务，下位机负责系统实时性的运动控制和逻辑控制任务，两者通过内部总线或网络进行信息交互。在上述数控系统体系架构下，上位机与下位机的通信实现起来比较容易，结构设计简单，系统的实时性能比较好，操作人员可直接通过上位机的人机交互界面（HMI）读取加工零件的实时数据并控制机床加工过程。随着数控机床应用领域对数控系统的智能化要求越来越高，传统数控系统上下位机结构的弊端日益凸显，由于传统数控系统的上位机安装在机床旁边，机床操作人员必须在车间进行加工操作，工作环境嘈杂，从而会影响机床操作的准确性；在机床进行加工时，操作人员须在现场才能监控机床的运行状态，工作环境严重受限，无法随时随地查看机床加工状态；一旦数控系统出现故障，制造厂商需要派工作人员亲临现场进行调试与修复，这不但增加了制造厂商的维护费用，而且迫使数控机床停止加工，进而影响企业的正常生产，可能会给企业带来巨额损失。因此，在数控加工领域实施远程监控及调试技术具有非常重要的意义，通过该技术的应用，机床操作人员可在远程控制机床加工过程，避开嘈杂的车间环境，提高加工操作的准确性与可靠性，并且设备制造商可通过远程协助对数控设备进行调试和维护，大幅度减少售后服务成本，而且可以实时远程监控机床的运行状态，提前预测可能发生的故障，并进行预防处理。目前，国内外许多数控设备制造商都在产品中添加了远程模块，比如，日本FANUC 公司提出的远程服务系统解决方案：通过远程维护中心，维护工程师可以了解远程用户的操作、PLC 等信息，及时解决用户的问题，有效地减少了机床的停机时间。Siemens 公司提出的数控系统IT 解决方案：通过内嵌在机床中的电子邮件报警系统，将机床故障信息发送到公司技术支持与故障中心进行分析处理。

但是，目前数控系统的远程监控及调试模块直接集成在本地数控设备中，这在增加数控系统本地硬件负担与成本的同时，也使监控及调试模块的开发与升级受限于本地软硬件资源，甚至会迫使本地软硬件设备升级，给企业带来更大的成本上升压力。传统数控系统的远程监控一般是基于现场总线实现的，其虽然具备远程操作的意义，但是依然受限于传输距离，并且监控设备被限制在PC 上。一个车间的数控机床可能使用了不同的数控系统，那么每一类的数控系统则需要配置一台PC 终端，以适应特定数控系统的通信、加工及数据处理等，不利于车间的管理与维护。另外，当前数控系统一般采用磁盘备份，操作很不方便，而且磁盘很容易损坏，一旦在远程调试中出现误操作，使上位机系统陷入不可逆转的故障，就会导致整个数控系统无法正常恢复，而且在传统数控系统备份中，无法对数控加工数据进行即时备份，很容易造成数据丢失。另外，在当前的数控系统远程调试中，维修中心很容易操控车间的机床，获取机床的加工信息，这不利于生产企业保护车间加工数据。

为解决上述技术问题，华中科技大学于2015 年3 月13 日向国家知识产权局提交了名为“一种基于虚拟上位机的数控系统”的发明专利，其通过将上位机以虚拟机的方式设置在远程服务器中，形成虚拟上位机，并通过与本地下位机利用网络进行通信，控制本地下位机，从而实现数控加工。这种上下位机结构的数控系统对传统的上下位机结构进行了全新的设计，使得数控系统的数据处理性能和加工效率大大提高，而且可以解决HMI 功能扩展以及远程加工受限的问题。

为更好地实现数控系统的远程监控与调试，华中科技大学于2015 年3 月17日向国家知识产权局提交了名为“一种基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试方法”的发明专利申请，该申请于2016 年6 月1 日获得专利授权，授权公告号为CN104698978B。该专利涉及的IPC 分类号为G05B19/406，属于以监视或安全装置为特征的数控技术。表2.1 为该专利的附加信息，图2.12 所示为该专利的摘要附图。

表2.1　CN104698978B 专利附加信息(www.xing528.com)

图2.12　CN104698978B 摘要附图

该专利公开了一种基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试系统，包括设置在远程服务器上的虚拟上位机、位于本地的下位机和远程监控终端，其中，虚拟上位机集成有远程监控及调试模块、安全登录认证模块以及智能诊断模块，安全登录认证模块用于虚拟上位机的安全登录认证，远程监控及调试模块用于将从本地下位机反馈至虚拟上位机的状态数据通过验证后的远程监控终端显示出来，并同时将其输入所述智能诊断模块以对机床进行故障预警和/或健康诊断，且所述预警或诊断结果可被相应的远程监控终端显示。本发明基于虚拟化实现了数控系统的远程监控与调试，提高了数控加工的智能化程度与可靠性，降低了车间维护成本。

该专利权利要求1 记载的内容：一种基于虚拟化技术的数控系统远程监控及调试系统，其基于虚拟上位机中集成的远程监控及调试功能，实现对数控系统的远程监控与调试，其特征在于，该系统包括设置在远程服务器上的虚拟上位机、位于本地的下位机和远程监控终端，所述虚拟上位机与本地下位机之间以及与所述远程监控终端均通过网络连接以进行通信，其中，所述虚拟上位机集成有远程监控及调试模块、安全登录认证模块以及智能诊断模块，其中所述安全登录认证模块用于虚拟上位机的安全登录认证，用户通过所述远程监控终端上的指令输入接口输入登录指令，经过所述安全登录认证模块验证后进入所述虚拟上位机以进行访问操作，所述远程监控及调试模块用于将从本地下位机反馈至虚拟上位机的状态数据，发送至验证后的远程监控终端进行显示，同时该状态数据被输入至所述智能诊断模块，该智能诊断模块可根据所述机床加工状态数据进行健康诊断，并对其中的机床加工故障信息进行预警和/或报警，所述诊断结果及预警和/或报警信息可通过相应的远程监控终端予以显示；该系统还包括远程调试终端，其设置于远程机床维护中心，用于提供数控系统调试或维护接口，以根据显示在远程调试终端上的诊断结果以及机床状态数据信息，通过该远程调试终端对数控系统进行调试或维护；所述虚拟上位机还包括人机交互模块、非实时/半实时性任务执行单元和下位机控制单元，其中数控加工指令通过所述远程监控终端和/或远程调试终端发送到虚拟上位机，由上位机中所述非实时/半实时任务执行单元进行处理，并形成控制数据通过下位机控制单元利用网络传输至本地下位机，以对其执行实时性的运动控制和逻辑控制；所述远程监控终端和远程调试终端上均具有虚拟的人机交互界面，该显示界面基于虚拟技术从所述虚拟上位机上下载后重绘而生成；所述本地下位机的加工状态数据、机床参数信息及系统诊断信息均被存储至虚拟上位机，并可由远程监控终端或远程调试终端通过上述虚拟的人机交互界面显示输出。

虚拟技术具有可操作性、真实性和可重复性的优点，在高档数控机床的设计中具有很大的发展潜力。华中科技大学将虚拟技术用于数控系统的设计及远程监控，大大提高了数控系统的数据处理性能和加工效率，取得了良好的效果。华中科技大学设有国家数控系统工程技术研究中心，其高档数控机床领域的专利申请量在全国居于领先地位。数控系统是高档数控机床的关键核心技术，华中科技大学将云计算、大数据、人工智能等信息技术与数控系统深度融合，在国内外率先提出了新一代智能数控系统和智能机床，成功研制出具有自主知识产权的数控系统成套产品，并发挥产学研一体化优势，取得了产业化丰收硕果。