智能化数控系统，助力高效加工

　　机床是最重要的工业母机，是国家基础制造能力的综合体现。特别是高档数控机床，其技术水平代表了国家工业化的水平。太空中遨游的飞船和卫星，天空中飞翔的飞机，地面上奔驰的汽车和火车，海洋中航行的舰船和潜艇，从民用工业和国防工业产品的制造，都离不开机床。

　　数控系统是机床的“大脑”，决定了数控装备的功能和性能。但在这一领域，我国技术基础薄弱，市场长期被欧日企业垄断。经过十几年的发展，我国国产数控系统的性能、功能、可靠性虽然有了进步，但还不能完全满足市场需求。 11 月12 日，由荣格工业传媒主办的“2021 高效加工与智能升级技术发展论坛”在武汉成功举行。在论坛现场，来自华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心副主任杨建中教授就对国产数控系统发展历程以及取得的成果进行了总结。

　　推动机床智能化发展

　　在杨建中教授看来，国外数控系统智能化的发展趋势可概括为三个方面。首先，传感器技术在数控机床上的应用不断增加。例如，DMG MORI 与舍弗勒公司通过“机床4.0” 创新项目共同开发智能机床，在DMC 80 FD duoBLOCK 车/ 铣复合加工中心的关键部件处加装了超过60 多个传感器以记录加工期间机床的振动、受力及温度大数据。

　　其次，网络化技术与数控机床不断融合。比较典型的例子是DMG-MORI 的CELOS 数控系统，它采用21.5“多点触控显示屏，类似智能手机或平板电脑，通过“应用程序菜单” 可直接使用任何一个应用程序，将数控机床接入企业信息化网络，连接CAD/CAM、 MES、ERP、PPS 以及PDM 等信息化软件。

　　最后，智能化功能初步呈现。例如OKUMA OSP-P300A 数控系统已具有五大智能化功能：几何误差测量与补偿；热误差测量与补偿；伺服控制优化；加工条件导航；机床防碰撞。

　　但是，总体而言，这些系统只是达到了初步的高端功能，离智能还有一定距离。在杨建中教授看来，新一代的智能机床应该是能够通过自主感知，进行自主学习，在形成的知识和模型的基础上，实现自主决策和自主执行，最终的目的是要达到优质、高效、可靠和低耗能。

　　这样的目标如何实现？

　　杨建中教授介绍了来自华中数控的经验。在自主感知部分，华中数控主要依靠内部电控大数据监控运动轴状态（电流、位置、速度、温度等）、主轴状态（功率、扭矩、速度、温度等）、机床运行状态（温度、振动、PLC、I/O 等）、机床操作状态（开机、关机、断电、急停等）、程序（程序行号、刀具、加工时间等）等。数控机床“指令域”和“指令域示波器”建立了数控机床工作任务（指令）与运行状态大数据的关联关系。指令域大数据分析方法，采集、汇聚数控系统内部电控大数据和外部传感器数据，形成指令域“心电图”，构建由机床全生命周期“数据像” 构成的数字孪生。

　　自主学习部分，华中数控采用的是融合建模的方式。在数控机床实际使用的全生命周期内，数控系统自主学习辨识参数，自动提取工艺数据，对神经网络进行训练。通过数理模型、大数据模型、数理/ 大数据融合模型的三种建模方法，形成机床的模型/ 知识，构建机床“模型像” 数字孪生。利用所获得的数字孪生，进行虚拟加工，并预测加工效果。根据预测结果，自动进行多轮优化迭代，最终生成多目标智能优化的“i- 代码”，实现自主决策。最后，传统数控加工的“G- 代码”（第一代码）和多目标智能优化的 “i-代码”（第二代码）同步运行，实现优质、高效、可靠、安全的数控加工。

　　华中数控还开发30 余个APP，允许用户将自己的工艺知识和经验融入进去，共建数控系统的应用生态。

　　破局模具加工难点

　　模具材料属于典型高硬度、高强度材料，多以模具钢为主，型面特征复杂，存在凹凸曲面、倾斜面、陡立面、拐角、沟槽等特征型面，加工精度和表面加工质量要求高。同时，模具零件专用性强，多为单件或小批量生产。

　　在目前在模具加工中主要采用高速切削、高精度加工、高光加工和多轴联动加工等等工艺。其中高速切削工艺能够减少达30% 的切削力，材料去除量可增加高达40%，加工效率可提高5-10 倍。

　　杨建中教授介绍说，目前国外研发的150kW/30,000rpm 高转速、高功率、高密度电主轴已经开始工程化应用，理论金属去除率可达12,000cm3/min；同时，直线电机和力矩电机得到应用，进给速度可达120m/min；加速度、加加速度是影响高速加工效率的重要因素，而加加速度已成为衡量高速性能的主要指标，目前国外大型机床进给加速度达到1g，中小型机床进给加速度达到2g。

　　针对高速加工技术，华中数控开发了伺服参数自整定功能，能够自动识别负载惯量，根据辨识结果，进行在线的参数自整定，无需人工干预。杨建中教授举例说，消费电子产品注重外观和质感，铣削加工后不再需要抛光工序，因非线性摩擦力等因素的影响，运动轴反向时，容易导致系统滞后，系统产生跟踪误差，在加工圆弧象限产生过切，自适应象限突跳补偿功能能够抑制象限误差，消除象限刀纹。

　　要在金属表面实现镜面效果的高光加工，高刚度的机床，高硬度的刀具和高性能的数控系统缺一不可，而针对曲面的高光加工，高性能数控系统更是重中之重。杨建中教授认为，强大的轨迹及速度曲线光顺、强大的横向一致性控制（包括轨迹横向一致控制和速度横向一致控制）和精确的轨迹偏差补偿是高性能数控系统必须具备的三大功能。华中数控开发的智优曲面软件Surfine，能够辅助高性能的数控系统实现高光曲面加工。三维色谱分析功能可以直观地显示出程序轨迹不光顺点、速度不平顺点，以及轨迹、速度和轮廓偏差的横向不连续程度，而优化功则能生成全局优化i 代码，实现轨迹、速度、轮廓偏差的横向一致。

　　在演讲的最后，杨建中教授指出，智能机床是数控机床发展的高级形态，也是数控机床朝着数字化网络化智能化机床（新一代人工智能+ 机床）演进的必然方向。新一代人工智能技术与数控机床的深度融合，将为机床产业带来新的变革，使中国机床行业实现从“跟跑”到“领跑”，从而实现“开道超车”。

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