大國重器
——新一代華中數控智能數控系統和智能機床

華中數控供稿

華中數控與寶雞機床率先研制了基于新一代人工智能技術的智能數控系統和智能機床概念機，開發了一批質量提升、工藝優化、健康保障和生產運行的智能化功能模塊。

數控機床是制造業的“工作母機”，是衡量一個國家制造業水平高低的戰略物資。在我國加快轉變經濟發展方式，機床市場需求發生重大變化的新常態下，我國機床行業面臨巨大的轉型升級壓力。

數控機床已從數字化機床（Numerical Control Machine Tools）向智能化機床（Smart Machine Tools，SMT）方向發展。但智能化機床尚處于起步階段，還未取得實質性的研究進展和顯著的應用成效。究其原因，主要是智能機床在自感知和自學習技術方面，未取得革命性的突破，最終導致機床智能化功能的適用性和有效性不夠。

新一代智能機床

近年來，大數據、云計算和新一代人工智能技術取得了群體性、革命性的突破。新一代人工智能技術與先進制造技術深度融合所形成的新一代智能制造技術，成為了新一輪工業革命的核心驅動力。

新一代人工智能技術與數控機床的融合，形成新一代智能機床（Intelligent Machine Tools，iMT），將為數控機床產業帶來新的變革。這將是中國機床行業“換道超車”，最終實現從“跟跑”到“領跑”的重大機遇。

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在中國工程院、工信部的指導和支持下，華中數控、寶雞機床、華中科技大學提出了新一代智能機床（iMT）的新理念，開展了智能數控系統（iNC，intelligent NC）和智能機床（iNC-MT，intelligent NC Machine Tools）的探索。

1.自主感知

通過獨創的“指令域”大數據匯聚方法，按毫秒級采樣周期匯集數控系統內部電控數據、插補數據，以及溫度、振動、視覺等外部傳感器數據，形成數控加工指令域“心電圖”和“色譜圖”。伺服驅動系統既是“執行器”，又是“感知器”。實現了數控加工過程的狀態信息和工況信息的自主感知，建立了數控機床的全生命周期“數字雙胞胎”（Digital Twins）和“人-信息-物理系統”（Human-Cyber-Physical Systems,HCPS）。

華中數控系統

2.自主學習

在大數據、云計算和新一代人工智能技術的基礎上，建立了大數據智能（可視化、大數據分析和深度學習）的開放式技術平臺，形成智能機床共創、共享、共用的研發模式和商業模式的生態圈。從大數據中隱含的“關聯關系”中，應用大數據智能技術，進行自主學習，獲得數控加工智能化控制知識，通過開放的技術平臺，實現智能控制策略、知識的積累和共享。

3.自主決策

根據數控加工的實時工況和狀態信息，利用自主學習所獲得的智能控制策略和知識，形成多目標優化加工的智能控制“i-代碼”。

4.自主執行

通過獨創的“雙碼聯控”控制技術，實現了傳統數控加工的“G-代碼”（第一代碼）和多目標優化加工的智能控制“i-代碼”（第二代碼）的同步運行，達到數控加工的優質、高效、可靠、安全和低耗的目的。

在以上技術基礎上，華中數控與寶雞機床率先研制了基于新一代人工智能技術的智能數控系統和智能機床概念機，開發了一批質量提升、工藝優化、健康保障和生產運行的智能化功能模塊。

智能數控系統（iNC）概念機

在華中8型數控系統的基礎上，智能數控系統提供了機床指令域大數據匯聚訪問接口、機床全生命周期“數字雙胞胎”的數據管理接口和大數據智能（可視化、大數據分析和深度學習）的算法庫，為打造智能機床共創、共享、共用的研發模式和商業模式的生態圈提供開放式的技術平臺，為機床廠家、行業用戶及科研機構創新研制智能機床產品和開展智能化技術研究提供技術支撐。

在此基礎上，智能數控系統已初步實現了質量提升、工藝優化、健康保障和生產運行一批智能化功能，使得數控加工“更精，更快，更智能”。

此外，智能數控系統采用了多點觸控虛擬鍵盤，替代了傳統的數控機床鍵盤；采用機器視覺人臉識別，對操作者身份認證。

（1）質量提升：提高加工精度和表面質量。質量提升基于以下功能：基于溫度傳感器的熱誤差補償，基于能耗大數據的熱誤差補償，數控機床空間誤差補償，五軸RTCP幾何結構參數測量與補償，基于數控加工“心電圖”智能斷刀檢測，基于能耗大數據的刀具壽命智能管理，主軸振動主動避讓。

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（2）工藝優化：提高加工效率。加工優化包括以下幾個方面：加工G代碼的光順性評估和平滑擬合，基于主軸負載的加工工藝參數評估，基于主軸負載的加工工藝參數優化，加工振動和視覺的指令域示波器，三維曲面“雙碼聯控”高速加工，自生長、自學習加工工藝數據庫，虛擬加工仿真，“一腦雙控”自動上下料智能控制。

（3）健康保障：保障設備完好、安全。安全措施包括：機床運行“行車記錄儀”，機床“鐵人三項”健康自檢和健康評估，主軸動平衡分析和智能健康管理，進給軸全生命周期負荷圖，基于二維碼的設備調試檔案管理，基于二維碼設備維修案例管理與搜索，數控機床機電聯調工具集，可靠性MTBF統計分析，加工過程視覺智能監控。

（4）生產管理：提高管理和使用效率。包括操作者身份人臉識別和權限管理，iNC-Cloud智能云管家移動端APP，遠程狀態監控，工藝文件瀏覽與管理，生產效率統計分析，作業計劃管理。

智能機床（iNC-MT）

傳統數控機床只是通過G代碼、M指令來控制刀具、工件的運動軌跡，而對機床實際加工狀態，如切削力、慣性力、摩擦力、振動、力/熱變形，以及環境變化等，少有感知和反饋，導致刀具的實際路徑偏離理論路徑，降低了加工精度、表面質量和生產效率。

在工業互聯網、大數據、云計算的基礎上，新一代人工智能技術和先進制造技術深度融合，智能機床是一個基于HCPS的閉環加工系統。

以匯集數控系統內部指令域電控實時數據為大數據的主要來源，并適度增加溫度、振動、視覺等傳感器監測機床工作狀態和環境的變化，建立數控機床的“數字雙胞胎”；通過大數據的可視化、大數據分析、大數據深度學習和理論建模仿真，形成智能控制的策略、知識，并能積累和共享；通過“雙碼聯控”技術，實現質量提升、工藝優化、健康保障、生產管理的智能化，達到提高數控機床優質、高效、可靠、安全和低耗的目的。

新一代智能裝備首次展出

在第十屆中國數控機床展（CCMT2018）上，配備新一代智能數控系統的機床將與觀眾首次見面。華中數控展位N5館N5-B201，將展出：智能數控系統（iNC）概念機、 華中8型 2.0智能化升級版軟件、智能高速鉆攻中心HSC-430、智能立式加工中心VM903。同時在寶雞機床展位W2館B201展出智能立式加工中心BM8-H和智能數控車床BL5-C。

華中數控測試車間

（1）智能高速鉆攻中心HSC-430自動化單元。 機床制造：蘇州富強科技有限公司；數控系統：HNC-848D；機器人：華數HSR-612機器人；新增傳感器：溫度傳感器12個，振動傳感器2個，光柵尺3個，視覺傳感器1個。

（2）智能立式加工中心VM903。 機床制造：紐威數控裝備（蘇州）有限公司；數控系統：HNC-848D；新增傳感器：溫度傳感器6個，振動傳感器1個，視覺傳感器1個。

（3）智能立式加工中心BM8-H。數控系統：寶雞數控系統B-800M；新增傳感器：溫度傳感器12個，振動傳感器2個，光柵尺3個，視覺傳感器1個 。

（4）智能數控車床BL5-C。數控系統：寶雞數控系統 B-800T；新增傳感器：溫度傳感器12個，振動傳感器2個，光柵尺：2根，視覺傳感器1個。

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智能機床主要特色

1.高精

采用全閉環高精度光柵尺反饋；根據實際需要，在機床的主軸、各進給軸上新增溫度傳感器若干個、振動傳感器若干個。具有智能熱誤差補償、空間誤差補償、主軸自動避振等智能化功能。

2.高效

高速鉆攻中心的主軸轉速24000轉/分；快移速度60m/min，加速度1g；具有加工工藝參數評估、三維曲面雙碼聯控高速加工等智能化功能。

3.自動化

為沈飛集團改造的精密加工中心，配置華中HNC-818B數控系統，采用光柵尺全閉環控制，機床的定位精度達到5mm。

HNC-848D的多通道功能，實現對數控機床和華數機器人的“一腦雙控”，大幅降低數控機床實現自動上下料控制的硬件成本。

4.智能化

具有加工工藝參數優化、智能斷刀檢測、智能刀具壽命管理、加工工程視覺智能監控、自生長自學習加工工藝數據庫、機床健康狀態預測性維護、主軸動平衡分析和智能健康管理、進給軸全生命周期負荷圖、基于二維碼的維修案例管理與搜索、iNCCloud智能云管家移動端APP、遠程監控、生產效率統計分析等全面智能化功能。

結語

智能數控系統和智能機床的展出，是華中數控對新一代智能裝備的初步探索和實踐。智能機床的研發，需要打造共創、共享、共用的生態圈，探索新一代人工智能技術與數控機床的深度融合，搶抓機遇，從共同實現中國機床行業的智能化轉型升級。□