突破高檔數(shù)控關(guān)鍵技術(shù) 增強國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)自主研發(fā)能力
——走進(jìn)高檔數(shù)控國家工程研究中心

技術(shù)方向和研發(fā)能力

高檔數(shù)控國家工程研究中心為了推進(jìn)數(shù)控技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化，建有專業(yè)化的成套數(shù)控技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、試驗和服務(wù)基地，通過開展“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項“開放式數(shù)控系統(tǒng)支撐技術(shù)創(chuàng)新平臺”等課題的實施，建立了高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主研發(fā)能力，形成了以開放為特色的數(shù)控系統(tǒng)平臺，如基于多種CPU(X86/“龍芯”/ARM)硬件平臺、基于實時操作系統(tǒng)的軟件平臺、現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡(luò)化平臺等，組織制定了系列化國家標(biāo)準(zhǔn)，形成了數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺設(shè)計與批量生產(chǎn)技術(shù)；同時針對高檔數(shù)控系統(tǒng)高速、高精、多軸聯(lián)動的技術(shù)特征，以吳文俊院士提出的數(shù)學(xué)機械化方法為基礎(chǔ)理論，開發(fā)了基于數(shù)學(xué)機械化方法的高速、高精、多軸運動控制算法，相關(guān)算法獲中國專利優(yōu)秀獎，實現(xiàn)了“藍(lán)天數(shù)控”的自主創(chuàng)新和自主可控。

高檔數(shù)控國家工程研究中心主要技術(shù)方向為：（1）數(shù)控裝置關(guān)鍵技術(shù)，如軟硬件平臺及基于國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件的高速高精運動控制方法、多通道多軸聯(lián)動控制、智能化控制技術(shù)等；（2）驅(qū)動裝置及電機關(guān)鍵技術(shù)，如高速、高精、高剛性及智能化控制技術(shù)、電機設(shè)計優(yōu)化及制造技術(shù)等；（3）現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡(luò)化關(guān)鍵技術(shù)，如現(xiàn)場總線協(xié)議及芯片、網(wǎng)絡(luò)平臺、設(shè)備互聯(lián)互通等；（4）應(yīng)用技術(shù)，如基于二次開發(fā)平臺的專用系統(tǒng)、面向智能制造單元/智能產(chǎn)線/數(shù)字化車間解決方案等；（5）行業(yè)共性技術(shù)與前沿技術(shù)，如系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)控系統(tǒng)安全及標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字孿生、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等。

為推進(jìn)數(shù)控中心成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化，數(shù)控中心組建了產(chǎn)業(yè)化實體沈陽中科數(shù)控技術(shù)股份有限公司，研制出開放式數(shù)控系統(tǒng)300/400/600系列產(chǎn)品，在關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，如多通道、多軸聯(lián)動、高速插補、5坐標(biāo)刀具補償?shù)确矫孢_(dá)到國際主流系統(tǒng)水平。產(chǎn)品與5軸聯(lián)動橋式高速龍門加工中心、基于AB擺5軸聯(lián)動航空結(jié)構(gòu)件強力銑削加工中心等10余種高檔數(shù)控機床配套應(yīng)用，并與航空航天企業(yè)合作，建立了高檔數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用示范基地，實現(xiàn)了國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)在國防軍工企業(yè)的應(yīng)用。

基于產(chǎn)品的開放性，中心將產(chǎn)品從通用型擴展到電加工、激光加工等專用型，擴大了覆蓋品種。特別是通過系統(tǒng)的二次開發(fā)能力，實現(xiàn)了對激光器、復(fù)合光束掃描模塊、三維檢測輔助定位模塊的實時、協(xié)調(diào)控制，在超快激光加工飛機發(fā)動機葉片小孔方面實現(xiàn)了國產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的突破。基于數(shù)控系統(tǒng)的開放式特色，針對數(shù)字化車間的實施要求，通過開展數(shù)控裝備互聯(lián)互通和國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)智能化技術(shù)研究，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)與溫度、振動等傳感器，以及第三方軟件的互操作，支持加工現(xiàn)場的感知及數(shù)控裝備的互聯(lián)互通及互操作，研制了智能化數(shù)控系統(tǒng)，為航空航天制造領(lǐng)域?qū)嵤┲悄芑圃焯峁┲匾巍?/p>

技術(shù)突破與行業(yè)示范

（1）開放式數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺。

針對傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)封閉結(jié)構(gòu)以模擬或脈沖接口為主，數(shù)控中心突破了數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計和批量制造技術(shù)，實現(xiàn)了基于國產(chǎn)“龍芯”CPU數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計和批量制造技術(shù)，為解決國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)在核心芯片方面的“卡脖子”技術(shù)奠定了基礎(chǔ)；解決了面向?qū)崟r控制的數(shù)控系統(tǒng)操作系統(tǒng)技術(shù)，研制出基于自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線協(xié)議，并組織制定了開放式數(shù)控系統(tǒng)系列化國家標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 18759.3—2009 《機械電氣設(shè)備 第3部分：總線接口與通信協(xié)議》等6項標(biāo)準(zhǔn)獲2020年中國標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)一等獎，為實現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的開放化與技術(shù)升級提供了重要支撐。

（2）基于數(shù)學(xué)機械化方法的高速高精多軸運動控制算法。

針對傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)在速度、精度、多軸聯(lián)動方面存在的差距，通過將吳文俊院士開創(chuàng)的數(shù)學(xué)機械化方法與數(shù)控技術(shù)融合，對運動控制過程進(jìn)行建模，研制出與國際先進(jìn)水平相當(dāng)?shù)倪\動控制算法庫，在關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面達(dá)到國際先進(jìn)系統(tǒng)水平，如柔性加減速控制、納米級插補、程序預(yù)讀、5坐標(biāo)刀具補償?shù)取：诵乃惴ǐ@中國專利優(yōu)秀獎。

（3）高檔數(shù)控系統(tǒng)功能性能全指令覆蓋。

針對國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)指令集存在的差距，通過對標(biāo)分析，建立了高檔數(shù)控系統(tǒng)功能分析數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)功能指令集的覆蓋。同時針對高速、大型數(shù)控機床的配套需求，通過主持實施“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項課題“數(shù)控系統(tǒng)功能安全技術(shù)研究”，為我國機床行業(yè)第一項國際標(biāo)準(zhǔn)IEC/TS 60204-34:2016Safety of machinery–electrical equipment of machines–Part 34:Requirements for machine tools的制定提供了支撐，獲中國機械工業(yè)科技進(jìn)步一等獎。

（4）在航空領(lǐng)域的示范應(yīng)用。

圍繞一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破，數(shù)控中心的業(yè)務(wù)從以數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動裝置與電機為主，拓展到自動化裝備及數(shù)字化車間管控系統(tǒng)等，具備了為航空航天等制造企業(yè)提供智能化成套解決方案的能力，組織實施并完成了“飛機結(jié)構(gòu)件智能制造新模式應(yīng)用”、“直升機發(fā)動機空間動力傳動單元體高速高精高效智能化加工應(yīng)用示范”等國家重大專項課題，“航空制造領(lǐng)域數(shù)字化車間智能制造解決方案及實施”入選《2019中國智能制造十大實施案例》。

針對國產(chǎn)高檔數(shù)控在航空領(lǐng)域應(yīng)用難問題，以S型試件加工為驅(qū)動，通過解決龍門同步、5軸RTCP功能、多通道及復(fù)合加工等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了“藍(lán)天數(shù)控”與5軸聯(lián)動橋式高速龍門加工中心、基于AB擺五聯(lián)動航空結(jié)構(gòu)件強力銑削加工中心、自動加工單元等數(shù)控機床配套，并在航空航天制造領(lǐng)域的重點企業(yè)實現(xiàn)批量應(yīng)用。同時基于產(chǎn)品開放性，研制了雙通道、11軸葉片類微孔超快激光加工數(shù)控系統(tǒng)，其中一個通道5軸聯(lián)動實現(xiàn)葉片加工控制，一個通道6軸聯(lián)動實現(xiàn)激光打孔與檢測，實現(xiàn)發(fā)動機葉片打孔國產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的突破。相關(guān)成果獲中國航空工業(yè)集團科技進(jìn)步獎。

五軸加工中心

未來發(fā)展方向

隨著制造技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，數(shù)控技術(shù)的內(nèi)涵發(fā)生深刻的變化。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC184/SC1將其更名為工業(yè)信息物理設(shè)備控制（Industrial Cyberand Physical Device Control）。圍繞行業(yè)的變化，數(shù)控中心以高檔數(shù)控關(guān)鍵核心技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步向自動化、數(shù)字化、智能化方向拓展，以滿足面向智能制造的新一代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展要求。

通過開展安全控制系統(tǒng)、單元協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研發(fā)，研制面向單機自動化、單元自動化與產(chǎn)線自動化的自動化裝備，實現(xiàn)自動化與數(shù)控化的集成，助推數(shù)控裝備制造效率的提升。

通過開展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生與數(shù)控技術(shù)的交叉融合，使數(shù)控系統(tǒng)成為制造車間的數(shù)字化平臺，以實現(xiàn)制造過程的數(shù)字感知、建模、控制與服務(wù)。

通過開展制造過程監(jiān)控、工藝與設(shè)備參數(shù)優(yōu)化、智能故障預(yù)警與診斷、工件在位測量等技術(shù)研發(fā)，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與智能制造關(guān)鍵要素的融合，滿足智能制造的要求。