【所属领域】

智能制造

【痛点问题】

工业母机是国家制造业的战略物资，数控系统是工业母机的大脑。高档数控系统长期以来受到国外封锁限制，尤其是中美脱钩，进一步加剧了高档数控系统的卡脖子风险。习近平总书记在党的二十大报告中强调，坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，对于高档数控系统的突围，除了对标国际先进的数控系统进行追赶外，还必须要将新一代人工智能技术与数控技术结合，探索智能数控系统的新技术，实现弯道超车，创新超越。

当前阶段智能数控系统主要面临如下问题：

·问题1：自主感知与连接问题

智能数控系统需要通过自动汇聚数控系统内部电控数控与来自于外部传感器采集的数据（如温度、振动和视觉等），以及从G代码中提取的加工工艺数据（如切宽、切深、材料去除率等），实现数控机床的自主感知。

·问题2：自主学习与建模问题

智能数控系统需要基于自主感知与连接得到的数据，运用集成于大数据平台中的新一代人工智能算法库，通过学习生成知识，获得机床在加工实践中输入与相应的规律。

·问题3：自主优化与决策问题

智能数控系统需要在接受到新的加工任务后，利用前期积累的机床模型，预测机床的响应。依据预测结果，进行质量提升、工艺优化、健康保障和生产管理等多目标迭代优化，形成最优加工决策。

·问题4：自主控制与执行问题

智能数控系统需要基于传统数控加工几何轨迹控制的G代码（第一代码）和包含多目标加工优化决策信息的智能控制信息，实现同步控制，达到优质、高效、可靠、安全和低耗数控加工。

图1 智能数控系统面临的问题

【解决方案】

针对上述痛点问题，如图2所示，华中9型智能数控系统提出了智能数控系统自主感知与连接、自主学习与建模、自主优化与决策和自主控制与执行的原理与实现方案。

图2 华中9型智能数控系统控制原理

为了支撑华中9型智能控制系统控制原理，一方面，构建了一个体系架构和三个平台，另一方面，形成了“四个自主”解决方案。

1．一个体系架构和三个平台

一个体系架构是指智能数控系统的“端边云”体系架构，如图3所示；三个平台是指含AI芯片的智能硬件平台（如图4）、含AI算法包的智能软件平台（如图5）和分层级APP的开放平台（如图6）。

图3 华中9型端边云体系架构

图4 含AI芯片的华中9型硬件平台

图5 提供AI算法包的华中9型软件平台

图6 提供分层级APP的华中9型开放平台

2．“四个自主”解决方案

①自主感知与连接的解决方案：华中9型智能数控系统通过“指令域示波器”和“指令域分析方法”来建立工况与状态数据之间的关联关系。利用“指令域”大数据汇聚方法采集加工过程数据，通过NC-Link实现机床的互联互通和大数据的汇聚，形成机床全生命周期大数据，构建由机床全生命周期“数据像”的数字孪生。

图7 自主感知：指令域示波器

②自主学习与建模的解决方案：华中9型智能数控系统在自主学习和建模中，知识的生成方法有三种：基于物理模型的机床输入/响应因果关系的理论建模；面向机床工作任务和运行状态关联关系的大数据建模；基于机床大数据与理论建模相结合的混合建模。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。

图8 自主学习：三种建模方法

③自主优化与决策的解决方案：华中9型智能数控系统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。不同于传统的G代码，i代码是与指令域对应的多目标优化加工的智能控制代码，是对特定机床的运动规划、动态精度、加工工艺、刀具管理等多目标优化控制策略的精确描述，并随着制造资源状态的变化而不断演变。

图9 自主决策：i代码

④自主控制与执行的解决方案：独创的双码联控技术，让传统数控加工的“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。

图10 自主执行：双码联控

【技术指标】

相关技术指标及其对比如下表：

表 1 技术指标对比

【竞争优势】

·技术优势

目前，我国高档数控系统主要被国外所垄断，国外系统的部分高档功能、内部数据接口和控制执行接口对我国封锁限制。用户开发智能化功能需要按毫秒级采样周期采集数控系统内部数据，而国外系统不能向用户开放数据接口。用户所开发的智能化控制功能，也无法与国外数控系统的深度集成。此外，智能化技术的研发，需要吸引和凝聚大批第三方用户，深度参与开发、验证、应用，形成一大批扩展灵活、功能强大的智能App 应用软件。由于国外系统没有形成开放式平台，无法形成智能化技术的共享、共用、共创的开发模式和App Store式的商业模式。

而华中9型智能数控系统首次在数控系统中集成了AI芯片，具备人工智能所需要的算力；其软件平台支持人工智能算法，并开放了数控系统独有的指令域大数据。此外华中9型智能数控系统还是一个开放的平台，开发者利用这些智能化所需要的资源开发适合特定机床应用的APP部署在华中9型上。

·市场优势

在国家产业政策支持、新技术革命推动和市场需求牵引等综合作用下，机床行业的智能制造将步入加速成长期。智能制造的发展将对传统制造体系带来猛烈冲击，推动产业格局发生深刻变革。

【资质荣誉】

·“iNC智能数控系统”入选中国继续工业联合会“改革开发40周年—机械工业杰出产品”名单

·新一代智能数控系统，中国智能制造十大科技进展

·数控装备工业互联通讯协议（NC-Link）及应用 获得 2019年工业互联网应用案例

·发明专利“一种基于指令域分析的数控机床工作过程CPS建模方法”获得第二十一中国专利奖优秀奖

【技术成熟度】

可量产。

【产业化应用】

智能机床是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成与深度融合的产物,是数控机床发展的高级形态。目前，技术先进国家在机床监控、测量、补偿、诊断、加工优化等智能化技术的突破，为智能机床的发展提供了技术基础。随着科技不断创新，智能机床作为移动互联网智能终端，将成为智能生产系统的关键加工设备。

应用前景

当前，世界性的科技革命和产业变革历史性交汇，以工业互联网和智能制造为主导的第四次工业革命正在兴起。云计算、大数据、移动互联网、物联网、人工智能等新一代信息技术与制造业的深度融合，正在引发对制造业研发设计、生产制造、产业形态和商业模式的深刻变革。机床是制造业的工作母机，机床的智能化对制造业的发展和机床产业本身都具有重要影响。推动新一代人工智能与机床产业融合将能够推动我国机床产业实现换道发展，对我国制造业意义重大。

在国家产业政策支持、新技术革命推动和市场需求牵引等综合作用下，机床行业的智能制造将步入加速成长期。智能制造的发展将对传统制造体系带来猛烈冲击，推动产业格局发生深刻变革。在我国经济新常态下，机床工具行业面临市场需求升级的紧迫需求，经过新技术革命的洗礼，机床行业企业的经营模式将逐步转变。智能机床、智能制造车间、智能制造工厂、智能制造大系统的技术发展进程，为机床行业展示了美好的发展前景。毋庸置疑，智能数控系统和智能机床将成为智能制造体系中的核心装备，加快发展智能数控系统和智能机床，是实施制造强国的首要任务。

应用案例

华中9型智能数控系统为平台，与秦川机床集团等机床企业，“深度融合，联合攻关，协同创新”，研制了智能精密加工中心、智能五轴加工中心、智能高速轮毂加工中心、智能车削中心、智能凸轮轴磨床、智能螺杆磨床、智能滚齿机等一批智能机床，推动机床智能化创新发展。

1）武汉某公司——智能高速五轴

该机床配置最新华中HNC-948系统，具备静摩擦力补偿、轮廓误差补偿、智优曲面、工艺参数优化、健康保障等智能化功能。以Φ55×25mm叶轮加工案例为例，通过工艺参数优化，加工时间从6分6秒，提升到5分42秒。为了验证智能高速五轴数控机床的综合性能，进行了“S”件的试切，同时也加工体现五轴特色的汽车涡轮增压器叶轮，其加工时间5min42s、表面粗糙度Ra≤0.4um、轮廓度≤0.01mm等关键指标均达要求。

图11 智能高速五轴

2）江西某公司——智能高精度工业母机S5H

该机床主轴/进给轴采用4套水冷系统，应用机床温度场自主抑制技术实现了机床温度场±1℃恒定。通过机床装配质量评测技术、考虑阿贝原则空间误差补偿技术、机床温度场自主抑制技术等智能化技术应用，实现了机床定位精度1μm，重复定位精度0.5μm高精度。通过应用智优曲面技术，生成具有优化决策信息的i代码，通过G代码/i代码实现双码联合控制，确保加工轨迹平滑与相邻刀路轨迹速度的横向一致性，梅赛德斯奔驰件加工对标国外系统单项指标超越，华中数控HNC-948数控系统加工质量与国外系统均属于第Ⅰ等级 （90分以上，80分以上即位列世界机床第一梯队）。

图 12 智能高精度工业母机S5H

3）山东某公司——智能高速轮毂加工中心V1160L

该机床通过机床装配质量控制、空间误差补偿技术，X/Y/Z轴的定位精度分别为6.5μm/3.5μm/3.1μm，重复定位精度分别为2.7μm/2.7μm/2.0μm。通过应用基于双码联控的智优曲面技术、工艺参数优化技术，加工F试件，与同机型Fanuc-0i MF数控加工零件质量相当，并进行了锻造铝合金轮毂试切，视窗、辐条侧壁无明显过切，表面粗糙度较好，辐条无明显接刀痕，满足客户生产需求。

图13 智能高速轮毂加工中心V1160L

图14 锻造铝合金轮毂试切

通过应用基于丝杠线性热膨胀模型及神经网络模型的热误差补偿功能，有效改善了机床在冷机－热机、热机－冷机过程中由于丝杠热膨胀造成的精度变化问题，缩短了加工前的热机时间。

(a)                                                                                                  (b)

图15 (a)有传感器补偿效果（补偿前49um，补偿后16um）;(b)无传感器补偿效果（补偿前49um，补偿后16um）

发展规划

华中9型智能数控系统依托“1-3-1-3-4”的体系架构，支持“自主感知、自主学习、自主决策、自主执行”，为打造智能机床共创、共享、共用的研发模式和商业模式的生态圈提供开放式的技术平台，为机床厂家、行业用户及科研机构创新研制智能机床产品和开展智能化技术研究提供技术支撑。

图16 华中9型智能数控系统的“1-3-1-3-4-N”产业规划体系

知识产权

该成果已申请/授权多项中国发明专利。

合作方式

专利许可、专利转让、作价入股、技术开发、面谈等。

【团队介绍】

国家智能设计与数控技术创新中心（简称“国智中心”）以科技部“国家数控系统工程技术研究中心”和“国家企业信息化应用支撑软件工程技术研究中心（武汉）”为基础建设，于2022年1月获得国家科技部批复，由国家科技部和湖北省人民政府授牌。

国智中心定位从科学到技术的转化，坚持面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场、面向人民生命健康，以突破关键核心技术、解决“卡脖子”问题为核心，聚焦智能系统设计工业软件、高端数控系统和智能制造系统工业软件三大方向，开展工业基础软件和高端数控系统的研究，研发智能系统设计和数控中的引擎、平台和系统，“以研发为使命，以技术为产品”，与深度融合的国内高技术企业共同推动技术产品化，形成核心技术、产品和生态。

国智中心坚持“对标追赶，创新超越”路线，对标MATLAB、西门子、海德汉等国际领先产品，自主研发了科学计算与工程建模设计系统、高档数控系统、生产系统建模仿真软件、PLM软件、等几何拓扑优化引擎、生产调度优化引擎、几何约束引擎、远程运维系统等系列核心技术成果，在航天、航空、能源、车辆、船舶、通讯、工程机械等重点行业的骨干企业得到广泛应用。为数字化工厂、数字化车间、数字化产线、数字化装备和智能化应用，提供了国产替代、自主可控、安全可信的数字化工厂解决方案。

国智中心数字化工厂体系架构

【联系方式】

CG24030