大国重器——新一代华中数控智能数控系统和智能机床

华中数控供稿

华中数控与宝鸡机床率先研制了基于新一代人工智能技术的智能数控系统和智能机床概念机，开发了一批质量提升、工艺优化、健康保障和生产运行的智能化功能模块。

数控机床是制造业的“工作母机”，是衡量一个国家制造业水平高低的战略物资。在我国加快转变经济发展方式，机床市场需求发生重大变化的新常态下，我国机床行业面临巨大的转型升级压力。

数控机床已从数字化机床（Numerical Control Machine Tools）向智能化机床（Smart Machine Tools，SMT）方向发展。但智能化机床尚处于起步阶段，还未取得实质性的研究进展和显著的应用成效。究其原因，主要是智能机床在自感知和自学习技术方面，未取得革命性的突破，最终导致机床智能化功能的适用性和有效性不够。

新一代智能机床

近年来，大数据、云计算和新一代人工智能技术取得了群体性、革命性的突破。新一代人工智能技术与先进制造技术深度融合所形成的新一代智能制造技术，成为了新一轮工业革命的核心驱动力。

新一代人工智能技术与数控机床的融合，形成新一代智能机床（Intelligent Machine Tools，iMT），将为数控机床产业带来新的变革。这将是中国机床行业“换道超车”，最终实现从“跟跑”到“领跑”的重大机遇。

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在中国工程院、工信部的指导和支持下，华中数控、宝鸡机床、华中科技大学提出了新一代智能机床（iMT）的新理念，开展了智能数控系统（iNC，intelligent NC）和智能机床（iNC-MT，intelligent NC Machine Tools）的探索。

1.自主感知

通过独创的“指令域”大数据汇聚方法，按毫秒级采样周期汇集数控系统内部电控数据、插补数据，以及温度、振动、视觉等外部传感器数据，形成数控加工指令域“心电图”和“色谱图”。伺服驱动系统既是“执行器”，又是“感知器”。实现了数控加工过程的状态信息和工况信息的自主感知，建立了数控机床的全生命周期“数字双胞胎”（Digital Twins）和“人-信息-物理系统”（Human-Cyber-Physical Systems,HCPS）。

华中数控系统

2.自主学习

在大数据、云计算和新一代人工智能技术的基础上，建立了大数据智能（可视化、大数据分析和深度学习）的开放式技术平台，形成智能机床共创、共享、共用的研发模式和商业模式的生态圈。从大数据中隐含的“关联关系”中，应用大数据智能技术，进行自主学习，获得数控加工智能化控制知识，通过开放的技术平台，实现智能控制策略、知识的积累和共享。

3.自主决策

根据数控加工的实时工况和状态信息，利用自主学习所获得的智能控制策略和知识，形成多目标优化加工的智能控制“i-代码”。

4.自主执行

通过独创的“双码联控”控制技术，实现了传统数控加工的“G-代码”（第一代码）和多目标优化加工的智能控制“i-代码”（第二代码）的同步运行，达到数控加工的优质、高效、可靠、安全和低耗的目的。

在以上技术基础上，华中数控与宝鸡机床率先研制了基于新一代人工智能技术的智能数控系统和智能机床概念机，开发了一批质量提升、工艺优化、健康保障和生产运行的智能化功能模块。

智能数控系统（iNC）概念机

在华中8型数控系统的基础上，智能数控系统提供了机床指令域大数据汇聚访问接口、机床全生命周期“数字双胞胎”的数据管理接口和大数据智能（可视化、大数据分析和深度学习）的算法库，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。

在此基础上，智能数控系统已初步实现了质量提升、工艺优化、健康保障和生产运行一批智能化功能，使得数控加工“更精，更快，更智能”。

此外，智能数控系统采用了多点触控虚拟键盘，替代了传统的数控机床键盘；采用机器视觉人脸识别，对操作者身份认证。

（1）质量提升：提高加工精度和表面质量。质量提升基于以下功能：基于温度传感器的热误差补偿，基于能耗大数据的热误差补偿，数控机床空间误差补偿，五轴RTCP几何结构参数测量与补偿，基于数控加工“心电图”智能断刀检测，基于能耗大数据的刀具寿命智能管理，主轴振动主动避让。

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（2）工艺优化：提高加工效率。加工优化包括以下几个方面：加工G代码的光顺性评估和平滑拟合，基于主轴负载的加工工艺参数评估，基于主轴负载的加工工艺参数优化，加工振动和视觉的指令域示波器，三维曲面“双码联控”高速加工，自生长、自学习加工工艺数据库，虚拟加工仿真，“一脑双控”自动上下料智能控制。

（3）健康保障：保障设备完好、安全。安全措施包括：机床运行“行车记录仪”，机床“铁人三项”健康自检和健康评估，主轴动平衡分析和智能健康管理，进给轴全生命周期负荷图，基于二维码的设备调试档案管理，基于二维码设备维修案例管理与搜索，数控机床机电联调工具集，可靠性MTBF统计分析，加工过程视觉智能监控。

（4）生产管理：提高管理和使用效率。包括操作者身份人脸识别和权限管理，iNC-Cloud智能云管家移动端APP，远程状态监控，工艺文件浏览与管理，生产效率统计分析，作业计划管理。

智能机床（iNC-MT）

传统数控机床只是通过G代码、M指令来控制刀具、工件的运动轨迹，而对机床实际加工状态，如切削力、惯性力、摩擦力、振动、力/热变形，以及环境变化等，少有感知和反馈，导致刀具的实际路径偏离理论路径，降低了加工精度、表面质量和生产效率。

在工业互联网、大数据、云计算的基础上，新一代人工智能技术和先进制造技术深度融合，智能机床是一个基于HCPS的闭环加工系统。

以汇集数控系统内部指令域电控实时数据为大数据的主要来源，并适度增加温度、振动、视觉等传感器监测机床工作状态和环境的变化，建立数控机床的“数字双胞胎”；通过大数据的可视化、大数据分析、大数据深度学习和理论建模仿真，形成智能控制的策略、知识，并能积累和共享；通过“双码联控”技术，实现质量提升、工艺优化、健康保障、生产管理的智能化，达到提高数控机床优质、高效、可靠、安全和低耗的目的。

新一代智能装备首次展出

在第十届中国数控机床展（CCMT2018）上，配备新一代智能数控系统的机床将与观众首次见面。华中数控展位N5馆N5-B201，将展出：智能数控系统（iNC）概念机、 华中8型 2.0智能化升级版软件、智能高速钻攻中心HSC-430、智能立式加工中心VM903。同时在宝鸡机床展位W2馆B201展出智能立式加工中心BM8-H和智能数控车床BL5-C。

华中数控测试车间

（1）智能高速钻攻中心HSC-430自动化单元。 机床制造：苏州富强科技有限公司；数控系统：HNC-848D；机器人：华数HSR-612机器人；新增传感器：温度传感器12个，振动传感器2个，光栅尺3个，视觉传感器1个。

（2）智能立式加工中心VM903。 机床制造：纽威数控装备（苏州）有限公司；数控系统：HNC-848D；新增传感器：温度传感器6个，振动传感器1个，视觉传感器1个。

（3）智能立式加工中心BM8-H。数控系统：宝鸡数控系统B-800M；新增传感器：温度传感器12个，振动传感器2个，光栅尺3个，视觉传感器1个 。

（4）智能数控车床BL5-C。数控系统：宝鸡数控系统 B-800T；新增传感器：温度传感器12个，振动传感器2个，光栅尺：2根，视觉传感器1个。

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智能机床主要特色

1.高精

采用全闭环高精度光栅尺反馈；根据实际需要，在机床的主轴、各进给轴上新增温度传感器若干个、振动传感器若干个。具有智能热误差补偿、空间误差补偿、主轴自动避振等智能化功能。

2.高效

高速钻攻中心的主轴转速24000转/分；快移速度60m/min，加速度1g；具有加工工艺参数评估、三维曲面双码联控高速加工等智能化功能。

3.自动化

为沈飞集团改造的精密加工中心，配置华中HNC-818B数控系统，采用光栅尺全闭环控制，机床的定位精度达到5mm。

HNC-848D的多通道功能，实现对数控机床和华数机器人的“一脑双控”，大幅降低数控机床实现自动上下料控制的硬件成本。

4.智能化

具有加工工艺参数优化、智能断刀检测、智能刀具寿命管理、加工工程视觉智能监控、自生长自学习加工工艺数据库、机床健康状态预测性维护、主轴动平衡分析和智能健康管理、进给轴全生命周期负荷图、基于二维码的维修案例管理与搜索、iNCCloud智能云管家移动端APP、远程监控、生产效率统计分析等全面智能化功能。

结语

智能数控系统和智能机床的展出，是华中数控对新一代智能装备的初步探索和实践。智能机床的研发，需要打造共创、共享、共用的生态圈，探索新一代人工智能技术与数控机床的深度融合，抢抓机遇，从共同实现中国机床行业的智能化转型升级。□