iNC-848D：华中数控新一代iNC智能数控系统

一、研发背景

《中国制造2025》从国家层面确定了我国建设制造强国的总体战略，明确提出:要以创新驱动发展为主题，以新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，实现制造业由大变强的历史跨越。智能制造为中国制造业跨越发展提供历史性机遇，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。今后二十年，正是“智能制造”这个新一轮工业革命核心技术发展的关键时期，中国制造业完全可以抓住这一千载难逢的历史机遇，集中全国优势兵力打一场战略决战，实现战略性的重点突破、重点跨越，实现与西方发达国家并行甚至超越，实现中国制造业的换道超车、跨越发展。

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。因此，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，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。

二、创新技术介绍

在华中8型数控系统（HNC-848D）的基础上，智能数控系统（iNC-848D）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，iNC-848D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“更高，更快，更智能”。

此外，iNC-848D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．数字化：自动感知—数字双胞胎

以数控系统内部的电控数据作为大数据主要来源，根据智能化应用软件的实际需要，适当增加一些温度、振动、位移等外接传感器，进行高频数据采集，实现对数控加工过程中影响零件加工质量、效率和工艺系统稳定性的切削力、热、振动、误差等物理量的直接或间接的状态感知的大数据，构成由大数据逆向建模的智能机床的全生命周期的“数字双胞胎”模型，实现对智能机床工作行为和工作状态的可追溯的精确描述，并可对智能机床和数控加工过程的理论模型的参数进行修正和预测。

2．网络化：内部总线（NCUC-Bus）,外部协议（NC-Link）

智能数控系统具有内部强实时现场总线（NCUC-Bus），实现数控系统内部的电控数据和外接传感器数据的高频采集和汇聚。智能机床具有与外部连接的设备互联通讯协议的网络化数据接口（NC-Link），可以与其他智能设备和信息管理系统的互联互通互控，将智能机床的内部电控数据和传感器数据实时汇聚到车间大数据中心，最终通过互联网相连，实现与工厂的设计、生产、管理系统的信息共享。

3．平台化：开放式平台

华中数控新一代iNC数控系统是一个深度开放的数控系统，在统一的Apps开发环境中，提供机床指令域大数据访问接口，新一代人工智能算法库，实现制造过程要素互联互通的接口，为机床厂家、行业用户及科研机构开发智能化应用提供工具和环境。

三、主要技术特点

华中数控新一代iNC智能数控系统应用大数据可视化、大数据分析、基于新一代人工智能技术，对智能机床的大数据按指令域进行关联分析和深度学习，以及智能机床和零件加工的理论建模和仿真分析结果，形成智能机床的优化控制策略和控制知识，自动积累经验并自我学习提升。这些优化控制策略和知识的描述，构成智能控制代码，能由智能机床的控制系统接受、理解和执行，实现加工几何轨迹控制代码和智能控制代码的“双码联控”，完成多种模拟和替代人类智能活动，实现数控加工的质量提升、工艺优化、健康保障和生产管理的智能化。

1.华中数控新一代iNC数控系统主要技术基础：

（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）。

（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，华中数控与机床企业率先研制了基于新一代人工智能技术的智能数控系统（iNC）和智能机床（iNC-MT）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。

2.iNC-848D的智能模块

（1）质量提升：提高加工精度和表面质量

①基于温度传感器的热误差补偿。

②基于能耗大数据的热误差补偿。

③机床定位精度与反向间隙补偿。

④数控机床空间误差补偿。

⑤五轴RTCP几何结构参数测量与补偿。

⑥基于数控加工“心电图”智能断刀检测。

⑦基于能耗大数据的刀具寿命智能管理。

⑧主轴振动主动避让。

（2）工艺优化：提高加工效率

①加工G代码的光顺性评估和平滑拟合。

②基于主轴负载数据的加工工艺参数评估。

③基于主轴负载数据的加工工艺参数优化。

④加工振动分析的指令域示波器。

⑤三维曲面双码联控高速加工。

⑥自生长、自学习加工工艺数据库。

⑦虚拟加工仿真。

⑧“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

① 机床运行数据记录与回放。

②数控机床健康状态检测和预测性维护。

③主轴动平衡分析和智能健康管理。

④进给轴全生命周期负荷图。

⑤基于二维码的设备调试档案管理。

⑥基于二维码设备维修案例管理与搜索。

⑦数控机床机电联调工具集。

⑧可靠性MTBF统计分析。

⑨加工过程视觉智能监控。

（4）生产管理：提高管理和使用效率

①操作者身份人脸识别和权限管理。

②iNC-Cloud云服务移动端APP。

③远程状态监控。

④工艺文件浏览与管理。

⑤生产效率统计分析。

⑥作业计划管理。

四、市场性及产业化前景

目前智能机床绝大部分是“数控机床+互联网”，远没有达到替代人类智能的水平。这是因为在自主感知、自主学习等方面，没有取得革命性的技术突破，现有的智能机床过于依赖人类专家，进行理论建模和数据分析，导致知识积累艰难而缓慢，最终导致智能机床的适应性和有效性不足，更重要的没有形成一个共用共享的生态圈。

因此，现在有关智能机床的研究还是传统的研究方法，存在一些困境，主要包括：一是对智能机床尚未形成一个学术界、工业界认可的定义；二是基于机床理论建模仿真研究的成果准确度不高，达不到最优加工效果；三是基于新增大量外部传感器的信号特征阈值比较分析法，有效性和敏感性不够，还大幅增加了机床的复杂度和成本，不被用户和市场接受；四是数控系统的开放性不足，制约了智能化技术的开发和应用；五是对人在智能机床技术框架中的作用定位不准确。

华中数控开创性地提出新一代智能机床的定义，在工业互联网、大数据、云计算的基础上，应用新一代人工智能技术和先进制造技术深度融合的机床，具有自主感知机床、工况、环境有关的信息。通过自主学习获取知识，并能应用这些知识进行自主决策，进而实现自主执行，从而实现加工制造过程的优质、高效、低能耗的运行。大数据智能是发展智能机床的核心技术，但目前的应用存在一些难点，一是用于深度学习的负向样本信息太少；二是样本的标识仍需要人工介入。

而如何做好智能机床？首先要打好数字化的基础，构建机床双胞胎。这个双胞胎能够把机床的行为和状态变成一个可追溯的精确描述。数据完备有效，能够反映机床加工过程中的力、热这些物理变量；二是机床的健康保障，保持设备完好和安全；三要提高生产使用效率。

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，已经与宝鸡机床、富强科技、纽威机床等机床企业合作生产智能机床，并且与许多机床企业达成合作研制智能机床的合作。

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

同时，很多机床与华中数控一起研制配置新一代智能数控系统和华中8型高档数控系统的中、高档数控机床。

济南二机有限公司XHV2525A龙门五轴机床配置华中数控HNC-848D数控系统

宝鸡机床集团有限公司BL5-C机床配置华中数控B800T系统/BM8-H机床配置华中数控B800M系统

嘉泰数控科技股份公司JT-GL8五轴机床配置华中数控HNC-848D数控系统

大连三垒科技有限公司SVW80A五轴机床配置华中数控HNC-848D数控系统

福建省威诺数控有限公司WN-5V320Z-AC五轴机床配置华中数控HNC-848M数控系统

随着工业自动化的进一步发展，机器人+机床的复合加工单元日渐受到市场青睐。面对日益增长的新能源、节能环保产业，新型曲轴、曲柄轴、偏心轴的需求量增长迅猛，市场前景非常可观。目前，国内能够提供较为成熟的全自动曲轴类零件加工线整体解决方案的厂商还很稀少。根据结构分析，本加工线处于国内先进水平，与国外的同类产品比较，我们参与组线的机床均为成熟产品，有些性能及参数接近甚至优于进口产品。此外，目前国外的同类加工线价格昂贵，柔性不足。我们提供的加工线机床均为上海机床厂有限公司厂自行设计制造，面对国内的市场，我们在灵活性及成本控制方面有着很强的竞争能力。□