華中8型數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用
2020-12-28 來(lái)源：-- 作者：-
根據(jù)國(guó)家有關(guān)部門(mén)要求，中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)組織重點(diǎn)企業(yè)開(kāi)展產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈研究，梳理行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)，推動(dòng)行業(yè)企業(yè)融入以內(nèi)循環(huán)為主體、國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局。為此，協(xié)會(huì)傳媒部就國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)展和應(yīng)用推廣情況進(jìn)行了采訪梳理，并予以系列報(bào)道，供行業(yè)企業(yè)和廣大用戶參考。
一、華中8型數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)背景及技術(shù)水平
數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)最重要的“工業(yè)母機(jī)”，其技術(shù)水平代表著一個(gè)國(guó)家的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。基礎(chǔ)薄弱、缺“芯”少“腦”一直是“中國(guó)制造”的短板。數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是決定數(shù)控機(jī)床功能、性能、可靠性及成本的核心部件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年進(jìn)口大量中、高端數(shù)控機(jī)床，所需高端數(shù)控系統(tǒng)大量進(jìn)口的局面更沒(méi)有得到很好緩解。
從2009年開(kāi)始，在國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”支持下，華中數(shù)控經(jīng)過(guò)艱苦努力，在多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了歷史性突破，成功研制出華中8型系列化高檔數(shù)控系統(tǒng)，其功能和性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同行先進(jìn)水平。
在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，華中數(shù)控攻克了一批關(guān)鍵共性技術(shù)難題，包括：開(kāi)放式、模塊化數(shù)控系統(tǒng)軟平臺(tái)技術(shù)，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，高速高精運(yùn)動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)總線和多軸多通道控制技術(shù)，基于指令域大數(shù)據(jù)分析的工藝參數(shù)優(yōu)化、數(shù)控機(jī)床健康保障等智能化應(yīng)用功能，為研制出自主可控的華中8型系列化中、高檔數(shù)控系統(tǒng)提供了原創(chuàng)技術(shù)支撐。
圖1 華中8型高性能數(shù)控系統(tǒng)
曾在中機(jī)聯(lián)組織的成果鑒定會(huì)上，專家委員會(huì)認(rèn)為：“華中數(shù)控在我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)后發(fā)追趕、面臨更嚴(yán)苛要求的應(yīng)戰(zhàn)壓力下，奮力拼博，歷經(jīng)幾代技術(shù)攻關(guān)，開(kāi)發(fā)出了以華中8型為代表的自主可控的數(shù)控系統(tǒng)，全面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，可替代進(jìn)口。”2017年，華中8型數(shù)控系統(tǒng)獲得“國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)”。
圖2 獲獎(jiǎng)證書(shū)
二、華中8型數(shù)控系統(tǒng)的亮點(diǎn)和技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)
華中數(shù)控自主創(chuàng)新，在實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工更精、更快、更智能方面進(jìn)行了探索，研制的華中8型數(shù)控系統(tǒng)具備以下技術(shù)特點(diǎn)。
1. 亮點(diǎn)
（1）高速、高精度控制技術(shù)
系統(tǒng)具備納米級(jí)插補(bǔ)計(jì)算精度，最小插補(bǔ)周期0.125毫秒，程序前瞻預(yù)讀2000段以上。系統(tǒng)配置總線式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可與多種絕對(duì)式/增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和光柵尺配接，實(shí)現(xiàn)了高速高精加工。
圖3 高精度加工達(dá)到高光表面
（2）多軸聯(lián)動(dòng)、多通道控制技術(shù)
系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)8通道、64軸控制，具備先進(jìn)的多軸聯(lián)動(dòng)加工功能，如五軸RTCP、傾斜面加工、車(chē)銑復(fù)合、雙軸同步等。
圖4 五軸運(yùn)動(dòng)模型
圖5 多通道控制技術(shù)
（3）平臺(tái)化技術(shù)
構(gòu)建了高性能數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)和新型開(kāi)放式二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)/外部設(shè)備全數(shù)字化通訊和互聯(lián)，為用戶提供了多層次的深度開(kāi)發(fā)手段。
圖6 硬件平臺(tái)
圖7 軟件平臺(tái)
（4）智能化控制技術(shù)
華中數(shù)控在華中8型高性能數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、CPS等單元技術(shù)，利用控制信息、傳感信息、網(wǎng)絡(luò)信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控設(shè)備的運(yùn)行、加工、操作和編程等環(huán)節(jié)的智能化，開(kāi)發(fā)了數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、工藝優(yōu)化、健康保障、斷刀監(jiān)測(cè)等智能化功能。
圖8 智能化控制技術(shù)
2. 創(chuàng)新點(diǎn)
（1）基于以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)高速實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，構(gòu)建全數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)體系架構(gòu)，研發(fā)嵌入式一體化的數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外設(shè)備間信息的實(shí)時(shí)可靠交換。
圖9 總線控制技術(shù)：內(nèi)部總線（NCUC-Bus），外部協(xié)議（NC-Link）
（2）建立多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，提出雙矢量位姿變換方法，開(kāi)發(fā)RTCP、大圓插補(bǔ)、定向加工、主軸同步、伺服軸位置同步、多通道協(xié)同等功能，實(shí)現(xiàn)了多軸耦合運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜軌跡控制，滿足復(fù)雜形狀零件的加工需求。
圖10 多軸多通道控制
（3）提出了基于柔性加減速的高速納米插補(bǔ)方法，開(kāi)發(fā)高速、高精、高剛度的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，研制高響應(yīng)、高能效、低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高速高精運(yùn)動(dòng)的柔性平滑和電機(jī)高增益寬域控制，滿足高速加工要求。
圖11高速納米插補(bǔ)
圖12 高速高精優(yōu)化
（4）基于云計(jì)算的數(shù)控系統(tǒng)智能化技術(shù)，構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)云服務(wù)平臺(tái)，提出了數(shù)控系統(tǒng)電控大數(shù)據(jù)的指令域分析方法，研究加工過(guò)程物理信息資源的深度挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床健康評(píng)估、斷刀監(jiān)測(cè)、工藝參數(shù)優(yōu)化等智能化應(yīng)用。
圖13 數(shù)控加工“心電圖”
圖14 工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)
三、華中8型數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用效果
目前，華中8型數(shù)控系統(tǒng)已與10多類約2000臺(tái)高端數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了配套應(yīng)用，其中包括：高速/精密車(chē)削中心、高速/精密立加、車(chē)銑復(fù)合、高速/精密臥加、五軸聯(lián)動(dòng)加工中心、六軸砂帶磨等高端數(shù)控機(jī)床，滿足國(guó)內(nèi)高速、高精、大型、重型、復(fù)合、生產(chǎn)線等高端數(shù)控裝備的配套需求。所配套產(chǎn)品的企業(yè)包括秦川機(jī)床集團(tuán)、四川普什寧江機(jī)床有限公司、北京工研精機(jī)、武漢重型機(jī)床集團(tuán)、北京第一機(jī)床廠、北京第二機(jī)床廠、寶雞機(jī)床集團(tuán)、深圳創(chuàng)世紀(jì)公司、東風(fēng)設(shè)備制造有限公司、上海拓璞數(shù)控科技有限公司、上海機(jī)床廠有限公司、蘇州信能精密機(jī)械有限公司等。
圖15 寶雞機(jī)床集團(tuán)批量配置華中8型系統(tǒng)的加工中心車(chē)間
通過(guò)重點(diǎn)領(lǐng)域的“應(yīng)用示范”工程，華中8型高端數(shù)控系統(tǒng)已在多家大型骨干企業(yè)進(jìn)行批量示范應(yīng)用，滿足了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，復(fù)雜壁板框段類零件，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、葉片和燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣等復(fù)雜零件、復(fù)合材料加工的制造要求。
圖16 沈陽(yáng)某重點(diǎn)企業(yè)批量配套華中8型系統(tǒng)的車(chē)間
通過(guò)汽車(chē)制造領(lǐng)域的“應(yīng)用示范”工程，華中8型高端數(shù)控系統(tǒng)已在吉林省吉通機(jī)械制造有限責(zé)任公司、東風(fēng)活塞軸瓦有限公司、華晨寶馬汽車(chē)有限公司、東風(fēng)楚凱(武漢)汽車(chē)零部件有限公司、雙港活塞公司、上海通用五菱公司、營(yíng)口華潤(rùn)有色金屬制造有限公司、綦江齒輪傳動(dòng)有限公司、交大智邦公司等骨干企業(yè)批量示范應(yīng)用，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、輪轂、高壓油泵殼體、底盤(pán)類等關(guān)鍵零件的制造要求。
圖17 東風(fēng)楚凱公司批量配套華中8型系統(tǒng)的生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)
圖18 吉林通用公司批量配套華中8型系統(tǒng)的車(chē)間
圖19 上汽通用公司配置華中8型系統(tǒng)的生產(chǎn)車(chē)間
東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司、無(wú)錫透平葉片有限公司等兩家企業(yè)應(yīng)用華中8型數(shù)控系統(tǒng)15臺(tái)套，主要用于火電汽輪機(jī)、核電汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等發(fā)電設(shè)備葉片制造。東方汽輪機(jī)有限公司應(yīng)用配華中8型數(shù)控系統(tǒng)的10臺(tái)九軸六聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床組成產(chǎn)線，用于大型汽輪機(jī)葉片、核電葉片、燃機(jī)葉片型面的拋磨，解決了以汽輪機(jī)葉片為代表的復(fù)雜曲面進(jìn)行磨削拋光的技術(shù)難題，開(kāi)發(fā)出專用華中8型高檔數(shù)控系統(tǒng)和砂帶磨削加工工藝編程軟件，整體水平有較大提升。
2009-2019年，華中8型高端型數(shù)控系統(tǒng)全面進(jìn)入汽車(chē)制造、能源裝備、船舶制造、機(jī)床工具、模具、3C等領(lǐng)域的主戰(zhàn)場(chǎng)，累計(jì)銷售10萬(wàn)多臺(tái)套，在2000多家企業(yè)批量應(yīng)用。特別是2015年以來(lái)，華中數(shù)控針對(duì)3C制造行業(yè)的巨大需求，研制并批量銷售了具有高速高精（進(jìn)給快移速度達(dá)60m/min，進(jìn)給加速度達(dá)1G）、高速主軸控制（24000r/min）等關(guān)鍵技術(shù)的高速鉆攻中心數(shù)控系統(tǒng)，其加工效率優(yōu)于同類產(chǎn)品，并且建立了多個(gè)3C加工智能工廠。
圖20 批量配置華中8型系統(tǒng)的3C加工企業(yè)生產(chǎn)車(chē)間
四、華中8型數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)化前景
1. 制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)為華中8型數(shù)控系統(tǒng)提供巨大發(fā)展契機(jī)
目前，我國(guó)正處于制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型的重要階段，隨著高端制造業(yè)需求持續(xù)旺盛和高端制造業(yè)對(duì)制造工藝和技術(shù)要求不斷提升，華中8型數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)需求將不斷擴(kuò)大，具有廣闊的發(fā)展前景。
2. 華中8型數(shù)控系統(tǒng)支持國(guó)內(nèi)機(jī)床領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)發(fā)展
華中數(shù)控作為國(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域核心企業(yè)之一，通過(guò)承接國(guó)家重大專項(xiàng)，經(jīng)過(guò)20多年研發(fā)積累，其高端產(chǎn)品的功能、性能與國(guó)際先進(jìn)水平的差距逐漸縮小，并在部分高端細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)零的突破，支持了國(guó)內(nèi)機(jī)床制造關(guān)鍵核心技術(shù)的發(fā)展。
3. 數(shù)控技術(shù)與新一代人工智能技術(shù)融合，將促進(jìn)我國(guó)機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展
高檔數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件的性能和質(zhì)量決定了整機(jī)的性能和質(zhì)量。為了改變受制于人的現(xiàn)狀，我們將加快新一代人工信息技術(shù)與華中8型數(shù)控系統(tǒng)融合應(yīng)用，研發(fā)華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)，與機(jī)床企業(yè)聯(lián)合研制智能機(jī)床，促進(jìn)中國(guó)機(jī)床行業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展。
圖21 華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)
（供稿：武漢華中數(shù)控股份有限公司；編輯整理：中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)-梅峰）
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