系列報道四|華中8型數控系統的研發與應用
【系列報道四】
華中8型數控系統的研發與應用
【編者按】根據國家有關部門要求，中國機床工具工業協會組織重點企業開展產業鏈供應鏈研究，梳理行業發展脈絡，推動行業企業融入以內循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局。為此，協會傳媒部就國產數控系統開發進展和應用推廣情況進行了采訪梳理，并予以系列報道，供行業企業和廣大用戶參考。
一、華中8型數控系統的研發背景及技術水平
數控機床是裝備制造業最重要的“工業母機”，其技術水平代表著一個國家的綜合競爭力。基礎薄弱、缺“芯”少“腦”一直是“中國制造”的短板。數控系統作為數控機床的“大腦”，是決定數控機床功能、性能、可靠性及成本的核心部件。據統計，我國每年進口大量中、高端數控機床，所需高端數控系統大量進口的局面更沒有得到很好緩解。
從2009年開始，在國家科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”支持下，華中數控經過艱苦努力，在多項關鍵技術上實現了歷史性突破，成功研制出華中8型系列化高檔數控系統，其功能和性能指標達到國際同行先進水平。
在產品研發過程中，華中數控攻克了一批關鍵共性技術難題，包括：開放式、模塊化數控系統軟平臺技術，開放式數控系統二次開發平臺，高速高精運動控制、現場總線和多軸多通道控制技術，基于指令域大數據分析的工藝參數優化、數控機床健康保障等智能化應用功能，為研制出自主可控的華中8型系列化中、高檔數控系統提供了原創技術支撐。
圖1 華中8型高性能數控系統
曾在中機聯組織的成果鑒定會上，專家委員會認為：“華中數控在我國數控系統后發追趕、面臨更嚴苛要求的應戰壓力下，奮力拼博，歷經幾代技術攻關，開發出了以華中8型為代表的自主可控的數控系統，全面達到國際先進水平，可替代進口。”2017年，華中8型數控系統獲得“國家科技進步二等獎”。
圖2 獲獎證書
二、華中8型數控系統的亮點和技術創新點
華中數控自主創新，在實現數控加工更精、更快、更智能方面進行了探索，研制的華中8型數控系統具備以下技術特點。
1. 亮點
（1）高速、高精度控制技術
系統具備納米級插補計算精度，最小插補周期0.125毫秒，程序前瞻預讀2000段以上。系統配置總線式伺服驅動系統，可與多種絕對式/增量式旋轉編碼器和光柵尺配接，實現了高速高精加工。
圖3 高精度加工達到高光表面
（2）多軸聯動、多通道控制技術
系統可實現8通道、64軸控制，具備先進的多軸聯動加工功能，如五軸RTCP、傾斜面加工、車銑復合、雙軸同步等。
圖4 五軸運動模型
圖5 多通道控制技術
（3）平臺化技術
構建了高性能數控系統軟硬件平臺和新型開放式二次開發平臺，實現了數控系統內/外部設備全數字化通訊和互聯，為用戶提供了多層次的深度開發手段。
圖6 硬件平臺
圖7 軟件平臺
（4）智能化控制技術
華中數控在華中8型高性能數控系統的基礎上，基于云計算、大數據、CPS等單元技術，利用控制信息、傳感信息、網絡信息，實現了數控設備的運行、加工、操作和編程等環節的智能化，開發了數控系統遠程監控、工藝優化、健康保障、斷刀監測等智能化功能。
圖8 智能化控制技術
2. 創新點
（1）基于以太網的數控系統高速實時現場總線技術，構建全數字數控系統體系架構，研發嵌入式一體化的數控系統軟硬件平臺，實現了內外設備間信息的實時可靠交換。
圖9 總線控制技術：內部總線（NCUC-Bus），外部協議（NC-Link）
（2）建立多軸聯動機床統一運動學模型，提出雙矢量位姿變換方法，開發RTCP、大圓插補、定向加工、主軸同步、伺服軸位置同步、多通道協同等功能，實現了多軸耦合運動的復雜軌跡控制，滿足復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方法，開發高速、高精、高剛度的驅動控制技術，研制高響應、高能效、低轉矩波動的伺服電機，實現了高速高精運動的柔性平滑和電機高增益寬域控制，滿足高速加工要求。
圖11高速納米插補
圖12 高速高精優化
（4）基于云計算的數控系統智能化技術，構建數控系統云服務平臺，提出了數控系統電控大數據的指令域分析方法，研究加工過程物理信息資源的深度挖掘技術，實現了數控機床健康評估、斷刀監測、工藝參數優化等智能化應用。
圖13 數控加工“心電圖”
圖14 工藝參數優化技術
三、華中8型數控系統的應用領域及應用效果
目前，華中8型數控系統已與10多類約2000臺高端數控機床實現了配套應用，其中包括：高速/精密車削中心、高速/精密立加、車銑復合、高速/精密臥加、五軸聯動加工中心、六軸砂帶磨等高端數控機床，滿足國內高速、高精、大型、重型、復合、生產線等高端數控裝備的配套需求。所配套產品的企業包括秦川機床集團、四川普什寧江機床有限公司、北京工研精機、武漢重型機床集團、北京第一機床廠、北京第二機床廠、寶雞機床集團、深圳創世紀公司、東風設備制造有限公司、上海拓璞數控科技有限公司、上海機床廠有限公司、蘇州信能精密機械有限公司等。
圖15 寶雞機床集團批量配置華中8型系統的加工中心車間
通過重點領域的“應用示范”工程，華中8型高端數控系統已在多家大型骨干企業進行批量示范應用，滿足了復雜結構件，復雜壁板框段類零件，發動機機匣、葉片和燃氣輪機機匣等復雜零件、復合材料加工的制造要求。
圖16 沈陽某重點企業批量配套華中8型系統的車間
通過汽車制造領域的“應用示范”工程，華中8型高端數控系統已在吉林省吉通機械制造有限責任公司、東風活塞軸瓦有限公司、華晨寶馬汽車有限公司、東風楚凱(武漢)汽車零部件有限公司、雙港活塞公司、上海通用五菱公司、營口華潤有色金屬制造有限公司、綦江齒輪傳動有限公司、交大智邦公司等骨干企業批量示范應用，滿足了發動機缸體、缸蓋、輪轂、高壓油泵殼體、底盤類等關鍵零件的制造要求。
圖17 東風楚凱公司批量配套華中8型系統的生產線現場
圖18 吉林通用公司批量配套華中8型系統的車間
圖19 上汽通用公司配置華中8型系統的生產車間
東方電氣集團東方汽輪機有限公司、無錫透平葉片有限公司等兩家企業應用華中8型數控系統15臺套，主要用于火電汽輪機、核電汽輪機、燃氣輪機等發電設備葉片制造。東方汽輪機有限公司應用配華中8型數控系統的10臺九軸六聯動數控砂帶磨床組成產線，用于大型汽輪機葉片、核電葉片、燃機葉片型面的拋磨，解決了以汽輪機葉片為代表的復雜曲面進行磨削拋光的技術難題，開發出專用華中8型高檔數控系統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型高端型數控系統全面進入汽車制造、能源裝備、船舶制造、機床工具、模具、3C等領域的主戰場，累計銷售10萬多臺套，在2000多家企業批量應用。特別是2015年以來，華中數控針對3C制造行業的巨大需求，研制并批量銷售了具有高速高精（進給快移速度達60m/min，進給加速度達1G）、高速主軸控制（24000r/min）等關鍵技術的高速鉆攻中心數控系統，其加工效率優于同類產品，并且建立了多個3C加工智能工廠。
圖20 批量配置華中8型系統的3C加工企業生產車間
四、華中8型數控系統市場和產業化前景
1. 制造業轉型升級為華中8型數控系統提供巨大發展契機
目前，我國正處于制造業高質量發展、由制造大國向制造強國轉型的重要階段，隨著高端制造業需求持續旺盛和高端制造業對制造工藝和技術要求不斷提升，華中8型數控系統的市場需求將不斷擴大，具有廣闊的發展前景。
2. 華中8型數控系統支持國內機床領域關鍵核心技術發展
華中數控作為國內數控系統領域核心企業之一，通過承接國家重大專項，經過20多年研發積累，其高端產品的功能、性能與國際先進水平的差距逐漸縮小，并在部分高端細分領域實現國產數控系統零的突破，支持了國內機床制造關鍵核心技術的發展。
3. 數控技術與新一代人工智能技術融合，將促進我國機床產業發展
高檔數控機床關鍵功能部件的性能和質量決定了整機的性能和質量。為了改變受制于人的現狀，我們將加快新一代人工信息技術與華中8型數控系統融合應用，研發華中9型智能數控系統，與機床企業聯合研制智能機床，促進中國機床行業向高質量發展。
圖21 華中9型智能數控系統
（供稿：武漢華中數控股份有限公司 編輯整理：梅峰）
