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 1　研發(fā)背景

高端機(jī)床裝備是奠定現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)的工業(yè)母機(jī)，是制造強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵基礎(chǔ)、國(guó)防安全的戰(zhàn)略保障和支撐制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的助推引擎，戰(zhàn)略意義重大，然而，作為數(shù)控機(jī)床“大腦”、決定數(shù)控機(jī)床 功能、性能與可靠性的數(shù)控系統(tǒng)，卻面臨著核心技術(shù)受制于人，中高端市場(chǎng)絕大部分份額為國(guó)外企業(yè)所占據(jù)的窘境。

目前我國(guó)航空航天等重點(diǎn)領(lǐng)域急需的五軸、 龍門(mén)、精密等高檔數(shù)控機(jī)床，市場(chǎng)長(zhǎng)期被歐日企業(yè) 壟斷，進(jìn)口依賴(lài)度高。高檔數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)是關(guān)鍵功能部件（數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、測(cè)量反饋元 件、換刀機(jī)構(gòu)等），其性能和質(zhì)量決定了整機(jī)的性能和質(zhì)量。在這一領(lǐng)域，我國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展，其性能、功能、可靠性雖然有了很大的進(jìn)步，但是還不能完全滿足市場(chǎng)需求。這些技術(shù)的落后，嚴(yán)重制約了我國(guó)機(jī)床工業(yè)的發(fā)展進(jìn)步。 因此，一方面，這需要我國(guó)機(jī)床行業(yè)咬緊牙關(guān)，匠心“苦干”，縮小差距。而另一方面，我們還可以將云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興信息技術(shù)，為機(jī)床行業(yè)“賦能”，鼎新“巧干”，這將對(duì)我國(guó)縮小與國(guó)外的差距，起到“事半功倍”的作用。

 新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)是智能制造——制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。作為中國(guó)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主攻方向，智能制造將新一代信息技術(shù)和制造技術(shù)進(jìn)行深度融合，以推進(jìn)新一輪工業(yè)革 命，而機(jī)床的智能化程度對(duì)智能制造的實(shí)施具有重要影響。

2　創(chuàng)新技術(shù)介紹

華中數(shù)控首創(chuàng)基于云計(jì)算的數(shù)控系統(tǒng)智能化技術(shù)，發(fā)明數(shù)控系統(tǒng)電控大數(shù)據(jù)的指令域分析方法， 成功推出了“華中9型新一代人工智能數(shù)控系統(tǒng)”， 如圖1所示。

圖1 華中9型新一代人工智能數(shù)控系統(tǒng)

華中9型新一代人工智能數(shù)控系統(tǒng)踐行“智能+” 為機(jī)床賦能的創(chuàng)新理念，構(gòu)筑人（H）-機(jī)（P）-信 息（C）融合的數(shù)字孿生系統(tǒng)（S）（HCPS）。該系統(tǒng)深度融合大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，打造了“端- 邊-云”的智能體系架構(gòu)，形成了集成AI芯片的智能硬件平臺(tái)、支持AI算法的智能軟件平臺(tái)、構(gòu)建智能App生態(tài)的開(kāi)放平臺(tái)。

華中9型新一代人工智能數(shù)控系統(tǒng)集成AI芯片， 融合AI算法，將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新一代智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，遵循“自主感知-自主學(xué)習(xí)-自主決策-自主執(zhí)行”新模式，實(shí)現(xiàn)了真正的智能 化。該系統(tǒng)本質(zhì)的特征是具備認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力，與以往產(chǎn)品相比，其獨(dú)創(chuàng)的指令域大數(shù)據(jù)分析方法，能形成指令域“心電圖”，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)與加工工況的關(guān)聯(lián)映射，可精確預(yù)測(cè)零件輪廓誤差，生成輪廓誤差補(bǔ)償 的“i代碼”，有效提升零件的輪廓精度，實(shí)現(xiàn)機(jī)床動(dòng)態(tài)精度的“由絲入微”。

華中9型新一代人工智能數(shù)控系統(tǒng)提供了機(jī)床指令域大數(shù)據(jù)匯聚訪問(wèn)接口、機(jī)床全生命周期“數(shù)字 雙胞胎”的數(shù)據(jù)管理接口和大數(shù)據(jù)智能（可視化、 大數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)）的算法庫(kù)，為打造智能機(jī) 床共創(chuàng)、共享、共用的研發(fā)模式和商業(yè)模式的生態(tài)圈提供開(kāi)放式的技術(shù)平臺(tái)，為機(jī)床廠家、行業(yè)用戶及科研機(jī)構(gòu)創(chuàng)新研制智能機(jī)床產(chǎn)品和開(kāi)展智能化技術(shù)研究提供技術(shù)支撐。

3　主要技術(shù)特點(diǎn)

華中9型新一代人工智能數(shù)控系統(tǒng)遵循“自主感 知-自主學(xué)習(xí)-自主決策-自主執(zhí)行”的新模式，構(gòu)建機(jī)床數(shù)字孿生，探索機(jī)床實(shí)現(xiàn)智能的新方法。

3.1　自主感知：指令域大數(shù)據(jù)

獨(dú)創(chuàng)的指令域大數(shù)據(jù)分析方法，采集、匯聚數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部電控大數(shù)據(jù)和外部傳感器數(shù)據(jù)，形成指令域 “心電圖”，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)與加工工況的關(guān)聯(lián)映射，構(gòu)建由機(jī)床全生命周期大數(shù)據(jù)描述的數(shù)字孿生。指令域大數(shù)據(jù)分析方法如圖2所示。

3.2　自主學(xué)習(xí)：融合建模

借助具有“因果關(guān)系”的數(shù)理模型和具有“關(guān)聯(lián)關(guān)系”的大數(shù)據(jù)模型，獨(dú)創(chuàng)性地將數(shù)理模型與大 數(shù)據(jù)模型進(jìn)行融合建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)行為的自學(xué)習(xí)和認(rèn)知理解，構(gòu)建由機(jī)床動(dòng)態(tài)模型描述的數(shù)字孿生。融合建模圖如圖3所示。

 圖2 指令域大數(shù)據(jù)分析方法

圖3 數(shù)理模型與大數(shù)據(jù)模型融合建模

3.3　自主決策：i代碼

利用所獲得的數(shù)字孿生，進(jìn)行虛擬加工，并預(yù)測(cè)加工效果。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，自動(dòng)進(jìn)行多輪優(yōu)化迭代，最終生成多目標(biāo)智能優(yōu)化的“i代碼”，實(shí)現(xiàn)自主決策。自主決策流程圖如圖4所示。

圖4 自主決策流程圖

3.4　自主執(zhí)行：雙碼聯(lián)控

獨(dú)創(chuàng)的雙碼聯(lián)控技術(shù)，讓傳統(tǒng)數(shù)控加工的“G- 代碼”（第一代碼）和多目標(biāo)智能優(yōu)化的 “i-代 碼”（第二代碼）同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、可靠、安全的數(shù)控加工。

4　實(shí)際應(yīng)用情況

華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)目前已擁有30余款A(yù)pp， 提供工藝優(yōu)化、質(zhì)量提升、健康保障和生產(chǎn)管理4大典型應(yīng)用，助力智能機(jī)床更精、更快、更智能。如 圖5所示。

圖5 典型應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用方面，華中9型新一代人工智能數(shù)控 系統(tǒng)通過(guò)建立機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和大數(shù)據(jù)融合模 型，能有效提升加工零件的輪廓精度，實(shí)現(xiàn)機(jī)床動(dòng)態(tài)精度的“由絲入微”。在加工過(guò)程中，該系統(tǒng)還能預(yù)測(cè)機(jī)床熱變形規(guī)律，對(duì)熱變形進(jìn)行補(bǔ)償，保持機(jī)床加工精度的穩(wěn)定性，縮短熱機(jī)時(shí)間。此外，該系統(tǒng)還能自主優(yōu)化工藝參數(shù)，有效提高加工效率， 匯聚機(jī)床裝配、調(diào)試、補(bǔ)償、健康保障及使用過(guò)程 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床全生命周期運(yùn)維管理。

華中數(shù)控以華中9型新一代人工智能數(shù)控系統(tǒng)為平臺(tái)，與江西佳時(shí)特精密機(jī)械有限公司、寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司、秦川機(jī)床工具集團(tuán)有限公司、陜西秦川格蘭德機(jī)床有限公司、沈陽(yáng)精銳數(shù)控機(jī)床有限公司、 陜西漢江機(jī)床有限公司、沈陽(yáng)百航智能制造研究院有 限公司、湖大海捷（湖南）工程技術(shù)研究有限公司、 山東蒂德精密機(jī)床有限公司、武漢高科機(jī)械設(shè)備制造有限公司等多家機(jī)床企業(yè)一起聯(lián)合研發(fā)，研制了智能精密加工中心、智能五軸加工中心、智能高速輪轂加工中心、智能車(chē)削中心、智能凸輪軸磨床、智能螺 桿磨床、智能滾齒機(jī)等不同領(lǐng)域、多種類(lèi)型的智能機(jī) 床，推動(dòng)機(jī)床智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

5　市場(chǎng)及產(chǎn)業(yè)化前景

在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策支持、新技術(shù)革命推動(dòng)和市場(chǎng)需求牽引等綜合作用下，機(jī)床行業(yè)的智能制造將步入加速成長(zhǎng)期。智能制造的發(fā)展將對(duì)傳統(tǒng)制造體系帶來(lái)猛烈沖擊，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)格局發(fā)生深刻變革。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，機(jī)床工具行業(yè)面臨市場(chǎng)需求升級(jí)的緊迫需求，經(jīng)過(guò)新技術(shù)革命的洗禮，機(jī)床行業(yè)企業(yè)的經(jīng)營(yíng) 模式將逐步轉(zhuǎn)變。智能化數(shù)控系統(tǒng)、智能機(jī)床、智能制造車(chē)間、智能制造工廠、智能制造大系統(tǒng)的技術(shù)發(fā) 展進(jìn)程，為機(jī)床行業(yè)展示了美好的發(fā)展前景。毋庸置 疑，智能數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床將成為智能制造體系中 的核心裝備，加快發(fā)展智能數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床，是打造制造強(qiáng)國(guó)的首要任務(wù)。

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)飛速發(fā)展，特別是新一代人工智能技術(shù)的戰(zhàn)略性突破，發(fā)生了革命性的“質(zhì)變”，本質(zhì)上具備了認(rèn)知和學(xué)習(xí)的能力，具備了生成知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)的能力，從根本上提高工業(yè)知識(shí)產(chǎn)生和利用的效率， 大大解放人的體力和腦力，創(chuàng)新的速度大大加快，應(yīng)用的范圍更加泛在。因此，深度融合新一代人工智能技術(shù)與機(jī)床制造技術(shù)，可有效解決智能機(jī)床適應(yīng)性和有效性不足的問(wèn)題。

智能機(jī)床是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的高級(jí)形態(tài)，也是數(shù)控機(jī)床朝著數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化機(jī)床（新一代人工智能 +機(jī)床）演進(jìn)的必然方向。新一代人工智能技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的深度融合，將為機(jī)床產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的變革，使中國(guó)機(jī)床行業(yè)實(shí)現(xiàn)從“跟跑”到“領(lǐng)跑”，實(shí)現(xiàn)“開(kāi) 道超車(chē)”的重大機(jī)遇。華中數(shù)控與智能制造“同頻共 振”，助力中國(guó)機(jī)床“開(kāi)道超車(chē)”。

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年5月刊