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 1　研發(fā)背景

高端機床裝備是奠定現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)的工業(yè)母機，是制造強國的關(guān)鍵基礎(chǔ)、國防安全的戰(zhàn)略保障和支撐制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的助推引擎，戰(zhàn)略意義重大，然而，作為數(shù)控機床“大腦”、決定數(shù)控機床 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，中高端市場絕大部分份額為國外企業(yè)所占據(jù)的窘境。

目前我國航空航天等重點領(lǐng)域急需的五軸、 龍門、精密等高檔數(shù)控機床，市場長期被歐日企業(yè) 壟斷，進口依賴度高。高檔數(shù)控機床的核心技術(shù)是關(guān)鍵功能部件（數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、測量反饋元 件、換刀機構(gòu)等），其性能和質(zhì)量決定了整機的性能和質(zhì)量。在這一領(lǐng)域，我國技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，經(jīng)過這些年的發(fā)展，其性能、功能、可靠性雖然有了很大的進步，但是還不能完全滿足市場需求。這些技術(shù)的落后，嚴重制約了我國機床工業(yè)的發(fā)展進步。 因此，一方面，這需要我國機床行業(yè)咬緊牙關(guān)，匠心“苦干”，縮小差距。而另一方面，我們還可以將云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興信息技術(shù)，為機床行業(yè)“賦能”，鼎新“巧干”，這將對我國縮小與國外的差距，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)進行深度融合，以推進新一輪工業(yè)革 命，而機床的智能化程度對智能制造的實施具有重要影響。

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+” 為機床賦能的創(chuàng)新理念，構(gòu)筑人（H）-機（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、支持AI算法的智能軟件平臺、構(gòu)建智能App生態(tài)的開放平臺。

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)與先進制造技術(shù)深度融合，遵循“自主感知-自主學習-自主決策-自主執(zhí)行”新模式，實現(xiàn)了真正的智能 化。該系統(tǒng)本質(zhì)的特征是具備認知和學習能力，與以往產(chǎn)品相比，其獨創(chuàng)的指令域大數(shù)據(jù)分析方法，能形成指令域“心電圖”，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)與加工工況的關(guān)聯(lián)映射，可精確預測零件輪廓誤差，生成輪廓誤差補償 的“i代碼”，有效提升零件的輪廓精度，實現(xiàn)機床動態(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)提供了機床指令域大數(shù)據(jù)匯聚訪問接口、機床全生命周期“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)分析和深度學習）的算法庫，為打造智能機 床共創(chuàng)、共享、共用的研發(fā)模式和商業(yè)模式的生態(tài)圈提供開放式的技術(shù)平臺，為機床廠家、行業(yè)用戶及科研機構(gòu)創(chuàng)新研制智能機床產(chǎn)品和開展智能化技術(shù)研究提供技術(shù)支撐。

3　主要技術(shù)特點

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

3.1　自主感知：指令域大數(shù)據(jù)

獨創(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”，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)與加工工況的關(guān)聯(lián)映射，構(gòu)建由機床全生命周期大數(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　自主學習：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，獨創(chuàng)性地將數(shù)理模型與大 數(shù)據(jù)模型進行融合建模，實現(xiàn)對機床動態(tài)行為的自學習和認知理解，構(gòu)建由機床動態(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，進行虛擬加工，并預測加工效果。根據(jù)預測結(jié)果，自動進行多輪優(yōu)化迭代，最終生成多目標智能優(yōu)化的“i代碼”，實現(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）和多目標智能優(yōu)化的 “i-代 碼”（第二代碼）同步運行，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、可靠、安全的數(shù)控加工。

4　實際應用情況

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

圖5 典型應用

在實際應用方面，華中9型新一代人工智能數(shù)控 系統(tǒng)通過建立機床進給系統(tǒng)動力學和大數(shù)據(jù)融合模 型，能有效提升加工零件的輪廓精度，實現(xiàn)機床動態(tài)精度的“由絲入微”。在加工過程中，該系統(tǒng)還能預測機床熱變形規(guī)律，對熱變形進行補償，保持機床加工精度的穩(wěn)定性，縮短熱機時間。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， 匯聚機床裝配、調(diào)試、補償、健康保障及使用過程 數(shù)據(jù)，實現(xiàn)機床全生命周期運維管理。

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，與江西佳時特精密機械有限公司、寶雞機床集團有限公司、秦川機床工具集團有限公司、陜西秦川格蘭德機床有限公司、沈陽精銳數(shù)控機床有限公司、 陜西漢江機床有限公司、沈陽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、 山東蒂德精密機床有限公司、武漢高科機械設(shè)備制造有限公司等多家機床企業(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、智能車削中心、智能凸輪軸磨床、智能螺 桿磨床、智能滾齒機等不同領(lǐng)域、多種類型的智能機 床，推動機床智能化轉(zhuǎn)型升級。

5　市場及產(chǎn)業(yè)化前景

在國家產(chǎn)業(yè)政策支持、新技術(shù)革命推動和市場需求牽引等綜合作用下，機床行業(yè)的智能制造將步入加速成長期。智能制造的發(fā)展將對傳統(tǒng)制造體系帶來猛烈沖擊，推動產(chǎn)業(yè)格局發(fā)生深刻變革。在我國經(jīng)濟新常態(tài)下，機床工具行業(yè)面臨市場需求升級的緊迫需求，經(jīng)過新技術(shù)革命的洗禮，機床行業(yè)企業(yè)的經(jīng)營 模式將逐步轉(zhuǎn)變。智能化數(shù)控系統(tǒng)、智能機床、智能制造車間、智能制造工廠、智能制造大系統(tǒng)的技術(shù)發(fā) 展進程，為機床行業(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)控機床，是打造制造強國的首要任務(wù)。

進入新世紀以來，大數(shù)據(jù)、云計算、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)上具備了認知和學習的能力，具備了生成知識和運用知識的能力，從根本上提高工業(yè)知識產(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)與機床制造技術(shù)，可有效解決智能機床適應性和有效性不足的問題。

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

摘自《自動化博覽》2021年5月刊