工業(yè)母機是國家制造業(yè)的戰(zhàn)略物資，數(shù)控系統(tǒng)是工業(yè)母機的大腦。高檔數(shù)控系統(tǒng)長期以來受到國外封鎖限制，尤其是中美脫鉤，進一步加劇了高檔數(shù)控系統(tǒng)的卡脖子風(fēng)險。習(xí)近平總書記在黨的二十大報告中強調(diào)，堅持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設(shè)全局中的核心地位，對于高檔數(shù)控系統(tǒng)的突圍，除了對標(biāo)國際先進的數(shù)控系統(tǒng)進行追趕外，還必須要將新一代人工智能技術(shù)與數(shù)控技術(shù)結(jié)合，探索智能數(shù)控系統(tǒng)的新技術(shù)，實現(xiàn)彎道超車，創(chuàng)新超越。

當(dāng)前階段智能數(shù)控系統(tǒng)主要面臨如下問題：

·問題1：自主感知與連接問題

智能數(shù)控系統(tǒng)需要通過自動匯聚數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部電控數(shù)控與來自于外部傳感器采集的數(shù)據(jù)（如溫度、振動和視覺等），以及從G代碼中提取的加工工藝數(shù)據(jù)（如切寬、切深、材料去除率等），實現(xiàn)數(shù)控機床的自主感知。

·問題2：自主學(xué)習(xí)與建模問題

智能數(shù)控系統(tǒng)需要基于自主感知與連接得到的數(shù)據(jù)，運用集成于大數(shù)據(jù)平臺中的新一代人工智能算法庫，通過學(xué)習(xí)生成知識，獲得機床在加工實踐中輸入與相應(yīng)的規(guī)律。

·問題3：自主優(yōu)化與決策問題

智能數(shù)控系統(tǒng)需要在接受到新的加工任務(wù)后，利用前期積累的機床模型，預(yù)測機床的響應(yīng)。依據(jù)預(yù)測結(jié)果，進行質(zhì)量提升、工藝優(yōu)化、健康保障和生產(chǎn)管理等多目標(biāo)迭代優(yōu)化，形成最優(yōu)加工決策。

·問題4：自主控制與執(zhí)行問題

智能數(shù)控系統(tǒng)需要基于傳統(tǒng)數(shù)控加工幾何軌跡控制的G代碼（第一代碼）和包含多目標(biāo)加工優(yōu)化決策信息的智能控制信息，實現(xiàn)同步控制，達到優(yōu)質(zhì)、高效、可靠、安全和低耗數(shù)控加工。

圖1 智能數(shù)控系統(tǒng)面臨的問題

針對上述痛點問題，如圖2所示，華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)提出了智能數(shù)控系統(tǒng)自主感知與連接、自主學(xué)習(xí)與建模、自主優(yōu)化與決策和自主控制與執(zhí)行的原理與實現(xiàn)方案。

圖2 華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)控制原理

為了支撐華中9型智能控制系統(tǒng)控制原理，一方面，構(gòu)建了一個體系架構(gòu)和三個平臺，另一方面，形成了“四個自主”解決方案。

1．一個體系架構(gòu)和三個平臺

一個體系架構(gòu)是指智能數(shù)控系統(tǒng)的“端邊云”體系架構(gòu)，如圖3所示；三個平臺是指含AI芯片的智能硬件平臺（如圖4）、含AI算法包的智能軟件平臺（如圖5）和分層級APP的開放平臺（如圖6）。

圖3 華中9型端邊云體系架構(gòu)

圖4 含AI芯片的華中9型硬件平臺

圖5 提供AI算法包的華中9型軟件平臺

圖6 提供分層級APP的華中9型開放平臺

2．“四個自主”解決方案

①自主感知與連接的解決方案：華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)通過“指令域示波器”和“指令域分析方法”來建立工況與狀態(tài)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。利用“指令域”大數(shù)據(jù)匯聚方法采集加工過程數(shù)據(jù)，通過NC-Link實現(xiàn)機床的互聯(lián)互通和大數(shù)據(jù)的匯聚，形成機床全生命周期大數(shù)據(jù)，構(gòu)建由機床全生命周期“數(shù)據(jù)像”的數(shù)字孿生。

圖7 自主感知：指令域示波器

②自主學(xué)習(xí)與建模的解決方案：華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)在自主學(xué)習(xí)和建模中，知識的生成方法有三種：基于物理模型的機床輸入/響應(yīng)因果關(guān)系的理論建模；面向機床工作任務(wù)和運行狀態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系的大數(shù)據(jù)建模；基于機床大數(shù)據(jù)與理論建模相結(jié)合的混合建模。通過數(shù)理模型、大數(shù)據(jù)模型、數(shù)理/大數(shù)據(jù)融合模型的三種建模方法，形成機床的模型/知識，構(gòu)建機床“模型像”數(shù)字孿生。

圖8 自主學(xué)習(xí)：三種建模方法

③自主優(yōu)化與決策的解決方案：華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)利用所獲得的數(shù)字孿生，進行虛擬加工，并預(yù)測加工效果。根據(jù)預(yù)測結(jié)果自動進行多輪優(yōu)化迭代，最終生成多目標(biāo)智能優(yōu)化的“i代碼”，實現(xiàn)自主決策。不同于傳統(tǒng)的G代碼，i代碼是與指令域?qū)?yīng)的多目標(biāo)優(yōu)化加工的智能控制代碼，是對特定機床的運動規(guī)劃、動態(tài)精度、加工工藝、刀具管理等多目標(biāo)優(yōu)化控制策略的精確描述，并隨著制造資源狀態(tài)的變化而不斷演變。

圖9 自主決策：i代碼

④自主控制與執(zhí)行的解決方案：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(biāo)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。

圖10 自主執(zhí)行：雙碼聯(lián)控

相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及其對比如下表：

表1 技術(shù)指標(biāo)對比

·技術(shù)優(yōu)勢

目前，我國高檔數(shù)控系統(tǒng)主要被國外所壟斷，國外系統(tǒng)的部分高檔功能、內(nèi)部數(shù)據(jù)接口和控制執(zhí)行接口對我國封鎖限制。用戶開發(fā)智能化功能需要按毫秒級采樣周期采集數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，而國外系統(tǒng)不能向用戶開放數(shù)據(jù)接口。用戶所開發(fā)的智能化控制功能，也無法與國外數(shù)控系統(tǒng)的深度集成。此外，智能化技術(shù)的研發(fā)，需要吸引和凝聚大批第三方用戶，深度參與開發(fā)、驗證、應(yīng)用，形成一大批擴展靈活、功能強大的智能App 應(yīng)用軟件。由于國外系統(tǒng)沒有形成開放式平臺，無法形成智能化技術(shù)的共享、共用、共創(chuàng)的開發(fā)模式和App Store式的商業(yè)模式。

而華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)首次在數(shù)控系統(tǒng)中集成了AI芯片，具備人工智能所需要的算力；其軟件平臺支持人工智能算法，并開放了數(shù)控系統(tǒng)獨有的指令域大數(shù)據(jù)。此外華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)還是一個開放的平臺，開發(fā)者利用這些智能化所需要的資源開發(fā)適合特定機床應(yīng)用的APP部署在華中9型上。

·市場優(yōu)勢

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。

·“iNC智能數(shù)控系統(tǒng)”入選中國繼續(xù)工業(yè)聯(lián)合會“改革開發(fā)40周年—機械工業(yè)杰出產(chǎn)品”名單

·新一代智能數(shù)控系統(tǒng)，中國智能制造十大科技進展

·數(shù)控裝備工業(yè)互聯(lián)通訊協(xié)議（NC-Link）及應(yīng)用 獲得 2019年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例

·發(fā)明專利“一種基于指令域分析的數(shù)控機床工作過程CPS建模方法”獲得第二十一中國專利獎優(yōu)秀獎

可量產(chǎn)。

智能機床是先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的集成與深度融合的產(chǎn)物,是數(shù)控機床發(fā)展的高級形態(tài)。目前，技術(shù)先進國家在機床監(jiān)控、測量、補償、診斷、加工優(yōu)化等智能化技術(shù)的突破，為智能機床的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著科技不斷創(chuàng)新，智能機床作為移動互聯(lián)網(wǎng)智能終端，將成為智能生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵加工設(shè)備。

應(yīng)用于各類云計算平臺、邊緣計算平臺，適用于公有云、私有云、混合云等各類云計算模式。

應(yīng)用前景：

當(dāng)前，世界性的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革歷史性交匯，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命正在興起。云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，正在引發(fā)對制造業(yè)研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、產(chǎn)業(yè)形態(tài)和商業(yè)模式的深刻變革。機床是制造業(yè)的工作母機，機床的智能化對制造業(yè)的發(fā)展和機床產(chǎn)業(yè)本身都具有重要影響。推動新一代人工智能與機床產(chǎn)業(yè)融合將能夠推動我國機床產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)換道發(fā)展，對我國制造業(yè)意義重大。

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)和智能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)和智能機床，是實施制造強國的首要任務(wù)。

應(yīng)用案例：

華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)為平臺，與秦川機床集團等機床企業(yè)，“深度融合，聯(lián)合攻關(guān)，協(xié)同創(chuàng)新”，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、智能滾齒機等一批智能機床，推動機床智能化創(chuàng)新發(fā)展。

1）武漢某公司——智能高速五軸

該機床配置最新華中HNC-948系統(tǒng)，具備靜摩擦力補償、輪廓誤差補償、智優(yōu)曲面、工藝參數(shù)優(yōu)化、健康保障等智能化功能。以Φ55×25mm葉輪加工案例為例，通過工藝參數(shù)優(yōu)化，加工時間從6分6秒，提升到5分42秒。為了驗證智能高速五軸數(shù)控機床的綜合性能，進行了“S”件的試切，同時也加工體現(xiàn)五軸特色的汽車渦輪增壓器葉輪，其加工時間5min42s、表面粗糙度Ra≤0.4um、輪廓度≤0.01mm等關(guān)鍵指標(biāo)均達要求。

圖11 智能高速五軸

2）江西某公司——智能高精度工業(yè)母機S5H

該機床主軸/進給軸采用4套水冷系統(tǒng)，應(yīng)用機床溫度場自主抑制技術(shù)實現(xiàn)了機床溫度場±1℃恒定。通過機床裝配質(zhì)量評測技術(shù)、考慮阿貝原則空間誤差補償技術(shù)、機床溫度場自主抑制技術(shù)等智能化技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)了機床定位精度1μm，重復(fù)定位精度0.5μm高精度。通過應(yīng)用智優(yōu)曲面技術(shù)，生成具有優(yōu)化決策信息的i代碼，通過G代碼/i代碼實現(xiàn)雙碼聯(lián)合控制，確保加工軌跡平滑與相鄰刀路軌跡速度的橫向一致性，梅賽德斯奔馳件加工對標(biāo)國外系統(tǒng)單項指標(biāo)超越，華中數(shù)控HNC-948數(shù)控系統(tǒng)加工質(zhì)量與國外系統(tǒng)均屬于第Ⅰ等級 （90分以上，80分以上即位列世界機床第一梯隊）。

圖12 智能高精度工業(yè)母機S5H

3）山東某公司——智能高速輪轂加工中心V1160L

該機床通過機床裝配質(zhì)量控制、空間誤差補償技術(shù)，X/Y/Z軸的定位精度分別為6.5μm/3.5μm/3.1μm，重復(fù)定位精度分別為2.7μm/2.7μm/2.0μm。通過應(yīng)用基于雙碼聯(lián)控的智優(yōu)曲面技術(shù)、工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，加工F試件，與同機型Fanuc-0i MF數(shù)控加工零件質(zhì)量相當(dāng)，并進行了鍛造鋁合金輪轂試切，視窗、輻條側(cè)壁無明顯過切，表面粗糙度較好，輻條無明顯接刀痕，滿足客戶生產(chǎn)需求。

圖13 智能高速輪轂加工中心V1160L

圖14 鍛造鋁合金輪轂試切

通過應(yīng)用基于絲杠線性熱膨脹模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的熱誤差補償功能，有效改善了機床在冷機－熱機、熱機－冷機過程中由于絲杠熱膨脹造成的精度變化問題，縮短了加工前的熱機時間。

圖15 (左)有傳感器補償效果（補償前49um，補償后16um）;

(右)無傳感器補償效果（補償前49um，補償后16um）

發(fā)展規(guī)劃：

華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)依托“1-3-1-3-4”的體系架構(gòu)，支持“自主感知、自主學(xué)習(xí)、自主決策、自主執(zhí)行”，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。

圖16 華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)的“1-3-1-3-4-N”產(chǎn)業(yè)規(guī)劃體系

知識產(chǎn)權(quán)：

該成果已申請/授權(quán)多項中國發(fā)明專利。

合作方式：

國家智能設(shè)計與數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新中心（簡稱“國智中心”）以科技部“國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心”和“國家企業(yè)信息化應(yīng)用支撐軟件工程技術(shù)研究中心（武漢）”為基礎(chǔ)建設(shè)，于2022年1月獲得國家科技部批復(fù)，由國家科技部和湖北省人民政府授牌。

國智中心定位從科學(xué)到技術(shù)的轉(zhuǎn)化，堅持面向世界科技前沿、面向國家重大需求、面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向人民生命健康，以突破關(guān)鍵核心技術(shù)、解決“卡脖子”問題為核心，聚焦智能系統(tǒng)設(shè)計工業(yè)軟件、高端數(shù)控系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)工業(yè)軟件三大方向，開展工業(yè)基礎(chǔ)軟件和高端數(shù)控系統(tǒng)的研究，研發(fā)智能系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)控中的引擎、平臺和系統(tǒng)，“以研發(fā)為使命，以技術(shù)為產(chǎn)品”，與深度融合的國內(nèi)高技術(shù)企業(yè)共同推動技術(shù)產(chǎn)品化，形成核心技術(shù)、產(chǎn)品和生態(tài)。

國智中心堅持“對標(biāo)追趕，創(chuàng)新超越”路線，對標(biāo)MATLAB、西門子、海德漢等國際領(lǐng)先產(chǎn)品，自主研發(fā)了科學(xué)計算與工程建模設(shè)計系統(tǒng)、高檔數(shù)控系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真軟件、PLM軟件、等幾何拓撲優(yōu)化引擎、生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化引擎、幾何約束引擎、遠程運維系統(tǒng)等系列核心技術(shù)成果，在航天、航空、能源、車輛、船舶、通訊、工程機械等重點行業(yè)的骨干企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。為數(shù)字化工廠、數(shù)字化車間、數(shù)字化產(chǎn)線、數(shù)字化裝備和智能化應(yīng)用，提供了國產(chǎn)替代、自主可控、安全可信的數(shù)字化工廠解決方案。

（左）多領(lǐng)域統(tǒng)一建模工業(yè)軟件

（中）等幾何拓撲優(yōu)化工業(yè)軟件

（右）PLM工業(yè)軟件

（左）高檔數(shù)控系統(tǒng)

（中）智能數(shù)控系統(tǒng)

（右）智能生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化工業(yè)軟件

國智中心數(shù)字化工廠體系架構(gòu)