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 1　研發背景

高端機床裝備是奠定現代工業基礎的工業母機，是制造強國的關鍵基礎、國防安全的戰略保障和支撐制造業轉型升級的助推引擎，戰略意義重大，然而，作為數控機床“大腦”、決定數控機床 功能、性能與可靠性的數控系統，卻面臨著核心技術受制于人，中高端市場絕大部分份額為國外企業所占據的窘境。

目前我國航空航天等重點領域急需的五軸、 龍門、精密等高檔數控機床，市場長期被歐日企業 壟斷，進口依賴度高。高檔數控機床的核心技術是關鍵功能部件（數控系統、主軸單元、測量反饋元 件、換刀機構等），其性能和質量決定了整機的性能和質量。在這一領域，我國技術基礎薄弱，經過這些年的發展，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。這些技術的落后，嚴重制約了我國機床工業的發展進步。 因此，一方面，這需要我國機床行業咬緊牙關，匠心“苦干”，縮小差距。而另一方面，我們還可以將云計算、大數據、人工智能等新興信息技術，為機床行業“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。

 新一輪工業革命的核心技術是智能制造——制造業的數字化、網絡化和智能化。作為中國制造業高質量發展的主攻方向，智能制造將新一代信息技術和制造技術進行深度融合，以推進新一輪工業革 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　創新技術介紹

華中數控首創基于云計算的數控系統智能化技術，發明數控系統電控大數據的指令域分析方法， 成功推出了“華中9型新一代人工智能數控系統”， 如圖1所示。

圖1 華中9型新一代人工智能數控系統

華中9型新一代人工智能數控系統踐行“智能+” 為機床賦能的創新理念，構筑人（H）-機（P）-信 息（C）融合的數字孿生系統（S）（HCPS）。該系統深度融合大數據與人工智能技術，打造了“端- 邊-云”的智能體系架構，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、構建智能App生態的開放平臺。

華中9型新一代人工智能數控系統集成AI芯片， 融合AI算法，將人工智能、物聯網等新一代智能技術與先進制造技術深度融合，遵循“自主感知-自主學習-自主決策-自主執行”新模式，實現了真正的智能 化。該系統本質的特征是具備認知和學習能力，與以往產品相比，其獨創的指令域大數據分析方法，能形成指令域“心電圖”，實現大數據與加工工況的關聯映射，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，實現機床動態精度的“由絲入微”。

華中9型新一代人工智能數控系統提供了機床指令域大數據匯聚訪問接口、機床全生命周期“數字 雙胞胎”的數據管理接口和大數據智能（可視化、 大數據分析和深度學習）的算法庫，為打造智能機 床共創、共享、共用的研發模式和商業模式的生態圈提供開放式的技術平臺，為機床廠家、行業用戶及科研機構創新研制智能機床產品和開展智能化技術研究提供技術支撐。

3　主要技術特點

華中9型新一代人工智能數控系統遵循“自主感 知-自主學習-自主決策-自主執行”的新模式，構建機床數字孿生，探索機床實現智能的新方法。

3.1　自主感知：指令域大數據

獨創的指令域大數據分析方法，采集、匯聚數控系統內部電控大數據和外部傳感器數據，形成指令域 “心電圖”，實現大數據與加工工況的關聯映射，構建由機床全生命周期大數據描述的數字孿生。指令域大數據分析方法如圖2所示。

3.2　自主學習：融合建模

借助具有“因果關系”的數理模型和具有“關聯關系”的大數據模型，獨創性地將數理模型與大 數據模型進行融合建模，實現對機床動態行為的自學習和認知理解，構建由機床動態模型描述的數字孿生。融合建模圖如圖3所示。

 圖2 指令域大數據分析方法

圖3 數理模型與大數據模型融合建模

3.3　自主決策：i代碼

利用所獲得的數字孿生，進行虛擬加工，并預測加工效果。根據預測結果，自動進行多輪優化迭代，最終生成多目標智能優化的“i代碼”，實現自主決策。自主決策流程圖如圖4所示。

圖4 自主決策流程圖

3.4　自主執行：雙碼聯控

獨創的雙碼聯控技術，讓傳統數控加工的“G- 代碼”（第一代碼）和多目標智能優化的 “i-代 碼”（第二代碼）同步運行，實現優質、高效、可靠、安全的數控加工。

4　實際應用情況

華中9型智能數控系統目前已擁有30余款App， 提供工藝優化、質量提升、健康保障和生產管理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控 系統通過建立機床進給系統動力學和大數據融合模 型，能有效提升加工零件的輪廓精度，實現機床動態精度的“由絲入微”。在加工過程中，該系統還能預測機床熱變形規律，對熱變形進行補償，保持機床加工精度的穩定性，縮短熱機時間。此外，該系統還能自主優化工藝參數，有效提高加工效率， 匯聚機床裝配、調試、補償、健康保障及使用過程 數據，實現機床全生命周期運維管理。

華中數控以華中9型新一代人工智能數控系統為平臺，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、武漢高科機械設備制造有限公司等多家機床企業一起聯合研發，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域、多種類型的智能機 床，推動機床智能化轉型升級。

5　市場及產業化前景

在國家產業政策支持、新技術革命推動和市場需求牽引等綜合作用下，機床行業的智能制造將步入加速成長期。智能制造的發展將對傳統制造體系帶來猛烈沖擊，推動產業格局發生深刻變革。在我國經濟新常態下，機床工具行業面臨市場需求升級的緊迫需求，經過新技術革命的洗禮，機床行業企業的經營 模式將逐步轉變。智能化數控系統、智能機床、智能制造車間、智能制造工廠、智能制造大系統的技術發 展進程，為機床行業展示了美好的發展前景。毋庸置 疑，智能數控系統和數控機床將成為智能制造體系中 的核心裝備，加快發展智能數控系統和數控機床，是打造制造強國的首要任務。

進入新世紀以來，大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術飛速發展，特別是新一代人工智能技術的戰略性突破，發生了革命性的“質變”，本質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，從根本上提高工業知識產生和利用的效率， 大大解放人的體力和腦力，創新的速度大大加快，應用的范圍更加泛在。因此，深度融合新一代人工智能技術與機床制造技術，可有效解決智能機床適應性和有效性不足的問題。

智能機床是數控機床發展的高級形態，也是數控機床朝著數字化網絡化智能化機床（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與數控機床的深度融合，將為機床產業帶來新的變革，使中國機床行業實現從“跟跑”到“領跑”，實現“開 道超車”的重大機遇。華中數控與智能制造“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