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國產（chǎn）高檔數控係統——i5數控係統的研發和（hé）應用

2020-12-10 來源：-- 作者：-

根據國家有關部門要求，中國（guó）機床工具（jù）工業協會組織重點企業開展產業鏈供應（yīng）鏈研究，梳理行業發展脈絡，推動行業企業融（róng）入以（yǐ）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（xié）會傳媒部就國產數控係統開發進展（zhǎn）和應用推廣情況進行了采訪梳理，並予以係列報道，供行業企業和廣（guǎng）大用戶參考。

一、研發背景與市場分析

“創新”並非“天降神物”，也不是來自企業家的“奇思妙想（xiǎng）”或某些天才的“靈光一現”。進入上世紀90年代後，沈（shěn）陽第（dì）一機床廠、中捷（jié）友（yǒu）誼廠和沈陽第（dì）三機（jī）床（chuáng）廠這三家原“十八羅漢廠”經營陷入困境，其原因與產品技術落（luò）後（hòu）從而失去市場競爭（zhēng）力（lì）不無關聯。同時，隨（suí）著國家對（duì）外開放、擴大進口力（lì）度，反映出（chū）中國數控技術落後給整個數控機床產業造成更大被動。

2007年，沈陽機床集團在上海成（chéng）立了沈陽機床上海研究院，i5團隊自此誕生。組建i5團隊的出發點很簡單，就（jiù）是想做出（chū）中國自己的（de）機床“大腦”，而且要做的更加智（zhì）能化。沈陽（yáng）機床（chuáng）上海研究院成為沈陽機床集團在（zài）運（yùn）動控（kòng）製技術方麵的主要（yào）研發基地。

2012年，沈陽機床上海研究院曆時5年在CNC運動控製技術、數字伺服驅動技術、實時（shí）數字總線技術等運動控製領域取得突破，誕生了首台具有網絡智能功能的i5智能係統。2014年，沈陽（yáng）機（jī）床上海研究院在五軸數控係統核心技（jì）術方（fāng）麵有所（suǒ）突破，完成首台搭載i5係統的五軸機床VMC0656e，並（bìng）測試成功（gōng）。該（gāi）五軸機床於2015年實現量產，為沈陽機床進軍高端（duān）數控市（shì）場提供了重要基（jī）礎。

i5係統的突（tū）破是基於掌握了運動控製（zhì）技術的（de）一種（zhǒng）底層技術突（tū）破，全麵覆蓋兩軸（zhóu）、三軸、四軸、五軸等各類機床應用，在此基礎上可以衍生一係列滿足差異化訴求的機床產品。

二、技術亮點和（hé）創新點

1. 總體介紹

（1）i5采用（yòng）基於PC的全軟件式（shì）結（jié）構，即利用（yòng）計算機係（xì）統的軟硬件開發可以分開的特點，把數控控製（zhì）核心部分全部寫在CPU上，用軟件實（shí）現。這個結構的優（yōu）點在於數（shù）控核心拓撲結構（gòu）可變，內部模塊（kuài）全部開放，可借助標準化的接口實現模塊間的互換、移植或協同工作（zuò）。基於PC的特（tè）性讓i5獲得天然的互聯網能力以及較先進的硬件（jiàn）支持。

圖1 多樣化（huà）CNC主機硬件方案

（2）操作係統的選擇。i5選用的是Linux操作係統，不（bú）同於其他基於PC係統使用的（de）Windows係統，Linux操作係統是互聯網共享開發的產物，其優點是源代碼開放且免費，與互聯網天然契合，開發者可（kě）以根據自己的需要對操作係統進行裁剪和修訂，實現操作（zuò）係統的定製。

（3）數字總線的選擇。i5采用開放式的EtherCAT（ECAT）總線，開放程度可以達到芯片級（提供FPGA邏輯（jí）的IP授權，實現芯片（piàn）級集成），在全球擁有60萬（wàn）用戶。與封閉式總線相比，EtherCAT總線最大的優點在於它（tā）能夠（gòu）支撐數控係統未來的擴展應用，並且具有很豐富的開放資源和第三方設備支（zhī）持。

使機床“智能化”是i5數控係統的中心原則。智能（néng）並不一定非要通過（guò）傳感（gǎn）器（qì），也可以通過信息交（jiāo）互，甚至是人（rén）與（yǔ）人之間的交（jiāo）互；給機床（chuáng）埋上傳感器不但成本很高，而且破壞機床的剛性（xìng）。真正的智能是給用戶帶來便利，讓原本（běn）困難的事情變簡單（dān）（例如讓初級技工能幹出原本隻能（néng）由高級技工完成的工作）就（jiù）是智（zhì）能化。i5數控係統（tǒng）從研（yán）發（fā）至今都（dōu）在延續（xù）並擴（kuò）展這些智能化功能。

2. 讓編程更簡（jiǎn）單

機（jī）床在（zài）加工不同零件的時候需要不同的工藝（yì）設計，而工藝設計的背後實際上是（shì）不斷沉澱的知識和經驗，隻有有經驗的老師傅才能熟練設定加工參數（shù），循環引導的目的（de）在於把不斷沉澱的經（jīng）驗（yàn）轉換為程序代碼。

循環引導編程：引導編程包括標準化循環和定製化循環支持。標準化循環支持標（biāo）準車削、銑削、鑽孔、攻絲、鏜孔循環；可以通過（guò）圖形化引（yǐn）導編程頁麵實現（xiàn）快速編程和修（xiū）改。定（dìng）製化循環可根據特定的工藝要求定製開發，實現高效（xiào）便捷生（shēng）成，如車床的毛胚切削、切（qiē）槽等。

圖2 循環引導編程

山西省定襄縣素有（yǒu）“法蘭鍛造之鄉”的稱謂。在法蘭批量加工的過程中（zhōng），由（yóu）於法蘭尺寸規格較多，工件更換頻繁，需要經常編寫、修改加工程序，而當（dāng）地比較缺乏工藝編程人員，導致無法滿（mǎn）足訂單（dān）需求，影響了交貨進度和訂單數量。法蘭本身雖然尺寸不一致，但輪廓比較規則或近似，根據這種加工特性，i5團隊為當地客戶定製開發了法蘭自動編（biān）程APP，隻需根據圖紙選擇（zé）工件類型和填入幾個關鍵（jiàn）尺寸，即（jí）可自動生成加工程序，大大降低了對操作人員的技（jì）術要求，提升整體生產效（xiào）率。

3. 讓操作更安全

三維仿真：虛擬預加工，用戶可以在控製（zhì）屏幕上直接看到加工程序的三（sān）維仿真結果，即不用開動機床（chuáng）就可以看到模擬（nǐ）加工結（jié）果。機床在加工零件時（shí），操作人員（yuán）可以從顯示（shì）界麵上預覽到後續的加工軌跡，極（jí）大地方便了用戶在車間內同時管理多台機床（chuáng）。同時，三（sān）維的圖形展示更有利（lì）於操作工分辨出後續加（jiā）工是否有問題，以便及（jí）時停（tíng）止機床的運轉，減少損（sǔn）失。

圖3 三維（wéi）仿真功能

安（ān）全區域換刀（dāo）：為避免幹涉，程序中一般（bān）將換刀點定（dìng）在離工件較遠的位置。係統在保（bǎo）證換刀安全的同時提高換刀效率，開發了安全區域換刀功能。安全區域換刀功能允許用戶根（gēn）據刀（dāo）架上刀具以及所加工工件的實際情況設置安（ān）全的換刀（dāo）位置。

圖4 安全區域換刀功能

4. 方便機床維修和診斷

機床體檢：機床（chuáng）體檢可以（yǐ）不拆裝鈑金即（jí）可快速了解機（jī）床機械部件的裝配狀（zhuàng）態和定位（wèi）故障原（yuán）因，大大降低了設備維護的難度（dù）和工作（zuò）量，也可以為裝備製造商提供良品出廠檢測方法，提高機械裝（zhuāng）配一（yī）致性。係（xì）統通過使機床（chuáng）各軸（zhóu）單（dān）獨在一定（dìng）範圍內運行，同時采集運行過程中的電流值，來判斷機床的運行情況。

圖形診斷（duàn）（幫助用戶（hù）快速排除故障）：當出現故障時（shí），用戶可以通過圖（tú）形（xíng）化的（de）引導，一步一步快速簡（jiǎn）單地（dì）排除故障（zhàng），減少用戶（hù）等待售後的停（tíng）機時間。這項功能的開發與機床廠和用戶的緊密合作有關，上海研發團隊通過市場調研發現機床（chuáng）出現的問題70%都是“簡單問題”，但用戶自己不會解決。圖形（xíng）診斷功能可以幫助用（yòng）戶看著三維圖形（xíng）和提示自己解決一些問題，這樣既減少了用戶等待服務的停機時間及損（sǔn）失，也節（jiē）省了主機廠的維修（xiū）服務成本。

5. 高速高精功能

熱誤差補償：機床熱誤差（chà）是引起零件加工誤差（chà）的最主要（yào）因素之一，嚴重影響加工（gōng）精（jīng）度。目前熱（rè）誤差補償存在以下問題：要以較高的代價獲得建模數據；熱誤差模型魯棒性和預測精度較（jiào）差；補償（cháng）方（fāng）式與CNC集成度不高。i5熱（rè）誤差補償可實現主軸Z向熱伸長的自動采集和（hé）基於工況的熱誤（wù）差模型建立（lì）及預測，CNC將補償值平均分配到每個插補周期中，在（zài）冷機、停機恢複（fù）狀態下（xià）無（wú）需（xū）熱機，保持較高的尺（chǐ）寸一致（zhì）性和加工精度。

圖5 熱誤差補償功能

視覺識別：視覺識別主要應用在製（zhì）造過（guò）程中工件重複裝夾時，工裝夾具不（bú）能保證工件（jiàn）的確定位置（zhì）或角度；夾具不具有高精度保（bǎo）證，或者無法定位——不能使（shǐ）用探（tàn）頭進行定位的情況（如特征很小，或者顏色不同），同時視覺（jiào）識（shí）別功能還具有較高附（fù）加價值，其測量功能可以進行加工前的測量和加工後的測量，加工前測量用（yòng）於保障毛坯件具備加工的（de）條件，避免無效的加工（gōng）；加工後的測量（liàng），用於檢測加（jiā）工結果（guǒ）是否合格。

三、全開放式（shì）結構實現與互聯（lián）網連接

i5與其他數（shù）控係統的（de）最大區別就是可以（yǐ）連接互聯網（wǎng），源於其設計思路完全不同，也就是i5是（shì）基於（yú）PC平台的全開放式結構（gòu）。

（1）遠程診斷（幫助用戶快速獲得遠程專家支持）。除了本（běn）機的故障診斷工具，係統還提供遠程診斷功能，以降低機床維護成本（běn），減少停機時間。售後服務人員在無法解決故障時，可通過隨身攜（xié）帶的3G智能終端將機床接入互聯網，遠程專（zhuān）家即可（kě）連入數（shù）控係（xì）統，獲取（qǔ）報警信息、日誌文件、配置文件等信息，幫（bāng）助售後（hòu）服務人員快速解決故障。

（2）WIS車間信息管理係統（tǒng）（幫助用戶用互聯網手段管理車間作業）。以機床為中心，把作（zuò）業（yè）計劃（huá）、生（shēng）產調度、設備管理、成本（běn）核算等信息係統全部集成在一套軟（ruǎn）件（jiàn）係統上，形成一個以機床為中心的車間管理信息係統，它被命名為WIS。車間信息管理係統概念很早就有，很多（duō）工廠也有自（zì）己（jǐ）的車間管理（lǐ）軟件，例（lì）如MES（製造執（zhí）行係統）、ERP（管理信息係統），前者更傾向於對生產過程的控製，後者更傾向於訂單和財務的管理。那麽WIS和這（zhè）些車間（jiān）管理軟件的區別是什麽呢？MES和ERP實際上是兩個相互獨立、不能進行信息溝通的管理軟件，但在車間層麵上需要同時掌握兩方麵的信息才能（néng）有效掌握生產過程並安排管理生產計劃。在現實中，MES和（hé）ERP之間的協調由人工完成（工廠車間通常會（huì）定期把MES的調整項做成一個表，交給（gěi）業務部（bù）門，然（rán）後由（yóu）業務部門手動在（zài）ERP中調（diào）整過來），這就帶來一個嚴（yán）重的問題（tí）——工作人員可能會虛報、漏報或錯報信息數據，導致信息不真實（shí），不具有（yǒu）實時性。而WIS是一個（gè）自下而上實現（xiàn）車間管理的軟件係統，通過（guò）收集每一台機（jī）床產生的真實數據來為管理者提供生產信息，並且通過互聯網可以保證數據（jù）的實時傳輸。

i5係統專門針對互（hù）聯網應（yīng）用推出了用於智能機床聯網的iPort協議，目前已經發布到V3版（bǎn）本，具備強大的信息透明能力。比如，基於iPort協議，i5係統配（pèi）合最新（xīn）的租賃商（shāng）業模式（shì）打造（zào）了租賃功能，銷售人員可以通過網絡進行設備鎖（suǒ）定解鎖（suǒ）等操（cāo）作，租賃功能還可以提供加（jiā）工計（jì）時、加工計件等功（gōng）能，為租賃模式的靈活配置提供技術和數據支撐。

i5係統通過與網絡和信息技術充分融合，實現了“圍繞機床全生命周期的智能化解決方案”：基於i5智能機床技術的雲製造平台（iSESOL）。iSESOL平台通過互聯網技（jì）術（shù）與i5核心技術的結合，將（jiāng）工（gōng）藝技術（shù）、設計人才和高端設備等各（gè）類資源進行有效組合，實現社會存量製造能力的發現和釋放，提升製造業綜合效率。

四、i5技術在航空航天的應用

以航空發動機製造企業為代表的高端裝備製造領域對（duì）高檔數控機床和數控係統具有很（hěn）大的需求。航空發動機在惡劣工作條件下仍需滿足高可靠性、長壽命（mìng）、節能環（huán）保等基本要求，其零部件具有結構複雜、製造加（jiā）工難度大、加工精度要求高等特點，需要（yào）大批高檔數控機床（chuáng）和高檔數控係（xì）統，如五軸聯動數控（kòng）機床。

i5可以提供麵向2軸、3軸、4軸、5軸等數控機床應用的智能數控（kòng）係統解決方案，支持主流12種搖籃（lán）擺頭五軸結構、刀尖點（diǎn）跟隨功能，實（shí）現四個插補通道的並行控（kòng）製，滿足高端裝備行業的加工需求。適（shì）用於航空航天等高端裝（zhuāng）備（bèi）行業中（zhōng）的（de）鋁合金、鈦合金、複合（hé）材（cái）料、結構件及回轉類（lèi）複雜、異形零部件的五軸聯動加工。

圖6 i5五軸解決方案

RTCP：一般手動測量旋轉中心位置數據的操作比較複雜，對操作人員（yuán）的（de）技（jì）術要求較高。而RTCP標定旨在通過循環程序和（hé）用戶界麵的配合，簡化操作（zuò）過程，減低操作難度（dù），使（shǐ）普（pǔ）通機床操作人員也能輕鬆完成測量任務。

三維仿真：加工過程的安全性是任何企業都不能忽視的（de），對於航空件加工企業更是如此。大型的航空部件，輪（lún）廓尺寸大，撞機危險高，其（qí）加工機床多為大行程五軸聯（lián）動機床，毛坯件體積（jī）巨大且材料昂（áng）貴。在加工過程中，航空件一旦發生碰撞，其為企業帶（dài）來（lái）的損失是巨大的。三維仿真（zhēn）功能在加工之前和加工過（guò）程中可全程提（tí）供和使用全機床仿真（zhēn）最大程度保證了現實與虛擬的匹配。

安（ān）全退（tuì）刀：航空（kōng）航天五軸加工非（fēi）常重要，“虛擬刀軸”在此很有意（yì）義，通過手輪“虛擬軸（zhóu）”功能使刀具沿當前刀具軸移動。安全功能對以下情（qíng）況特別有幫助：五軸軸（zhóu）加工程序中斷運行期間，要沿刀具軸退刀時；手動操作模式在刀具傾斜情況下，用（yòng）手輪或外部方（fāng）向鍵執行操作；加（jiā）工期（qī）間沿（yán）當前刀具軸（zhóu）用手輪移（yí）動刀具。

針對航空鋁合金肋板類零件，存在大量的斜麵加工，i5係統定製開發了斜麵加工功能，斜麵加工可以實現在一次（cì）裝夾中完成不同方向、不同角度的多（duō）個斜麵的打孔、攻絲、銑削等多種（zhǒng）加工工藝。減少了裝夾次（cì）數，降低了勞動強（qiáng）度，縮短（duǎn）了產品的生產（chǎn）周期，提升了零件的加工精度，保證（zhèng）了產品質量的一（yī）致性。

cycle800用於定義斜麵上的（de）工件坐標係（xì），便於斜麵加工，便於簡化編程。主要（yào）通過設置基準點（diǎn）、繞X/Y/Z線性軸旋轉的角度、旋轉後的零點，來實（shí）現新的工件坐標係定義。

銑車複（fù）合功能在加工這類鈑金零件顯得尤為突出，在程序控（kòng）製下根據加工需要，輕鬆切換車削與銑削加工方式。用（yòng）戶完全自由地決定如何和何時使用這兩種（zhǒng）加工（gōng）方式。切換時，係統負責所有必要的初始化工作，包括回轉中心的處理，車削自動變成直徑顯示，刀偏表也提供對（duì）於車銑半直（zhí）徑不同的設定方（fāng）式。

五、結語

為了確保航天產（chǎn）品質量、縮短製造周（zhōu）期，實現關鍵數控技術自主可控， i5數（shù）控係統及相關製造企（qǐ）業與相（xiàng）關機床企業、用戶企業緊密合作，努力推（tuī）動全國產數控機床在高端製造（zào）業精（jīng）密零件製造中的示範應用。國產高端數控機床及共性技術的可靠性、穩定性、實效性等得到了充分驗證。同時，通過（guò）相關標準及（jí）規範的推廣，實現國產高檔數（shù）控機床的（de）推（tuī）廣應用，對新一代高端裝備製造水平的發展具有重要意（yì）義。

（文章來源：中國機床工具工業協會；供稿：沈機（上海）智能（néng）係統研發設計有限公司；編（biān）輯整理：梅峰）

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