【機床商務網(wǎng)欄目 國內(nèi)新聞】根據(jù)國家有關(guān)部門要求，中國機床工具工業(yè)協(xié)會組織重點企業(yè)開展產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈研究，梳理行業(yè)發(fā)展脈絡，推動行業(yè)企業(yè)融入以內(nèi)循環(huán)為主體、國內(nèi)雙循環(huán)相互促進的新發(fā)展格局。為此，協(xié)會傳媒部就國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)進展和應用推廣情況進行了采訪梳理，并予以系列報道，供行業(yè)企業(yè)和廣大用戶參考。
 

　　一、研發(fā)背景與市場分析
 

　　“創(chuàng)新”并非“天降神物”，也不是來自企業(yè)家的“奇思妙想”或某些天才的“靈光一現(xiàn)”。進入上世紀90年代后，沈陽第一機床廠、中捷友誼廠和沈陽第三機床廠這三家原“十八羅漢廠”經(jīng)營陷入困境，其原因與產(chǎn)品技術(shù)落后從而失去市場競爭力不無關(guān)聯(lián)。同時，隨著國家對外開放、擴大進口力度，反映出中國數(shù)控技術(shù)落后給整個數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)造成更大被動。
 

　　2007年，沈陽機床集團在上海成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(fā)點很簡單，就是想做出中國自己的機床“大腦”，而且要做的更加智能化。沈陽機床上海研究院成為沈陽機床集團在運動控制技術(shù)方面的主要研發(fā)基地。
 

　　2012年，沈陽機床上海研究院歷時5年在CNC運動控制技術(shù)、數(shù)字伺服驅(qū)動技術(shù)、實時數(shù)字總線技術(shù)等運動控制領(lǐng)域取得突破，誕生了首臺具有網(wǎng)絡智能功能的i5智能系統(tǒng)。2014年，沈陽機床上海研究院在五軸數(shù)控系統(tǒng)核心技術(shù)方面有所突破，完成首臺搭載i5系統(tǒng)的五軸機床VMC0656e，并測試成功。該五軸機床于2015年實現(xiàn)量產(chǎn)，為沈陽機床進軍數(shù)控市場提供了重要基礎(chǔ)。
 

　　i5系統(tǒng)的突破是基于掌握了運動控制技術(shù)的一種底層技術(shù)突破，全面覆蓋兩軸、三軸、四軸、五軸等各類機床應用，在此基礎(chǔ)上可以衍生一系列滿足差異化訴求的機床產(chǎn)品。
 

　　二、技術(shù)亮點和創(chuàng)新點
 

　　1.總體介紹
 

　　(1)i5采用基于PC的全軟件式結(jié)構(gòu)，即利用計算機系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)可以分開的特點，把數(shù)控控制核心部分全部寫在CPU上，用軟件實現(xiàn)。這個結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于數(shù)控核心拓撲結(jié)構(gòu)可變，內(nèi)部模塊全部開放，可借助標準化的接口實現(xiàn)模塊間的互換、移植或協(xié)同工作。基于PC的特性讓i5獲得天然的互聯(lián)網(wǎng)能力以及較先進的硬件支持。
 

圖1 多樣化CNC主機硬件方案
 

　　(2)操作系統(tǒng)的選擇。i5選用的是Linux操作系統(tǒng)，不同于其他基于PC系統(tǒng)使用的Windows系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)是互聯(lián)網(wǎng)共享開發(fā)的產(chǎn)物，其優(yōu)點是源代碼開放且免費，與互聯(lián)網(wǎng)天然契合，開發(fā)者可以根據(jù)自己的需要對操作系統(tǒng)進行裁剪和修訂，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的定制。
 

　　(3)數(shù)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邏輯的IP授權(quán)，實現(xiàn)芯片級集成)，在擁有60萬用戶。與封閉式總線相比，EtherCAT總線大的優(yōu)點在于它能夠支撐數(shù)控系統(tǒng)未來的擴展應用，并且具有很豐富的開放資源和第三方設備支持。
 

　　使機床“智能化”是i5數(shù)控系統(tǒng)的中心原則。智能并不一定非要通過傳感器，也可以通過信息交互，甚至是人與人之間的交互；給機床埋上傳感器不但成本很高，而且破壞機床的剛性。真正的智能是給用戶帶來便利，讓原本困難的事情變簡單(例如讓初級技工能干出原本只能由高級技工完成的工作)就是智能化。i5數(shù)控系統(tǒng)從研發(fā)至今都在延續(xù)并擴展這些智能化功能。
 

　　2. 讓編程更簡單
 

　　機床在加工不同零件的時候需要不同的工藝設計，而工藝設計的背后實際上是不斷沉淀的知識和經(jīng)驗，只有有經(jīng)驗的老師傅才能熟練設定加工參數(shù)，循環(huán)引導的目的在于把不斷沉淀的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為程序代碼。
 

　　循環(huán)引導編程：引導編程包括標準化循環(huán)和定制化循環(huán)支持。標準化循環(huán)支持標準車削、銑削、鉆孔、攻絲、鏜孔循環(huán)；可以通過圖形化引導編程頁面實現(xiàn)快速編程和修改。定制化循環(huán)可根據(jù)特定的工藝要求定制開發(fā)，實現(xiàn)高效便捷生成，如車床的毛胚切削、切槽等。
 

圖2 循環(huán)引導編程
 

　　山西省定襄縣素有“法蘭鍛造之鄉(xiāng)”的稱謂。在法蘭批量加工的過程中，由于法蘭尺寸規(guī)格較多，工件更換頻繁，需要經(jīng)常編寫、修改加工程序，而當?shù)乇容^缺乏工藝編程人員，導致無法滿足訂單需求，影響了交貨進度和訂單數(shù)量。法蘭本身雖然尺寸不一致，但輪廓比較規(guī)則或近似，根據(jù)這種加工特性，i5團隊為當?shù)乜蛻舳ㄖ崎_發(fā)了法蘭自動編程APP，只需根據(jù)圖紙選擇工件類型和填入幾個關(guān)鍵尺寸，即可自動生成加工程序，大大降低了對操作人員的技術(shù)要求，提升整體生產(chǎn)效率。
 

　　3. 讓操作更安全
 

　　三維仿真：虛擬預加工，用戶可以在控制屏幕上直接看到加工程序的三維仿真結(jié)果，即不用開動機床就可以看到模擬加工結(jié)果。機床在加工零件時，操作人員可以從顯示界面上預覽到后續(xù)的加工軌跡，極大地方便了用戶在車間內(nèi)同時管理多臺機床。同時，三維的圖形展示更有利于操作工分辨出后續(xù)加工是否有問題，以便及時停止機床的運轉(zhuǎn)，減少損失。
 

圖3 三維仿真功能
 

　　安全區(qū)域換刀：為避免干涉，程序中一般將換刀點定在離工件較遠的位置。系統(tǒng)在保證換刀安全的同時提高換刀效率，開發(fā)了安全區(qū)域換刀功能。安全區(qū)域換刀功能允許用戶根據(jù)刀架上刀具以及所加工工件的實際情況設置安全的換刀位置。
 

圖4 安全區(qū)域換刀功能
 

　　4. 方便機床維修和診斷
 

　　機床體檢：機床體檢可以不拆裝鈑金即可快速了解機床機械部件的裝配狀態(tài)和定位故障原因，大大降低了設備維護的難度和工作量，也可以為裝備制造商提供良品出廠檢測方法，提高機械裝配一致性。系統(tǒng)通過使機床各軸單獨在一定范圍內(nèi)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(幫助用戶快速排除故障)：當出現(xiàn)故障時，用戶可以通過圖形化的引導，一步一步快速簡單地排除故障，減少用戶等待售后的停機時間。這項功能的開發(fā)與機床廠和用戶的緊密合作有關(guān)，上海研發(fā)團隊通過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)機床出現(xiàn)的問題70%都是“簡單問題”，但用戶自己不會解決。圖形診斷功能可以幫助用戶看著三維圖形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失，也節(jié)省了主機廠的維修服務成本。
 

　　5. 高速高精功能
 

　　熱誤差補償：機床熱誤差是引起零件加工誤差的主要因素之一，嚴重影響加工精度。目前熱誤差補償存在以下問題：要以較高的代價獲得建模數(shù)據(jù)；熱誤差模型魯棒性和預測精度較差；補償方式與CNC集成度不高。i5熱誤差補償可實現(xiàn)主軸Z向熱伸長的自動采集和基于工況的熱誤差模型建立及預測，CNC將補償值平均分配到每個插補周期中，在冷機、停機恢復狀態(tài)下無需熱機，保持較高的尺寸一致性和加工精度。
 

圖5 熱誤差補償功能
 

　　視覺識別：視覺識別主要應用在制造過程中工件重復裝夾時，工裝夾具不能保證工件的確定位置或角度；夾具不具有高精度保證，或者無法定位——不能使用探頭進行定位的情況(如特征很小，或者顏色不同)，同時視覺識別功能還具有較高附加價值，其測量功能可以進行加工前的測量和加工后的測量，加工前測量用于保障毛坯件具備加工的條件，避免無效的加工；加工后的測量，用于檢測加工結(jié)果是否合格。
 

　　三、全開放式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)連接
 

　　i5與其他數(shù)控系統(tǒng)的大區(qū)別就是可以連接互聯(lián)網(wǎng)，源于其設計思路完全不同，也就是i5是基于PC平臺的全開放式結(jié)構(gòu)。
 

　　(1)遠程診斷(幫助用戶快速獲得遠程專家支持)。除了本機的故障診斷工具，系統(tǒng)還提供遠程診斷功能，以降低機床維護成本，減少停機時間。售后服務人員在無法解決故障時，可通過隨身攜帶的3G智能終端將機床接入互聯(lián)網(wǎng)，遠程專家即可連入數(shù)控系統(tǒng)，獲取報警信息、日志文件、配置文件等信息，幫助售后服務人員快速解決故障。
 

　　(2)WIS車間信息管理系統(tǒng)(幫助用戶用互聯(lián)網(wǎng)手段管理車間作業(yè))。以機床為中心，把作業(yè)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、設備管理、成本核算等信息系統(tǒng)全部集成在一套軟件系統(tǒng)上，形成一個以機床為中心的車間管理信息系統(tǒng)，它被命名為WIS。車間信息管理系統(tǒng)概念很早就有，很多工廠也有自己的車間管理軟件，例如MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))、ERP(管理信息系統(tǒng))，前者更傾向于對生產(chǎn)過程的控制，后者更傾向于訂單和財務的管理。那么WIS和這些車間管理軟件的區(qū)別是什么呢？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，但在車間層面上需要同時掌握兩方面的信息才能有效掌握生產(chǎn)過程并安排管理生產(chǎn)計劃。在現(xiàn)實中，MES和ERP之間的協(xié)調(diào)由人工完成(工廠車間通常會定期把MES的調(diào)整項做成一個表，交給業(yè)務部門，然后由業(yè)務部門手動在ERP中調(diào)整過來)，這就帶來一個嚴重的問題——工作人員可能會虛報、漏報或錯報信息數(shù)據(jù)，導致信息不真實，不具有實時性。而WIS是一個自下而上實現(xiàn)車間管理的軟件系統(tǒng)，通過收集每一臺機床產(chǎn)生的真實數(shù)據(jù)來為管理者提供生產(chǎn)信息，并且通過互聯(lián)網(wǎng)可以保證數(shù)據(jù)的實時傳輸。
 

　　i5系統(tǒng)專門針對互聯(lián)網(wǎng)應用推出了用于智能機床聯(lián)網(wǎng)的iPort協(xié)議，目前已經(jīng)發(fā)布到V3版本，具備強大的信息透明能力。比如，基于iPort協(xié)議，i5系統(tǒng)配合新的租賃商業(yè)模式打造了租賃功能，銷售人員可以通過網(wǎng)絡進行設備鎖定解鎖等操作，租賃功能還可以提供加工計時、加工計件等功能，為租賃模式的靈活配置提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。
 

　　i5系統(tǒng)通過與網(wǎng)絡和信息技術(shù)充分融合，實現(xiàn)了“圍繞機床全生命周期的智能化解決方案”：基于i5智能機床技術(shù)的云制造平臺(iSESOL)。iSESOL平臺通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與i5核心技術(shù)的結(jié)合，將工藝技術(shù)、設計人才和設備等各類資源進行有效組合，實現(xiàn)社會存量制造能力的發(fā)現(xiàn)和釋放，提升制造業(yè)綜合效率。
 

　　四、i5技術(shù)在航空航天的應用
 

　　以航空發(fā)動機制造企業(yè)為代表的裝備制造領(lǐng)域?qū)Ω邫n數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)具有很大的需求。航空發(fā)動機在惡劣工作條件下仍需滿足高可靠性、長壽命、節(jié)能環(huán)保等基本要求，其零部件具有結(jié)構(gòu)復雜、制造加工難度大、加工精度要求高等特點，需要大批高檔數(shù)控機床和高檔數(shù)控系統(tǒng)，如五軸聯(lián)動數(shù)控機床。
 

　　i5可以提供面向2軸、3軸、4軸、5軸等數(shù)控機床應用的智能數(shù)控系統(tǒng)解決方案，支持主流12種搖籃擺頭五軸結(jié)構(gòu)、刀尖點跟隨功能，實現(xiàn)四個插補通道的并行控制，滿足裝備行業(yè)的加工需求。適用于航空航天等裝備行業(yè)中的鋁合金、鈦合金、復合材料、結(jié)構(gòu)件及回轉(zhuǎn)類復雜、異形零部件的五軸聯(lián)動加工。
 

圖6  i5五軸解決方案
 

　　RTCP：一般手動測量旋轉(zhuǎn)中心位置數(shù)據(jù)的操作比較復雜，對操作人員的技術(shù)要求較高。而RTCP標定旨在通過循環(huán)程序和用戶界面的配合，簡化操作過程，減低操作難度，使普通機床操作人員也能輕松完成測量任務。
 

　　三維仿真：加工過程的安全性是任何企業(yè)都不能忽視的，對于航空件加工企業(yè)更是如此。大型的航空部件，輪廓尺寸大，撞機危險高，其加工機床多為大行程五軸聯(lián)動機床，毛坯件體積巨大且材料昂貴。在加工過程中，航空件一旦發(fā)生碰撞，其為企業(yè)帶來的損失是巨大的。三維仿真功能在加工之前和加工過程中可全程提供和使用全機床仿真大程度保證了現(xiàn)實與虛擬的匹配。
 

　　安全退刀：航空航天五軸加工非常重要，“虛擬刀軸”在此很有意義，通過手輪“虛擬軸”功能使刀具沿當前刀具軸移動。安全功能對以下情況特別有幫助：五軸軸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，用手輪或外部方向鍵執(zhí)行操作；加工期間沿當前刀具軸用手輪移動刀具。
 

　　針對航空鋁合金肋板類零件，存在大量的斜面加工，i5系統(tǒng)定制開發(fā)了斜面加工功能，斜面加工可以實現(xiàn)在一次裝夾中完成不同方向、不同角度的多個斜面的打孔、攻絲、銑削等多種加工工藝。減少了裝夾次數(shù)，降低了勞動強度，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提升了零件的加工精度，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。
 

　　cycle800用于定義斜面上的工件坐標系，便于斜面加工，便于簡化編程。主要通過設置基準點、繞X/Y/Z線性軸旋轉(zhuǎn)的角度、旋轉(zhuǎn)后的零點，來實現(xiàn)新的工件坐標系定義。
 

　　銑車復合功能在加工這類鈑金零件顯得尤為突出，在程序控制下根據(jù)加工需要，輕松切換車削與銑削加工方式。用戶完全自由地決定如何和何時使用這兩種加工方式。切換時，系統(tǒng)負責所有必要的初始化工作，包括回轉(zhuǎn)中心的處理，車削自動變成直徑顯示，刀偏表也提供對于車銑半直徑不同的設定方式。
 

　　五、結(jié)語
 

　　為了確保航天產(chǎn)品質(zhì)量、縮短制造周期，實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)控技術(shù)自主可控， i5數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)制造企業(yè)與相關(guān)機床企業(yè)、用戶企業(yè)緊密合作，努力推動全國產(chǎn)數(shù)控機床在制造業(yè)精密零件制造中的示范應用。國產(chǎn)數(shù)控機床及共性技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性、實效性等得到了充分驗證。同時，通過相關(guān)標準及規(guī)范的推廣，實現(xiàn)國產(chǎn)高檔數(shù)控機床的推廣應用，對新一代裝備制造水平的發(fā)展具有重要意義。

   （系列報道一 | 國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)——i5數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)和應用）