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國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)——i5數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用
2020-12-10 來(lái)源：-- 作者：-
根據(jù)國(guó)家有關(guān)部門要求，中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)組織重點(diǎn)企業(yè)開展產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈研究，梳理行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)，推動(dòng)行業(yè)企業(yè)融入以內(nèi)循環(huán)為主體、國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局。為此，協(xié)會(huì)傳媒部就國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)展和應(yīng)用推廣情況進(jìn)行了采訪梳理，并予以系列報(bào)道，供行業(yè)企業(yè)和廣大用戶參考。
一、研發(fā)背景與市場(chǎng)分析
“創(chuàng)新”并非“天降神物”，也不是來(lái)自企業(yè)家的“奇思妙想”或某些天才的“靈光一現(xiàn)”。進(jìn)入上世紀(jì)90年代后，沈陽(yáng)第一機(jī)床廠、中捷友誼廠和沈陽(yáng)第三機(jī)床廠這三家原“十八羅漢廠”經(jīng)營(yíng)陷入困境，其原因與產(chǎn)品技術(shù)落后從而失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不無(wú)關(guān)聯(lián)。同時(shí)，隨著國(guó)家對(duì)外開放、擴(kuò)大進(jìn)口力度，反映出中國(guó)數(shù)控技術(shù)落后給整個(gè)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)造成更大被動(dòng)。
2007年，沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)在上海成立了沈陽(yáng)機(jī)床上海研究院，i5團(tuán)隊(duì)自此誕生。組建i5團(tuán)隊(duì)的出發(fā)點(diǎn)很簡(jiǎn)單，就是想做出中國(guó)自己的機(jī)床“大腦”，而且要做的更加智能化。沈陽(yáng)機(jī)床上海研究院成為沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)在運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)方面的主要研發(fā)基地。
2012年，沈陽(yáng)機(jī)床上海研究院歷時(shí)5年在CNC運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)字總線技術(shù)等運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域取得突破，誕生了首臺(tái)具有網(wǎng)絡(luò)智能功能的i5智能系統(tǒng)。2014年，沈陽(yáng)機(jī)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(tái)搭載i5系統(tǒng)的五軸機(jī)床VMC0656e，并測(cè)試成功。該五軸機(jī)床于2015年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，為沈陽(yáng)機(jī)床進(jìn)軍高端數(shù)控市場(chǎng)提供了重要基礎(chǔ)。
i5系統(tǒng)的突破是基于掌握了運(yùn)動(dòng)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(jī)床應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上可以衍生一系列滿足差異化訴求的機(jī)床產(chǎn)品。
二、技術(shù)亮點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)
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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)可以分開的特點(diǎn)，把數(shù)控控制核心部分全部寫在CPU上，用軟件實(shí)現(xiàn)。這個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)控核心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變，內(nèi)部模塊全部開放，可借助標(biāo)準(zhǔn)化的接口實(shí)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(jìn)的硬件支持。
圖1 多樣化CNC主機(jī)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(diǎn)是源代碼開放且免費(fèi)，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(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪和修訂，實(shí)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(dá)到芯片級(jí)（提供FPGA邏輯的IP授權(quán)，實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)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(yōu)點(diǎn)在于它能夠支撐數(shù)控系統(tǒng)未來(lái)的擴(kuò)展應(yīng)用，并且具有很豐富的開放資源和第三方設(shè)備支持。
使機(jī)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(guò)傳感器，也可以通過(guò)信息交互，甚至是人與人之間的交互；給機(jī)床埋上傳感器不但成本很高，而且破壞機(jī)床的剛性。真正的智能是給用戶帶來(lái)便利，讓原本困難的事情變簡(jiǎn)單（例如讓初級(jí)技工能干出原本只能由高級(jí)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(kuò)展這些智能化功能。
2. 讓編程更簡(jiǎn)單
機(jī)床在加工不同零件的時(shí)候需要不同的工藝設(shè)計(jì)，而工藝設(shè)計(jì)的背后實(shí)際上是不斷沉淀的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，只有有經(jīng)驗(yàn)的老師傅才能熟練設(shè)定加工參數(shù)，循環(huán)引導(dǎo)的目的在于把不斷沉淀的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為程序代碼。
循環(huán)引導(dǎo)編程：引導(dǎo)編程包括標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)和定制化循環(huán)支持。標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)支持標(biāo)準(zhǔn)車削、銑削、鉆孔、攻絲、鏜孔循環(huán)；可以通過(guò)圖形化引導(dǎo)編程頁(yè)面實(shí)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(shí)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(dǎo)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(guò)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(dāng)?shù)乇容^缺乏工藝編程人員，導(dǎo)致無(wú)法滿足訂單需求，影響了交貨進(jìn)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(tuán)隊(duì)為當(dāng)?shù)乜蛻舳ㄖ崎_發(fā)了法蘭自動(dòng)編程APP，只需根據(jù)圖紙選擇工件類型和填入幾個(gè)關(guān)鍵尺寸，即可自動(dòng)生成加工程序，大大降低了對(duì)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(yù)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(dòng)機(jī)床就可以看到模擬加工結(jié)果。機(jī)床在加工零件時(shí)，操作人員可以從顯示界面上預(yù)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(shí)管理多臺(tái)機(jī)床。同時(shí)，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(wèn)題，以便及時(shí)停止機(jī)床的運(yùn)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(diǎn)定在離工件較遠(yuǎn)的位置。系統(tǒng)在保證換刀安全的同時(shí)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(shí)際情況設(shè)置安全的換刀位置。
圖4 安全區(qū)域換刀功能
4. 方便機(jī)床維修和診斷
機(jī)床體檢：機(jī)床體檢可以不拆裝鈑金即可快速了解機(jī)床機(jī)械部件的裝配狀態(tài)和定位故障原因，大大降低了設(shè)備維護(hù)的難度和工作量，也可以為裝備制造商提供良品出廠檢測(cè)方法，提高機(jī)械裝配一致性。系統(tǒng)通過(guò)使機(jī)床各軸單獨(dú)在一定范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)采集運(yùn)行過(guò)程中的電流值，來(lái)判斷機(jī)床的運(yùn)行情況。
圖形診斷（幫助用戶快速排除故障）：當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，用戶可以通過(guò)圖形化的引導(dǎo)，一步一步快速簡(jiǎn)單地排除故障，減少用戶等待售后的停機(jī)時(shí)間。這項(xiàng)功能的開發(fā)與機(jī)床廠和用戶的緊密合作有關(guān)，上海研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)機(jī)床出現(xiàn)的問(wèn)題70%都是“簡(jiǎn)單問(wèn)題”，但用戶自己不會(huì)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(wèn)題，這樣既減少了用戶等待服務(wù)的停機(jī)時(shí)間及損失，也節(jié)省了主機(jī)廠的維修服務(wù)成本。
5. 高速高精功能
熱誤差補(bǔ)償：機(jī)床熱誤差是引起零件加工誤差的最主要因素之一，嚴(yán)重影響加工精度。目前熱誤差補(bǔ)償存在以下問(wèn)題：要以較高的代價(jià)獲得建模數(shù)據(jù)；熱誤差模型魯棒性和預(yù)測(cè)精度較差；補(bǔ)償方式與CNC集成度不高。i5熱誤差補(bǔ)償可實(shí)現(xiàn)主軸Z向熱伸長(zhǎng)的自動(dòng)采集和基于工況的熱誤差模型建立及預(yù)測(cè)，CNC將補(bǔ)償值平均分配到每個(gè)插補(bǔ)周期中，在冷機(jī)、停機(jī)恢復(fù)狀態(tài)下無(wú)需熱機(jī)，保持較高的尺寸一致性和加工精度。
圖5 熱誤差補(bǔ)償功能
視覺識(shí)別：視覺識(shí)別主要應(yīng)用在制造過(guò)程中工件重復(fù)裝夾時(shí)，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(wú)法定位——不能使用探頭進(jìn)行定位的情況（如特征很小，或者顏色不同），同時(shí)視覺識(shí)別功能還具有較高附加價(jià)值，其測(cè)量功能可以進(jìn)行加工前的測(cè)量和加工后的測(cè)量，加工前測(cè)量用于保障毛坯件具備加工的條件，避免無(wú)效的加工；加工后的測(cè)量，用于檢測(cè)加工結(jié)果是否合格。
三、全開放式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)連接
i5與其他數(shù)控系統(tǒng)的最大區(qū)別就是可以連接互聯(lián)網(wǎng)，源于其設(shè)計(jì)思路完全不同，也就是i5是基于PC平臺(tái)的全開放式結(jié)構(gòu)。
（1）遠(yuǎn)程診斷（幫助用戶快速獲得遠(yuǎn)程專家支持）。除了本機(jī)的故障診斷工具，系統(tǒng)還提供遠(yuǎn)程診斷功能，以降低機(jī)床維護(hù)成本，減少停機(jī)時(shí)間。售后服務(wù)人員在無(wú)法解決故障時(shí)，可通過(guò)隨身攜帶的3G智能終端將機(jī)床接入互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程專家即可連入數(shù)控系統(tǒng)，獲取報(bào)警信息、日志文件、配置文件等信息，幫助售后服務(wù)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(jī)床為中心，把作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)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(gè)以機(jī)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(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制，后者更傾向于訂單和財(cái)務(wù)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(shí)際上是兩個(gè)相互獨(dú)立、不能進(jìn)行信息溝通的管理軟件，但在車間層面上需要同時(shí)掌握兩方面的信息才能有效掌握生產(chǎn)過(guò)程并安排管理生產(chǎn)計(jì)劃。在現(xiàn)實(shí)中，MES和ERP之間的協(xié)調(diào)由人工完成（工廠車間通常會(huì)定期把MES的調(diào)整項(xiàng)做成一個(gè)表，交給業(yè)務(wù)部門，然后由業(yè)務(wù)部門手動(dòng)在ERP中調(diào)整過(guò)來(lái)），這就帶來(lái)一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題——工作人員可能會(huì)虛報(bào)、漏報(bào)或錯(cuò)報(bào)信息數(shù)據(jù)，導(dǎo)致信息不真實(shí)，不具有實(shí)時(shí)性。而WIS是一個(gè)自下而上實(shí)現(xiàn)車間管理的軟件系統(tǒng)，通過(guò)收集每一臺(tái)機(jī)床產(chǎn)生的真實(shí)數(shù)據(jù)來(lái)為管理者提供生產(chǎn)信息，并且通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。
i5系統(tǒng)專門針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推出了用于智能機(jī)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(qiáng)大的信息透明能力。比如，基于iPort協(xié)議，i5系統(tǒng)配合最新的租賃商業(yè)模式打造了租賃功能，銷售人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備鎖定解鎖等操作，租賃功能還可以提供加工計(jì)時(shí)、加工計(jì)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(guò)與網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)充分融合，實(shí)現(xiàn)了“圍繞機(jī)床全生命周期的智能化解決方案”：基于i5智能機(jī)床技術(shù)的云制造平臺(tái)（iSESOL）。iSESOL平臺(tái)通過(guò)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(shè)計(jì)人才和高端設(shè)備等各類資源進(jìn)行有效組合，實(shí)現(xiàn)社會(huì)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(yīng)用
以航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)為代表的高端裝備制造領(lǐng)域?qū)Ω邫n數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)具有很大的需求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣工作條件下仍需滿足高可靠性、長(zhǎng)壽命、節(jié)能環(huán)保等基本要求，其零部件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造加工難度大、加工精度要求高等特點(diǎn)，需要大批高檔數(shù)控機(jī)床和高檔數(shù)控系統(tǒng)，如五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。
i5可以提供面向2軸、3軸、4軸、5軸等數(shù)控機(jī)床應(yīng)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(diǎn)跟隨功能，實(shí)現(xiàn)四個(gè)插補(bǔ)通道的并行控制，滿足高端裝備行業(yè)的加工需求。適用于航空航天等高端裝備行業(yè)中的鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)件及回轉(zhuǎn)類復(fù)雜、異形零部件的五軸聯(lián)動(dòng)加工。
圖6 i5五軸解決方案
RTCP：一般手動(dòng)測(cè)量旋轉(zhuǎn)中心位置數(shù)據(jù)的操作比較復(fù)雜，對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高。而RTCP標(biāo)定旨在通過(guò)循環(huán)程序和用戶界面的配合，簡(jiǎn)化操作過(guò)程，減低操作難度，使普通機(jī)床操作人員也能輕松完成測(cè)量任務(wù)。
三維仿真：加工過(guò)程的安全性是任何企業(yè)都不能忽視的，對(duì)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(jī)危險(xiǎn)高，其加工機(jī)床多為大行程五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，毛坯件體積巨大且材料昂貴。在加工過(guò)程中，航空件一旦發(fā)生碰撞，其為企業(yè)帶來(lái)的損失是巨大的。三維仿真功能在加工之前和加工過(guò)程中可全程提供和使用全機(jī)床仿真最大程度保證了現(xiàn)實(shí)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(guò)手輪“虛擬軸”功能使刀具沿當(dāng)前刀具軸移動(dòng)。安全功能對(duì)以下情況特別有幫助：五軸軸加工程序中斷運(yùn)行期間，要沿刀具軸退刀時(shí)；手動(dòng)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(dāng)前刀具軸用手輪移動(dòng)刀具。
針對(duì)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(shí)現(xiàn)在一次裝夾中完成不同方向、不同角度的多個(gè)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(dòng)強(qiáng)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(biāo)系，便于斜面加工，便于簡(jiǎn)化編程。主要通過(guò)設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)、繞X/Y/Z線性軸旋轉(zhuǎn)的角度、旋轉(zhuǎn)后的零點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)新的工件坐標(biāo)系定義。
銑車復(fù)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(shí)使用這兩種加工方式。切換時(shí)，系統(tǒng)負(fù)責(zé)所有必要的初始化工作，包括回轉(zhuǎn)中心的處理，車削自動(dòng)變成直徑顯示，刀偏表也提供對(duì)于車銑半直徑不同的設(shè)定方式。
五、結(jié)語(yǔ)
為了確保航天產(chǎn)品質(zhì)量、縮短制造周期，實(shí)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(jī)床企業(yè)、用戶企業(yè)緊密合作，努力推動(dòng)全國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在高端制造業(yè)精密零件制造中的示范應(yīng)用。國(guó)產(chǎn)高端數(shù)控機(jī)床及共性技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)效性等得到了充分驗(yàn)證。同時(shí)，通過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的推廣，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的推廣應(yīng)用，對(duì)新一代高端裝備制造水平的發(fā)展具有重要意義。
（文章來(lái)源：中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)；供稿：沈機(jī)（上海）智能系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)有限公司；編輯整理：梅峰）
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