国产高档数控系统——i5数控系统的研发和应用
2020-12-10 来源：-- 作者：-
根据国家有关部门要求，中国机床工具工业协会组织重点企业开展产业链供应链研究，梳理行业发展脉络，推动行业企业融入以内循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局。为此，协会传媒部就国产数控系统开发进展和应用推广情况进行了采访梳理，并予以系列报道，供行业企业和广大用户参考。
一、研发背景与市场分析
“创新”并非“天降神物”，也不是来自企业家的“奇思妙想”或某些天才的“灵光一现”。进入上世纪90年代后，沈阳第一机床厂、中捷友谊厂和沈阳第三机床厂这三家原“十八罗汉厂”经营陷入困境，其原因与产品技术落后从而失去市场竞争力不无关联。同时，随着国家对外开放、扩大进口力度，反映出中国数控技术落后给整个数控机床产业造成更大被动。
2007年，沈阳机床集团在上海成立了沈阳机床上海研究院，i5团队自此诞生。组建i5团队的出发点很简单，就是想做出中国自己的机床“大脑”，而且要做的更加智能化。沈阳机床上海研究院成为沈阳机床集团在运动控制技术方面的主要研发基地。
2012年，沈阳机床上海研究院历时5年在CNC运动控制技术、数字伺服驱动技术、实时数字总线技术等运动控制领域取得突破，诞生了首台具有网络智能功能的i5智能系统。2014年，沈阳机床上海研究院在五轴数控系统核心技术方面有所突破，完成首台搭载i5系统的五轴机床VMC0656e，并测试成功。该五轴机床于2015年实现量产，为沈阳机床进军高端数控市场提供了重要基础。
i5系统的突破是基于掌握了运动控制技术的一种底层技术突破，全面覆盖两轴、三轴、四轴、五轴等各类机床应用，在此基础上可以衍生一系列满足差异化诉求的机床产品。
二、技术亮点和创新点
1. 总体介绍
（1）i5采用基于PC的全软件式结构，即利用计算机系统的软硬件开发可以分开的特点，把数控控制核心部分全部写在CPU上，用软件实现。这个结构的优点在于数控核心拓扑结构可变，内部模块全部开放，可借助标准化的接口实现模块间的互换、移植或协同工作。基于PC的特性让i5获得天然的互联网能力以及较先进的硬件支持。
图1 多样化CNC主机硬件方案
（2）操作系统的选择。i5选用的是Linux操作系统，不同于其他基于PC系统使用的Windows系统，Linux操作系统是互联网共享开发的产物，其优点是源代码开放且免费，与互联网天然契合，开发者可以根据自己的需要对操作系统进行裁剪和修订，实现操作系统的定制。
（3）数字总线的选择。i5采用开放式的EtherCAT（ECAT）总线，开放程度可以达到芯片级（提供FPGA逻辑的IP授权，实现芯片级集成），在全球拥有60万用户。与封闭式总线相比，EtherCAT总线最大的优点在于它能够支撑数控系统未来的扩展应用，并且具有很丰富的开放资源和第三方设备支持。
使机床“智能化”是i5数控系统的中心原则。智能并不一定非要通过传感器，也可以通过信息交互，甚至是人与人之间的交互；给机床埋上传感器不但成本很高，而且破坏机床的刚性。真正的智能是给用户带来便利，让原本困难的事情变简单（例如让初级技工能干出原本只能由高级技工完成的工作）就是智能化。i5数控系统从研发至今都在延续并扩展这些智能化功能。
2. 让编程更简单
机床在加工不同零件的时候需要不同的工艺设计，而工艺设计的背后实际上是不断沉淀的知识和经验，只有有经验的老师傅才能熟练设定加工参数，循环引导的目的在于把不断沉淀的经验转换为程序代码。
循环引导编程：引导编程包括标准化循环和定制化循环支持。标准化循环支持标准车削、铣削、钻孔、攻丝、镗孔循环；可以通过图形化引导编程页面实现快速编程和修改。定制化循环可根据特定的工艺要求定制开发，实现高效便捷生成，如车床的毛胚切削、切槽等。
图2 循环引导编程
山西省定襄县素有“法兰锻造之乡”的称谓。在法兰批量加工的过程中，由于法兰尺寸规格较多，工件更换频繁，需要经常编写、修改加工程序，而当地比较缺乏工艺编程人员，导致无法满足订单需求，影响了交货进度和订单数量。法兰本身虽然尺寸不一致，但轮廓比较规则或近似，根据这种加工特性，i5团队为当地客户定制开发了法兰自动编程APP，只需根据图纸选择工件类型和填入几个关键尺寸，即可自动生成加工程序，大大降低了对操作人员的技术要求，提升整体生产效率。
3. 让操作更安全
三维仿真：虚拟预加工，用户可以在控制屏幕上直接看到加工程序的三维仿真结果，即不用开动机床就可以看到模拟加工结果。机床在加工零件时，操作人员可以从显示界面上预览到后续的加工轨迹，极大地方便了用户在车间内同时管理多台机床。同时，三维的图形展示更有利于操作工分辨出后续加工是否有问题，以便及时停止机床的运转，减少损失。
图3 三维仿真功能
安全区域换刀：为避免干涉，程序中一般将换刀点定在离工件较远的位置。系统在保证换刀安全的同时提高换刀效率，开发了安全区域换刀功能。安全区域换刀功能允许用户根据刀架上刀具以及所加工工件的实际情况设置安全的换刀位置。
图4 安全区域换刀功能
4. 方便机床维修和诊断
机床体检：机床体检可以不拆装钣金即可快速了解机床机械部件的装配状态和定位故障原因，大大降低了设备维护的难度和工作量，也可以为装备制造商提供良品出厂检测方法，提高机械装配一致性。系统通过使机床各轴单独在一定范围内运行，同时采集运行过程中的电流值，来判断机床的运行情况。
图形诊断（帮助用户快速排除故障）：当出现故障时，用户可以通过图形化的引导，一步一步快速简单地排除故障，减少用户等待售后的停机时间。这项功能的开发与机床厂和用户的紧密合作有关，上海研发团队通过市场调研发现机床出现的问题70%都是“简单问题”，但用户自己不会解决。图形诊断功能可以帮助用户看着三维图形和提示自己解决一些问题，这样既减少了用户等待服务的停机时间及损失，也节省了主机厂的维修服务成本。
5. 高速高精功能
热误差补偿：机床热误差是引起零件加工误差的最主要因素之一，严重影响加工精度。目前热误差补偿存在以下问题：要以较高的代价获得建模数据；热误差模型鲁棒性和预测精度较差；补偿方式与CNC集成度不高。i5热误差补偿可实现主轴Z向热伸长的自动采集和基于工况的热误差模型建立及预测，CNC将补偿值平均分配到每个插补周期中，在冷机、停机恢复状态下无需热机，保持较高的尺寸一致性和加工精度。
图5 热误差补偿功能
视觉识别：视觉识别主要应用在制造过程中工件重复装夹时，工装夹具不能保证工件的确定位置或角度；夹具不具有高精度保证，或者无法定位——不能使用探头进行定位的情况（如特征很小，或者颜色不同），同时视觉识别功能还具有较高附加价值，其测量功能可以进行加工前的测量和加工后的测量，加工前测量用于保障毛坯件具备加工的条件，避免无效的加工；加工后的测量，用于检测加工结果是否合格。
三、全开放式结构实现与互联网连接
i5与其他数控系统的最大区别就是可以连接互联网，源于其设计思路完全不同，也就是i5是基于PC平台的全开放式结构。
（1）远程诊断（帮助用户快速获得远程专家支持）。除了本机的故障诊断工具，系统还提供远程诊断功能，以降低机床维护成本，减少停机时间。售后服务人员在无法解决故障时，可通过随身携带的3G智能终端将机床接入互联网，远程专家即可连入数控系统，获取报警信息、日志文件、配置文件等信息，帮助售后服务人员快速解决故障。
（2）WIS车间信息管理系统（帮助用户用互联网手段管理车间作业）。以机床为中心，把作业计划、生产调度、设备管理、成本核算等信息系统全部集成在一套软件系统上，形成一个以机床为中心的车间管理信息系统，它被命名为WIS。车间信息管理系统概念很早就有，很多工厂也有自己的车间管理软件，例如MES（制造执行系统）、ERP（管理信息系统），前者更倾向于对生产过程的控制，后者更倾向于订单和财务的管理。那么WIS和这些车间管理软件的区别是什么呢？MES和ERP实际上是两个相互独立、不能进行信息沟通的管理软件，但在车间层面上需要同时掌握两方面的信息才能有效掌握生产过程并安排管理生产计划。在现实中，MES和ERP之间的协调由人工完成（工厂车间通常会定期把MES的调整项做成一个表，交给业务部门，然后由业务部门手动在ERP中调整过来），这就带来一个严重的问题——工作人员可能会虚报、漏报或错报信息数据，导致信息不真实，不具有实时性。而WIS是一个自下而上实现车间管理的软件系统，通过收集每一台机床产生的真实数据来为管理者提供生产信息，并且通过互联网可以保证数据的实时传输。
i5系统专门针对互联网应用推出了用于智能机床联网的iPort协议，目前已经发布到V3版本，具备强大的信息透明能力。比如，基于iPort协议，i5系统配合最新的租赁商业模式打造了租赁功能，销售人员可以通过网络进行设备锁定解锁等操作，租赁功能还可以提供加工计时、加工计件等功能，为租赁模式的灵活配置提供技术和数据支撑。
i5系统通过与网络和信息技术充分融合，实现了“围绕机床全生命周期的智能化解决方案”：基于i5智能机床技术的云制造平台（iSESOL）。iSESOL平台通过互联网技术与i5核心技术的结合，将工艺技术、设计人才和高端设备等各类资源进行有效组合，实现社会存量制造能力的发现和释放，提升制造业综合效率。
四、i5技术在航空航天的应用
以航空发动机制造企业为代表的高端装备制造领域对高档数控机床和数控系统具有很大的需求。航空发动机在恶劣工作条件下仍需满足高可靠性、长寿命、节能环保等基本要求，其零部件具有结构复杂、制造加工难度大、加工精度要求高等特点，需要大批高档数控机床和高档数控系统，如五轴联动数控机床。
i5可以提供面向2轴、3轴、4轴、5轴等数控机床应用的智能数控系统解决方案，支持主流12种摇篮摆头五轴结构、刀尖点跟随功能，实现四个插补通道的并行控制，满足高端装备行业的加工需求。适用于航空航天等高端装备行业中的铝合金、钛合金、复合材料、结构件及回转类复杂、异形零部件的五轴联动加工。
图6 i5五轴解决方案
RTCP：一般手动测量旋转中心位置数据的操作比较复杂，对操作人员的技术要求较高。而RTCP标定旨在通过循环程序和用户界面的配合，简化操作过程，减低操作难度，使普通机床操作人员也能轻松完成测量任务。
三维仿真：加工过程的安全性是任何企业都不能忽视的，对于航空件加工企业更是如此。大型的航空部件，轮廓尺寸大，撞机危险高，其加工机床多为大行程五轴联动机床，毛坯件体积巨大且材料昂贵。在加工过程中，航空件一旦发生碰撞，其为企业带来的损失是巨大的。三维仿真功能在加工之前和加工过程中可全程提供和使用全机床仿真最大程度保证了现实与虚拟的匹配。
安全退刀：航空航天五轴加工非常重要，“虚拟刀轴”在此很有意义，通过手轮“虚拟轴”功能使刀具沿当前刀具轴移动。安全功能对以下情况特别有帮助：五轴轴加工程序中断运行期间，要沿刀具轴退刀时；手动操作模式在刀具倾斜情况下，用手轮或外部方向键执行操作；加工期间沿当前刀具轴用手轮移动刀具。
针对航空铝合金肋板类零件，存在大量的斜面加工，i5系统定制开发了斜面加工功能，斜面加工可以实现在一次装夹中完成不同方向、不同角度的多个斜面的打孔、攻丝、铣削等多种加工工艺。减少了装夹次数，降低了劳动强度，缩短了产品的生产周期，提升了零件的加工精度，保证了产品质量的一致性。
cycle800用于定义斜面上的工件坐标系，便于斜面加工，便于简化编程。主要通过设置基准点、绕X/Y/Z线性轴旋转的角度、旋转后的零点，来实现新的工件坐标系定义。
铣车复合功能在加工这类钣金零件显得尤为突出，在程序控制下根据加工需要，轻松切换车削与铣削加工方式。用户完全自由地决定如何和何时使用这两种加工方式。切换时，系统负责所有必要的初始化工作，包括回转中心的处理，车削自动变成直径显示，刀偏表也提供对于车铣半直径不同的设定方式。
五、结语
为了确保航天产品质量、缩短制造周期，实现关键数控技术自主可控， i5数控系统及相关制造企业与相关机床企业、用户企业紧密合作，努力推动全国产数控机床在高端制造业精密零件制造中的示范应用。国产高端数控机床及共性技术的可靠性、稳定性、实效性等得到了充分验证。同时，通过相关标准及规范的推广，实现国产高档数控机床的推广应用，对新一代高端装备制造水平的发展具有重要意义。
（文章来源：中国机床工具工业协会；供稿：沈机（上海）智能系统研发设计有限公司；编辑整理：梅峰）
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