【系列报道四】
华中8型数控系统的研发与应用
【编者按】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、华中8型数控系统的研发背景及技术水平
数控机床是装备制造业最重要的“工业母机”，其技术水平代表着一个国家的综合竞争力。基础薄弱、缺“芯”少“脑”一直是“中国制造”的短板。数控系统作为数控机床的“大脑”，是决定数控机床功能、性能、可靠性及成本的核心部件。据统计，我国每年进口大量中、高端数控机床，所需高端数控系统大量进口的局面更没有得到很好缓解。
从2009年开始，在国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”支持下，华中数控经过艰苦努力，在多项关键技术上实现了历史性突破，成功研制出华中8型系列化高档数控系统，其功能和性能指标达到国际同行先进水平。
在产品研发过程中，华中数控攻克了一批关键共性技术难题，包括：开放式、模块化数控系统软平台技术，开放式数控系统二次开发平台，高速高精运动控制、现场总线和多轴多通道控制技术，基于指令域大数据分析的工艺参数优化、数控机床健康保障等智能化应用功能，为研制出自主可控的华中8型系列化中、高档数控系统提供了原创技术支撑。
图1 华中8型高性能数控系统
曾在中机联组织的成果鉴定会上，专家委员会认为：“华中数控在我国数控系统后发追赶、面临更严苛要求的应战压力下，奋力拼博，历经几代技术攻关，开发出了以华中8型为代表的自主可控的数控系统，全面达到国际先进水平，可替代进口。”2017年，华中8型数控系统获得“国家科技进步二等奖”。
图2 获奖证书
二、华中8型数控系统的亮点和技术创新点
华中数控自主创新，在实现数控加工更精、更快、更智能方面进行了探索，研制的华中8型数控系统具备以下技术特点。
1. 亮点
（1）高速、高精度控制技术
系统具备纳米级插补计算精度，最小插补周期0.125毫秒，程序前瞻预读2000段以上。系统配置总线式伺服驱动系统，可与多种绝对式/增量式旋转编码器和光栅尺配接，实现了高速高精加工。
图3 高精度加工达到高光表面
（2）多轴联动、多通道控制技术
系统可实现8通道、64轴控制，具备先进的多轴联动加工功能，如五轴RTCP、倾斜面加工、车铣复合、双轴同步等。
图4 五轴运动模型
图5 多通道控制技术
（3）平台化技术
构建了高性能数控系统软硬件平台和新型开放式二次开发平台，实现了数控系统内/外部设备全数字化通讯和互联，为用户提供了多层次的深度开发手段。
图6 硬件平台
图7 软件平台
（4）智能化控制技术
华中数控在华中8型高性能数控系统的基础上，基于云计算、大数据、CPS等单元技术，利用控制信息、传感信息、网络信息，实现了数控设备的运行、加工、操作和编程等环节的智能化，开发了数控系统远程监控、工艺优化、健康保障、断刀监测等智能化功能。
图8 智能化控制技术
2. 创新点
（1）基于以太网的数控系统高速实时现场总线技术，构建全数字数控系统体系架构，研发嵌入式一体化的数控系统软硬件平台，实现了内外设备间信息的实时可靠交换。
图9 总线控制技术：内部总线（NCUC-Bus），外部协议（NC-Link）
（2）建立多轴联动机床统一运动学模型，提出双矢量位姿变换方法，开发RTCP、大圆插补、定向加工、主轴同步、伺服轴位置同步、多通道协同等功能，实现了多轴耦合运动的复杂轨迹控制，满足复杂形状零件的加工需求。
图10 多轴多通道控制
（3）提出了基于柔性加减速的高速纳米插补方法，开发高速、高精、高刚度的驱动控制技术，研制高响应、高能效、低转矩波动的伺服电机，实现了高速高精运动的柔性平滑和电机高增益宽域控制，满足高速加工要求。
图11高速纳米插补
图12 高速高精优化
（4）基于云计算的数控系统智能化技术，构建数控系统云服务平台，提出了数控系统电控大数据的指令域分析方法，研究加工过程物理信息资源的深度挖掘技术，实现了数控机床健康评估、断刀监测、工艺参数优化等智能化应用。
图13 数控加工“心电图”
图14 工艺参数优化技术
三、华中8型数控系统的应用领域及应用效果
目前，华中8型数控系统已与10多类约2000台高端数控机床实现了配套应用，其中包括：高速/精密车削中心、高速/精密立加、车铣复合、高速/精密卧加、五轴联动加工中心、六轴砂带磨等高端数控机床，满足国内高速、高精、大型、重型、复合、生产线等高端数控装备的配套需求。所配套产品的企业包括秦川机床集团、四川普什宁江机床有限公司、北京工研精机、武汉重型机床集团、北京第一机床厂、北京第二机床厂、宝鸡机床集团、深圳创世纪公司、东风设备制造有限公司、上海拓璞数控科技有限公司、上海机床厂有限公司、苏州信能精密机械有限公司等。
图15 宝鸡机床集团批量配置华中8型系统的加工中心车间
通过重点领域的“应用示范”工程，华中8型高端数控系统已在多家大型骨干企业进行批量示范应用，满足了复杂结构件，复杂壁板框段类零件，发动机机匣、叶片和燃气轮机机匣等复杂零件、复合材料加工的制造要求。
图16 沈阳某重点企业批量配套华中8型系统的车间
通过汽车制造领域的“应用示范”工程，华中8型高端数控系统已在吉林省吉通机械制造有限责任公司、东风活塞轴瓦有限公司、华晨宝马汽车有限公司、东风楚凯(武汉)汽车零部件有限公司、双港活塞公司、上海通用五菱公司、营口华润有色金属制造有限公司、綦江齿轮传动有限公司、交大智邦公司等骨干企业批量示范应用，满足了发动机缸体、缸盖、轮毂、高压油泵壳体、底盘类等关键零件的制造要求。
图17 东风楚凯公司批量配套华中8型系统的生产线现场
图18 吉林通用公司批量配套华中8型系统的车间
图19 上汽通用公司配置华中8型系统的生产车间
东方电气集团东方汽轮机有限公司、无锡透平叶片有限公司等两家企业应用华中8型数控系统15台套，主要用于火电汽轮机、核电汽轮机、燃气轮机等发电设备叶片制造。东方汽轮机有限公司应用配华中8型数控系统的10台九轴六联动数控砂带磨床组成产线，用于大型汽轮机叶片、核电叶片、燃机叶片型面的抛磨，解决了以汽轮机叶片为代表的复杂曲面进行磨削抛光的技术难题，开发出专用华中8型高档数控系统和砂带磨削加工工艺编程软件，整体水平有较大提升。
2009-2019年，华中8型高端型数控系统全面进入汽车制造、能源装备、船舶制造、机床工具、模具、3C等领域的主战场，累计销售10万多台套，在2000多家企业批量应用。特别是2015年以来，华中数控针对3C制造行业的巨大需求，研制并批量销售了具有高速高精（进给快移速度达60m/min，进给加速度达1G）、高速主轴控制（24000r/min）等关键技术的高速钻攻中心数控系统，其加工效率优于同类产品，并且建立了多个3C加工智能工厂。
图20 批量配置华中8型系统的3C加工企业生产车间
四、华中8型数控系统市场和产业化前景
1. 制造业转型升级为华中8型数控系统提供巨大发展契机
目前，我国正处于制造业高质量发展、由制造大国向制造强国转型的重要阶段，随着高端制造业需求持续旺盛和高端制造业对制造工艺和技术要求不断提升，华中8型数控系统的市场需求将不断扩大，具有广阔的发展前景。
2. 华中8型数控系统支持国内机床领域关键核心技术发展
华中数控作为国内数控系统领域核心企业之一，通过承接国家重大专项，经过20多年研发积累，其高端产品的功能、性能与国际先进水平的差距逐渐缩小，并在部分高端细分领域实现国产数控系统零的突破，支持了国内机床制造关键核心技术的发展。
3. 数控技术与新一代人工智能技术融合，将促进我国机床产业发展
高档数控机床关键功能部件的性能和质量决定了整机的性能和质量。为了改变受制于人的现状，我们将加快新一代人工信息技术与华中8型数控系统融合应用，研发华中9型智能数控系统，与机床企业联合研制智能机床，促进中国机床行业向高质量发展。
图21 华中9型智能数控系统
（供稿：武汉华中数控股份有限公司 编辑整理：梅峰）