高端數控：當好中國制造最強“大腦”
http://m.sharifulalam.com 2020-12-10 11:32 來源：中國科學報 袁一雪
長久以來，中國的數控系統企業始終在夾縫中求生存，因為數控技術壟斷，市場一直被日本、德國等一線數控企業牢牢把控。
高檔數控系統作為高檔數控機床的“大腦”，是決定其性能、功能、可靠性和成本的核心關鍵部件。
國外對我國國防工業急需的高檔數控系統，至今仍封鎖限制。
為擺脫這種狀況，“十一五”期間，國家啟動“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項（以下簡稱“04專項”）。
中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司（以下簡稱中科院沈陽計算）主持承擔并完成了重點任務“數控系統”中的一系列相關課題。
雙過程11軸激光葉片微孔冷數控機床
由點到面的改變
作為中科院沈陽計算高檔數控國家工程研究中心總工程師，于東經歷了“04專項”課題從立項到取得數次階段性成果的過程。
在他眼中，我國自主研發的數控機床控制系統不斷突破不是“妙手偶得”，而是厚積薄發的必然結果。
中科院沈陽計算在上世紀90年代曾走在國內數控系統研究的前列，然而隨著數字化時代來臨，國產數控系統面臨著升級壓力。
“過去數控系統采用封閉式結構，系統控制輸出端以模擬信號或脈沖信號為主。隨著數控機床工藝控制要求的提升，傳統的接口方式無法滿足高精、高速和高效率的要求，數控系統開放式、數字化勢不可擋。”于東告訴《中國科學報》。
針對國產高檔數控系統基礎軟硬件平臺受制于國外廠商的現實問題，中科院沈陽計算憑借自身多年技術積累，依托中國科學院技術優勢，以總線技術為突破，推進解決基于國產CPU芯片的數控系統硬件平臺、實時操作系統軟件平臺建設等一系列技術難點，將國產高檔數控系統建立在自主可控的基礎之上。
于東介紹道，中科院沈陽計算以研發具有原創性的技術和產品為突破，建立了開放式數控系統支撐技術創新平臺，形成主要產品的自主開發能力，建立起較為完整的數控系統研發和配套能力，形成產學研相結合的技術創新體系。
在“04專項”實施過程中，中科院沈陽計算還進一步推進產品在航空航天等領域示范應用，深化示范效果，確保技術與裝備自主可控，為中國建設航天強國提供基礎支撐。
數次核心技術突破
于東介紹，在“04專項”中，中科院沈陽計算基于總線控制核心技術與國產“龍芯”CPU數控系統硬件設計和批量制造技術，研制出具有自主知識產權的現場總線協議，建設了開放式數控系統軟硬件平臺，并主持制定了開放式數控系統系列化國家標準。
不僅如此，他表示，中科院沈陽計算科研團隊還針對傳統數控系統在速度、精度、多軸聯動方面存在的差距，通過將中國科學院院士吳文俊開創的數學機械化方法與數控技術融合，對運動控制過程進行建模，研制出了與國際先進水平相當的運動控制算法庫，在關鍵技術指標方面達到國際主流系統水平，如柔性加減速控制、納米級插補、程序預讀、5坐標刀具補償等。
其中，核心算法獲中國專利優秀獎。
同時，研發團隊還對標國外主流產品，建立了高檔數控系統功能分析數據庫，逐項進行對標開發，實現了功能指令集的覆蓋。
他們還針對高速、大型數控機床的配套需求，通過主持實施“數控系統功能安全技術研究”課題，為我國機床行業第一項國際標準IEC/TS 60204-34：2016的制定提供了支撐。
于東告訴《中國科學報》，在數次核心技術突破后，研發團隊繼續攻堅克難，解決了國產高檔數控系統在航空領域應用的多個難題。
他們以S型試件加工為驅動，通過在龍門同步、5軸RTCP功能、多通道及復合加工等方面的關鍵技術突破，實現“藍天數控”與5軸聯動橋式高速龍門加工中心、基于AB擺五聯動航空結構件強力銑削加工中心、自動加工單元等數控機床配套。
此外，基于產品開放性，研發團隊還研制了雙通道、11軸葉片類微孔超快激光加工數控系統，其中一個通道5軸聯動實現葉片加工控制，一個通道6軸聯動實現激光打孔與檢測，實現了發動機葉片打孔國產數控技術的突破。
提高中國制造話語權
于東介紹，如今，在“04專項”的支持下，沈陽中科數控技術股份有限公司（院、所共同投資公司）的“藍天數控”產品已經和精密車削中心、高速車削中心、車銑復合加工中心、基于AB擺5聯動航空結構件強力銑削加工中心等十余種型號的高速、精密、多軸、龍門、復合等高檔數控機床進行配套應用。
“國產高檔數控系統的推廣與應用，使得國外數控系統在龍門加工中心、臥加等高檔數控機床的配套應用價格下降。”
于東表示，國產“龍芯”CPU數控系統的建立，確保了國產高檔數控系統的自主可控、安全可靠。
此外，他還提到，基于數學機械化方法的運動控制方法研究，為在數控系統領域開發原創性技術與產品奠定了基礎。
而國際標準的制定與發布，則標志著國產數控技術走向國際，提高了中國制造的話語權。
今年，開放式數控系統標準——GB/T 18759.3-2009《機械電氣設備開放式數控系統第3部分：總線接口與通信協議》等6項標準獲2020年中國標準創新貢獻獎一等獎。
“作為標準起草的組長單位，這是行業對中科院沈陽計算等機構工作的肯定。未來的產業化道路還很長，中科院沈陽計算將堅持不懈地努力，聯合國內同行在數控核心技術的方向上走得更遠。”于東說。
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