1　研发背景

高端机床装备是奠定现代工业基础的工业母机，是制造强国的关键基础、国防安全的战略保障和支撑制造业转型升级的助推引擎，战略意义重大，然而，作为数控机床“大脑”、决定数控机床 功能、性能与可靠性的数控系统，却面临着核心技术受制于人，中高端市场绝大部分份额为国外企业所占据的窘境。

目前我国航空航天等重点领域急需的五轴、 龙门、精密等高档数控机床，市场长期被欧日企业 垄断，进口依赖度高。高档数控机床的核心技术是关键功能部件（数控系统、主轴单元、测量反馈元 件、换刀机构等），其性能和质量决定了整机的性能和质量。在这一领域，我国技术基础薄弱，经过这些年的发展，其性能、功能、可靠性虽然有了很大的进步，但是还不能完全满足市场需求。这些技术的落后，严重制约了我国机床工业的发展进步。 因此，一方面，这需要我国机床行业咬紧牙关，匠心“苦干”，缩小差距。而另一方面，我们还可以将云计算、大数据、人工智能等新兴信息技术，为机床行业“赋能”，鼎新“巧干”，这将对我国缩小与国外的差距，起到“事半功倍”的作用。

 新一轮工业革命的核心技术是智能制造——制造业的数字化、网络化和智能化。作为中国制造业高质量发展的主攻方向，智能制造将新一代信息技术和制造技术进行深度融合，以推进新一轮工业革 命，而机床的智能化程度对智能制造的实施具有重要影响。

2　创新技术介绍

华中数控首创基于云计算的数控系统智能化技术，发明数控系统电控大数据的指令域分析方法， 成功推出了“华中9型新一代人工智能数控系统”， 如图1所示。

图1 华中9型新一代人工智能数控系统

华中9型新一代人工智能数控系统践行“智能+” 为机床赋能的创新理念，构筑人（H）-机（P）-信 息（C）融合的数字孪生系统（S）（HCPS）。该系统深度融合大数据与人工智能技术，打造了“端- 边-云”的智能体系架构，形成了集成AI芯片的智能硬件平台、支持AI算法的智能软件平台、构建智能App生态的开放平台。

华中9型新一代人工智能数控系统集成AI芯片， 融合AI算法，将人工智能、物联网等新一代智能技术与先进制造技术深度融合，遵循“自主感知-自主学习-自主决策-自主执行”新模式，实现了真正的智能 化。该系统本质的特征是具备认知和学习能力，与以往产品相比，其独创的指令域大数据分析方法，能形成指令域“心电图”，实现大数据与加工工况的关联映射，可精确预测零件轮廓误差，生成轮廓误差补偿 的“i代码”，有效提升零件的轮廓精度，实现机床动态精度的“由丝入微”。

华中9型新一代人工智能数控系统提供了机床指令域大数据汇聚访问接口、机床全生命周期“数字 双胞胎”的数据管理接口和大数据智能（可视化、 大数据分析和深度学习）的算法库，为打造智能机 床共创、共享、共用的研发模式和商业模式的生态圈提供开放式的技术平台，为机床厂家、行业用户及科研机构创新研制智能机床产品和开展智能化技术研究提供技术支撑。

3　主要技术特点

华中9型新一代人工智能数控系统遵循“自主感 知-自主学习-自主决策-自主执行”的新模式，构建机床数字孪生，探索机床实现智能的新方法。

3.1　自主感知：指令域大数据

独创的指令域大数据分析方法，采集、汇聚数控系统内部电控大数据和外部传感器数据，形成指令域 “心电图”，实现大数据与加工工况的关联映射，构建由机床全生命周期大数据描述的数字孪生。指令域大数据分析方法如图2所示。

3.2　自主学习：融合建模

借助具有“因果关系”的数理模型和具有“关联关系”的大数据模型，独创性地将数理模型与大 数据模型进行融合建模，实现对机床动态行为的自学习和认知理解，构建由机床动态模型描述的数字孪生。融合建模图如图3所示。

 图2 指令域大数据分析方法

图3 数理模型与大数据模型融合建模

3.3　自主决策：i代码

利用所获得的数字孪生，进行虚拟加工，并预测加工效果。根据预测结果，自动进行多轮优化迭代，最终生成多目标智能优化的“i代码”，实现自主决策。自主决策流程图如图4所示。

图4 自主决策流程图

3.4　自主执行：双码联控

独创的双码联控技术，让传统数控加工的“G- 代码”（第一代码）和多目标智能优化的 “i-代 码”（第二代码）同步运行，实现优质、高效、可靠、安全的数控加工。

4　实际应用情况

华中9型智能数控系统目前已拥有30余款App， 提供工艺优化、质量提升、健康保障和生产管理4大典型应用，助力智能机床更精、更快、更智能。如 图5所示。

图5 典型应用

在实际应用方面，华中9型新一代人工智能数控 系统通过建立机床进给系统动力学和大数据融合模 型，能有效提升加工零件的轮廓精度，实现机床动态精度的“由丝入微”。在加工过程中，该系统还能预测机床热变形规律，对热变形进行补偿，保持机床加工精度的稳定性，缩短热机时间。此外，该系统还能自主优化工艺参数，有效提高加工效率， 汇聚机床装配、调试、补偿、健康保障及使用过程 数据，实现机床全生命周期运维管理。

华中数控以华中9型新一代人工智能数控系统为平台，与江西佳时特精密机械有限公司、宝鸡机床集团有限公司、秦川机床工具集团有限公司、陕西秦川格兰德机床有限公司、沈阳精锐数控机床有限公司、 陕西汉江机床有限公司、沈阳百航智能制造研究院有 限公司、湖大海捷（湖南）工程技术研究有限公司、 山东蒂德精密机床有限公司、武汉高科机械设备制造有限公司等多家机床企业一起联合研发，研制了智能精密加工中心、智能五轴加工中心、智能高速轮毂加工中心、智能车削中心、智能凸轮轴磨床、智能螺 杆磨床、智能滚齿机等不同领域、多种类型的智能机 床，推动机床智能化转型升级。

5　市场及产业化前景

在国家产业政策支持、新技术革命推动和市场需求牵引等综合作用下，机床行业的智能制造将步入加速成长期。智能制造的发展将对传统制造体系带来猛烈冲击，推动产业格局发生深刻变革。在我国经济新常态下，机床工具行业面临市场需求升级的紧迫需求，经过新技术革命的洗礼，机床行业企业的经营 模式将逐步转变。智能化数控系统、智能机床、智能制造车间、智能制造工厂、智能制造大系统的技术发 展进程，为机床行业展示了美好的发展前景。毋庸置 疑，智能数控系统和数控机床将成为智能制造体系中 的核心装备，加快发展智能数控系统和数控机床，是打造制造强国的首要任务。

进入新世纪以来，大数据、云计算、物联网等新一代信息技术飞速发展，特别是新一代人工智能技术的战略性突破，发生了革命性的“质变”，本质上具备了认知和学习的能力，具备了生成知识和运用知识的能力，从根本上提高工业知识产生和利用的效率， 大大解放人的体力和脑力，创新的速度大大加快，应用的范围更加泛在。因此，深度融合新一代人工智能技术与机床制造技术，可有效解决智能机床适应性和有效性不足的问题。

智能机床是数控机床发展的高级形态，也是数控机床朝着数字化网络化智能化机床（新一代人工智能 +机床）演进的必然方向。新一代人工智能技术与数控机床的深度融合，将为机床产业带来新的变革，使中国机床行业实现从“跟跑”到“领跑”，实现“开 道超车”的重大机遇。华中数控与智能制造“同频共 振”，助力中国机床“开道超车”。

摘自《自动化博览》2021年5月刊