“大国重器”—华中数控智能数控系统(iNC)和智能机床(iNC-MT)概念机隆重亮相上海CCMT2018
发表时间:2019-03-08     阅读次数:     字体:【

由中国机床工具工业协会主办,并与上海市国际展览有限公司共同承办的第十届中国数控机床展览会(CCMT2018)4月9日在上海新国际博览中心隆重开幕。本届展会的主题是:“聚焦——数字、互联、智造”,该主题准确、鲜明地反映了我国机床工具产业发展和产业市场的时代特征,响应了国内外机床工具消费市场的最新变化,凝练了国内外机床工具产业对未来发展方向的关注和思考。

武汉华中数控股份有限公司在会上隆重推出iNC智能数控系统概念机,同时亮相的还有配套iNC的宝鸡机床智能数控机床概念机iNC-MT。与以往国际机床展上推出的智能数控系统和智能数控机床不同的是,由华中数控和宝鸡机床联合推出的iNC和iNC-MT中引入了新一代人工智能技术-大数据智能,将以大数据度学习为代表的新一代人工智能技术浑然天成地融合到数控系统和数控机床中,在iNC智能数控系统平台上,集成了NC App Store功能,可以由用户利用数控机床加工过程中的大数据,开发自己的App。在首次推出的概念机的NC App Center中,集成了18个智能化App,可以实现品质提升、工艺优化、健康保障、管理增效等效果。

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展会开幕当天下午,中国机床工具工业协会发布了此届展会获得春燕奖的展品,INC-848智能数控系统光荣获得春燕奖。

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一 、研制背景

在我国加快转变经济发展方式,机床市场需求发生重大变化的新常态下,我国机床行业面临巨大的转型升级压力。

数控机床正从数字化机床(Numerical Control Machine Tools)向智能化机床(Smart Machine Tools,SMT)方向发展。但智能化机床尚处于起步阶段,还未取得实质性的研究进展和显著的应用成效。究其原因,主要是智能机床在自感知和自学习技术方面,未取得革命性的突破,最终导致机床智能化功能的适用性和有效性不够。

近年来,大数据、云计算和新一代人工智能技术取得了群体性、革命性的突破。新一代人工智能技术与先进制造技术深度融合所形成的新一代智能制造技术,成为了新一轮工业革命的核心驱动力。

新一代人工智能技术与数控机床的融合,形成新一代智能机床(Intelligent Machine Tools,iMT),将为数控机床产业带来新的变革。这将是中国机床行业“换道超车”,最终实现从“跟跑”到“领跑”的重大机遇。

在中国工程院、工信部的指导和支持下,华中数控、宝鸡机床、华中科技大学提出了新一代智能机床(iMT)的新理念,开展了智能数控系统(iNC,intelligent NC)和智能机床(iNC-MT,intelligent NC Machine Tools)的探索:

★自主感知:通过独创的“指令域”大数据汇聚方法,按毫秒级采样周期汇集数控系统内部电控数据、插补数据,以及温度、振动、视觉等外部传感器数据,形成数控加工指令域“心电图”和“色谱图”。伺服驱动系统既是“执行器”,又是“感知器”。实现了数控加工过程的状态信息和工况信息的自主感知,建立了数控机床的全生命周期“数字双胞胎”(Digital Twins)和“人-信息-物理系统”(Human-Cyber-Physical Systems, HCPS)。

★自主学习:在大数据、云计算和新一代人工智能技术的基础上,建立了大数据智能(可视化、大数据分析和深度学习)的开放式技术平台,形成智能机床共创、共享、共用的研发模式和商业模式的生态圈。从大数据中隐含的“关联关系”中,应用大数据智能技术,进行自主学习,获得数控加工智能化控制知识,通过开放的技术平台,实现智能控制策略、知识的积累和共享。

★自主决策:根据数控加工的实时工况和状态信息,利用自主学习所获得的智能控制策略和知识,形成多目标优化加工的智能控制“i-代码”。

★自主执行:通过独创的“双码联控”控制技术,实现了传统数控加工的“G-代码”(第一代码)和多目标优化加工的智能控制“i-代码”(第二代码)的同步运行,达到数控加工的优质、高效、可靠、安全和低耗的目的。

在以上技术基础上,华中数控与宝鸡机床率先研制了基于新一代人工智能技术的智能数控系统(iNC)和智能机床(iNC-MT)概念机,开发了一批质量提升、工艺优化、健康保障和生产运行的智能化功能模块。

二、展品特点

1、智能数控系统(iNC)概念机

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在华中8型数控系统的基础上,智能数控系统(iNC)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。

在此基础上,智能数控系统(iNC)已初步实现了质量提升、工艺优化、健康保障和生产运行一批智能化功能,使得数控加工“更精,更快,更智能”。

此外,智能数控系统(iNC)采用了多点触控虚拟键盘,替代了传统的数控机床键盘;采用机器视觉人脸识别,对操作者身份认证。

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iNC智能模块:

1)质量提升:提高加工精度和表面质量

· 基于温度传感器的热误差补偿

· 基于能耗大数据的热误差补偿

· 数控机床空间误差补偿

· 五轴RTCP几何结构参数测量与补偿

· 基于数控加工“心电图”智能断刀检测

· 基于能耗大数据的刀具寿命智能管理

· 主轴振动主动避让

2)工艺优化:提高加工效率

· 加工G代码的光顺性评估和平滑拟合

· 基于主轴负载的加工工艺参数评估

· 基于主轴负载的加工工艺参数优化

· 加工振动和视觉的指令域示波器

· 三维曲面"双码联控"高速加工

· 自生长、自学习加工工艺数据库

· 虚拟加工仿真

· “一脑双控”自动上下料智能控制

3)健康保障:保障设备完好、安全

· 机床运行“行车记录仪”

· 机床“铁人三项”健康自检和健康评估

· 主轴动平衡分析和智能健康管理

· 进给轴全生命周期负荷图

· 基于二维码的设备调试档案管理

· 基于二维码设备维修案例管理与搜索

· 数控机床机电联调工具集

· 可靠性MTBF统计分析

· 加工过程视觉智能监控

4)生产管理:提高管理和使用效率

· 操作者身份人脸识别和权限管理

· iNC-Cloud智能云管家移动端APP

· 远程状态监控

· 工艺文件浏览与管理

· 生产效率统计分析

· 作业计划管理

2、智能机床(iNC-MT)

传统数控机床只是通过G代码、M指令来控制刀具、工件的运动轨迹,而对机床实际加工状态,如切削力、惯性力、摩擦力、振动、力/热变形,以及环境变化等,少有感知和反馈,导致刀具的实际路径偏离理论路径,降低了加工精度、表面质量和生产效率。

在工业互联网、大数据、云计算的基础上,新一代人工智能技术和先进制造技术深度融合,智能机床(iNC-MT)是一个基于HCPS的闭环加工系统。

以汇集数控系统内部指令域电控实时数据为大数据的主要来源,并适度增加温度、振动、视觉等传感器监测机床工作状态和环境的变化,建立数控机床的“数字双胞胎”;通过大数据的可视化、大数据分析、大数据深度学习和理论建模仿真,形成智能控制的策略、知识,并能积累和共享;通过“双码联控”技术,实现质量提升、工艺优化、健康保障、生产管理的智能化,达到提高数控机床优质、高效、可靠、安全和低耗的目的。

三、创新亮点

自主感知、自主学习、自主决策和自主执行是机器智能的标志,如何实现这4个自主则是创新的根本所在。iNC首创的指令域大数据分析方法[专利技术],解决了机床加工和运行过程中从感知到认知的知识提取问题,由此实现自主感知、自主学习;iNC首创的双码联控技术[专利技术],在兼容传统G代码指令的同时,开发出面向智能应用的i代码指令,通过G代码和i代码的联合作用实现自主决策和自主执行。

1、 数控加工指令域心电图

新一代智能首先体现在大数据智能的数控加工指令域 “心电图”。

人体心电图通过心动周期的生理状态数据,为诊疗提供依据。华中数控的指令域“心电图”通过采集和分析数控机床加工过程中的电控大数据,判断和预测机床的健康状况,更好地实现高精、高效、可靠、低耗。

人在剧烈运动时的心电图与常态时的心电图不一样,因此诊断是否有病变,还要以心电图采集时人的活动状态为参考。同样,机床在重切时采集到的主轴电流数据尽管远高于精加工时的主轴电流数据,也要能判断出这是正常的机床“心电图”。

所谓机床指令域“心电图”是指运行状态数据随特定工作任务和加工条件变化,并与数控加工的G 指令序列相关的波形图。通过检测主轴电流“心电图”与指令任务适配程度的异常,可以对机床定期体检,掌控机床的健康状况,实现预测性维护;还可以对无人车间的断刀状况进行实时监测。

在指令域“心电图”中以主轴电流为优化对象,将加工时主轴电流较大处的速度指令降低、较小处的速度指令提升,可以均衡刀具切削负荷,同时提高加工效率。

2、 数控机床大数据数字双胞胎

数字双胞胎作为智能制造的一项关键技术,通过在虚拟环境下构建整个产线的数字虚体模型,可以实现协同制造和柔性生产。数控机床作为生产加工的主体,决定了零件加工的品质和生产效率,其数字双胞胎模型如果只包含几何模型和宏观描述是远远不够的。

尽管利用机床和工件几何模型的加工仿真可以实现干涉和防碰撞检查,但要想进一步提高零件的加工精度,还需要能够对机床的动态误差特性进行仿真和预测。随着时间的推移,机床的精度也会而发生变化,因此也需要对机床的精度稳定性进行跟踪。

华中数控iNC智能数控系统针对这一需求,通过对机床加工过程中的指令域大数据的分析,在云端建立与机床实体实时映射的数字双胞胎模型,并机床的整个生命周期中,对机床的特性变化进行跟踪,动态的更新和完善云端数字双胞胎。

在不需要实际切削的情况下,利用云端的机床数字双胞胎模型,输入加工指令就可以实现机床实际运动响应预测,实现编程优化。同时通过数字双胞胎对物理机床加工精度的动态跟踪可以对机床的生产质量进行预测,指导实施可预测性维护。

3、iNC OS开放式工业互联网平台

iNC OS是一个基于云计算的开放式工业互联网平台。

在“中国制造2025”和智能制造的发展要求下,智能化应用开发“共享、共创、共赢”的需求日益强烈,iNC OS工业互联网平台应运而生。

iNC OS工业互联网平台的目的是向开发者提供集工业应用开发、测试、部署、运行、共享于一体的开发平台,最小化工业应用开发周期,实现开发技术高度共享。

iNC OS以强大的大数据中心作为支撑, 7×24小时采集工业数据,向工业应用提供实时数据和历史数据服务。

iNC OS以虚拟机的方式向用户提供一个小型工业大数据中心,支持开发者在的离线情况下进行智能化功能开发。

iNC OS集成并行计算、分布式、深度学习等技术,提供跨平台的数据访问和大数据分析算法接口。

iNC OS提供多种主流IDE上的应用开发插件,支持Java、C#、Python等开发语言。

智能数控系统应用商店提供开发->交付->下载->使用->付费的全环节应用,支持工业软件的上传、下载、共享。iNC OS为工业软件提供装置端、云端、移动端集成方案和工具,具备高度灵活性、易用性。

展望未来,iNC OS将致力于更智能、更便捷的工业互联网应用平台,推动中国传统制造业的转型升级。

4、智能数控系统边缘计算模块

边缘计算作为一种敏捷、高效的分布式计算形态,能够为制造系统提供实时、智能、安全的数据处理能力。华中新一代智能数控系统集成边缘计算模块,实现计算资源的动态部署,通过对多源异构大数据实时采集、传输和分析,赋予数控系统高效计算和实时决策能力。

视频断刀检测模块是由国家数控中心自主研发的数控系统智能应用模块。通过采集机床试加工视频数据,运用边缘计算模块训练卷积神经网络,提取多层次图像特征以判断刀具状态;实际加工中,视频数据经由上位机传输至边缘计算模块,网络监测到发生断刀后,自动报警并通知数控系统停机。实现了智能化实时监控刀具状态,提高机床的安全性和生产率。

华中新一代智能数控系统实现了总线级、网络级、网关级等多层次计算资源部署,为基于新一代人工智能技术的智能化APP应用提供了边缘计算、雾计算和云计算技术的整套解决方案。

5、 “铁人三项”机床体检及健康评估

随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,企业对数控机床的依赖愈来愈强。据不完全统计,每年因机床故障造成的损失达数千亿元,机床故障诊断与预测性维护显得极其重要。由于加工条件和生产环境不同,机床性态变化程度各不相同,定期维修的策略既不科学也不合理,故障后修复更显被动,经济损失更大。

华中数控iNC智能数控系统推出“铁人三项”机床体检及健康评估方法,是实施预测性维护的有力途径。该方法给机床设计一套针对性的体检程序,监测机床运行体检程序过程中的“心电图”,提取健康指数,通过健康指数的变化趋势确定对机床进行主动维护的时间,“大医治未病”,提前排除机床的隐患,降低因故障而被动停机的风险。

以常见的数控加工中心为例,标准体检程序包括:主轴快速启停、高速运转、进给轴高速移动、圆周插补、刀库换刀等内容。提取主轴快速启停时间、高速运转速度波动、进给轴快移速度波动、圆周插补的过象限误差、刀库换刀完成时间等数据作为健康指数,当指数呈现趋势性下降或异常突变时,给出预警,从而实现基于合理预测的维护,科学合理地安排机床服役期间的生产活动。

6 、机床自生长工艺数据库

工艺规划是数控加工的核心环节之一,编程的好坏直接影响到产品的加工质量和加工效率。工艺人员通常根据自身的经验或借助于工艺数据库,选择切削参数,因此工艺人员的水平和工艺数据库的适用性和完备性决定了数控编程的品质。

由大量切削实验累积形成的工艺数据库,只考虑了有限的刀具和材料,未考虑机床的实际能力。基于通用型工艺数据库编制的程序,直接用于加工,可能出现加工效率低、表面质量差,甚至出现过切和刀具损坏等问题。为了得到好的加工效果往往需要多次试切,而工艺人员在试切中获得的工艺知识缺乏有效的数字化手段反馈至数据库中,不能实现积累和更新。

华中数控iNC智能数控系统针对这一问题,提供了在数控机床上“生长”出工艺知识库的方法。通过从CAM软件或G代码中提取工艺参数,采集加工过程指令域大数据,利用神经网络,建立工艺参数与加工状态数据的关系,以此对工艺参数在机床上的适用性进行评价,从而形成随机床及其工艺系统的使用不断生长的工艺知识库,工艺知识库具有个性化,是动态的。

工艺知识库的学习方式适合于批量生产,工艺系统稳定的工厂,随着经验的不断积累,工艺知识越积越多,编的加工程序与机床工艺系统的契合度越来越高,减少试切,缩短加工准备时间,提高生产效率。

四、展品列表

在推出iNC数控系统概念机的同时,华中数控发布HNC8-V2.0,将上述部分智能化化功能模块集成到了华中8型系列数控装置产品中,为机床厂、用户提供大数据可视化、智能化功能的同时,也为各方用户提供了智能化功能的开发平台。

1、智能高速钻攻中心HSC-430自动化单元

机床制造:苏州富强科技有限公司

数控系统:HNC-848D

机器人:华数HSR-612机器人

新增传感器:温度传感器12个,振动传感器2个,光栅尺3个,视觉传感器1个

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2、智能立式加工中心VM903

机床制造:纽威数控装备(苏州)有限公司

数控系统:HNC-848D

新增传感器:温度传感器6个,振动传感器1个,视觉传感器1个

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3、智能立式加工中心BM8-H

数控系统:宝鸡数控系统B-800M

新增传感器:温度传感器12个,振动传感器2个,光栅尺3个,视觉传感器1个

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4、智能数控车床BL5-C

数控系统:宝鸡数控系统 B-800T

新增传感器:温度传感器12个,振动传感器2个,光栅尺:2根,视觉传感器1个

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五、主要特色

? 高精:采用全闭环高精度光栅尺反馈;根据实际需要,在机床的主轴、各进给轴上新增温度传感器若干个、振动传感器若干个。具有智能热误差补偿、空间误差补偿、主轴自动避振等智能化功能。

智能机床温度、振动传感器布局图

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精密加工手机外壳达到镜面效果

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?高效:高速钻攻中心的主轴转速24000转/分;快移速度60米/分,加速度1G;具有加工工艺参数评估、三维曲面双码联控高速加工等智能化功能。

3C零件高速加工

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三维曲面“双码联控”高速加工

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?自动化:HNC-848D的多通道功能,实现对数控机床和华数机器人的“一脑双控”,大幅降低数控机床实现自动上下料控制的硬件成本。

“一脑双控”实现机器人自动上下料

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? 智能化:具有加工工艺参数优化、智能断刀检测、智能刀具寿命管理、加工工程视觉智能监控、自生长自学习加工工艺数据库、机床健康状态预测性维护、主轴动平衡分析和智能健康管理、进给轴全生命周期负荷图、基于二维码的维修案例管理与搜索、iNC-Cloud智能云管家移动端APP、远程监控、生产效率统计分析等全面智能化功能。

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智能数控系统(iNC)和智能机床(iNC-MT)的推出,是我们初步的探索和实践。智能机床的研发,需要打造共创、共享、共用的生态圈,让我们共同探索新一代人工智能技术与数控机床的深度融合,抢抓机遇,实现中国机床行业的智能化转型升级!

 
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