高端數(shù)控：當好中國制造最強“大腦”

引言：長久以來，中國的數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)始終在夾縫中求生存，因為數(shù)控技術(shù)壟斷，市場一直被日本、德國等一線數(shù)控企業(yè)牢牢把控。高檔數(shù)控系統(tǒng)作為高檔數(shù)控機床的“大腦”，是決定其性能、功能、可靠性和成本的核心關(guān)鍵部件。 國外對我國國防工業(yè)急需的高檔數(shù)控系統(tǒng)，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(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項（以下簡稱“04專項”）。

       由點到面的改變

       作為中科院沈陽計算高檔數(shù)控國家工程研究中心總工程師，于東經(jīng)歷了“04專項”課題從立項到取得數(shù)次階段性成果的過程。在他眼中，我國自主研發(fā)的數(shù)控機床控制系統(tǒng)不斷突破不是“妙手偶得”，而是厚積薄發(fā)的必然結(jié)果。中科院沈陽計算在上世紀90年代曾走在國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)研究的前列，然而隨著數(shù)字化時代來臨，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)面臨著升級壓力。

       過去數(shù)控系統(tǒng)采用封閉式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)控制輸出端以模擬信號或脈沖信號為主。隨著數(shù)控機床工藝控制要求的提升，傳統(tǒng)的接口方式無法滿足高精、高速和高效率的要求，數(shù)控系統(tǒng)開放式、數(shù)字化勢不可擋。針對國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)軟硬件平臺受制于國外廠商的現(xiàn)實問題，中科院沈陽計算憑借自身多年技術(shù)積累，依托中國科學(xué)院技術(shù)優(yōu)勢，以總線技術(shù)為突破，推進解決基于國產(chǎn)CPU芯片的數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺、實時操作系統(tǒng)軟件平臺建設(shè)等一系列技術(shù)難點，將國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)建立在自主可控的基礎(chǔ)之上。

       中科院沈陽計算以研發(fā)具有原創(chuàng)性的技術(shù)和產(chǎn)品為突破，建立了開放式數(shù)控系統(tǒng)支撐技術(shù)創(chuàng)新平臺，形成主要產(chǎn)品的自主開發(fā)能力，建立起較為完整的數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)和配套能力，形成產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)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(chǎn)品在航空航天等領(lǐng)域示范應(yīng)用，深化示范效果，確保技術(shù)與裝備自主可控，為中國建設(shè)航天強國提供基礎(chǔ)支撐。

       數(shù)次核心技術(shù)突破

       在“04專項”中，中科院沈陽計算基于總線控制核心技術(shù)與國產(chǎn)“龍芯”CPU數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計和批量制造技術(shù)，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線協(xié)議，建設(shè)了開放式數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺，并主持制定了開放式數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)在速度、精度、多軸聯(lián)動方面存在的差距，通過將中國科學(xué)院院士吳文俊開創(chuàng)的數(shù)學(xué)機械化方法與數(shù)控技術(shù)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?shù)倪\動控制算法庫，在關(guān)鍵技術(shù)指標方面達到國際主流系統(tǒng)水平，如柔性加減速控制、納米級插補、程序預(yù)讀、5坐標刀具補償?shù)?。其中，核心算法獲中國專利優(yōu)秀獎。

       同時，研發(fā)團隊還對標國外主流產(chǎn)品，建立了高檔數(shù)控系統(tǒng)功能分析數(shù)據(jù)庫，逐項進行對標開發(fā)，實現(xiàn)了功能指令集的覆蓋。他們還針對高速、大型數(shù)控機床的配套需求，通過主持實施“數(shù)控系統(tǒng)功能安全技術(shù)研究”課題，為我國機床行業(yè)**項國際標準IEC/TS 60204-34：2016的制定提供了支撐。

       在數(shù)次核心技術(shù)突破后，研發(fā)團隊繼續(xù)攻堅克難，解決了國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)在航空領(lǐng)域應(yīng)用的多個難題。他們以S型試件加工為驅(qū)動，通過在龍門同步、5軸RTCP功能、多通道及復(fù)合加工等方面的關(guān)鍵技術(shù)突破，實現(xiàn)“藍天數(shù)控”與5軸聯(lián)動橋式高速龍門加工中心、基于AB擺五聯(lián)動航空結(jié)構(gòu)件強力銑削加工中心、自動加工單元等數(shù)控機床配套。

       此外，基于產(chǎn)品開放性，研發(fā)團隊還研制了雙通道、11軸葉片類微孔超快激光加工數(shù)控系統(tǒng)，其中一個通道5軸聯(lián)動實現(xiàn)葉片加工控制，一個通道6軸聯(lián)動實現(xiàn)激光打孔與檢測，實現(xiàn)了發(fā)動機葉片打孔國產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的突破。

       提高中國制造話語權(quán)

       如今，在“04專項”的支持下，沈陽中科數(shù)控技術(shù)股份有限公司（院、所共同投資公司）的“藍天數(shù)控”產(chǎn)品已經(jīng)和精密車削中心、高速車削中心、車銑復(fù)合加工中心、基于AB擺5聯(lián)動航空結(jié)構(gòu)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(fù)合等高檔數(shù)控機床進行配套應(yīng)用。

       國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，使得國外數(shù)控系統(tǒng)在龍門加工中心、臥加等高檔數(shù)控機床的配套應(yīng)用價格下降。國產(chǎn)“龍芯”CPU數(shù)控系統(tǒng)的建立，確保了國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主可控、安全可靠。此外基于數(shù)學(xué)機械化方法的運動控制方法研究，為在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域開發(fā)原創(chuàng)性技術(shù)與產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

       而國際標準的制定與發(fā)布，則標志著國產(chǎn)數(shù)控技術(shù)走向國際，提高了中國制造的話語權(quán)。

       今年，開放式數(shù)控系統(tǒng)標準——GB/T 18759.3-2009《機械電氣設(shè)備開放式數(shù)控系統(tǒng)第3部分：總線接口與通信協(xié)議》等6項標準獲2020年中國標準創(chuàng)新貢獻獎一等獎。“作為標準起草的組長單位，這是行業(yè)對中科院沈陽計算等機構(gòu)工作的肯定。未來的產(chǎn)業(yè)化道路還很長，中科院沈陽計算將堅持不懈地努力，聯(lián)合國內(nèi)同行在數(shù)控核心技術(shù)的方向上走得更遠。”