国产数控系统的技术进步与应用成果_陈吉红.pdf

2023年 第2期 冷加工9专题策划：CIMT2023特刊数控系统与功能部件Special Topic:CNC System and Functional Component国产数控系统的技术进步与应用成果陈吉红中国机床工具工业协会数控系统分会 湖北武汉 430223摘要：结合国内外形势，分析了数控系统的战略意义，总结“十三五”期间国家和有关省市对数控系统产业的支持，包括技术和产品研发、标准化和创新平台建设、重点领域应用示范等，总结“十三五”期间国产数控系统行业取得的可喜成绩，包括产品追赶世界先进水平、重点领域替代进口、3C加工领域批量突破等，分析了国产高档数控系统发展存在的困难，包括市场生态圈、重点领域应用、研发投入等，并提出了“十四五”期间国产数控系统的发展建议，分析了国产数控系统面临的市场形势等。关键词：数控系统；支持；重点领域；突破；研发；发展建议1 序言数控系统是数控机床装备的“大脑”，直接影响数控机床装备的功能、性能和技术水平的高低，而高档数控系统是高档数控机床的“芯片”。近5年，在错综复杂的国际环境下，国产数控系统产业迎难而上，不断突破。根据权威机构统计，近5年，国产数控系统的市场占有率实现了大幅提升，国产中高端系统占有率由不足1%提升到30%以上。具备五轴联动功能的国产高档数控系统批量进入市场，国产中高档数控系统在多通道、多轴联动等关键技术指标上已基本能够与国外数控系统同台竞技，为大飞机、新型战机和探月工程等国家重点工程提供了关键制造装备。国产数控系统在3C加工行业大放异彩，在玻璃机、多轴抛磨机床等方面与国外知名数控系统正面竞争，进入世界顶级智能手机公司核心供应链。“十四五”期间，面对旺盛的市场需求，在国家的大力支持下，国产数控系统行业一定会在现有基础上，不断取得更大成绩。2 数控系统的发展关系我国机床行业的发展神舟飞天、蛟龙入海、墨子传信和北斗组网等以航空装备、海洋工程装备制造为代表的中国高端制造业发展势头迅猛，这些都离不开一种被称之为“工业母机”的装备数控机床。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，是制约我国机床行业发展的瓶颈。面对世界百年未有之大变局和中华民族伟大复兴战略全局，面对错综复杂的国际环境带来的新机遇和新挑战，机床工业成为支撑实现我国经济高质量发展的关键，被列为制造业核心竞争力提升的重大技术装备。在逆全球化、价值链重塑的国际形势下，制造业产业安全、高档机床和数控系统自主可控迫在眉睫，发展高档数控机床和高档数控系统意义重大1。中国机床工具工业协会数控系统分会理事长陈吉红2023年 第2期 冷加工10专题策划：CIMT2023特刊数控系统与功能部件Special Topic:CNC System and Functional Component3 国产数控系统迎来发展契机（1）国家大力支持国产数控系统产业的发展 2009年以来，高档数控机床与基础制造装备国家科技重大课题专项（以下简称04专项）累计立项支持40多项课题，支持华中数控、广州数控、大连光洋和沈阳高精等国产数控系统骨干企业，立足自主创新，研制高档型、标准型数控系统，伺服驱动和伺服电动机。04专项实施期间，高档数控系统领域共申请专利600多项，其中发明专利400多项，共授权专利300多项，形成各项标准200多项。在数控系统产品方面，支持研制华中数控HNC-8/9型、广州数控GSK-25i/27i型、大连光洋GNC61/62型及沈阳中科数控GJ403/430系列高档数控系统。大力支持伺服驱动及电动机测试，数控机床、数控系统及功能部件等标准研究，以及测试平台及测试体系建设。立项支持高档型数控系统关键共性技术、开放式数控系统支撑技术创新平台建设2。大力支持一批航空、航天、航发、汽车、发电装备和船舶制造企业应用国产数控机床和数控系统。华中数控、广州数控、大连光洋及沈阳高精等企业所研制的高档型数控系统与数十类数千台高速、精密、五轴联动的高档数控机床实现配套。这些设备包括高速精密车削中心、高速立式加工中心、精密立式加工中心、车铣复合加工中心、高速卧式加工中心、精密卧式加工中心、九轴六联动砂带磨及数控工具磨床等高档数控机床。大力支持万台数控机床配套国产数控系统应用工程、国产数控系统在大型机床零件加工中的应用及立式加工中心批量配套等的应用示范。（2）相关省市大力支持数控机床和数控系统产业发展 国内“工业母机”重点区域如浙江、山东、广东和陕西等高度重视装备制造业，数控机床产业发展迅速，产品不断升级换代，对数控系统的市场需求扩大，给国产数控系统行业发展提供了很好机遇。例如，浙江台州市政府发布了加快推进机床装备产业高质量发展的“10条”政策，成立高档数控机床技术创新中心，旨在推动本市机床装备产业迈向全球产业链价值链中高端，打造自主创新高质量发展的行业典范。陕西省在西咸新区成立“秦创原”创新驱动平台，把制造业的“创新驱动”提升到了一个前所未有的高度。4 国产数控系统硕果累累近5年，在国家和用户的大力支持下，国产高档数控系统取得了巨大进步，在技术上和市场应用两方面都实现了振奋人心的国产化替代。（1）数控系统的关键技术指标达到国际先进水平 在高档数控系统关键技术方面，攻克了开放式平台技术、现场总线技术、高速高精控制技术、多通道及复合加工控制技术、双轴同步控制技术、纳米级高精度插补技术、智能化技术以及工业大数据互联通信等一批核心关键技术。华中数控、广州数控共同完成的“高性能数控系统关键技术及产业化”获国家科技进步二等奖。华中数控对标国外先进高档数控系统，攻克了数控系统体系结构、现场总线、高速高精及五轴联动等一批关键技术，研制了3个规格的华中8型高档数控装置硬件平台和跨平台、全方位、多层次开放的高档数控系统软件平台，在功能、性能和可靠性方面达到国际先进水平，实现进口替代。华中8型系列高档数控系统（见图1）获国家科技进步二等奖，NCUC-Bus现场总线技术获湖北省技术发明一等奖。图1 华中8型系列高档数控系统华中数控将数控技术与人工智能技术深度融合，独创性地开发了基于“指令域”电控数据的感知分析、理论与大数据融合建模、智能优化“i代码”和“双码联控”等关键技术，首次将AI芯片嵌入数控系统，研制了华中9型系列新一代智能化数控系统（见图2），并成功开发了精度提升、工艺优化和健康保障等一批智能应用模块，应用在智能精密加工中心、智能五轴加工中心、智能凸轮轴磨床等一批智能机床上，推动了机床智能化创新发展。（2）高档数控系统在重点领域已实现批量突破 高档数控系统支撑了04专项近百台主机首台首2023年 第2期 冷加工11专题策划：CIMT2023特刊数控系统与功能部件Special Topic:CNC System and Functional Component套研制，提升了机床行业产业链自主可控能力；支撑了04专项在航空、航天、航发和汽车等重点领域数千台机床和生产线应用示范工程和数控机床升级改造工程，对国家的国防安全、产业安全及核心技术的自主可控做出了贡献。国产高档数控系统在国防军工领域应用批量突破，极大地推动了国产高档数控系统产业化进展。据权威机构统计，国产中档数控系统市场占有率由04专项支持前的10%提高到60%以上，国产高档数控系统国内市场占有率由04专项支持前不足1%提高到30%以上。1）华中数控。华中数控的高档型数控系统全面进入航空航天、汽车零部件、能源装备及船舶制造等领域。中、高档数控系统累计销售10万多台，在2000多家企业批量应用。其中，与04专项配套研制的10多类数千台高档数控机床已经在国家重点领域实现了批量配套。由沈阳飞机工业集团有限公司、沈阳航空产业集团、沈阳航空制造有限公司和华中数控等企业合作建设的沈阳航空复杂结构件智能制造生产基地项目（见图3），是国内航空航天领域首条全部应用国产高档数控设备的智能制造生产线，同时也是航空航天领域配套华中8型五轴数控系统最多的智能制造生产线。项目由中央总控室、1条铝合金接头类卧式精密加工生产线，1条铝合金肋板类卧式加工生产线，1条铝合金大型框、梁类柔性加工生产线，1条钛合金接头类卧式精密加工生产线，1条钛合金大型框、梁类强力加工生产线，以及1条铝合金长桁类加工单元组成，同时还有车铣复合加工中心、铝合金接头类卧式精密加工中心。本项目总共有9条生产线，57台机床设备，其中五轴设备39台，配华中数控系统的机床49台，五轴联动机床33台。图3沈阳航空复杂结构智能制造生产基地航空发动机最核心、制造难度最高的是“一盘一匣两片”（涡轮盘、机匣、导向叶片及工作叶片），零件结构复杂、加工精度高，表面粗糙度及表面质量要求高，其先进制造技术对相应的数控机床与装备需求十分迫切。华中8型数控系统已在航空发动机制造领域数十家用户单位的数百台设备上成功应用，并且在2021年央视动力澎湃节目中精彩亮相。2022年12月6日，央视新闻频道焦点访谈栏目报道了系列科技成果转化为现实生产力的典型案例。其中，上海交大智邦科技有限公司联合四川普什宁江机床有限公司、武汉华中数控股份有限公司等单位研制的国产装备轿车动力总成加工生产线（见图），已在上汽通用汽车有限公司投入使用。这条轿车动力总成加工生产线，由5台PT-50卧式加工中心和多台关节、桁架机械手组成，其中OP30/OP50/OP90工序的卧式加工中心配套华中HNC-848D高档数控系统。实践证明，从数控系统、电主轴到工装夹具、刀库，由国产化的功能部件组成的全国产高端加工中心完全能够满足高档汽车动力总成的加工需求。图4国产装备轿车动力总成加工生产线2）科德数控。科德数控研制的高端数控装备 图2 华中9型系列新一代智能化数控系统2023年 第2期 冷加工12专题策划：CIMT2023特刊数控系统与功能部件Special Topic:CNC System and Functional Component在航空、航天、能源和汽车等国家重点领域实现首台套应用，实现了具有核心技术和自主知识产权的高端数控机床和高端数控系统在功能、性能、可靠性的迭代提升。航天科工三院采用科德数控自主研制的6类22台五轴数控机床，组建了行业首条以国产高端装备为主的发动机关键零件生产线，采用AGV小车、桁架机器人、自动化工装夹具及在线检测系统等智能制造手段，在生产MES管控系统的组织下，实现了发动机关键零件的自动化生产。该条生产线投产后的设备综合利用率达到70%，生产效率提升30%，人员缩减50%以上。充分验证并提升了国产五轴机床、数控系统及核心功能部件的水平，增强了重点用户领域批量使用国产高档数控机床的信心。科德数控系统为航天科工三院建成的五轴立式加工中心柔性自动化生产线（见图5）顺利投产，实现了不限品种、数量的柔性生产，最少可以实现15h以上两个班次无人值守的自动化生产，是国内首条五轴加工中心组建、高柔性化的自动化生产线，相比由人员值守运行的机床，大大提高了生产效率和生产稳定性，机床稼动利用率从40%60%提升至90%以上。图5五轴立式加工中心柔性自动化生产线3）沈阳中科数控。沈阳中科数控与黎明发动机公司、沈飞公司等重点企业合作，推广国产高档数控系统。例如，数十台磨床、镗床、加工中心，以及3台激光打孔机床配套蓝天数控系列数控系统，实现将国产数控系统批量应用到航空发动机典型零件的加工。基于开放式数控技术平台，通过与激光设备厂商、航空制造领域的用户密切合作，沈阳中科数控开发出双通道11轴超快激光加工专用数控系统。系统解决了多通道控制、RTCP、高速程序预处理、焦距测量、三维测量、光路切换、四光楔扫描及功率检测等关键技术。设备适用于金属、非金属等材料表面的微结构处理，如微腔、型腔、盲孔、通孔、异型孔、异型槽及复杂形貌微结构的加工等，并在航空制造领域进行应用，解决了航空发动机叶片打孔加工的技术瓶颈。）广州数控。广州数控在04专项的支持下，开发出新一代标准型数控系统，实现产品更新换代，产品在关键功能、性能和可靠性方面达到国外同类主流数控系统同等水平，用户认可度和国内市场占有率显著提升。广州数控每年