机床行业“智能制造”的发展与展望

中国机床工具工业协会邵钦作

机床行业“智能制造”的发展与展望

中国机床工具工业协会邵钦作

一、概述

机床工具行业是关系国民经济和国防安全的战略性基础行业。机床是装备制造业智能制造的工作母机，没有机床的智能化，就无法实现装备制造业的智能制造。加快发展智能机床，是实施《中国制造2025》打造制造强国的关键和基础。

智能机床是具有自感知、自决策、自诊断、自调节、自适应和即时网络通讯功能的高技术机床, 它是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成与深度融合的产物。智能机床是数控机床发展的高级形态。目前，技术先进国家在机床监控、测量、补偿、诊断、加工优化等智能化技术的突破，为智能机床的发展提供了技术基础。随着科技不断创新，智能机床作为移动互联网智能终端，将成为智能生产系统的关键加工设备。

我国处于数控机床的发展阶段，在高速、高精、多轴联动控制、多通道复合加工、网络通讯等数控技术与国际先进水平比较存在一定差距。目前，我国数控机床的智能化技术尚处于起步阶段，我国现阶段生产的绝大部分数控机床还不具备智能化功能。近年来，经过行业科研攻关，某些智能化技术开始试验和应用，并取得积极成果。

二．数控机床智能化有所突破

1.国产高档数控系统在智能化功能的研发上取得可喜进展

华中数控、广州数控、大连光洋、沈阳高精和航天数控等5家数控系统企业在04专项的支持下，自主研发高档数控系统关键技术。经过多年努力，5家企业均攻克了数控系统软硬件平台、高速高精、多轴联动、总线技术、纳米插补等一批高档数控系统关键技术，研制出全数字总线式高档数控系统产品，实现从模拟接口、脉冲接口到全数字总线控制、高速高精的技术跨越。智能化技术主要涉及：空间误差补偿、热补偿、震动补偿、多轴控制、RTCP编程、多通道同步控制、虚轴插补、电子齿轮箱、平滑处理、镜象功能、加加速度控制、刀具智能管理、设备智能维护、远程监控与诊断、加工参数优化、智能生产管理技术等。我国数控系统企业联合研制的自主知识产权的NCUC-Bus现场总线技术，已获批了5项国家标准，并获得省部级发明一等奖。以华中数控为例，公司组织了400多人的研发团队，经过6年多的艰苦奋战，终于攻克了高速高精控制技术、多轴多通道技术、五轴联动技术等一批关键技术，在平台化、网络化、智能化等技术方面形成了自身的特色和亮点。

沈阳机床集团通过与上海同济大学合作组建自己的研究院，从底层技术源代码算法做起，历时5年，投入近12亿多元巨资，研制成功i5数控系统，建立了iSESOL云平台，形成了基于iSESOL云平台的智能机床互联网应用框架。i5数控系统实现了操作、编程、维护和管理的数字智能制造控制，管理智能化工具可以提供车间级的生产管理信息，能够实时收集机床信息，掌握设备状态，进行设备效率分析、成本分析、工单计划、生产趋势分析等管理，具有通过手机终端访问车间管理功能。 沈阳机床集团通过充分利用的市场优势和i5数控系统的技术创新，支撑了商业模式的创新，带动了i5数控系统产业化。

2.数控机床主机的智能化进程加快

一批数控机床主机制造企业通过科技攻关，在主机上集成应用智能化技术，提高了数控机床的使用性能。主要智能化功能有：主轴监控和温度补偿、运动部件的位置补偿和热补偿、加工件在机精度检测和补偿、刀具磨损和破损在机监控、防碰撞功能；同时开发智能化应用软件，应用于自动编程、仿真、加工参数优化、自适应控制等取得进展。

如沈机集团昆明机床股份公司开发的TGK46100高精度坐标镗床采用温度传感器、温度模块等，通过数控系统实时监控主轴系统的发热变形和热补偿，其五轴联动机型具有反向间隙补偿、螺距补偿和体积补偿功能。

秦川机床工具集团最新开发的数控蜗杆砂轮磨齿机采用高精度同步控制技术和电子齿轮箱等，整机操作可实现自动装卡、自动对刀、自动磨削及修正砂轮自动控制，机床配置了压力、震动、位置、温度传感器实时监控机床状态，提供的智能磨削软件提高了机床磨削性能，方便用户使用。

机床行业最新开发的高精度单向走丝线切割机床，配置了六轴数控系统及无电解智能电源、自动穿丝及恒张力机构、温度补偿装置、电火花线切割加工工艺数据库等。

机床行业最新开发的五轴数控工具磨床，配置专用数控系统和工具磨削专用软件，具有复杂型面加工数学建模和自动编程、工件和砂轮在线检测、磨削尺寸补偿、砂轮修正补偿、磨削工艺及工艺参数优化等智能化功能，提升了整机智能化水平。

3.具有一定智能功能的国产高档数控机床示范应用效果明显

如由武汉华中数控股份有限公司、东莞劲胜精密组件股份有限公司等企业共同建设的东莞劲胜移动终端智能制造示范车间，实现了全国产、自主化的智能制造，被选为全国智能制造试点示范交流会的唯一示范现场。整个项目历时1年建设，目前已建成拥有10条自动化钻攻生产线的智能车间，智能车间包括180台配置华中数控HNC-818AM系统的国产高速高精钻攻中心、81台国产华数机器人、30台RGV、10台AGV小车、1套全自动配料检测系统。同时搭载全国产化的工业软件系统，包括华中数控新一代云数控系统平台、CAPP、APS高级排程系统、MES生产管理系统、三维虚拟仿真系统等。该车间应用华中数控系统和国产机床，具备智能管理、智能调试、智能补偿、智能加工、健康保障、网络销售平台、租赁服务、云端工厂等功能。同时，武汉华中数控股份有限公司在武汉建立了“数控加工大数据中心”，可通过无线网络对用户车间生产线相关数据实现远程监控、加工优化、健康诊断等智能化功能，提升了为用户的服务水平。

大连光洋科技工程有限公司与北京动力机械研究所（航天科工集团3院31所）合作，致力于采用04专项在数控系统、伺服驱动及电机等方面以及立式五轴加工中心等方面取得的成果的应用推广，结合航天复杂、核心零部件的工艺制造需求开展了深入合作。2013年8月，大连光洋科科技工程有限公司向北京动力机械研究所交付了2台不同规格的高速高精度五轴立式加工中心。至今，这两台承载04专项多项成果的五轴机床已经完成了多个批次，多个品种的航发关键零部件的加工，支持了北京动力机械研究所的军工生产任务。在成功应用示范作用下，北京动力机械研究所推广10多台大连光洋科技工程有限公司立式五轴加工中心。大连光洋科科技工程有限公司先后与哈尔滨东安发动机、贵州黎阳航空发动机、湖南株洲南方动力等军工企业签订合同，进一步扩大专项成果在航空航天中的应用示范。

4.国内首个智能制造装备项目通过验收

由云南CY集团有限公司承担的工信部首个“智能制造装备项目”——《高档数控车床制造数字化车间的研制与示范应用》于2016年8月通过验收。该项目建设期3年，总投资3.5亿元，由生产线内加工和生产线外加工两部分组成，生产线内加工主要承担零件的精加工，生产线外加工主要承担零件的部分半精加工及上线前工艺验证。项目由91台（套）设备组成，实现混流柔性制造，自动上下料、产品自动识别和跟踪、在线自动检测、产品流向智能控制、智能故障诊断、加工参数优化、生产过程实时监控和管理信息化。该项目关键设备数控化率100%，生产效率由月产100台，提高到300台，生产线人员减少57.5%，能耗降低38.4%，零件关键工序交验合格率由64%提高到96%，零件制造精度和稳定性显著提高，项目实施取得明显经济效益。该项目是近年来机床行业应用智能生产线制造机床的首例，具有示范意义。

5.“数控机床互联通讯协议标准与试验验证”项目开始启动

随着“中国制造2025”发展战略的推进，数控系统、数控机床及相关数字化装备将得到大力发展。数控机床的智能化升级，智能制造标准在整个战略中起着至关重要的基础性作用，而这一切都依赖于数控机床装备的互联互通。实现数控机床的互联互通，相关的协议标准是决定性要素。智能制造，标准先行，要实现机床的智能化，首先要解决好数控机床之间的互联互通及保障信息安全前提下的信息协同共享的标准问题。在中国机床工具工业协会的组织下，列入工信部智能标准制订计划的“数控机床互联通讯协议标准与试验验证”项目已经按计划开展有效工作。

三、机床协会推进《智能制造》的主要工作

（1）编制“十三五规划”指导性文件——《中国机床工具2020》，其中《智能制造》被列为“十三五”数控机床技术发展的重要方向，并提出数控机床智能化发展任务和重点研发内容。

（2）贯彻国家《智能制造发展规划2016～2020》。机床协会组织行业重点企业积极承担国家智能制造新模式示范项目，积极参与国家智能制造标准制定工作。机床协会及时派出专家，参与工信部组织的“智能制造”项目论证工作，反映机床行业智能制造的紧迫需求。目前机床行业有：沈阳机床集团公司，济南二机床集团公司、秦川机床工具集团公司、大连机床集团公司、华中数控股份有限公司、大连光洋科技工程有限公司、四川普什宁江机床有限公司、宁波海天精工有限公司等二十多家企业承担国家智能制造新模式示范项目和国家智能制造标准制订项目。其中济南二机床集团公司与德国博世集团联合承担中德智能制造示范项目—智能生产排产系统，借鉴德国先进的工业自动化技术，对提升国内机床行业乃至离散型制造行业的智能制造水平具有示范带动作用。

（3）积极推广国产高档数控机床应用工作。通过与军工制造企业建立长效合作机制、举办国际机床展览会展示成果、运用军工生产进口机床国产化审查、建立国产高档数控机床推广目录、加强机床厂与用户交流等手段，推动高档数控机床预研和制造，积极推广国产高档数控机床应用，推动军工领域制造装备国产化，促进军工装备自主、安全、可控，为我国国防建设现代化作出贡献。

（4）由中国机床工具工业协会牵头组织成立“数控机床互联通讯协议标准联盟”，该联盟由武汉华中数控股份有限公司、沈机（上海）智能系统研发设计有限公司、广州数控设备有限公司、沈阳高精数控智能技术股份有限公司、大连科德数控股份有限公司、天津市泰森数控科技有限公司、大连机床集团有限公司、四川普什宁江机床有限公司、北京北一机床股份有限公司、武汉华工激光工程有限责任公司、华中科技大学、北京航空航天大学、北京兰光创新科技有限公司等企事业单位组成，首届联盟理事长由机床协会担任，副理事长由华中数控股份有限公司担任，联盟下设工作组，开始启动“数控机床互联通讯协议标准与试验验证”项目工作，取得可喜进展。

四、机床行业“智能制造”发展与展望

“智能制造”是国家战略——“中国制造2025”确定的重点工程之一，“数控机床和智能机器人”是“中国制造2025”确定的发展战略重点领域。“智能制造”是基于新一代信息通讯技术与现代制造技术融合的新型制造模式，是新一轮产业变革的核心驱动力，是“中国制造2025”确定的抢占未来制高点的主攻方向。在国家“863”、 “04专项”、“智能制造”等科技专项支持下，机床行业要有计划的开展“智能机床技术及智能制造系统研究”，推动“智能制造”模式的应用。

1．数控系统智能化技术研究

（1）开放式智能化数控系统的研制，具体包括支持温度、振动、RFID等传感器介入的物联网平台，基于高级语言的智能化数控系统解释器等。

（2）基于开放式智能化数控系统智能加工技术的创新研究，包括热误差补偿、进给率自适应、故障诊断等技术的研究。

（3）开发有关应用软件如优化编程及仿真技术，研制开放式应用软件平台，支持第三方管理软件，如能效，能量管理的嵌入、优化加工程序，提高机床加工效能。

（4）智能传感器和智能功能部件的研发。

2．数控机床智能化及智能机床开发

数控机床适应高效高精加工、生产系统信息集成和智能控制需求，开发在线智能检测技术、机床智能诊断和智能维护技术、基于智能制造技术的加工优化技术、根据加工数据调整自身的应用模式和工作模式的自适应技术等，以及基于工业互联网和大数据的远程通讯功能和服务能力，开发智能金属切削机床和智能化成形装备。

3．“智能制造”模式的研究和应用

开展制造网络化、数字化车间与智能制造系统的智能制造模式研究和应用。采用CAD/CAPP/CAM等数字化技术和网络通讯技术，实现产品和制造信息能够贯穿制造、管理、质量全过程，实现产品全生命周期管理（PLM）；建立制造执行系统（MES），实现计划、排产、生产、检验全过程闭环管理；建立数据采集系统，能充分采集制造进度、质量检验、设备状态的生产现场信息；建立工业互联网，不同装备之间实现互联互通和有效集成；企业资源计划管理系统（ERP）安全运行，其中供应链管理模块能够实现采购、外协、物流的管理与优化。利用云计算、大数据等新一代信息技术，实现经营、管理和决策的智能优化等。

综上所述，“智能制造”作为中国制造业发展战略的重点方向，在国家产业政策支持、新技术革命推动和市场需求牵引的“三驾马车”驱动下，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，如推动制造业由批量化生产向个性化定制生产趋势发展；由集中生产向网络化异地协同生产趋势发展；由传统制造企业向跨业融合企业趋势转变。价值链重点环节发生转移，掌握核心技术的企业将发挥主导作用。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，从单纯提供“硬件”向同时提供“硬件和软件”转变，从提供“单机”向提供“系统解决方案”转变，从“以质取胜”向“以智取胜”转变，“软硬兼施，以智取胜”将成为企业竞争的制胜之道。

“数控机床—数控机床智能化—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，“智能机床”将成为智能制造体系中的核心装备，加快发展“智能机床”，是实施《中国制造2025》打造制造强国的首要任务。□