作者:袁一雪 来源:中国科学报 发布时间:2020/12/7 20:17:25
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“国之重器”中的中科院力量
高端数控系统:当好中国制造的最强“大脑”

 

双过程11轴激光叶片微孔冷数控机床

VMC35120u型立式五轴加工中心

长久以来,中国的数控系统企业始终在夹缝中求生存,因为数控技术垄断,该市场一直被日本、德国等国际一线数控企业牢牢把控。

高档数控系统作为高档数控机床的“大脑”,是决定其性能、功能、可靠性和成本的核心关键部件。国外对我国国防工业急需的高档数控系统,至今封锁限制。

为摆脱这种状况,“十一五”期间,国家启动“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(以下简称“04专项”),中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司(以下简称中科院沈阳计算)主持承担并完成了重点任务“数控系统”中的一系列相关课题。

由点到面的改变

中科院沈阳计算高档数控国家工程研究中心总工程师于东经历了承担“04专项”课题从立项到取得数次阶段性成果的过程,在他眼中,我国自主研发的数控机床控制系统不断突破不是“妙手偶得”,而是厚积薄发的必然结果。

中科院沈阳计算在上世纪90年代曾走在国内数控系统研究的前列,然而,随着数字化时代来临,国产数控系统面临着升级压力。

“过去数控系统采用封闭式结构,系统控制输出端以模拟信号或脉冲信号为主。随着数控机床工艺控制要求的提升,传统的接口方式无法满足高精、高速和高效率的要求,数控系统开放式、数字化势不可挡。”于东告诉《中国科学报》。

针对国产高档数控系统基础软硬件平台受制于国外厂商的现实问题,中科院沈阳计算凭借自身多年技术积累,依托中国科学院技术优势,以总线技术为突破,推进解决基于国产CPU芯片的数控系统硬件平台、实时操作系统软件平台建设等一系列技术难点,将国产高档数控系统建立在自主可控的基础之上。

于东介绍道,中科院沈阳计算以研发具有原创性的技术和产品为突破,建立了开放式数控系统支撑技术创新平台,形成主要产品的自主开发能力,建立起较为完整的数控系统研发和配套能力,形成产学研相结合的技术创新体系。

在“04专项”实施过程中,中科院沈阳计算还进一步推进产品在航空航天等领域示范应用,深化示范效果,确保技术与装备自主可控,为中国建设航天强国提供基础支撑。

数次核心技术突破

于东介绍,在“04专项”中,中科院沈阳计算基于总线控制核心技术与国产“龙芯”CPU数控系统硬件设计和批量制造技术,研制出具有自主知识产权的现场总线协议,建设了开放式数控系统软硬件平台,并主持制定了开放式数控系统系列化国家标准。

不仅如此,他表示,中科院沈阳计算科研团队还针对传统数控系统在速度、精度、多轴联动方面存在的差距,通过将中科院院士吴文俊开创的数学机械化方法与数控技术融合,对运动控制过程进行建模,研制出了与国际先进水平相当的运动控制算法库,在关键技术指标方面达到国际主流系统水平,如柔性加减速控制、纳米级插补、程序预读、5坐标刀具补偿等。其中,核心算法获中国专利优秀奖。

同时,研发团队还对标国外主流产品,建立了高档数控系统功能分析数据库,逐项进行对标开发,实现了功能指令集的覆盖;并针对高速、大型数控机床的配套需求,通过主持实施“数控系统功能安全技术研究”课题,为我国机床行业第一项国际标准IEC/TS 60204-34:2016的制定提供了支撑。

于东告诉《中国科学报》,在数次核心技术突破后,研发团队继续攻坚克难,解决了国产高档数控系统在航空领域应用的多个难题。他们以S型试件加工为驱动,通过在龙门同步、5轴RTCP功能、多通道及复合加工等方面的关键技术突破,实现“蓝天数控”与5轴联动桥式高速龙门加工中心、基于AB摆五联动航空结构件强力铣削加工中心、自动加工单元等数控机床配套。

此外,基于产品开放性,研发团队还研制了双通道、11轴叶片类微孔超快激光加工数控系统,其中一个通道5轴联动实现叶片加工控制,一个通道6轴联动实现激光打孔与检测,实现了发动机叶片打孔国产数控技术的突破。

提高中国制造话语权

于东介绍,如今,在“04专项”的支持下,沈阳中科数控技术股份有限公司(院、所共同投资公司)的“蓝天数控”产品已经和精密车削中心、高速车削中心、车铣复合加工中心、基于AB摆5联动航空结构件强力铣削加工中心等十余种型号的高速、精密、多轴、龙门、复合等高档数控机床进行配套应用。

“国产高档数控系统的推广与应用,使得国外数控系统在龙门加工中心、卧加等高档数控机床的配套应用价格下降。”于东表示,国产“龙芯”CPU数控系统的建立,确保了国产高档数控系统的自主可控、安全可靠。

此外,他还提到,基于数学机械化方法的运动控制方法研究,为在数控系统领域实现原创性技术与产品奠定了基础。而国际标准的制定与发布,则标志着国产数控技术走向国际,提高了中国制造的话语权。

今年,开放式数控系统标准——GB/T 18759.3-2009 《机械电气设备开放式数控系统第3部分:总线接口与通信协议》等6项标准获2020年中国标准创新贡献一等奖。作为标准起草的组长单位,这是行业对中科院沈阳计算等数控坚守人工作的肯定。未来的产业化道路还很长,沈阳计算人将坚持不懈的努力,联合国内同行在数控核心技术的方向上走得更远。

 
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