根據國家有關部門要求，中國工具機工具工業協會組織重點企業開展產業鏈供應鏈研究，梳理行業發展脈絡，推動行業企業融入以內循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局。為此，協會傳媒部就國產數控系統開發進展和應用推廣情況進行了採訪梳理，並予以系列報導，供行業企業和廣大用戶參考。
一、研發背景與市場分析
「創新」並非「天降神物」，也不是來自企業家的「奇思妙想」或某些天才的「靈光一現」。進入上世紀90年代後，瀋陽第一工具機廠、中捷友誼廠和瀋陽第三工具機廠這三家原「十八羅漢廠」經營陷入困境，其原因與產品技術落後從而失去市場競爭力不無關聯。同時，隨著國家對外開放、擴大進口力度，反映出中國數控技術落後給整個數控工具機產業造成更大被動。
2007年，瀋陽工具機集團在上海成立了瀋陽工具機上海研究院，i5團隊自此誕生。組建i5團隊的出發點很簡單，就是想做出中國自己的工具機「大腦」，而且要做的更加智能化。瀋陽工具機上海研究院成為瀋陽工具機集團在運動控制技術方面的主要研發基地。
2012年，瀋陽工具機上海研究院歷時5年在CNC運動控制技術、數字伺服驅動技術、實時數字總線技術等運動控制領域取得突破，誕生了首臺具有網絡智能功能的i5智能系統。2014年，瀋陽工具機上海研究院在五軸數控系統核心技術方面有所突破，完成首臺搭載i5系統的五軸工具機VMC0656e，並測試成功。該五軸工具機於2015年實現量產，為瀋陽工具機進軍高端數控市場提供了重要基礎。
i5系統的突破是基於掌握了運動控制技術的一種底層技術突破，全面覆蓋兩軸、三軸、四軸、五軸等各類工具機應用，在此基礎上可以衍生一系列滿足差異化訴求的工具機產品。
二、技術亮點和創新點
1.總體介紹
(1)i5採用基於PC的全軟體式結構，即利用計算機系統的軟硬體開發可以分開的特點，把數控控制核心部分全部寫在CPU上，用軟體實現。這個結構的優點在於數控核心拓撲結構可變，內部模塊全部開放，可藉助標準化的接口實現模塊間的互換、移植或協同工作。基於PC的特性讓i5獲得天然的網際網路能力以及較先進的硬體支持。
(2)作業系統的選擇。i5選用的是Linux作業系統，不同於其他基於PC系統使用的Windows系統，Linux作業系統是網際網路共享開發的產物，其優點是原始碼開放且免費，與網際網路天然契合，開發者可以根據自己的需要對作業系統進行裁剪和修訂，實現作業系統的定製。
(3)數字總線的選擇。i5採用開放式的EtherCAT(ECAT)總線，開放程度可以達到晶片級(提供FPGA邏輯的IP授權，實現晶片級集成)，在全球擁有60萬用戶。與封閉式總線相比，EtherCAT總線最大的優點在於它能夠支撐數控系統未來的擴展應用，並且具有很豐富的開放資源和第三方設備支持。
使工具機「智能化」是i5數控系統的中心原則。智能並不一定非要通過傳感器，也可以通過信息交互，甚至是人與人之間的交互;給工具機埋上傳感器不但成本很高，而且破壞工具機的剛性。真正的智能是給用戶帶來便利，讓原本困難的事情變簡單(例如讓初級技工能幹出原本只能由高級技工完成的工作)就是智能化。i5數控系統從研發至今都在延續並擴展這些智能化功能。
2. 讓編程更簡單
工具機在加工不同零件的時候需要不同的工藝設計，而工藝設計的背後實際上是不斷沉澱的知識和經驗，只有有經驗的老師傅才能熟練設定加工參數，循環引導的目的在於把不斷沉澱的經驗轉換為程序代碼。
循環引導編程：引導編程包括標準化循環和定製化循環支持。標準化循環支持標準車削、銑削、鑽孔、攻絲、鏜孔循環;可以通過圖形化引導編程頁面實現快速編程和修改。定製化循環可根據特定的工藝要求定製開發，實現高效便捷生成，如車床的毛胚切削、切槽等。
山西省定襄縣素有「法蘭鍛造之鄉」的稱謂。在法蘭批量加工的過程中，由於法蘭尺寸規格較多，工件更換頻繁，需要經常編寫、修改加工程序，而當地比較缺乏工藝編程人員，導致無法滿足訂單需求，影響了交貨進度和訂單數量。法蘭本身雖然尺寸不一致，但輪廓比較規則或近似，根據這種加工特性，i5團隊為當地客戶定製開發了法蘭自動編程APP，只需根據圖紙選擇工件類型和填入幾個關鍵尺寸，即可自動生成加工程序，大大降低了對操作人員的技術要求，提升整體生產效率。
3. 讓操作更安全
三維仿真：虛擬預加工，用戶可以在控制屏幕上直接看到加工程序的三維仿真結果，即不用開動工具機就可以看到模擬加工結果。工具機在加工零件時，操作人員可以從顯示界面上預覽到後續的加工軌跡，極大地方便了用戶在車間內同時管理多臺工具機。同時，三維的圖形展示更有利於操作工分辨出後續加工是否有問題，以便及時停止工具機的運轉，減少損失。
安全區域換刀：為避免幹涉，程序中一般將換刀點定在離工件較遠的位置。系統在保證換刀安全的同時提高換刀效率，開發了安全區域換刀功能。安全區域換刀功能允許用戶根據刀架上刀具以及所加工工件的實際情況設置安全的換刀位置。
4. 方便工具機維修和診斷
工具機體檢：工具機體檢可以不拆裝鈑金即可快速了解工具機機械部件的裝配狀態和定位故障原因，大大降低了設備維護的難度和工作量，也可以為裝備製造商提供良品出廠檢測方法，提高機械裝配一致性。系統通過使工具機各軸單獨在一定範圍內運行，同時採集運行過程中的電流值，來判斷工具機的運行情況。
圖形診斷(幫助用戶快速排除故障)：當出現故障時，用戶可以通過圖形化的引導，一步一步快速簡單地排除故障，減少用戶等待售後的停機時間。這項功能的開發與工具機廠和用戶的緊密合作有關，上海研發團隊通過市場調研發現工具機出現的問題70%都是「簡單問題」，但用戶自己不會解決。圖形診斷功能可以幫助用戶看著三維圖形和提示自己解決一些問題，這樣既減少了用戶等待服務的停機時間及損失，也節省了主機廠的維修服務成本。
5. 高速高精功能
熱誤差補償：工具機熱誤差是引起零件加工誤差的最主要因素之一，嚴重影響加工精度。目前熱誤差補償存在以下問題：要以較高的代價獲得建模數據;熱誤差模型魯棒性和預測精度較差;補償方式與CNC集成度不高。i5熱誤差補償可實現主軸Z向熱伸長的自動採集和基於工況的熱誤差模型建立及預測，CNC將補償值平均分配到每個插補周期中，在冷機、停機恢復狀態下無需熱機，保持較高的尺寸一致性和加工精度。
視覺識別：視覺識別主要應用在製造過程中工件重複裝夾時，工裝夾具不能保證工件的確定位置或角度;夾具不具有高精度保證，或者無法定位——不能使用探頭進行定位的情況(如特徵很小，或者顏色不同)，同時視覺識別功能還具有較高附加價值，其測量功能可以進行加工前的測量和加工後的測量，加工前測量用於保障毛坯件具備加工的條件，避免無效的加工;加工後的測量，用於檢測加工結果是否合格。
三、全開放式結構實現與網際網路連接
i5與其他數控系統的最大區別就是可以連接網際網路，源於其設計思路完全不同，也就是i5是基於PC平臺的全開放式結構。
(1)遠程診斷(幫助用戶快速獲得遠程專家支持)。除了本機的故障診斷工具，系統還提供遠程診斷功能，以降低工具機維護成本，減少停機時間。售後服務人員在無法解決故障時，可通過隨身攜帶的3G智能終端將工具機接入網際網路，遠程專家即可連入數控系統，獲取報警信息、日誌文件、配置文件等信息，幫助售後服務人員快速解決故障。
(2)WIS車間信息管理系統(幫助用戶用網際網路手段管理車間作業)。以工具機為中心，把作業計劃、生產調度、設備管理、成本核算等信息系統全部集成在一套軟體系統上，形成一個以工具機為中心的車間管理信息系統，它被命名為WIS。車間信息管理系統概念很早就有，很多工廠也有自己的車間管理軟體，例如MES(製造執行系統)、ERP(管理信息系統)，前者更傾向於對生產過程的控制，後者更傾向於訂單和財務的管理。那麼WIS和這些車間管理軟體的區別是什麼呢?MES和ERP實際上是兩個相互獨立、不能進行信息溝通的管理軟體，但在車間層面上需要同時掌握兩方面的信息才能有效掌握生產過程並安排管理生產計劃。在現實中，MES和ERP之間的協調由人工完成(工廠車間通常會定期把MES的調整項做成一個表，交給業務部門，然後由業務部門手動在ERP中調整過來)，這就帶來一個嚴重的問題——工作人員可能會虛報、漏報或錯報信息數據，導致信息不真實，不具有實時性。而WIS是一個自下而上實現車間管理的軟體系統，通過收集每一臺工具機產生的真實數據來為管理者提供生產信息，並且通過網際網路可以保證數據的實時傳輸。
i5系統專門針對網際網路應用推出了用於智能工具機聯網的iPort協議，目前已經發布到V3版本，具備強大的信息透明能力。比如，基於iPort協議，i5系統配合最新的租賃商業模式打造了租賃功能，銷售人員可以通過網絡進行設備鎖定解鎖等操作，租賃功能還可以提供加工計時、加工計件等功能，為租賃模式的靈活配置提供技術和數據支撐。
i5系統通過與網絡和信息技術充分融合，實現了「圍繞工具機全生命周期的智能化解決方案」：基於i5智能工具機技術的雲製造平臺(iSESOL)。iSESOL平臺通過網際網路技術與i5核心技術的結合，將工藝技術、設計人才和高端設備等各類資源進行有效組合，實現社會存量製造能力的發現和釋放，提升製造業綜合效率。
四、i5技術在航空航天的應用
以航空發動機製造企業為代表的高端裝備製造領域對高檔數控工具機和數控系統具有很大的需求。航空發動機在惡劣工作條件下仍需滿足高可靠性、長壽命、節能環保等基本要求，其零部件具有結構複雜、製造加工難度大、加工精度要求高等特點，需要大批高檔數控工具機和高檔數控系統，如五軸聯動數控工具機。
i5可以提供面向2軸、3軸、4軸、5軸等數控工具機應用的智能數控系統解決方案，支持主流12種搖籃擺頭五軸結構、刀尖點跟隨功能，實現四個插補通道的並行控制，滿足高端裝備行業的加工需求。適用於航空航天等高端裝備行業中的鋁合金、鈦合金、複合材料、結構件及迴轉類複雜、異形零部件的五軸聯動加工。
RTCP：一般手動測量旋轉中心位置數據的操作比較複雜，對操作人員的技術要求較高。而RTCP標定旨在通過循環程序和用戶界面的配合，簡化操作過程，減低操作難度，使普通工具機操作人員也能輕鬆完成測量任務。
三維仿真：加工過程的安全性是任何企業都不能忽視的，對於航空件加工企業更是如此。大型的航空部件，輪廓尺寸大，撞機危險高，其加工工具機多為大行程五軸聯動工具機，毛坯件體積巨大且材料昂貴。在加工過程中，航空件一旦發生碰撞，其為企業帶來的損失是巨大的。三維仿真功能在加工之前和加工過程中可全程提供和使用全工具機仿真最大程度保證了現實與虛擬的匹配。
安全退刀：航空航天五軸加工非常重要，「虛擬刀軸」在此很有意義，通過手輪「虛擬軸」功能使刀具沿當前刀具軸移動。安全功能對以下情況特別有幫助：五軸軸加工程序中斷運行期間，要沿刀具軸退刀時;手動操作模式在刀具傾斜情況下，用手輪或外部方向鍵執行操作;加工期間沿當前刀具軸用手輪移動刀具。
針對航空鋁合金肋板類零件，存在大量的斜面加工，i5系統定製開發了斜面加工功能，斜面加工可以實現在一次裝夾中完成不同方向、不同角度的多個斜面的打孔、攻絲、銑削等多種加工工藝。減少了裝夾次數，降低了勞動強度，縮短了產品的生產周期，提升了零件的加工精度，保證了產品質量的一致性。
cycle800用於定義斜面上的工件坐標系，便於斜面加工，便於簡化編程。主要通過設置基準點、繞X/Y/Z線性軸旋轉的角度、旋轉後的零點，來實現新的工件坐標系定義。
銑車複合功能在加工這類鈑金零件顯得尤為突出，在程序控制下根據加工需要，輕鬆切換車削與銑削加工方式。用戶完全自由地決定如何和何時使用這兩種加工方式。切換時，系統負責所有必要的初始化工作，包括迴轉中心的處理，車削自動變成直徑顯示，刀偏表也提供對於車銑半直徑不同的設定方式。
五、結語
為了確保航天產品質量、縮短製造周期，實現關鍵數控技術自主可控， i5數控系統及相關製造企業與相關工具機企業、用戶企業緊密合作，努力推動全國產數控工具機在高端製造業精密零件製造中的示範應用。國產高端數控工具機及共性技術的可靠性、穩定性、實效性等得到了充分驗證。同時，通過相關標準及規範的推廣，實現國產高檔數控工具機的推廣應用，對新一代高端裝備製造水平的發展具有重要意義。
(來源：中國工具機工具工業協會cmtba)