新一代智能化数控系统（智能制造系列丛书）

新一代人工智能引领下的智能数控系统和智能化技术，已成为智能制造领域的重要发展方向。围绕制造业发展的重大需求，开发智能数控系统，可为当前制造业所面临的发展与转型升级的迫切需求提供智能元素和支撑平台。
本书在介绍智能数控系统研究背景与发展方向的基础上，系统地阐述了智能数控系统的组成、体系结构及开放式平台。从“数字+”“互联网+”“智能+”三个方面描述了智能数控系统的高性能技术、大数据技术和关键赋能技术，通过数控机床在质量提升、工艺优化、健康保障、生产管理等四大方面的典型案例体现智能数控系统的应用成效。此外，本书还探讨了智能数控系统在柔性产线中的集成应用。
本书可供从事智能制造领域工作的研究人员与工程技术人员参考，也可作为高等院校的人工智能、机械工程、自动化与信息工程等相关专业的教师、研究生的参考读物。

陈吉红，华中科技大学教授，博士生导师。“高档数控系统创新团队”国家重大领域创新团队负责人，“高档数控机床与基础制造装备”国家重大科技专项总体组专家。主要研究方向：智能化/网络化数控技术、机器人技术、CAD/CAM技术。组织和承担完成了国家重大科技攻关项目、国家重大科技专项、国家“863”项目、国家自然科学基金项目等40余项。制订和起草了数控系统国家标准和行业标准11项；在国内外学术期刊和会议上发表学术论文近百篇。

通过本书的学习，读者可对智能数控系统的研究背景与发展方向、智能数控系统的体系构架、开放式软硬平台、“数字+”、“互联网+”和“智能+”等有一个全面的了解，为智能数控系统的学习与研究打下基础。

Preface前言

新一轮工业革命的核心技术是智能制造——制造业数字化、网络化和智能化。作为中国制造强国战略、美国工业互联网和德国工业4.0的主攻方向，智能制造将先进信息技术（特别是新一代人工智能技术）和制造技术深度融合，以推进新一轮工业革命。当前，智能制造已经在全球掀起了新一轮的产业变革。数控系统是智能制造的核心元素，其智能化水平是实现智能制造装备、柔性制造单元、智能生产线、智能车间、智能工厂的基础支撑和保障。

伴随工业互联网、云计算和物联网技术的普及，新一代人工智能技术与制造技术的深度融合，具备自主感知、学习、决策、执行等能力的新一代智能数控系统成为数控系统主要发展趋势。智能数控系统能实现自主感知获取加工信息，自主学习生成知识，利用知识进行自主决策生成最优控制策略，自主执行所生成的控制策略实现对装备的最优控制。围绕制造业发展的重大需求，开发智能数控系统，不仅符合制造业网络化与智能化的总体发展趋势，更为解决当前制造业所面临的发展与转型升级的迫切需求提供智能元素和支撑平台，智能数控系统的研究与发展具有重要意义。

本书在总结作者团队30多年数控系统技术研究成果的基础上，结合国内外同行的研究成果撰写而成。全书分为9章，第1章分析数控系统的发展背景、智能数控系统的概念、国内外的发展现状、智能数控系统的发展趋势及应用前景； 第2章介绍了典型数控系统的基本组成与架构，并提出了智能数控系统的体系架构和基本特征； 第3章通过与传统封闭式数控系统的对比，论述了开放式数控系统的内部属性和外部特征，介绍了本书作者在开放式智能数控系统关键技术方面所开展的一些探索工作； 第4章介绍了数控系统在机床数字化转型中的“数字+”地位及分类，并着重介绍了高性能数控系统几种典型的关键技术； 第5章从“互联网+”层面对智能数控系统的大数据技术架构与应用进行了介绍，并从数据感知和数据存储方面介绍了大数据如何在数控系统中进行应用； 第6章从“互联网+”层面对智能数控系统的互联互通技术与应用进行了介绍； 第7章在“数字+”和“互联网+”的基础上，介绍了“智能+”数控系统的实现原理与关键使能技术； 第8章通过五个典型智能化案例（机床进给系统跟随误差建模、数控机床热误差建模、数控加工工艺参数优化、数控机床健康保障、智能断刀监测）来集中体现智能数控系统是如何借助智能化的方法帮助数控机床实现质量提升、工艺优化、健康保障、生产管理四大类功能，达到高精、高效、安全、可靠与低耗的目标； 第9章探讨了智能数控系统在柔性产线中的集成应用。

本书由陈吉红教授编写大纲、撰写初稿并完成了部分章节的修改完善，胡鹏程老师完成第1章的撰写，周会成教授完成第2~4章的撰写，杨建中教授完成第5~9章的撰写。许光达博士后参与部分章节的修改与完善工作。谢杰君、周浩、高嵩、惠恩明、蒋亚坤、黄德海、朱万强、张成磊、冯冰艳、黄斌、黄丽华等在书稿的撰写及文献资料的准备中做了大量工作。

本书既包含对智能数控系统理论、方法和技术的探讨，也在相关章节给出了部分应用案例，力求做到有一定的专业深度，同时兼顾相关人员的阅读参考。本书可供从事智能制造领域研究与工程技术人员参考，也可作为高等院校的人工智能、机械工程、自动化与信息工程等相关专业的教师、研究生的参考读物。

本书的完成得益于国家出版基金资助以及团队多年来承担或参与的多项国家自然科学基金项目、“高档数控机床与基础制造装备”专项、“973”项目、“863”项目、国家重点研发计划项目的资助，特此表示感谢！

本书在撰写过程中参考了大量的文献资料，由于精力所限，难以保证这些参考文献都是所引内容的原始出处，若有不妥之处，敬请原作者及读者谅解。另外，本书内容以团队前期研究为基础，难免存在对智能数控系统内涵理解不全，甚至存在争议之处，恳请各位读者予以批评指正。

作者

2021年2月

第1章 智能数控系统介绍
1.1 背景与意义
1.2 国内外发展现状
1.2.1 数控技术发展概况
1.2.2 数控系统智能化技术发展面临的问题
1.2.3 智能数控系统华中9型iNC
1.3 智能数控系统的发展趋势及应用前景
1.4 本章小结
参考文献
第2章 数控系统的组成与结构
2.1 概述
2.2 数控机床及其HCPS模型
2.2.1 数控机床及其HCPS1.0模型
2.2.2 “互联网+”机床及其HCPS1.5模型
2.2.3 智能机床及其HCPS2.0模型
2.3 数控系统基本的功能与组成
2.3.1 数控系统基本功能及其实现方式的演变
2.3.2 数控系统的基本组成
2.3.3 数控系统的主要发展阶段
2.4 典型数控系统体系结构
2.4.1 NC阶段的数控系统体系结构
2.4.2 CNC阶段的数控系统体系结构
2.4.3 iNC阶段的数控系统体系结构
2.5 智能数控系统体系结构
2.5.1 智能数控系统的需求
2.5.2 智能数控系统硬件平台
2.5.3 智能数控系统的大数据访问形式
2.5.4 智能数控系统控制原理与实现方案
2.6 本章小结
参考文献
第3章 智能数控系统的开放式平台
3.1 概述
3.2 开放式数控系统的概念
3.2.1 传统数控系统存在的问题
3.2.2 开放式数控系统的定义及属性
3.2.3 开放式数控系统的特征
3.3 数控系统开放的技术标准
3.3.1 开放式数控系统的发展
3.3.2 基于IEC 61131-3的数控系统开放标准
3.3.3 开放式数控系统的开发环境
3.4 智能数控系统开放的关键技术
3.4.1 传感器接入及机床内部数据访问技术
3.4.2 AI芯片及AI算法库支持
3.4.3 智能APP二次开发及管理技术
3.4.4 智能开放式平台的应用案例
3.5 本章小结
参考文献
第4章 “数字+”——高性能技术
4.1 概述
4.2 高速高精运动控制技术
4.2.1 高精度插补
4.2.2 柔性加/减速
4.2.3 高速高精伺服控制
4.3 多轴联动与多通道协同技术
4.3.1 多轴RTCP
4.3.2 刀轴平滑
4.3.3 多通道控制技术
4.4 误差补偿技术
4.4.1 数控机床的误差
4.4.2 空间误差补偿技术
4.4.3 热误差补偿技术
4.5 振动抑制技术
4.5.1 主轴振动抑制
4.5.2 进给轴振动抑制
4.5.3 刀具的振动抑制
4.6 曲面加工优化技术
4.6.1 曲面加工存在的问题
4.6.2 曲面加工优化的方法
4.6.3 高性能数控系统曲面加工优化功能
4.7 本章小结
参考文献
第5章 智能数控机床大数据技术
5.1 概述
5.2 数控机床大数据感知与处理
5.2.1 数控机床大数据类型
5.2.2 数控机床大数据应用流程
5.2.3 数控机床大数据获取技术
5.2.4 数控机床大数据存储技术
5.3 智能数控机床“互联网+”服务平台iNC Cloud
5.3.1 体系构成
5.3.2 存储模型
5.3.3 平台应用
5.4 本章小结
参考文献
第6章 智能数控机床的互联通信
6.1 概述
6.2 数控机床大数据的互联互通互操作
6.3 国内外常见的数控系统互联通讯协议
6.3.1 OPC UA协议
6.3.2 MTConnect协议
6.3.3 umati协议
6.3.4 NC-Link协议
6.4 NC-Link标准
6.4.1 NC-Link标准组成
6.4.2 NC-Link体系架构
6.4.3 NC-Link设备模型
6.4.4 NC-Link数据字典
6.4.5 NC-Link接口要求
6.4.6 NC-Link安全要求
6.5 NC-LinkOverMQTT
6.5.1 NOM体系架构
6.5.2 NOM数据交互方式
6.6 本章小结
参考文献
附录1 NC-Link四轴立式加工中心设备模型
附录2 NC-Link接口定义
第7章 “智能+”——赋能技术
7.1 概述
7.2 “智能+”数控系统组成
7.2.1 数控系统的编程加工优化过程
7.2.2 “智能+”数控系统的数字孪生
7.2.3 数字孪生模型与HCPS系统的关系
7.3 “智能+”数控系统的指令域分析技术
7.3.1 时域及频域数据的不足
7.3.2 指令域的概念
7.3.3 数控机床工作过程中的工况与响应
7.3.4 基于指令域的分析方法
7.4 面向“智能+”数控系统的数字孪生建模技术
7.4.1 基于物理模型的数字孪生建模方法
7.4.2 基于大数据模型的数字孪生建模方法
7.5 面向复杂计算场景的“智能+”数控系统算力平台技术
7.5.1 云端、雾端和边缘端三层立体式算力平台
7.5.2 协处理器芯片
7.6 “智能+”数控系统的智能应用概述
7.7 “智能+”数控系统的发展趋势
7.7.1 新技术在“智能+”数控系统中的应用
7.7.2 从单一过程到全生命周期数字孪生的整合
7.8 本章小结
参考文献
第8章 典型智能化功能及其实践
8.1 概述
8.2 机床进给系统跟随误差建模
8.2.1 背景及意义
8.2.2 基于神经网络的机床进给系统跟随误