云平台智能钻攻数控系统

上海维宏电子科技股份有限公司    上海交通大学

上海维宏电子科技股份有限公司(以下简称维宏股份)是一家专业提供运动控制系统成套解决方案的高新技术企业。2016年4月19日,在深圳交易所创业板成功上市(股票代码:300508)。维宏股份开发的开放式运动控制系统,覆盖了从伺服驱动器、数控系统、工艺软件到配件的各个方面,广泛应用于激光加工、水射流加工、模具制造、机械加工、玻璃石材加工等行业,是国内唯一能在高压水射流加工领域提供全套系统解决方案的厂商,在木工、3C、水切割等行业市场的占有率达到60%以上,已成为国内运动控制系统行业的一线品牌。2017年,维宏股份营业收入为18204万元、净利润为6656万元、上缴税收为3937万元。

高端机床智能化是“中国制造2025”国家战略的重要发展目标。2014年10月,维宏股份就决定开发云平台智能钻攻数控系统,与上海交通大学阎威武副教授团队联合攻关,成功开发了相关技术和产品,并形成了“校友合作,互信共赢;企业主导,分工明确;专注创新,快速转化”这样一种新颖的产学研合作模式。

一、产学研合作的主要做法

(一)合作攻关

维宏股份的创始人郑之开博士、汤同奎博士及公司的技术骨干大都毕业于上海交通大学,校企双方相互熟悉、彼此互信,通过校友之间的长期合作、共同发展,开创和实践了一种产学研合作的新模式“校友合作,互信共赢”。校友企业为母校提供研究课题,母校为校友企业提供技术支持,校友企业成功后反哺学校。

针对云平台智能钻攻数控系统这一技术难题,维宏股份与上海交通大学通过优势互补,联合攻关。维宏股份有强大的资金实力和丰富的数控系统开发经验,负责资金、技术和人员的配备;而上海交通大学阎威武老师团队有扎实的理论技术基础,负责关键技术的攻关。经过双方的合作,出色地攻克了串行主轴的同步控制、云平台监控、智能分析等一系列关键技术。云平台智能钻攻数控系统自成功推出后,迅速在市场上取得了良好的业绩。

(二)协同发展

双方通过签署合作协议,强化企业在技术创新中的主体地位,建立以“企业主导、分工明确”的产学研发展机制。维宏股份主导市场需求分析、产品开发以及产业化工作,上海交大负责关键技术公关,校企定位清晰、分工明确,实现了高校与企业在产品开发和产业化中的协同发展。

云平台智能钻攻数控系统成功实践了产学研合作中的协同发展。上海交大研发团队融入到了维宏股份新产品开发环节中,成为了技术创新和产品研发的重要技术力量。前瞻性和探索性的关键技术,均由交大团队进行攻关,验证成熟的技术快速转移到维宏股份的产品开发和产业化中,使得产、学、研、用各个环节形成一个良性循环的闭环系统。

(三)技术支持

面对传统产业产能过剩、创新乏力、产品竞争力下降的局面,维宏股份选择走产业升级和转型之路,通过“专注创新、快速转化”的产学研合作机制,以技术创新来开辟新的增长点。

该项目借助上海交大阎威武团队在工业云平台、大数据分析和人工智能方面的最新研究成果,取得了云平台监控、智能钻攻、智能分析等关键技术。维宏股份凭借丰富的经验,快速实现了产业化和市场推广。

(四)共建研发实体

维宏股份与上海交大自动化系共建联合研发中心,图1为研发中心组织架构及运行模式。

图1-研发中心组织架构及运行模式

企业总工负责项目的总体进展,上海交大阎威武老师担任技术总顾问,双方定期召开项目讨论会。针对技术需求、产品开发、关键技术、技术验证、产业化中的问题,双方及时反馈和交换解决方案。组织架构及运行模式保证了项目的顺利进展和技术研发,使得项目满足了市场和用户的需求。

(五)人才培养

人才是企业创新发展的灵魂,产业界对精通理论和工程的复合型、创新型人才的需求极为迫切。学校为企业进行技术人员的理论指导,培养高层次人才;维宏股份长期为上海交大学生提供实习基地和实践平台,培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。让学生将理论学以致用,提高学生科研、开发能力。

二、产学研合作取得的主要成绩

(一)解决的主要问题和技术突破

1、形成了产学研合作的新模式和机制

基于校友互信、优势互补,探索出了一种新颖的产学研合作模式:“校友合作,互信共赢;企业主导,分工明确;专注创新,快速转化”。由此形成了高校与企业进行产学研合作的良性互动、可持续的发展机制,发挥了交大雄厚的科研力量,提升了企业的核心竞争力。

2、高校技术成果快速转化为企业新产品

企业主导、分工明确、快速转化的方式激发了高校创新的动力和企业创新的潜力,加速了高校最新科研成果的转化。上海交大在智能制造、人工智能、云平台等方面的技术成果,快速地在转化为维宏股份的新产品。

3、促进了校、企人才培养并获知识产权

通过联合研发、共同攻关,先后为维宏股份培养了具有较高理论知识的技术骨干30名;为交大培养研究生10名。维宏股份已获17项专利授权和6项软件著作权,申请了9项专利。

4、其他合作成果

“云平台智能钻攻系统”除参展了2017年中国(上海)国际工业博览会,还获得了2017中国(深圳)国际高新技术成果交易会“优秀产品奖”称号。

此外,通过双方的长期产学研合作,先后还完成了“六自由度工业机器人控制系统”、“面向3C产业的数控系统研究及产业化”、“基于智能制造的工业机器人控制系统的产业化”等项目的研发。

图2-工博会产学研联合展览台

图3-工博会教育部科技司司长参观

图4-高新技术成果交易会优秀产品奖奖状

5、取得的关键技术

项目合作取得了云平台智能钻攻数控系统架构设计、高精度钻攻技术、智能算法以及产业化的关键技术。

(1)云平台智能钻攻数控系统架构设计

提出了智能化数控加工和管理整体解决方案—云平台智能钻攻系统:用户或机床管理者仅需通过“维宏云”平台,实现数控设备的互联和互通,搭建企业自身的生产监控室,实现钻攻数控系统的联网和在线监控。云平台智能钻攻系统架构见图5。

图5-云平台智能钻攻数控系统技术架构

云平台提供设备管理、生产管理、工艺管理、故障诊断与技术支持等多种功能,提供第三方平台数据接口和网络适配模块,支持多种工业通信协议。用户加工的实时数据可以通过互联网上传到“维宏云”进行实时分布式存储、统计分析和数据挖掘。

(2)高速高精度串行双主轴控制钻攻系统

研发了多项具有独创性的钻攻技术。维宏智能钻攻数控系统改变了目前市场上普遍采用的单头钻攻的现状,推出了串行主轴同步控制两个主轴的模式,有效解决了攻牙过程中两个主轴执行位置相异、Z轴位置控制、前馈补偿等一系列的关键技术。从表1可以看出,维宏智能钻攻控制系统的加工精度、加工效率和技术,明显优于国内其他产品。同时,与国外同类高端技术装备相比,加工性能和效果相差无几,部分性能甚至更优,显示出了高速、高效、高精度的独有技术先进性。

表1 云平台智能钻攻系统与国内外同类高端产品比较

对比指标 云平台智能钻攻数控系统 国内其他厂家 国际同类产品
单个加工效率 6000rpm 5000rpm 6000rpm
加工精度 螺距,有效直径偏差<2% 螺距,有效直径偏差<4% 螺距,有效直径偏差<2%
加工模式 双头钻攻 单头钻攻 单头钻攻
非1:1定位 支持 不支持 不支持
攻300个牙时长 152秒 407秒 296秒
坏牙率 1/10000 1/1000 1/5000

(3)钻攻数控系统的高精度轨迹迭代学习控制

突破了钻攻系统的高精度轨迹迭代学习控制的难题,研发和实现了效率高、稳定性好的自适应迭代学习控制器,消除系统动力学建模误差、摩擦和、扰动等的影响,提高了加工的质量和精度。研发的模糊自适应PID迭代学习控制算法如图6所示,高精度轨迹迭代学习控制器由模糊PID 控制和自适应迭代学习控制叠加而成,提高了系统精度和抗干扰能力。

图6-模糊自适应PID迭代学习控制算法

(4)实现产业化

本项目已产业化,在上海、常州、苏州、深圳、东莞等地广泛应用,也在俄罗斯、印度等国家受到欢迎和规模销售,未来将在更大范围进行推广应用。

1)智能钻攻系统控制器

2)智能钻攻系统工业现场应用

3)智能钻攻系统加工过程

4)应用加工样品

(二)应用效益

云平台智能钻攻数控系统实施后,将促进传统制造业向工业互联网、智能制造方向升级,以提高行业的核心竞争力。应用该项目产品后,用户将减少现场加工和维护人员,降低企业运营成本,提升产品制造和服务的质量,增加了企业对大数据分析、人工智能技术等高素质人才的需求,将催生出新的生产性服务业,成为新的经济增长点。

(三)市场推广情况

2018-2017年,维宏股份的营业收入分别为13058万元、14401万元、18204万元,呈现快速增长趋势。未来“维宏云”的模式不仅仅局限于智能钻攻数控系统,其它数控系统和加工设备也逐步纳入“维宏云”的服务和管理平台,其市场前景可观。

三、下一步深化产学研合作的打算

(一)计划合作的产学研项目

1、基于工业互联网的设备生命周期管理和服务应用

利用工业互联网进行设备生命周期管理和智能服务。通过多元统计和人工智能技术,建立在线监控和诊断模型,进行设备的在线管理和服务;通过大数据技术分析设备的寿命曲线以及维护成本的关系,开发预防性维修费用模型,给出设备的预防性维修方案;实现生产和设备的全生命周期管理。

2、面向3C产业的高性能智能控制系统产业化

高速、高精度的数控系统是3C行业的关键技术,关系到产品的质量、生产周期以及竞争能力。将研发柔性化、功能集成化的3C产业智能控制系统;开发“进化计算”、“深度网络”和“迭代学习”等控制算法,提高设备的利用率、加工精度、灵活性和适应性;研发超大规模的专用及混合式集成电路,提高系统和设备的可靠性。

(二)深化产学研合作机制

扩大实习基地,定期接纳本科生和研究生参与数控产品的设计,为数控行业输送高端人才,服务社会。

组建“产、学、研、用”共同参与的创新团队,打造数控行业的领导者,使维宏股份成为上海智能制造的领跑者。

专家点评

维宏股份与上海交大自动化系基于校友企业与母校教师之间的信任和相互了解,通过多年的产学研合作,形成了“校友合作,互信共赢;企业主导,分工明确;专注创新,快速转化”这种新颖的合作模式。他们共建联合研发中心,攻克了串行主轴的同步控制、云平台监控、智能分析等一系列关键技术,成功开发出技术领先的云平台智能钻攻数控系统。校企双方优势互补,合力协作,很快地将技术成果转化为产品,实现了产业化,并迅速在市场上取得了良好的业绩。云平台智能钻攻数控系统的成功推出,有望使维宏股份成为国内数控加工装备和上海智能制造的佼佼者。