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云平臺智能鉆攻數控系統

上海維宏電子科技股份有限公司    上海交通大學

上海維宏電子科技股份有限公司(以下簡稱維宏股份)是一家專業提供運動控制系統成套解決方案的高新技術企業。2016年4月19日,在深圳交易所創業板成功上市(股票代碼:300508)。維宏股份開發的開放式運動控制系統,覆蓋了從伺服驅動器、數控系統、工藝軟件到配件的各個方面,廣泛應用于激光加工、水射流加工、模具制造、機械加工、玻璃石材加工等行業,是國內唯一能在高壓水射流加工領域提供全套系統解決方案的廠商,在木工、3C、水切割等行業市場的占有率達到60%以上,已成為國內運動控制系統行業的一線品牌。2017年,維宏股份營業收入為18204萬元、凈利潤為6656萬元、上繳稅收為3937萬元。

高端機床智能化是“中國制造2025”國家戰略的重要發展目標。2014年10月,維宏股份就決定開發云平臺智能鉆攻數控系統,與上海交通大學閻威武副教授團隊聯合攻關,成功開發了相關技術和產品,并形成了“校友合作,互信共贏;企業主導,分工明確;專注創新,快速轉化”這樣一種新穎的產學研合作模式。

一、產學研合作的主要做法

(一)合作攻關

維宏股份的創始人鄭之開博士、湯同奎博士及公司的技術骨干大都畢業于上海交通大學,校企雙方相互熟悉、彼此互信,通過校友之間的長期合作、共同發展,開創和實踐了一種產學研合作的新模式“校友合作,互信共贏”。校友企業為母校提供研究課題,母校為校友企業提供技術支持,校友企業成功后反哺學校。

針對云平臺智能鉆攻數控系統這一技術難題,維宏股份與上海交通大學通過優勢互補,聯合攻關。維宏股份有強大的資金實力和豐富的數控系統開發經驗,負責資金、技術和人員的配備;而上海交通大學閻威武老師團隊有扎實的理論技術基礎,負責關鍵技術的攻關。經過雙方的合作,出色地攻克了串行主軸的同步控制、云平臺監控、智能分析等一系列關鍵技術。云平臺智能鉆攻數控系統自成功推出后,迅速在市場上取得了良好的業績。

(二)協同發展

雙方通過簽署合作協議,強化企業在技術創新中的主體地位,建立以“企業主導、分工明確”的產學研發展機制。維宏股份主導市場需求分析、產品開發以及產業化工作,上海交大負責關鍵技術公關,校企定位清晰、分工明確,實現了高校與企業在產品開發和產業化中的協同發展。

云平臺智能鉆攻數控系統成功實踐了產學研合作中的協同發展。上海交大研發團隊融入到了維宏股份新產品開發環節中,成為了技術創新和產品研發的重要技術力量。前瞻性和探索性的關鍵技術,均由交大團隊進行攻關,驗證成熟的技術快速轉移到維宏股份的產品開發和產業化中,使得產、學、研、用各個環節形成一個良性循環的閉環系統。

(三)技術支持

面對傳統產業產能過剩、創新乏力、產品競爭力下降的局面,維宏股份選擇走產業升級和轉型之路,通過“專注創新、快速轉化”的產學研合作機制,以技術創新來開辟新的增長點。

該項目借助上海交大閻威武團隊在工業云平臺、大數據分析和人工智能方面的最新研究成果,取得了云平臺監控、智能鉆攻、智能分析等關鍵技術。維宏股份憑借豐富的經驗,快速實現了產業化和市場推廣。

(四)共建研發實體

維宏股份與上海交大自動化系共建聯合研發中心,圖1為研發中心組織架構及運行模式。

圖1-研發中心組織架構及運行模式

企業總工負責項目的總體進展,上海交大閻威武老師擔任技術總顧問,雙方定期召開項目討論會。針對技術需求、產品開發、關鍵技術、技術驗證、產業化中的問題,雙方及時反饋和交換解決方案。組織架構及運行模式保證了項目的順利進展和技術研發,使得項目滿足了市場和用戶的需求。

(五)人才培養

人才是企業創新發展的靈魂,產業界對精通理論和工程的復合型、創新型人才的需求極為迫切。學校為企業進行技術人員的理論指導,培養高層次人才;維宏股份長期為上海交大學生提供實習基地和實踐平臺,培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。讓學生將理論學以致用,提高學生科研、開發能力。

二、產學研合作取得的主要成績

(一)解決的主要問題和技術突破

1、形成了產學研合作的新模式和機制

基于校友互信、優勢互補,探索出了一種新穎的產學研合作模式:“校友合作,互信共贏;企業主導,分工明確;專注創新,快速轉化”。由此形成了高校與企業進行產學研合作的良性互動、可持續的發展機制,發揮了交大雄厚的科研力量,提升了企業的核心競爭力。

2、高校技術成果快速轉化為企業新產品

企業主導、分工明確、快速轉化的方式激發了高校創新的動力和企業創新的潛力,加速了高校最新科研成果的轉化。上海交大在智能制造、人工智能、云平臺等方面的技術成果,快速地在轉化為維宏股份的新產品。

3、促進了校、企人才培養并獲知識產權

通過聯合研發、共同攻關,先后為維宏股份培養了具有較高理論知識的技術骨干30名;為交大培養研究生10名。維宏股份已獲17項專利授權和6項軟件著作權,申請了9項專利。

4、其他合作成果

“云平臺智能鉆攻系統”除參展了2017年中國(上海)國際工業博覽會,還獲得了2017中國(深圳)國際高新技術成果交易會“優秀產品獎”稱號。

此外,通過雙方的長期產學研合作,先后還完成了“六自由度工業機器人控制系統”、“面向3C產業的數控系統研究及產業化”、“基于智能制造的工業機器人控制系統的產業化”等項目的研發。

圖2-工博會產學研聯合展覽臺

圖3-工博會教育部科技司司長參觀

圖4-高新技術成果交易會優秀產品獎獎狀

5、取得的關鍵技術

項目合作取得了云平臺智能鉆攻數控系統架構設計、高精度鉆攻技術、智能算法以及產業化的關鍵技術。

(1)云平臺智能鉆攻數控系統架構設計

提出了智能化數控加工和管理整體解決方案—云平臺智能鉆攻系統:用戶或機床管理者僅需通過“維宏云”平臺,實現數控設備的互聯和互通,搭建企業自身的生產監控室,實現鉆攻數控系統的聯網和在線監控。云平臺智能鉆攻系統架構見圖5。

圖5-云平臺智能鉆攻數控系統技術架構

云平臺提供設備管理、生產管理、工藝管理、故障診斷與技術支持等多種功能,提供第三方平臺數據接口和網絡適配模塊,支持多種工業通信協議。用戶加工的實時數據可以通過互聯網上傳到“維宏云”進行實時分布式存儲、統計分析和數據挖掘。

(2)高速高精度串行雙主軸控制鉆攻系統

研發了多項具有獨創性的鉆攻技術。維宏智能鉆攻數控系統改變了目前市場上普遍采用的單頭鉆攻的現狀,推出了串行主軸同步控制兩個主軸的模式,有效解決了攻牙過程中兩個主軸執行位置相異、Z軸位置控制、前饋補償等一系列的關鍵技術。從表1可以看出,維宏智能鉆攻控制系統的加工精度、加工效率和技術,明顯優于國內其他產品。同時,與國外同類高端技術裝備相比,加工性能和效果相差無幾,部分性能甚至更優,顯示出了高速、高效、高精度的獨有技術先進性。

表1 云平臺智能鉆攻系統與國內外同類高端產品比較

對比指標 云平臺智能鉆攻數控系統 國內其他廠家 國際同類產品
單個加工效率 6000rpm 5000rpm 6000rpm
加工精度 螺距,有效直徑偏差<2% 螺距,有效直徑偏差<4% 螺距,有效直徑偏差<2%
加工模式 雙頭鉆攻 單頭鉆攻 單頭鉆攻
非1:1定位 支持 不支持 不支持
攻300個牙時長 152秒 407秒 296秒
壞牙率 1/10000 1/1000 1/5000

(3)鉆攻數控系統的高精度軌跡迭代學習控制

突破了鉆攻系統的高精度軌跡迭代學習控制的難題,研發和實現了效率高、穩定性好的自適應迭代學習控制器,消除系統動力學建模誤差、摩擦和、擾動等的影響,提高了加工的質量和精度。研發的模糊自適應PID迭代學習控制算法如圖6所示,高精度軌跡迭代學習控制器由模糊PID 控制和自適應迭代學習控制疊加而成,提高了系統精度和抗干擾能力。

圖6-模糊自適應PID迭代學習控制算法

(4)實現產業化

本項目已產業化,在上海、常州、蘇州、深圳、東莞等地廣泛應用,也在俄羅斯、印度等國家受到歡迎和規模銷售,未來將在更大范圍進行推廣應用。

1)智能鉆攻系統控制器

2)智能鉆攻系統工業現場應用

3)智能鉆攻系統加工過程

4)應用加工樣品

(二)應用效益

云平臺智能鉆攻數控系統實施后,將促進傳統制造業向工業互聯網、智能制造方向升級,以提高行業的核心競爭力。應用該項目產品后,用戶將減少現場加工和維護人員,降低企業運營成本,提升產品制造和服務的質量,增加了企業對大數據分析、人工智能技術等高素質人才的需求,將催生出新的生產性服務業,成為新的經濟增長點。

(三)市場推廣情況

2018-2017年,維宏股份的營業收入分別為13058萬元、14401萬元、18204萬元,呈現快速增長趨勢。未來“維宏云”的模式不僅僅局限于智能鉆攻數控系統,其它數控系統和加工設備也逐步納入“維宏云”的服務和管理平臺,其市場前景可觀。

三、下一步深化產學研合作的打算

(一)計劃合作的產學研項目

1、基于工業互聯網的設備生命周期管理和服務應用

利用工業互聯網進行設備生命周期管理和智能服務。通過多元統計和人工智能技術,建立在線監控和診斷模型,進行設備的在線管理和服務;通過大數據技術分析設備的壽命曲線以及維護成本的關系,開發預防性維修費用模型,給出設備的預防性維修方案;實現生產和設備的全生命周期管理。

2、面向3C產業的高性能智能控制系統產業化

高速、高精度的數控系統是3C行業的關鍵技術,關系到產品的質量、生產周期以及競爭能力。將研發柔性化、功能集成化的3C產業智能控制系統;開發“進化計算”、“深度網絡”和“迭代學習”等控制算法,提高設備的利用率、加工精度、靈活性和適應性;研發超大規模的專用及混合式集成電路,提高系統和設備的可靠性。

(二)深化產學研合作機制

擴大實習基地,定期接納本科生和研究生參與數控產品的設計,為數控行業輸送高端人才,服務社會。

組建“產、學、研、用”共同參與的創新團隊,打造數控行業的領導者,使維宏股份成為上海智能制造的領跑者。

專家點評

維宏股份與上海交大自動化系基于校友企業與母校教師之間的信任和相互了解,通過多年的產學研合作,形成了“校友合作,互信共贏;企業主導,分工明確;專注創新,快速轉化”這種新穎的合作模式。他們共建聯合研發中心,攻克了串行主軸的同步控制、云平臺監控、智能分析等一系列關鍵技術,成功開發出技術領先的云平臺智能鉆攻數控系統。校企雙方優勢互補,合力協作,很快地將技術成果轉化為產品,實現了產業化,并迅速在市場上取得了良好的業績。云平臺智能鉆攻數控系統的成功推出,有望使維宏股份成為國內數控加工裝備和上海智能制造的佼佼者。

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