從CIMT2023國際機床展看數控系統智能化發(fā)展

文/武漢華中數控股份有限公司 肖明

【內容摘要】：整體來(lái)看，近些年國內數控系統在智能化技術(shù)的研制方面不斷努力，發(fā)展方向基本與國外保持一致，推出了華中9型等新產(chǎn)品，但是在數字孿生、虛擬仿真、數字化調試等方面還有差距。

2023年4月，第十八屆中國國際機床展覽會(huì )（CIMT2023）在北京隆重舉行，來(lái)自全球28個(gè)國家和地區的約1600家機床工具行業(yè)企業(yè)同臺競技，全球最先進(jìn)的制造技術(shù)和裝備集中展示。本屆展會(huì )主題是“融合創(chuàng )新·數智未來(lái)”，展現了新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合和不斷創(chuàng )新。

一、數控系統智能化技術(shù)主要展品

目前，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算和新一代人工智能技術(shù)與制造技術(shù)的不斷融合發(fā)展，數控系統智能化技術(shù)快速發(fā)展，很多數控系統企業(yè)推出了具有智能化功能的數控系統，其特點(diǎn)是：增加了傳感器，增強了對加工狀態(tài)感知能力，實(shí)現了機床加工數據的匯聚；利用人工智能算法挖掘數據中的知識，用戶(hù)可以在數控系統企業(yè)的支持下開(kāi)發(fā)APP，實(shí)現機床控制的智能化。在CIMT2023北京國際機床展上，境內外多家數控系統企業(yè)展出了具備智能化技術(shù)的數控系統。

1. 西門(mén)子（德國）

西門(mén)子主要展出了Sinumerik One和Sinumerik 828D數控系統，840D系統將于2024年退市。Sinumerik One是以西門(mén)子技術(shù)生態(tài)及其數字孿生工具鏈為依托的“數字化原生”數控系統，是西門(mén)子推動(dòng)機床行業(yè)數字化轉型的關(guān)鍵產(chǎn)品，具有創(chuàng )建相應數字化雙胞胎的多功能軟件，以實(shí)現機床制造和生產(chǎn)過(guò)程數字化孿生。其智能化功能包括：智能動(dòng)態(tài)控制（IDC）、智能負載控制（ILC）、Top Speed plus智能功能。

圖1   SIEMENS-基于數字孿生的工業(yè)云平臺

2. 發(fā)那科（日本）

發(fā)那科重點(diǎn)展出了Fanuc 31i Mode B Plus數控系統以及小型3-4軸鉆攻機、線(xiàn)切割機床等，突出發(fā)那科數控系統的智能化功能：智能進(jìn)給軸加減速，智能重疊，智能反向間隙補償，智能機床前端點(diǎn)控制，智能剛性攻絲，智能溫度控制，智能主軸負載控制，智能負載表，智能主軸加減速等。支持多種傳感器：支持測頭、量?jì)x、視覺(jué)傳感器、光柵尺、角度編碼器等。

圖2 全新FANOVI界面

可實(shí)現機床數據采集及可視化、NC程序集中管控和傳輸管控、刀具全流程管理、現場(chǎng)生產(chǎn)管理（無(wú)紙化操作終端）、生產(chǎn)優(yōu)化、系統集成管理（MES系統、PLM系統、QMS系統）。

3. 海德漢（德國）

海德漢重點(diǎn)展示了新款TNC7數控系統，該數控系統具有圖形化編程功能，能夠快速編寫(xiě)復雜工件加工程序。其智能化功能主要包括：智能偏差測控、智能磨損檢測、智能反向間隙補償、智能機床前端點(diǎn)控制、智能圖形化編程、智能函數、智能動(dòng)態(tài)碰撞監測等。

圖3  圖形化編程

4. 華中數控

本次展會(huì )，華中數控股份有限公司以高端五軸數控系統為主題，重點(diǎn)展出了華中9型智能數控系統，實(shí)現了質(zhì)量提升、工藝優(yōu)化、健康保障和生產(chǎn)管理等智能化功能，使得數控加工“更高、更快、更智能”。系統配置AI芯片，可以實(shí)現毫秒級實(shí)時(shí)預測與推理；集成了數十個(gè)智能應用App，構建了定制化人工智能運行與開(kāi)發(fā)的開(kāi)放平臺；具備動(dòng)態(tài)響應仿真功能：動(dòng)力學(xué)建模，大數據復現關(guān)聯(lián)，實(shí)現機床數字雙胞胎。目前，華中9型智能數控系統的工藝參數優(yōu)化、智優(yōu)曲面、智能剛性攻絲、熱誤差補償、iNC-Cloud遠程運維等智能化技術(shù)已經(jīng)在華中8型V2.4系統中批量應用，助力機床加工實(shí)現“更精 更快更智能”。

圖4  華中9型智能模塊

同時(shí)，華中8型數控系統具備很多實(shí)用的智能化功能，幫助用戶(hù)更好完成機床設計、調試、交付，提高機床使用效益。例如：

（1）一腦雙控。一腦雙控單機自動(dòng)化是利用華中8型的多通道功能，一個(gè)通道控制機床，一個(gè)通道控制桁架機械手。

（2）智優(yōu)曲面iSurfine。數控系統根據零件整體軌跡對加工速度進(jìn)行全局規劃自動(dòng)平滑，實(shí)現高速、高效基礎上的高表面質(zhì)量加工。優(yōu)化后刀具軌跡清晰一致，加工零件表面均勻無(wú)過(guò)切、欠切紋路。

（3）超級勻順。針對加工軌跡中微直線(xiàn)段和圓弧段混合、線(xiàn)段長(cháng)度不一、線(xiàn)段轉角復雜等缺陷，華中8型數控系統超級勻順功能可快速有效地對加工軌跡中的缺陷處進(jìn)行平滑光順，提升速度及加速度平順性，獲得更優(yōu)的加工表面質(zhì)量。滿(mǎn)足不同工況、加工精度要求及不同程序特點(diǎn)，適用3C輪廓加工、鉆攻、模具、輪轂加工。    

（4）iNC-Cloud數控云管家——遠程運維及健康保障功能?？梢詫C床產(chǎn)品進(jìn)行數字化管理，為產(chǎn)品建立全生命周期數據檔案，幫助機床企業(yè)建立客服中心，遠程指導用戶(hù)解決使用過(guò)程中出現的問(wèn)題。

5. 科德數控

科德數控股份有限公司重點(diǎn)展出了安裝GNC62數控系統的五軸立式車(chē)銑復合加工中心以及五軸臥式銑車(chē)復合加工中心等，以及科德數控的傳感器、伺服電機系列產(chǎn)品。

GNC62數控系統的智能化功能主要包括：

（1）支持數字孿生，可根據實(shí)時(shí)速度、負載率、溫度等物理變量的變化而對三維工件模型渲染著(zhù)色。

（2）支持螺距誤差補償、反向間隙補償、垂直誤差補償、直線(xiàn)度誤差補償、扭擺誤差補償、空間誤差補償、溫度誤差補償等。

（3）友好的人機交互界面，支持3D在線(xiàn)、離線(xiàn)仿真，支持3D防碰撞檢查，友好的面向用戶(hù)開(kāi)放的GMDL向導式對話(huà)式編程工具。   

（4）支持在線(xiàn)監控和信息集成，能實(shí)時(shí)采集加工過(guò)程大數據及加工狀態(tài)數據、機床設備信息，具備相應的數據接口，可實(shí)現信息互聯(lián)互通。

（5）具備強大二次開(kāi)發(fā)接口，支持針對不同應用場(chǎng)景定制與操作和工藝配套的人機交互界面HMI，并支持基本層次配置和SDK層次開(kāi)發(fā)。

6. 廣州數控

廣州數控設備有限公司重點(diǎn)展出了應用于數控車(chē)床、銑床的GSK 980系列，應用于齒輪或五軸加工中心的GSK25i系列，以及應用于高端車(chē)銑復合機床的GSK 27i系列等數控系統。GSK 27i數控系統智能化功能有：支持智能總線(xiàn)診斷、智能防碰撞檢測、智能主軸負載自適應、智能路徑重疊等。

7. 北京精雕 

北京精雕科技集團有限公司展出的產(chǎn)品主要包括高效型五軸加工中心（JDMRET400DZ）、五軸高速磨削中心（JDGRMG300）以及機加自動(dòng)化系統（JDGR400T）等，使用的數控系統為JD50，其主要智能化功能包括：與自研CAM軟件SurfMill融合，支持DT實(shí)時(shí)編程、碰撞檢測。提供JMS中央控制系統和JDSoft IFactory對生產(chǎn)數據進(jìn)行采集、統計、分析，支持訂單管理、任務(wù)管理、生產(chǎn)監控、生產(chǎn)統計、設備管理和設備調度等。

圖5  DT實(shí)時(shí)編程技術(shù)

8. 沈陽(yáng)中科數控

本次展會(huì )，沈陽(yáng)中科數控技術(shù)股份有限公司重點(diǎn)展出了基于智能硬件平臺的GJ600系列智能數控系統、GJ400系列高檔數控系統和GJ300系列專(zhuān)用數控系統。其中適用于高檔數控機床、復合加工機床及柔性加工單元的GJ610智能數控系統，支持多傳感器介入和多信息融合，實(shí)現高檔數控系統對加工過(guò)程的全面感知及智能控制，增強系統加工處理能力，并具有智能編程、智能補償、精優(yōu)曲面和遠程監控功能，以及設備故障的預測診斷及恢復功能，同時(shí)支持銑削、車(chē)削、磨削等工藝集成，可大幅度提升數控機床的性能和可靠性，提高復雜零件的加工效率和質(zhì)量，現已成功應用于航發(fā)典型工件生產(chǎn)線(xiàn)。

二、數控系統智能化技術(shù)發(fā)展趨勢

通過(guò)對CIMT2023展會(huì )上展出的境內外數控系統的智能化技術(shù)進(jìn)行分析比較，我們總結了數控系統智能化技術(shù)發(fā)展趨勢如下：

 1．數控系統智能化技術(shù)發(fā)展加快

普通數控機床主要是通過(guò)加工代碼、指令對刀具、工件進(jìn)行控制，不具備感知、反饋和自主學(xué)習能力，數控系統缺乏對機床實(shí)際加工狀態(tài)、環(huán)境變化的掌控。而隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算和新一代人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，數控系統智能化需求強勁。目前，國外已經(jīng)將互聯(lián)網(wǎng)和智能化技術(shù)應用于數控系統，數控機床的加工效率和精度、機床調試速度和宜人化等大大提升。 

很多企業(yè)推出了具備智能化功能的數控產(chǎn)品，除了數控系統企業(yè)，還包括MAZAK（馬扎克）、DMG MORI（德馬吉森精機）、GROB（格勞博）等。例如DMG MORI基于CELOS平臺的集成數字化制造解決方案，涵蓋了生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)準備、加工生產(chǎn)、過(guò)程監控、服務(wù)等五個(gè)階段。GROB公司的數字化解決方案實(shí)現從生產(chǎn)規劃、復雜編程、加工仿真、設備監控與分析、加工過(guò)程可視化到維修保養的工藝過(guò)程數字化以及設備管理的數字化。

2．數控系統與數字孿生、人工智能等技術(shù)深度融合 

數字化、智能化技術(shù)的出現，為實(shí)現數控機床的性能提升提供了新的支撐技術(shù)，構建物理機床的數字孿生機床并在其基礎上實(shí)現運動(dòng)加工仿真成為進(jìn)一步提升加工整體效率與成本的熱點(diǎn)方向。

境內外多家數控系統廠(chǎng)商和機床廠(chǎng)紛紛通過(guò)數據高速采集、控制模型建立、切削仿真等技術(shù)實(shí)現了機床的虛擬調試與虛擬加工，并取得了很好的效果。圍繞數字孿生的需求，數據高速采集存儲、模型建立（包括虛擬CNC、虛擬驅動(dòng)器、電機、機械系統等）、數據分析與驅動(dòng)等技術(shù)將會(huì )是未來(lái)數控機床數字化智能化發(fā)展的方向。 

例如，在產(chǎn)品研發(fā)階段，西門(mén)子One數控系統能夠助力機床制造商縮短機床設計時(shí)間和現場(chǎng)調試時(shí)間，提升機床研發(fā)、上市效率。面向機床用戶(hù)，西門(mén)子One數控系統的機床虛擬加工解決方案可實(shí)現對加工工藝、加工速度、加速度、節拍時(shí)間等方面的仿真驗證，幫助客戶(hù)大幅縮減試切時(shí)間和試切成本，并規避碰撞風(fēng)險。目前，一些大型機床企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始試用西門(mén)子One的虛擬調試系統，實(shí)現了從840Dsl到One的移植和機床調試。

3．數控系統智能化與機床設計創(chuàng )新深度融合 

數控系統智能化與機床設計創(chuàng )新深度融合，其智能化優(yōu)勢才能更好發(fā)揮。就數控機床與數控系統融合緊密程度，本屆CIMT展呈現了4種不同類(lèi)型的搭配情況，分別為：（1）自研數控系統，如 FANUC、brother（兄弟）、科德、北京精雕、i5等；（2）第三方系統深度開(kāi)發(fā)，如 MAZAK-三菱、DMG-西門(mén)子、華工激光-華中數控、寶雞機床-華中數控，不再使用原系統的原生界面，用戶(hù)可以自定義操作路徑、G代碼循環(huán)或者更深層功能性開(kāi)發(fā)；（3）第三方系統界面開(kāi)發(fā)，如 MAZAK-FANUC、創(chuàng )世紀-FANUC、三菱、華中數控，在原生界面基礎上增加其他功能界面，可支持終端客戶(hù)問(wèn)題解決類(lèi)功能開(kāi)發(fā)的畫(huà)面顯示；（4）第三方系統直接應用智能數控系統，如秦川機床-華中數控、宇環(huán)數控-華中數控等。

例如，本次展會(huì )上展出的華工激光公司五軸激光加工設備，就是和華中數控堅持“行業(yè)領(lǐng)先、國產(chǎn)替代、專(zhuān)精特新”的產(chǎn)品目標，采用“馬扎克”合作模式，對標高端激光加工機床，依托華中9型數控系統平臺，將“智能+數控”、“互聯(lián)網(wǎng)+數控”與激光切割控制和工藝深度融合，打造的完全自主可控的國產(chǎn)高端激光切割設備。雙方合作還先后開(kāi)發(fā)了等離子切割控制系統、三維五軸激光切割控制系統、重裝坡口激光切割控制系統等多個(gè)產(chǎn)品，并成功實(shí)現批量配套。

三、數控系統智能化技術(shù)發(fā)展境內外差距分析及行業(yè)發(fā)展建議

1．數控系統智能化技術(shù)發(fā)展境內外差距分析

從展品看，西門(mén)子Sinumerik One數控系統包含智能動(dòng)態(tài)控制、智能負載控制等功能，能夠實(shí)現在不同負載、不同動(dòng)態(tài)的精度保持。針對曲面加工，包含精優(yōu)曲面、臻優(yōu)曲面、Top Speed等功能，能夠實(shí)現曲面的高精度加工，同時(shí)還提供機床數字孿生等仿真技術(shù)。發(fā)那科數控系統具備切削負載監控、AI輪廓控制等功能，海德漢系統提供高級動(dòng)態(tài)預測功能，均能實(shí)現曲面的高精度加工。華中9型數控系統具備負載自適應、iSurfine智優(yōu)曲面、Cyber-Milling等智能化技術(shù)。廣數GSK27i提供智能主軸負載自適應等功能。

整體來(lái)看，近些年國內數控系統在智能化技術(shù)的研制方面不斷努力，發(fā)展方向基本與國外保持一致，推出了華中9型等新產(chǎn)品，但是在數字孿生、虛擬仿真、數字化調試等方面還有差距。

2．建議國產(chǎn)數控系統企業(yè)加強智能化技術(shù)的研究

為了追趕國外高端數控系統，建議國產(chǎn)數控系統企業(yè)將智能化技術(shù)列為研究重點(diǎn)，通過(guò)不斷的技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)一步提升數控加工質(zhì)量提升、工藝優(yōu)化、健康保障與生產(chǎn)管理等方面的關(guān)鍵共性技術(shù)，加大對智能數控系統、智能功能部件和智能優(yōu)化、智能補償、健康保障等工業(yè)應用軟件和數控機床互聯(lián)通訊協(xié)議標準規范的研發(fā)和應用。

3．建議國產(chǎn)數控系統企業(yè)加強與機床企業(yè)聯(lián)合推廣智能化技術(shù)

數控機床是典型的機電一體化產(chǎn)品，機床整體性能的提升離不開(kāi)數控系統、機床主機、其他功能部件的協(xié)同。建議國產(chǎn)數控系統企業(yè)加強與主機企業(yè)的技術(shù)交流，在他們的支持下，改進(jìn)機床設計方法，合作推出市場(chǎng)需要的具備更多智能化功能的高端機床。