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從CIMT2023國際機(jī)床展看數(shù)控系統(tǒng)智能化發(fā)展

文/武漢華中數(shù)控股份有限公司 肖明

【內(nèi)容摘要】：整體來看，近些年國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)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(shù)字孿生、虛擬仿真、數(shù)字化調(diào)試等方面還有差距。

2023年4月，第十八屆中國國際機(jī)床展覽會(huì)（CIMT2023）在北京隆重舉行，來自全球28個(gè)國家和地區(qū)的約1600家機(jī)床工具行業(yè)企業(yè)同臺(tái)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(shù)智未來”，展現(xiàn)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(shù)控系統(tǒng)智能化技術(shù)主要展品

目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)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(shù)控系統(tǒng)智能化技術(shù)快速發(fā)展，很多數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)推出了具有智能化功能的數(shù)控系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：增加了傳感器，增強(qiáng)了對(duì)加工狀態(tài)感知能力，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床加工數(shù)據(jù)的匯聚；利用人工智能算法挖掘數(shù)據(jù)中的知識(shí)，用戶可以在數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)的支持下開發(fā)APP，實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的智能化。在CIMT2023北京國際機(jī)床展上，境內(nèi)外多家數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)展出了具備智能化技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)。

1. 西門子（德國）

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

圖1   SIEMENS-基于數(shù)字孿生的工業(yè)云平臺(tái)

2. 發(fā)那科（日本）

發(fā)那科重點(diǎn)展出了Fanuc 31i Mode B Plus數(shù)控系統(tǒng)以及小型3-4軸鉆攻機(jī)、線切割機(jī)床等，突出發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)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(bǔ)償，智能機(jī)床前端點(diǎn)控制，智能剛性攻絲，智能溫度控制，智能主軸負(fù)載控制，智能負(fù)載表，智能主軸加減速等。支持多種傳感器：支持測頭、量儀、視覺傳感器、光柵尺、角度編碼器等。

圖2 全新FANOVI界面

可實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)據(jù)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(xiàn)場生產(chǎn)管理（無紙化操作終端）、生產(chǎn)優(yōu)化、系統(tǒng)集成管理（MES系統(tǒng)、PLM系統(tǒng)、QMS系統(tǒng)）。

3. 海德漢（德國）

海德漢重點(diǎn)展示了新款TNC7數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)具有圖形化編程功能，能夠快速編寫復(fù)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(bǔ)償、智能機(jī)床前端點(diǎn)控制、智能圖形化編程、智能函數(shù)、智能動(dòng)態(tài)碰撞監(jiān)測等。

圖3  圖形化編程

4. 華中數(shù)控

本次展會(huì)，華中數(shù)控股份有限公司以高端五軸數(shù)控系統(tǒng)為主題，重點(diǎn)展出了華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)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(shù)控加工“更高、更快、更智能”。系統(tǒng)配置AI芯片，可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)實(shí)時(shí)預(yù)測與推理；集成了數(shù)十個(gè)智能應(yīng)用App，構(gòu)建了定制化人工智能運(yùn)行與開發(fā)的開放平臺(tái)；具備動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真功能：動(dòng)力學(xué)建模，大數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)字雙胞胎。目前，華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)的工藝參數(shù)優(yōu)化、智優(yōu)曲面、智能剛性攻絲、熱誤差補(bǔ)償、iNC-Cloud遠(yuǎn)程運(yùn)維等智能化技術(shù)已經(jīng)在華中8型V2.4系統(tǒng)中批量應(yīng)用，助力機(jī)床加工實(shí)現(xiàn)“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(shù)控系統(tǒng)具備很多實(shí)用的智能化功能，幫助用戶更好完成機(jī)床設(shè)計(jì)、調(diào)試、交付，提高機(jī)床使用效益。例如：

（1）一腦雙控。一腦雙控單機(jī)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(jī)床，一個(gè)通道控制桁架機(jī)械手。

（2）智優(yōu)曲面iSurfine。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件整體軌跡對(duì)加工速度進(jìn)行全局規(guī)劃自動(dòng)平滑，實(shí)現(xiàn)高速、高效基礎(chǔ)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過切、欠切紋路。

（3）超級(jí)勻順。針對(duì)加工軌跡中微直線段和圓弧段混合、線段長度不一、線段轉(zhuǎn)角復(fù)雜等缺陷，華中8型數(shù)控系統(tǒng)超級(jí)勻順功能可快速有效地對(duì)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(shù)控云管家——遠(yuǎn)程運(yùn)維及健康保障功能。可以對(duì)機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化管理，為產(chǎn)品建立全生命周期數(shù)據(jù)檔案，幫助機(jī)床企業(yè)建立客服中心，遠(yuǎn)程指導(dǎo)用戶解決使用過程中出現(xiàn)的問題。

5. 科德數(shù)控

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

GNC62數(shù)控系統(tǒng)的智能化功能主要包括：

（1）支持?jǐn)?shù)字孿生，可根據(jù)實(shí)時(shí)速度、負(fù)載率、溫度等物理變量的變化而對(duì)三維工件模型渲染著色。

（2）支持螺距誤差補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償、垂直誤差補(bǔ)償、直線度誤差補(bǔ)償、扭擺誤差補(bǔ)償、空間誤差補(bǔ)償、溫度誤差補(bǔ)償?shù)取?/span>

（3）友好的人機(jī)交互界面，支持3D在線、離線仿真，支持3D防碰撞檢查，友好的面向用戶開放的GMDL向?qū)綄?duì)話式編程工具。   

（4）支持在線監(jiān)控和信息集成，能實(shí)時(shí)采集加工過程大數(shù)據(jù)及加工狀態(tài)數(shù)據(jù)、機(jī)床設(shè)備信息，具備相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，可實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通。

（5）具備強(qiáng)大二次開發(fā)接口，支持針對(duì)不同應(yīng)用場景定制與操作和工藝配套的人機(jī)交互界面HMI，并支持基本層次配置和SDK層次開發(fā)。

6. 廣州數(shù)控

廣州數(shù)控設(shè)備有限公司重點(diǎn)展出了應(yīng)用于數(shù)控車床、銑床的GSK 980系列，應(yīng)用于齒輪或五軸加工中心的GSK25i系列，以及應(yīng)用于高端車銑復(fù)合機(jī)床的GSK 27i系列等數(shù)控系統(tǒng)。GSK 27i數(shù)控系統(tǒng)智能化功能有：支持智能總線診斷、智能防碰撞檢測、智能主軸負(fù)載自適應(yīng)、智能路徑重疊等。

7. 北京精雕 

北京精雕科技集團(tuán)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(jī)加自動(dòng)化系統(tǒng)（JDGR400T）等，使用的數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)和JDSoft IFactory對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)、分析，支持訂單管理、任務(wù)管理、生產(chǎn)監(jiān)控、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備管理和設(shè)備調(diào)度等。

圖5  DT實(shí)時(shí)編程技術(shù)

8. 沈陽中科數(shù)控

本次展會(huì)，沈陽中科數(shù)控技術(shù)股份有限公司重點(diǎn)展出了基于智能硬件平臺(tái)的GJ600系列智能數(shù)控系統(tǒng)、GJ400系列高檔數(shù)控系統(tǒng)和GJ300系列專用數(shù)控系統(tǒng)。其中適用于高檔數(shù)控機(jī)床、復(fù)合加工機(jī)床及柔性加工單元的GJ610智能數(shù)控系統(tǒng)，支持多傳感器介入和多信息融合，實(shí)現(xiàn)高檔數(shù)控系統(tǒng)對(duì)加工過程的全面感知及智能控制，增強(qiáng)系統(tǒng)加工處理能力，并具有智能編程、智能補(bǔ)償、精優(yōu)曲面和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，以及設(shè)備故障的預(yù)測診斷及恢復(fù)功能，同時(shí)支持銑削、車削、磨削等工藝集成，可大幅度提升數(shù)控機(jī)床的性能和可靠性，提高復(fù)雜零件的加工效率和質(zhì)量，現(xiàn)已成功應(yīng)用于航發(fā)典型工件生產(chǎn)線。

二、數(shù)控系統(tǒng)智能化技術(shù)發(fā)展趨勢

通過對(duì)CIMT2023展會(huì)上展出的境內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)的智能化技術(shù)進(jìn)行分析比較，我們總結(jié)了數(shù)控系統(tǒng)智能化技術(shù)發(fā)展趨勢如下：

 1．?dāng)?shù)控系統(tǒng)智能化技術(shù)發(fā)展加快

普通數(shù)控機(jī)床主要是通過加工代碼、指令對(duì)刀具、工件進(jìn)行控制，不具備感知、反饋和自主學(xué)習(xí)能力，數(shù)控系統(tǒng)缺乏對(duì)機(jī)床實(shí)際加工狀態(tài)、環(huán)境變化的掌控。而隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和新一代人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)智能化需求強(qiáng)勁。目前，國外已經(jīng)將互聯(lián)網(wǎng)和智能化技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床的加工效率和精度、機(jī)床調(diào)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(shù)控產(chǎn)品，除了數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)，還包括MAZAK（馬扎克）、DMG MORI（德馬吉森精機(jī)）、GROB（格勞博）等。例如DMG MORI基于CELOS平臺(tái)的集成數(shù)字化制造解決方案，涵蓋了生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)準(zhǔn)備、加工生產(chǎn)、過程監(jiān)控、服務(wù)等五個(gè)階段。GROB公司的數(shù)字化解決方案實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)規(guī)劃、復(fù)雜編程、加工仿真、設(shè)備監(jiān)控與分析、加工過程可視化到維修保養(yǎng)的工藝過程數(shù)字化以及設(shè)備管理的數(shù)字化。

2．?dāng)?shù)控系統(tǒng)與數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)深度融合 

數(shù)字化、智能化技術(shù)的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的性能提升提供了新的支撐技術(shù)，構(gòu)建物理機(jī)床的數(shù)字孿生機(jī)床并在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(nèi)外多家數(shù)控系統(tǒng)廠商和機(jī)床廠紛紛通過數(shù)據(jù)高速采集、控制模型建立、切削仿真等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的虛擬調(diào)試與虛擬加工，并取得了很好的效果。圍繞數(shù)字孿生的需求，數(shù)據(jù)高速采集存儲(chǔ)、模型建立（包括虛擬CNC、虛擬驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、機(jī)械系統(tǒng)等）、數(shù)據(jù)分析與驅(qū)動(dòng)等技術(shù)將會(huì)是未來數(shù)控機(jī)床數(shù)字化智能化發(fā)展的方向。 

例如，在產(chǎn)品研發(fā)階段，西門子One數(shù)控系統(tǒng)能夠助力機(jī)床制造商縮短機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)間和現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間，提升機(jī)床研發(fā)、上市效率。面向機(jī)床用戶，西門子One數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床虛擬加工解決方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)加工工藝、加工速度、加速度、節(jié)拍時(shí)間等方面的仿真驗(yàn)證，幫助客戶大幅縮減試切時(shí)間和試切成本，并規(guī)避碰撞風(fēng)險(xiǎn)。目前，一些大型機(jī)床企業(yè)已經(jīng)開始試用西門子One的虛擬調(diào)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從840Dsl到One的移植和機(jī)床調(diào)試。

3．?dāng)?shù)控系統(tǒng)智能化與機(jī)床設(shè)計(jì)創(chuàng)新深度融合 

數(shù)控系統(tǒng)智能化與機(jī)床設(shè)計(jì)創(chuàng)新深度融合，其智能化優(yōu)勢才能更好發(fā)揮。就數(shù)控機(jī)床與數(shù)控系統(tǒng)融合緊密程度，本屆CIMT展呈現(xiàn)了4種不同類型的搭配情況，分別為：（1）自研數(shù)控系統(tǒng)，如 FANUC、brother（兄弟）、科德、北京精雕、i5等；（2）第三方系統(tǒng)深度開發(fā)，如 MAZAK-三菱、DMG-西門子、華工激光-華中數(shù)控、寶雞機(jī)床-華中數(shù)控，不再使用原系統(tǒng)的原生界面，用戶可以自定義操作路徑、G代碼循環(huán)或者更深層功能性開發(fā)；（3）第三方系統(tǒng)界面開發(fā)，如 MAZAK-FANUC、創(chuàng)世紀(jì)-FANUC、三菱、華中數(shù)控，在原生界面基礎(chǔ)上增加其他功能界面，可支持終端客戶問題解決類功能開發(fā)的畫面顯示；（4）第三方系統(tǒng)直接應(yīng)用智能數(shù)控系統(tǒng)，如秦川機(jī)床-華中數(shù)控、宇環(huán)數(shù)控-華中數(shù)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(shè)備，就是和華中數(shù)控堅(jiān)持“行業(yè)領(lǐng)先、國產(chǎn)替代、專精特新”的產(chǎn)品目標(biāo)，采用“馬扎克”合作模式，對(duì)標(biāo)高端激光加工機(jī)床，依托華中9型數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)，將“智能+數(shù)控”、“互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)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(shè)備。雙方合作還先后開發(fā)了等離子切割控制系統(tǒng)、三維五軸激光切割控制系統(tǒng)、重裝坡口激光切割控制系統(tǒng)等多個(gè)產(chǎn)品，并成功實(shí)現(xiàn)批量配套。

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

1．?dāng)?shù)控系統(tǒng)智能化技術(shù)發(fā)展境內(nèi)外差距分析

從展品看，西門子Sinumerik One數(shù)控系統(tǒng)包含智能動(dòng)態(tài)控制、智能負(fù)載控制等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同負(fù)載、不同動(dòng)態(tài)的精度保持。針對(duì)曲面加工，包含精優(yōu)曲面、臻優(yōu)曲面、Top Speed等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)曲面的高精度加工，同時(shí)還提供機(jī)床數(shù)字孿生等仿真技術(shù)。發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)具備切削負(fù)載監(jiān)控、AI輪廓控制等功能，海德漢系統(tǒng)提供高級(jí)動(dòng)態(tài)預(yù)測功能，均能實(shí)現(xiàn)曲面的高精度加工。華中9型數(shù)控系統(tǒng)具備負(fù)載自適應(yīng)、iSurfine智優(yōu)曲面、Cyber-Milling等智能化技術(shù)。廣數(shù)GSK27i提供智能主軸負(fù)載自適應(yīng)等功能。

整體來看，近些年國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)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(shù)字孿生、虛擬仿真、數(shù)字化調(diào)試等方面還有差距。

2．建議國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)加強(qiáng)智能化技術(shù)的研究

為了追趕國外高端數(shù)控系統(tǒng)，建議國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)將智能化技術(shù)列為研究重點(diǎn)，通過不斷的技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)一步提升數(shù)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(duì)智能數(shù)控系統(tǒng)、智能功能部件和智能優(yōu)化、智能補(bǔ)償、健康保障等工業(yè)應(yīng)用軟件和數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研發(fā)和應(yīng)用。

3．建議國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)加強(qiáng)與機(jī)床企業(yè)聯(lián)合推廣智能化技術(shù)

數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，機(jī)床整體性能的提升離不開數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床主機(jī)、其他功能部件的協(xié)同。建議國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)加強(qiáng)與主機(jī)企業(yè)的技術(shù)交流，在他們的支持下，改進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)方法，合作推出市場需要的具備更多智能化功能的高端機(jī)床。