導讀

INTRODUCTION

由于數控技術是高度市場化條件下競爭發(fā)展起來的，其前沿數控技術的研究與開發(fā)主要集中于知名數控系統(tǒng)企業(yè)中，呈現(xiàn)出了百花齊放、百家爭鳴的良好局面。

作為機床、機器人等主機設備的大腦，數控系統(tǒng)須與之配套使用才可以發(fā)揮效用。從數控系統(tǒng)企業(yè)與主機廠的關系來看，數控系統(tǒng)產業(yè)主要有3種發(fā)展模式。 （1）西門子模式。其主要特點是數控系統(tǒng)企業(yè)專注于生產各種規(guī)格的數控系統(tǒng)，提供各種標準型的功能模塊，為全世界的主機廠提供批量配套。這種模式的優(yōu)點是：主機廠和數控系統(tǒng)企業(yè)發(fā)揮各自的優(yōu)勢，有利于形成專業(yè)化、規(guī)?；a。缺點是：數控系統(tǒng)企業(yè)和主機廠為買賣關系，雙方結合不夠緊密，主機廠缺乏意愿將知識產權分享給數控系統(tǒng)廠。 （2）哈斯模式。主機廠獨立開發(fā)數控系統(tǒng)，并與其自產的主機裝備配套銷售。這種模式的優(yōu)點是：主機銷售帶動數控系統(tǒng)推廣。其缺點是：主機廠獨有品牌的數控系統(tǒng)很難被其它主機廠選用。 （3）馬扎克模式。主機廠在數控系統(tǒng)企業(yè)提供的開發(fā)平臺上，研發(fā)自主品牌的數控系統(tǒng)，與其主機配套銷售。這一模式既避免了 “西門子模式”和 “哈斯模式”的缺點，又發(fā)揚了其自身的優(yōu)點。這使得主機廠所需要的特殊控制要求、加工工藝和使用特色可方便地融入到數控系統(tǒng)中。主機廠用較少的投入，可形成自己的特色技術、知識產權和數控系統(tǒng)產品。主機廠自主品牌的數控系統(tǒng)的推廣，還可以進一步強化主機廠的品牌，增加用戶對主機廠的忠誠度，降低主機廠采購數控系統(tǒng)的成本，同時帶動數控系統(tǒng)產業(yè)的發(fā)展。 近二三十年來，隨著科技的進步和信息化水平的提升，數控技術也在不斷進步與演化。從數控系統(tǒng)的發(fā)展歷程來看，其技術可以分為三個階段：數字化技術、網絡化技術及智能化技術。

數控系統(tǒng)數字化技術 隨著人們制造精度、效率、成本控制等方面的要求不斷提高，數控系統(tǒng)必須具有全閉環(huán)、高速高精、多軸聯(lián)動與多通道和誤差補償等高端功能。數控系統(tǒng)的數字化技術主要解決用數控系統(tǒng)替代人的體力勞動和少部分腦力勞動，以實現(xiàn)對數控裝備的高效精確控制，提高數控裝備的可靠性、加工質量和效率，縮短生產周期，滿足制造業(yè)高水平發(fā)展的要求。 針對數控系統(tǒng)的數字化技術，目前國內外數控系統(tǒng)企業(yè)進行了廣泛的工業(yè)實踐。 發(fā)那科的Series 0i MODEL F、Series 0i MODEL F Plus數控系統(tǒng)是具有先進伺服技術的CNC系統(tǒng)，能進行納米級的精密運算。基于該類數控系統(tǒng)，發(fā)那科推出ROBONANOα-NMiA超精密加工機，將0.1nm指令應用于加工程序和超精密插補中，結合發(fā)那科超精密控制技術，可加工手表和光電子元器件等高精密部件以及生物醫(yī)藥行業(yè)產品。圖1是應用α-NMiA的0.1nm指令與其前期1nm指令的加工表面輪廓的對比，可看出α-NMiA的0.1nm指令可顯著提高加工輪廓的精度及質量。

圖1 ROBONANO α-NMiA的0.1nm指令與1nm指令加工質量對比 三菱的M800/M80系列數控系統(tǒng)具有漸開線插補功能，能創(chuàng)建平滑高精的漸開線指令軌跡。M800/M80/C80的SSS-4G高精度控制功能，能有效抑制機械振動，縮短加工時間，平滑加工軌跡，實現(xiàn)高速高精加工。圖2所示為三菱M70數控系統(tǒng)（未采用SSS-4G高精控制功能）與M80數控系統(tǒng)（采用SSS-4G高精控制功能）對于轉角平滑控制的對比圖，對比結果證明基于規(guī)范模型的前饋控制，能實現(xiàn)更平滑的高精伺服控制。

圖2 三菱M80的SSS-4G功能用于轉角平滑控制

西門子SINUMERIK 840Dsl系列數控系統(tǒng)采用模塊化結構設計，軟硬件的靈活搭配可滿足多種設備及生產環(huán)境的需求。SINUMERIKMDynamic工藝包提供CAD/CAM解決方案，集成了完整的銑削技術，包括精優(yōu)曲面的創(chuàng)新型運動控制技術，以適應五軸銑削加工。SINUMERIK 840Di sl數控系統(tǒng)可按照個性化的操作方式和理念，改變人機界面（HMI），可在數控核心部分使用標準開發(fā)工具對用戶指定的系統(tǒng)循環(huán)和功能宏進行調整。 此外，德國海德漢的TNC530、TNC640系列TNC控制器，采用全新的微處理器結構，具有強大的計算能力，可控制12軸聯(lián)動；法國施耐德NUM的AxiumPower數控系統(tǒng)，采用了先進的數字信號處理技術，適用于高速高精控制；法格（Fagor）CNC8070高檔數控系統(tǒng)可以控制多達28個進給軸（聯(lián)動）、4個主軸、4個刀庫和4個執(zhí)行通道。 國產數控系統(tǒng)華中數控HNC-848D具有五軸聯(lián)動、高速高精、多軸多通道控制、雙軸同步控制等數字化技術核心功能，如圖3所示的五軸RTCP功能和圖4所示的納米插補功能。沈陽高精GJ400數控系統(tǒng)采用高性能開放式體系結構，可安裝多種操作系統(tǒng)，支持二次開發(fā)，采用高性能刀片式處理器模塊，最小指令單位到達0.001μm。大連光洋GNC60數控系統(tǒng)采用基于光纖介質的高速數控現(xiàn)場總線GLINK2.0，具備高速實時信息點對點傳輸功能和多軸聯(lián)動多通道控制技術，最多可支持 8通道128軸同步控制，同時支持雙軸同步驅動控制、高速高精等控制功能。

圖3 華中8型數控系統(tǒng)RTCP功能開啟前后對比

圖4 華中8型數控系統(tǒng)納米插補功能開啟前后對比

凱恩帝K2000TFi系列高檔車銑復合數控系統(tǒng)，采用全新的硬件平臺，具備高速高精功能，最多可控制8個進給軸；K2000GCi系列總線式高檔磨床數控系統(tǒng)，支持二次開發(fā)，采用ARM9微處理器系統(tǒng)內部控制精度可達1nm、位置精度可達0.1μm級。這兩個系列數控系統(tǒng)都能實現(xiàn)高速控制，工作臺快速移動速度最高可達240m/min，進給速度可達60m/mim。 北京精雕JD50數控系統(tǒng)采用自主研發(fā)的CAD/CAM軟件SurfMill8.0、JDSoft ArtForm3.0編程，集CAD/CAM技術、數控技術、測量技術為一體，擁有三維造型、多軸定位加工、在機測量與智能修正、四軸旋轉加工、曲面造型與模型修補等功能，擴展了數控系統(tǒng)的加工范圍，提高了產品加工的質量與效率。圖5展現(xiàn)了JDSoft ArtForm3.0軟件將3D對象掃描簡化為浮雕掃描的過程。配備JD50數控系統(tǒng)的JDGR400、JDGR200V等系列五軸高速加工中心和JDLVM400P高光加工機，主軸最高轉速可達28000～36000r/min，具有0.1μm進給和1μm切削能力，加工的高光產品表面粗糙度可達Ra20nm。

圖5 JDSoft ArtForm3.0將3D對象掃描簡化為浮雕掃描

廣州數控的GSK25i系列加工中心數控系統(tǒng)，采用新一代CNC控制器，采用總線控制，支持8軸5聯(lián)動，最大進給速度可達200m/min；GSK 980MDi系列鉆銑床數控系統(tǒng)最多支持6軸6聯(lián)動控制，控制精度可達0.1μm；GSK27系列數控系統(tǒng)采用多處理器，可實現(xiàn)納米級插補，支持最大8通道和64軸控制。 臺灣地區(qū)數控系統(tǒng)最具代表性的企業(yè)有寶元和新代。新代的220系列多軸車銑復合數控系統(tǒng)，增加了五軸聯(lián)動及RTCP功能，能滿足車銑復合機床多軸聯(lián)動的需求，實現(xiàn)高精曲面復雜加工。寶元LNC-M6800D數控系統(tǒng)支持EtherCAT等多種現(xiàn)場總線與伺服連接，最多可實現(xiàn)6通道32軸聯(lián)動，其二次開發(fā)平臺APAC系列具有強大的內建功能，高度的開放性與整合能力，客戶可以自行開發(fā)多種功能，快速與各種系統(tǒng)或周邊擴充組件進行整合。 數控系統(tǒng)的數字化技術主要在于利用高速高精、多軸多通道等數控系統(tǒng)高級功能保證零件加工的精度和效率。目前，數字化階段中所涉及到現(xiàn)場總線、二次開發(fā)、高速高精、多軸多通道等關鍵技術的發(fā)展已經相對成熟，它們可用來替代人的體力勞動和部分腦力勞動，控制設備高效、精確地完成加工任務。

數控系統(tǒng)網絡化技術 計算機技術及信息通信技術與數控技術的融合，促進數控技術向網絡化方向發(fā)展。與數字化技術相比，數控系統(tǒng)網絡化技術主要在于利用網絡化信息技術及智能傳感技術，增強系統(tǒng)及設備的感知能力和互聯(lián)互通能力，將人的部分感知及知識賦予型腦力勞動交由數控系統(tǒng)完成，實現(xiàn)對制造信息的縱向整合，提高設備利用率和制造效率。 數控系統(tǒng)網絡化的基礎是統(tǒng)一標準的接口，系統(tǒng)中的各個功能模塊可通過接口和通信協(xié)議實現(xiàn)連接。當前，數控系統(tǒng)網絡化的一個重要方面是互聯(lián)互通協(xié)議的發(fā)展。美國機械制造技術協(xié)會（AMT）提出MT-Connect協(xié)議，用于機床等數控設備的互聯(lián)互通。德國機床制造商協(xié)會（VDW）基于通信規(guī)范OPC統(tǒng)一架構（UA）的信息模型，制定了德國版的數控機床互聯(lián)通訊協(xié)議Umati。中國機床工具工業(yè)協(xié)會提出的NC-Link協(xié)議，能實現(xiàn)數控機床及其它智能化制造設備的互聯(lián)互通。 作為數控技術研究的重點發(fā)展方向，當前國內外主流數控系統(tǒng)大多具有一定的網絡化功能。 馬扎克早在1998年就推出的MAZATROL FUSION 640，是世界上首款應用CNC技術與PC技術融合的數控系統(tǒng)，可為機床企業(yè)實現(xiàn)網上維修服務，初步實現(xiàn)了數控系統(tǒng)的網絡化?；赟mooth技術的MAZATROL Smooth系列數控系統(tǒng)采用標準網絡接口，使單機和FMS系統(tǒng)都能與刀具管理軟件利用網絡進行數據共享。馬扎克的iSMART Factory（智能工廠）如圖6所示，采用全數字集成的先進制造單元和系統(tǒng)，利用IoT技術，基于MT-Connect協(xié)議建立龐大的全球生產服務體系，能收集來自不同生產車間、單元、設備的數據，使技術、銷售、生產及管理等部門之間的信息建立共享，實現(xiàn)實時生產管理與遠程監(jiān)控。

圖6 馬扎克智能工廠

發(fā)那科的30i系列數控系統(tǒng)（包括30i，31i，32i和35i）具有豐富的信息化功能，可提供遠程桌面功能，支持工業(yè)網絡和現(xiàn)場網絡，可實現(xiàn)工廠級機床及數據的集中管理。Series 0i MODEL F、Series 0i MODEL F Plus系列數控系統(tǒng)，可通過以太網及現(xiàn)場網絡對周邊設備的控制和傳感信息進行收集，實現(xiàn)多種周邊設備的連接，實現(xiàn)信息可視化和工廠內的機床的可視化，提高運轉效率。圖7為發(fā)那科的Field系統(tǒng)，利用物聯(lián)網和大數據，可對數控設備進行監(jiān)控和分析。發(fā)那科的零停機時間（ZDT）功能可通過電腦或移動端實時查看設備工作狀態(tài)、生產信息、診斷信息及保養(yǎng)計劃，避免停機的發(fā)生，機床遠程診斷功能可通過互聯(lián)網進行遠距離故障診斷，

有效減少勞動力成本，提高企業(yè)的服務效率。

圖7 發(fā)那科Field系統(tǒng)

西門子SINUMERIK 808D、828D及840Dsl系列數控系統(tǒng)，將RFID技術應用于刀具管理，實現(xiàn)對每一把刀具的識別與追蹤，并采用視頻顯示技術和手機SMS技術，以支持對數控機床的監(jiān)控與維護。西門子的PLM（產品生命周期管理）軟件能將虛擬與現(xiàn)實生產緊密結合，對創(chuàng)意、設計及加工制作過程進行網絡化信息管理。通過圖8所示的基于云的物聯(lián)網系統(tǒng)MindSphere，企業(yè)可便捷訪問各類設備終端，利用MindSphere大量的工業(yè)應用與數字化服務，可為企業(yè)提供如預防性維護、能源數據管理以及資源優(yōu)化等方面的服務。

圖8 西門子MindSphere系統(tǒng)

此外，德瑪吉CELOS數控系統(tǒng)可將機床接入企業(yè)信息化網絡，連接CAD/CAM、MES、ERP及PDM等信息化軟件，實現(xiàn)產品從設計、生產到售后服務的數字化、網絡化與智能化。力士樂的IndraMotion MTX數控系統(tǒng)，結合了智能化Indra Drive系列驅動系統(tǒng)，具備集成網絡功能，結合博世OpCon MES制造執(zhí)行系統(tǒng)平臺，通過人、設備與產品的實時互聯(lián)與有效溝通，構建高度靈活網絡化制造模式。 除國外數控系統(tǒng)的網絡化技術外，國產數控系統(tǒng)企業(yè)也掌握了相關技術。 華中數控開發(fā)了數控系統(tǒng)云平臺（iNC-Cloud）如圖9所示，面向數控機床/系統(tǒng)用戶打造以數控系統(tǒng)為中心的網絡化和智能化的服務平臺。華中數控云平臺能建立安全可靠、高效智能的云數據中心，通過大數據智能分析、數據統(tǒng)計、數據可視化等技術，實現(xiàn)生產過程的智能監(jiān)控、維護與管理。

圖9 華中數控云管家iNC-Cloud 沈陽機床的i5智能數控系統(tǒng)，有效集成了工業(yè)化（industry）、信息化（information）、網絡化（internet）、智能化（integrate）和集成化（intelligent）。i5可與iSESOL（i-SmartEngineering & Services Online）云制造平臺高效集成。iSESOL云制造平臺如圖10所示，能使機床形成互聯(lián)應用框架，所有的i5智能設備均可通過iPort協(xié)議接入iSESOL網絡，非i5的設備（如OPC-UA終端或者MT-Connect終端）則可通過iPort網關接入iSESOL網絡。

圖10 沈陽機床iSESOL云制造平臺

寶元數控的WebAccess云端系統(tǒng)，可連接智能工廠中包括發(fā)那科、西門子等在內的各種品牌的數控設備，自動建立數據資料庫，提供云端服務。其T5800系列高速高精車床數控系統(tǒng)支持EtherCAT標準通訊協(xié)議，可連接多種即時智能感測模塊，搭配WebAccess云端系統(tǒng)可在各站間形成彼此串聯(lián)監(jiān)控，協(xié)助用戶快速打造工業(yè)4.0工廠。 綜上，網絡化數控系統(tǒng)可以把孤島式的加工單元集成到同一個系統(tǒng)中，可實現(xiàn)各種加工設備、子系統(tǒng)、應用軟件等集成，使之可以進行互聯(lián)和互操作，實現(xiàn)資源的集中利用，以達到組織結構及運行方式的最優(yōu)化。網絡化數控技術不僅可以提高數控設備的生產效率及加工質量，還可以對設備進行遠程監(jiān)控和診斷，通過制造資源共享，實現(xiàn)虛擬設計、虛擬制造等，縮短產品研發(fā)制造周期，提高企業(yè)快速響應市場變化的能力。 盡管網絡化數控系統(tǒng)已經發(fā)展了10多年，也取得了一定的研究和實踐成果，但到目前為止，也只是實現(xiàn)了一些簡單的數據和信息的感知、分析、反饋和控制，遠沒有達到真正替代人類腦力勞動的智能化階段。

數控系統(tǒng)智能化技術 數控系統(tǒng)的智能化主要表現(xiàn)形式就是其眾多的智能化功能，總的來說，它們可分為質量提升、工藝優(yōu)化、健康保障和生產管理這四大類，主要目標在于實現(xiàn)數控加工的優(yōu)質、高效、可靠和低耗。 目前，日本、德國等數控強國在數控系統(tǒng)的智能化技術方面取得了一定的進展。 馬扎克的第六代數控系統(tǒng)MAZATROL MATRI X，實現(xiàn)了主軸監(jiān)測、自主反饋、車削工作平臺動態(tài)平衡等7項智能化功能?；赟mooth技術的第七代數控系統(tǒng)MAZATROL Smooth X，如圖11所示，配備19in觸摸屏操作面板，對主要應用模塊分區(qū)，使操作更直觀，具有防振動、熱補償、智能校準、智能送料等12項智能化功能。

圖11 馬扎克MAZAKTROL Smooth X數控系統(tǒng) 德瑪吉CELOS數控系統(tǒng)采用21.5in多點觸控智能化人機界面，具有如圖12所示從設計、規(guī)劃到生產、監(jiān)測和服務的CELOS應用程序，可實現(xiàn)智能化刀具管理、數據文件管理、狀態(tài)監(jiān)測及遠程診斷等智能化功能。CELOS系統(tǒng)還可將車間與公司高層組織整合在一起，為持續(xù)數字化和無紙化生產奠定基礎，實現(xiàn)數控系統(tǒng)的網絡化智能化。此外，德瑪吉與舍弗勒共同開發(fā)的智能機床——DMC 80 FD douBLOCK車銑復合加工中心，利用傳感器對機床狀態(tài)及工藝大數據實時采集，并在云端對大數據進行分析處理，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控、健康保障、工藝優(yōu)化等智能化功能。

圖12 德瑪吉CELOS數控系統(tǒng)應用程序

大隈的OPS-P300A數控系統(tǒng)安裝了大量應用軟件，能優(yōu)先考慮加工現(xiàn)場的操作便捷性，提升了現(xiàn)場能力智能。其操作面板采用多點觸控，可對數據表及程序文件等進行輕松便捷的操作。同時，它擁有幾何誤差測量與補償、熱誤差測量與補償、伺服控制優(yōu)化、加工條件導航、機床防碰撞及進給軸狀態(tài)AI自診斷等多項智能化功能，圖13所示為該數控系統(tǒng)的進給軸狀態(tài)AI自診斷功能。

圖13 OPS-P300A數控系統(tǒng)進給軸狀態(tài)AI自診斷

發(fā)那科的Series 0i MODEL F、Series0i MODEL F Plus數控系統(tǒng)具備多項智能化功能，如圖14所示，針對進給軸，可實現(xiàn)智能加減速、智能重疊、智能反向間隙補償、智能機床前端點控制等；針對主軸，可進行智能剛性攻絲、智能溫度控制、智能主軸負載控制以及智能主軸加減速和智能負載表等。

圖14 發(fā)那科Series 0i-MODEL F Plus數控系統(tǒng)典型智能化功能 此外，西門子開發(fā)的數控機床數字孿生，可在加工制造過程中根據實際加工條件，對工件進行智能化編程和參數調試優(yōu)化。海德漢的TNC640數控系統(tǒng)可拓展雙屏顯示；能進行高級動態(tài)預測、自適應控制及顫振控制，實現(xiàn)高速輪廓銑削；可進行關聯(lián)軸補償、運動自適應控制、動態(tài)減振，實現(xiàn)動態(tài)高精加工；能實現(xiàn)動態(tài)碰撞檢測、在線監(jiān)測診斷與調試等。 國產數控系統(tǒng)在智能化技術方面也取得了一定的成果。沈陽機床i5智能數控系統(tǒng)具有智能誤差矯正、智能診斷、智能主軸控制等多項智能化功能。華中數控HNC-848D數控系統(tǒng)擁有包含熱誤差補償、智能刀具壽命管理、機床健康保障、加工工藝參數優(yōu)化、智能高速高精加工等多項智能化功能的App中心。寶元2018年推出的智能傳感器SVI系列如圖15所示，可獲取加工過程中的關鍵數據并進行分析、判斷及預警，具備內建FFT頻域轉換、主軸診斷等多種功能，為數控系統(tǒng)添加智能元素。寶元的IFC（Industry 4.0 Controller）智能平臺可搭配Ether IO來連接振動、溫度、壓力等傳感器，獲取實時精準的加工數據并進行分析判斷，控制設備做出相應響應實現(xiàn)智能化。

圖15 寶元智慧感測器SVI系列及其應用

綜上可知，數控系統(tǒng)的智能化技術已經初步呈現(xiàn)。一方面，它提供了如智能手機、平板電腦似的智能化人機交互手段，并利用人工智能、物聯(lián)網、大數據等新一代信息技術，形成了諸多智能化功能，如智能化監(jiān)控與診斷、智能化誤差補償和智能化信息管理等。另一方面，通過開發(fā)功能強大的軟硬件設備與平臺，使數控系統(tǒng)進一步朝著智能化方向發(fā)展，通過打造個性化的數控系統(tǒng)和大數據云平臺，實現(xiàn)數控加工全生命周期的技術支持與服務。