【機(jī)床商務(wù)網(wǎng)欄目 展會(huì)快報(bào)】2019年4月15-20日，在北京中國展覽中心(新館)，來自28個(gè)和地區(qū)的1700多家展商，相聚在第十六屆中國機(jī)床展覽會(huì)(CIMT2019)。本屆盛會(huì)以“融合共贏智造未來”為主題，旨在促進(jìn)境內(nèi)外機(jī)床工具企業(yè)之間、機(jī)床工具企業(yè)與用戶之間的交流與合作，探討未來智能制造之路。展會(huì)主題也響應(yīng)了國內(nèi)外機(jī)床工具消費(fèi)市場的新變化，凝練了國內(nèi)外機(jī)床工具產(chǎn)業(yè)對未來發(fā)展方向的關(guān)注和思考。
數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，同時(shí)承擔(dān)輸入輸出和驅(qū)動(dòng)控制功能。數(shù)控系統(tǒng)不僅是機(jī)床的控制器，也是工廠和車間信息化的基礎(chǔ)。數(shù)控系統(tǒng)是智能制造的關(guān)鍵部件，現(xiàn)代智能制造對數(shù)控系統(tǒng)提出了新要求。
數(shù)控系統(tǒng)具有5軸以上聯(lián)動(dòng)的控制能力，多通道，全數(shù)字高速實(shí)時(shí)總線，豐富的插補(bǔ)及運(yùn)動(dòng)控制功能，智能化的編程和遠(yuǎn)程維護(hù)診斷。在本文評(píng)述中，圍繞數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，主要從以下方面進(jìn)行闡述。
一、數(shù)控系統(tǒng)智能化技術(shù)特點(diǎn)分析
1、操作智能化
圖形化操作界面、圖形化按鈕及觸摸屏的采用，簡化了操作過程和對操作者的培訓(xùn)。具有多點(diǎn)觸控操作，大觸摸屏人機(jī)界面成為數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)配。
德馬吉森精機(jī)公司(DMG MORI)的人機(jī)界面CELOS操作簡單，操作數(shù)控系統(tǒng)如同使用智能手機(jī)一樣簡單，能將所有機(jī)床與公司組織(ERP、PPS、MES)連接在一起，用特有的方式將機(jī)床全面接入公司的網(wǎng)絡(luò)中。采用21.5″多點(diǎn)觸摸顯示屏，并具有圖標(biāo)及手勢操作的用戶界面。CELOS是一個(gè)獨(dú)立于數(shù)控系統(tǒng)及加工技術(shù)的軟件系統(tǒng)，能改善人與機(jī)床之間的互動(dòng)。DMG MORI新數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床操作面板也采用多點(diǎn)觸控控制面板，只有急停、倍率、手輪、循環(huán)啟動(dòng)和保持等涉及安全、使用頻率高、手感好的傳統(tǒng)開關(guān)得以保留。
三菱M800系列數(shù)控系統(tǒng)控制器采用19寸立式電容式觸摸屏和顯示器，與智能手機(jī)和平板終端一樣，可直觀地進(jìn)行舒適操作，而且系統(tǒng)控制器單元厚度僅50mm。海德漢TNC 640數(shù)控系統(tǒng)采用15寸或19寸觸摸屏?？梢杂檬謩莶僮?，直接移動(dòng)3D測試圖形中的仿真工件，直接在觸摸屏上的軟件進(jìn)行操作，更快地瀏覽NC程序。
西門子、發(fā)那科(FANUC)、華中數(shù)控的人機(jī)界面采用大屏和觸摸屏，甚至機(jī)床操作面板也采用觸摸屏，字母和數(shù)字編輯鍵采用觸摸式，或者另外搭配標(biāo)準(zhǔn)的PC鍵盤。西門子的smartMobile系統(tǒng)，即使操作人員不在車間，仍可以獲知顯示在智能手機(jī)、平板電腦或PC上的操作信息。FANUC 31i-B PANEL iH Pro 采用21.5寸寬屏LCD觸摸屏，無需外接鍵盤和NC操作面板。
3D仿真與防碰撞功能在國外數(shù)控系統(tǒng)屢屢看到。
2、智能加工技術(shù)
加工智能化是對加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，自主地對工況變化進(jìn)行決策，調(diào)整加工參數(shù)以適應(yīng)工況變化，大限度地發(fā)揮機(jī)床和刀具的潛力，提高生產(chǎn)效率，延長刀具的壽命。
FANUC在展會(huì)上以圖板和顯示器介紹了其產(chǎn)品擁有的智能加工技術(shù)，包括表面精細(xì)處理技術(shù)、加工技術(shù)、智能進(jìn)給軸加減速、智能剛性攻絲、智能自適應(yīng)控制、智能機(jī)床控制、智能反向間隙補(bǔ)償和智能機(jī)床前端點(diǎn)控制功能，展示其強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力。
赫克數(shù)控系統(tǒng)以獨(dú)特的加工路徑算法，實(shí)現(xiàn)高速、大切削量的高精密加工。
3、人機(jī)界面的二次開發(fā)
不同的機(jī)床用戶，有不同的需求，針對自己的機(jī)床和工藝要求，用戶可以自行定制圖形界面，編制加工工藝。
西門子數(shù)控系統(tǒng)提供擴(kuò)展用戶接口和西門子開發(fā)的專業(yè)組態(tài)軟件類的人機(jī)界面。擴(kuò)展用戶接口，即在記事本中進(jìn)行配置編寫代碼。FANUC通用界面開發(fā)方法有使用宏程序執(zhí)行器、C語言執(zhí)行器、FANUC圖形編輯器。
本屆展會(huì)，特別是在磨床、齒輪機(jī)床所配的數(shù)控系統(tǒng)，都進(jìn)行了二次開發(fā)，將加工工藝通過圖示界面顯示出來。新代提供eHMI快速開發(fā)客制頁面，用戶可以自行定義人機(jī)函數(shù)庫，包括坐標(biāo)顯示頁面、執(zhí)行加工頁面、歷史報(bào)警頁面等。
4、智能伺服驅(qū)動(dòng)、高速主軸電機(jī)與直驅(qū)技術(shù)
展會(huì)上的高速加工中心呈現(xiàn)的性能指標(biāo)有，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到16000r/min以上，進(jìn)給速度達(dá)到30m/min以上，快速移動(dòng)速度達(dá)到60m/min以上。北京精雕的雕刻中心JDGR200，主軸高轉(zhuǎn)速達(dá)到32000r/min，采用在線測量和智能修正技術(shù)，在生雞蛋上雕刻圖形。
要達(dá)到高速加工性能，離不開高性能主軸和進(jìn)給電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器。
西門子SINAMICS S120 Combi伺服驅(qū)動(dòng)器，由一個(gè)電源模塊與多四個(gè)電機(jī)模塊組成。通過智能擴(kuò)展還可以再添加兩個(gè)電機(jī)模塊，可以帶動(dòng)15kW的主軸電機(jī)和5個(gè)進(jìn)給電機(jī)。可以控制SIMOTICS系列伺服電機(jī)、直線電機(jī)、力矩電機(jī)、減速電機(jī)。有效避免彈性效應(yīng)、齒隙和摩擦效應(yīng)以及固有振蕩的影響。FANUC通過伺服HRV+控制(速度環(huán)優(yōu)化)，提高抑制外部干擾的能力，減小軌跡誤差，進(jìn)一步提高加工表面品質(zhì)。
FANUC展示其直線電機(jī)樣品，F(xiàn)AGOR提出其直驅(qū)解決方案。
5、工業(yè)機(jī)器人、桁架送料機(jī)與數(shù)控機(jī)床緊密配合
在多個(gè)展臺(tái)，都能看到ABB、庫卡(KUKA)、發(fā)那科、安川的工業(yè)機(jī)器人在多臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間忙碌著，實(shí)現(xiàn)無人值守的智能加工生產(chǎn)線。
三菱在數(shù)控系統(tǒng)編寫機(jī)器人的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控對機(jī)器人的控制，使數(shù)控和機(jī)器人緊密配合。
二、數(shù)控系統(tǒng)的多軸數(shù)、多通道、多主軸復(fù)合控制
1、多軸數(shù)、多通道、多主軸復(fù)合控制
本次展會(huì)上，無論是5軸聯(lián)動(dòng)的加工中心，或是縱切機(jī)床，或5軸工具磨床，為了高精度、率加工，都追求一次裝夾就可加工成形，實(shí)現(xiàn)車、銑、鏜、鉆、攻絲的復(fù)合加工。
西門子840D sl大支持30個(gè)通道，93個(gè)控制軸數(shù)(NC軸+主軸)以及任意數(shù)量的PLC軸。三菱M800系列大支持8個(gè)通道，32個(gè)控制軸數(shù)(NC軸+主軸+PLC軸)，大8個(gè)主軸，每個(gè)通道控制大12個(gè)NC軸，大聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為8軸。FANUC 30i-B大支持10個(gè)通道，40個(gè)控制軸數(shù)(NC軸+主軸+PLC軸)，大8個(gè)主軸。華中848大支持10個(gè)通道，80個(gè)控制軸數(shù)(64個(gè)NC軸+主軸+PLC軸)，通道內(nèi)大4個(gè)主軸，每個(gè)通道控制大9個(gè)NC軸，大聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為9軸。廣州數(shù)控27i大支持18個(gè)通道，100個(gè)控制軸數(shù)(72個(gè)NC軸+主軸+PLC軸)，通道內(nèi)大4個(gè)主軸，每個(gè)通道控制大9個(gè)NC軸，大聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為9軸。
2、5軸聯(lián)動(dòng)及RTCP功能
很多機(jī)床廠商都把5軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床當(dāng)作主打產(chǎn)品，5軸聯(lián)動(dòng)以上的機(jī)床以及加工中心，在展臺(tái)的加工示例中，主要都是加工如螺旋槳葉片、大型圓錐斜齒輪等復(fù)雜形狀的零件，而且加工精度高，效率高；還有如一次裝夾，就可以完成全部加工過程的車銑加工中心，*提高了加工效率，而且機(jī)床剛性強(qiáng)，精度高。不只國外廠商，國內(nèi)廠商的數(shù)控機(jī)床中也有很多這樣的產(chǎn)品，可見這也是一種數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢。
5軸聯(lián)動(dòng)已經(jīng)是數(shù)控系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。目前，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)中，廣州數(shù)控的25iM、華中數(shù)控的848D，都研發(fā)出5軸聯(lián)動(dòng)及RTCP，打破國外數(shù)控系統(tǒng)的5軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)雙轉(zhuǎn)臺(tái)、雙擺頭和轉(zhuǎn)臺(tái)擺頭RTCP功能。
新代數(shù)控系統(tǒng)提出5軸加工平滑功能——平滑刀尖點(diǎn)控制功能(SMTCP)，可對CAM軟件生成的不理想路徑進(jìn)行刀具姿態(tài)及刀具路徑的平滑，使整個(gè)加工過程及表面更加平順，尤其對于使用刀具側(cè)面刀刃部位進(jìn)行加工，*。
三、數(shù)控系統(tǒng)的高速度、高精度控制
要進(jìn)行高速高精曲面的加工，減小插補(bǔ)誤差，必須縮短插補(bǔ)周期。展會(huì)上，廣州數(shù)控27i采用工控機(jī)硬件平臺(tái)，插補(bǔ)周期為0.125-2ms可選，支持納米插補(bǔ)；華中數(shù)控HNC-818D數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期為0.125-4ms可選；科德數(shù)控的GNC60小插補(bǔ)周期0.125ms。借助高性能的CPU和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是完全可以實(shí)現(xiàn)0.125ms及以下的短插補(bǔ)周期。
由于高速高精加工對精度和表面質(zhì)量的高要求，使得傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)以微米為小控制單位進(jìn)行插補(bǔ)和運(yùn)動(dòng)控制，已經(jīng)不能滿足要求。西門子采用80位浮點(diǎn)計(jì)算精度，F(xiàn)ANUC30i和三菱M800、M700等系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了納米插補(bǔ)功能。以納米為單位來計(jì)算位置指令，使機(jī)床平滑移動(dòng)并提高機(jī)床加工精度和表面質(zhì)量。
本屆展會(huì)上，美國赫克WinMax控制系統(tǒng)基于軟件工程學(xué)的算法理論，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡和進(jìn)給率的動(dòng)態(tài)控制算法；無限超前預(yù)讀——系統(tǒng)在運(yùn)行當(dāng)前程序段的同時(shí)，讀入并處理之后超過10000個(gè)程序段，規(guī)劃刀具路徑，優(yōu)化加工策略，獲得優(yōu)加工效果?？焖俟战翘幚砜蓽p少50%的振動(dòng)和振紋，運(yùn)動(dòng)更流暢，提高復(fù)雜曲面的加工效果和效率。赫克WinMax控制系統(tǒng)提供的優(yōu)化刀具路徑的方案——自適應(yīng)刀路AdaptiPath，其工作原理是根據(jù)刀具負(fù)載自動(dòng)控制刀具路徑。
西門子對于自由曲面加工，在短的時(shí)間里執(zhí)行由大量小線段組成的加工程序，加工速度的快慢取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能。西門子數(shù)控系統(tǒng)采用精優(yōu)曲面和臻優(yōu)曲面控制技術(shù)，結(jié)合前瞻預(yù)讀功能，同時(shí)考慮向前和向后的加工路徑，確保的表面加工質(zhì)量并進(jìn)一步提高加工速度，借助創(chuàng)新的優(yōu)化壓縮器功能，可實(shí)現(xiàn)佳的輪廓精度和快的處理速度。
海德漢TNC 640數(shù)控系統(tǒng)的程序段處理時(shí)間0.5ms，根據(jù)主軸功率調(diào)整輪廓加工進(jìn)給速率自適應(yīng)進(jìn)給控制。
三菱的 M800系列處理微小線段的能力270k程序段/min，即程序段處理時(shí)間0.22ms。它的“可變加速度插補(bǔ)前加減速功能”，大限度地發(fā)揮各軸的特性并進(jìn)行優(yōu)化。比如，僅直線軸工作時(shí)，不受旋轉(zhuǎn)軸響應(yīng)性影響即可加速。
CAD/CAM軟件生成的線性刀軌，由于其為非連續(xù)性的刀路軌跡，對于加工速度、工件表面質(zhì)量、機(jī)床穩(wěn)定性都會(huì)有一定的影響，尤其是在軟件中設(shè)定的加工精度及公差不佳的情況下，新代數(shù)控系統(tǒng)的高精軌跡輪廓控制HPCC功能，使用合適曲線將線性刀軌擬合為連續(xù)軌跡，且在加工速度的規(guī)劃上不再受限于不連續(xù)的程序段，從而得到優(yōu)良的加工質(zhì)量。
NURBS樣條曲線插補(bǔ)在系統(tǒng)是必備功能，實(shí)現(xiàn)微線段過渡、微線段整體擬合、微線段壓縮逼近功能，提高曲面表面質(zhì)量。北京精雕展示了曲面鏡面加工，對樣條的處理有獨(dú)到之處。國產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)，如廣州數(shù)控的25iM、華中數(shù)控iNC、科德數(shù)控GNC60、新代220M都有樣條曲線插補(bǔ)功能。
四、數(shù)控系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合
1、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）與數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，打造數(shù)字化工廠
物聯(lián)網(wǎng)是通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物物獨(dú)立相聯(lián)的具有連通性的物體網(wǎng)絡(luò)，物體連接到基于云的服務(wù)器，之后在此服務(wù)器上收集、連接和分析數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)擁有提高工業(yè)過程生產(chǎn)率的巨大潛力。
數(shù)控系統(tǒng)作為機(jī)床的大腦，提供用于優(yōu)化生產(chǎn)流程的重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及用于機(jī)床預(yù)防性維護(hù)的機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)。
西門子的MindSphere是基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，即使是小規(guī)模聯(lián)網(wǎng)的CNC加工企業(yè)也能夠生成“智能數(shù)據(jù)”，可將西門子的數(shù)控系統(tǒng)和其他CNC系統(tǒng)安全連接到工業(yè)云。將數(shù)控機(jī)床連接到工業(yè)云中。
西門子的基于云的應(yīng)用程序Manage MyMachines MindApp，選擇和準(zhǔn)備相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。提供大量重要信息，如進(jìn)給軸和主軸的信息、NC程序狀態(tài)、工作模式和當(dāng)前執(zhí)行的加工程序名稱。形成易于管理和分析的“智能數(shù)據(jù)”，并上傳云端，通過圖形顯示和數(shù)據(jù)分析，用戶能掌握機(jī)床的復(fù)雜信息，并在屏幕上顯示相關(guān)生產(chǎn)效能信息?？梢酝ㄟ^網(wǎng)頁瀏覽器，甚至可以通過各種移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)地訪問這些數(shù)據(jù)。
三菱的e-F@ctory Alliance涵蓋幾乎所有供應(yīng)鏈和工程鏈，通過三菱FA設(shè)備提供具有良好連接兼容性的軟件和設(shè)備。三菱數(shù)控設(shè)備能夠有效應(yīng)用機(jī)床的生產(chǎn)信息，幫助實(shí)現(xiàn)工廠的可見、可查、可診斷及可優(yōu)化。三菱工廠的優(yōu)化支援，搭載了MES接口功能，針對管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，會(huì)在加工完成時(shí)、發(fā)生警報(bào)時(shí)，由CNC自動(dòng)使用SQL語言向生產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫發(fā)送數(shù)據(jù)。
FANUC在本次展會(huì)展出的IIoT，包括MT Link i套件包、機(jī)床云管理平臺(tái)、機(jī)床數(shù)據(jù)采集傳輸單元、增強(qiáng)型機(jī)床數(shù)據(jù)采集單元和制造執(zhí)行系統(tǒng)。
2、數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字總線技術(shù)
總線是數(shù)控系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng)。通過總線通信將數(shù)控系統(tǒng)各個(gè)部件連接起來，大大減輕布線和抗干擾的難度。的數(shù)控系統(tǒng)廠商采取封閉的技術(shù)路線，研制自己的運(yùn)動(dòng)控制總線，如FANUC的FSBB總線、西門子的Drive-CLiQ總線、海德漢的HSCI總線、FIDIA的FBB總線。這些總線協(xié)議不開放，用戶不知道具體協(xié)議。
新代是并行接口和總線并存，新代總線主要采用安川Mechatrolink-II或Mechatrolink-III現(xiàn)場總線，即將推出基于EtherCAT總線的數(shù)控系統(tǒng)?？频聰?shù)控GNC60采用自主的GLINK光纖運(yùn)動(dòng)總線，100Mbps的高速光纖介質(zhì)。廣州數(shù)控采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GSK-LINK和EtherCAT高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線。
華中數(shù)控采用NCUC和EtherCAT兩種總線。EtherCAT總線是德國倍福開發(fā)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線，發(fā)展迅速，可以實(shí)現(xiàn)100個(gè)進(jìn)給軸100µs的控制周期，且抖動(dòng)小于1µs。EtherCAT總線已經(jīng)被科爾摩根、路斯特、松下、臺(tái)達(dá)、安川等多家伺服驅(qū)動(dòng)器廠商采用，是實(shí)時(shí)高速以太網(wǎng)的發(fā)展方向。
結(jié)束語
關(guān)注國外數(shù)控系統(tǒng)，是為了更好地掌握和了解國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)與國外數(shù)控系統(tǒng)的差距，然后進(jìn)行技術(shù)積累，研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)。
雖然國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在5軸聯(lián)動(dòng)等方面取得了一定的成績，突破了國外對我國的關(guān)鍵技術(shù)的封鎖，但是與德國、日本的數(shù)控系統(tǒng)整體品質(zhì)差距還很大。在展會(huì)上，機(jī)床所配套的數(shù)控系統(tǒng)被FANUC、西門子、三菱占據(jù)較高的份額。因此，發(fā)展國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)勢在必行，需要數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)的研究不斷深耕細(xì)化、技術(shù)積累與突破，才能趕超德國、日本的數(shù)控系統(tǒng)品質(zhì)，做出真正意義的大國重器。
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