【機床商務網欄目 展會快報】2019年4月15-20日，在北京中國展覽中心(新館)，來自28個和地區的1700多家展商，相聚在第十六屆中國機床展覽會(CIMT2019)。本屆盛會以“融合共贏智造未來”為主題，旨在促進境內外機床工具企業之間、機床工具企業與用戶之間的交流與合作，探討未來智能制造之路。展會主題也響應了國內外機床工具消費市場的新變化，凝練了國內外機床工具產業對未來發展方向的關注和思考。
數控系統是機床的大腦和神經系統，同時承擔輸入輸出和驅動控制功能。數控系統不僅是機床的控制器，也是工廠和車間信息化的基礎。數控系統是智能制造的關鍵部件，現代智能制造對數控系統提出了新要求。
數控系統具有5軸以上聯動的控制能力，多通道，全數字高速實時總線，豐富的插補及運動控制功能，智能化的編程和遠程維護診斷。在本文評述中，圍繞數控系統的技術特點，主要從以下方面進行闡述。
一、數控系統智能化技術特點分析
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。具有多點觸控操作，大觸摸屏人機界面成為數控系統的標配。
德馬吉森精機公司(DMG MORI)的人機界面CELOS操作簡單，操作數控系統如同使用智能手機一樣簡單，能將所有機床與公司組織(ERP、PPS、MES)連接在一起，用特有的方式將機床全面接入公司的網絡中。采用21.5″多點觸摸顯示屏，并具有圖標及手勢操作的用戶界面。CELOS是一個獨立于數控系統及加工技術的軟件系統，能改善人與機床之間的互動。DMG MORI新數控系統的機床操作面板也采用多點觸控控制面板，只有急停、倍率、手輪、循環啟動和保持等涉及安全、使用頻率高、手感好的傳統開關得以保留。
三菱M800系列數控系統控制器采用19寸立式電容式觸摸屏和顯示器，與智能手機和平板終端一樣，可直觀地進行舒適操作，而且系統控制器單元厚度僅50mm。海德漢TNC 640數控系統采用15寸或19寸觸摸屏。可以用手勢操作，直接移動3D測試圖形中的仿真工件，直接在觸摸屏上的軟件進行操作，更快地瀏覽NC程序。
西門子、發那科(FANUC)、華中數控的人機界面采用大屏和觸摸屏，甚至機床操作面板也采用觸摸屏，字母和數字編輯鍵采用觸摸式，或者另外搭配標準的PC鍵盤。西門子的smartMobile系統，即使操作人員不在車間，仍可以獲知顯示在智能手機、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控系統屢屢看到。
2、智能加工技術
加工智能化是對加工過程進行實時監控，自主地對工況變化進行決策，調整加工參數以適應工況變化，大限度地發揮機床和刀具的潛力，提高生產效率，延長刀具的壽命。
FANUC在展會上以圖板和顯示器介紹了其產品擁有的智能加工技術，包括表面精細處理技術、加工技術、智能進給軸加減速、智能剛性攻絲、智能自適應控制、智能機床控制、智能反向間隙補償和智能機床前端點控制功能，展示其強大的技術實力。
赫克數控系統以獨特的加工路徑算法，實現高速、大切削量的高精密加工。
3、人機界面的二次開發
不同的機床用戶，有不同的需求，針對自己的機床和工藝要求，用戶可以自行定制圖形界面，編制加工工藝。
西門子數控系統提供擴展用戶接口和西門子開發的專業組態軟件類的人機界面。擴展用戶接口，即在記事本中進行配置編寫代碼。FANUC通用界面開發方法有使用宏程序執行器、C語言執行器、FANUC圖形編輯器。
本屆展會，特別是在磨床、齒輪機床所配的數控系統，都進行了二次開發，將加工工藝通過圖示界面顯示出來。新代提供eHMI快速開發客制頁面，用戶可以自行定義人機函數庫，包括坐標顯示頁面、執行加工頁面、歷史報警頁面等。
4、智能伺服驅動、高速主軸電機與直驅技術
展會上的高速加工中心呈現的性能指標有，主軸轉速達到16000r/min以上，進給速度達到30m/min以上，快速移動速度達到60m/min以上。北京精雕的雕刻中心JDGR200，主軸高轉速達到32000r/min，采用在線測量和智能修正技術，在生雞蛋上雕刻圖形。
要達到高速加工性能，離不開高性能主軸和進給電機與伺服驅動器。
西門子SINAMICS S120 Combi伺服驅動器，由一個電源模塊與多四個電機模塊組成。通過智能擴展還可以再添加兩個電機模塊，可以帶動15kW的主軸電機和5個進給電機。可以控制SIMOTICS系列伺服電機、直線電機、力矩電機、減速電機。有效避免彈性效應、齒隙和摩擦效應以及固有振蕩的影響。FANUC通過伺服HRV+控制(速度環優化)，提高抑制外部干擾的能力，減小軌跡誤差，進一步提高加工表面品質。
FANUC展示其直線電機樣品，FAGOR提出其直驅解決方案。
5、工業機器人、桁架送料機與數控機床緊密配合
在多個展臺，都能看到ABB、庫卡(KUKA)、發那科、安川的工業機器人在多臺數控機床之間忙碌著，實現無人值守的智能加工生產線。
三菱在數控系統編寫機器人的位置和姿態數據，實現數控對機器人的控制，使數控和機器人緊密配合。
二、數控系統的多軸數、多通道、多主軸復合控制
1、多軸數、多通道、多主軸復合控制
本次展會上，無論是5軸聯動的加工中心，或是縱切機床，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，實現車、銑、鏜、鉆、攻絲的復合加工。
西門子840D sl大支持30個通道，93個控制軸數(NC軸+主軸)以及任意數量的PLC軸。三菱M800系列大支持8個通道，32個控制軸數(NC軸+主軸+PLC軸)，大8個主軸，每個通道控制大12個NC軸，大聯動軸數為8軸。FANUC 30i-B大支持10個通道，40個控制軸數(NC軸+主軸+PLC軸)，大8個主軸。華中848大支持10個通道，80個控制軸數(64個NC軸+主軸+PLC軸)，通道內大4個主軸，每個通道控制大9個NC軸，大聯動軸數為9軸。廣州數控27i大支持18個通道，100個控制軸數(72個NC軸+主軸+PLC軸)，通道內大4個主軸，每個通道控制大9個NC軸，大聯動軸數為9軸。
2、5軸聯動及RTCP功能
很多機床廠商都把5軸聯動的數控機床當作主打產品，5軸聯動以上的機床以及加工中心，在展臺的加工示例中，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，而且機床剛性強，精度高。不只國外廠商，國內廠商的數控機床中也有很多這樣的產品，可見這也是一種數控機床的發展趨勢。
5軸聯動已經是數控系統的主要技術指標。目前，國產數控系統中，廣州數控的25iM、華中數控的848D，都研發出5軸聯動及RTCP，打破國外數控系統的5軸聯動技術封鎖，實現雙轉臺、雙擺頭和轉臺擺頭RTCP功能。
新代數控系統提出5軸加工平滑功能——平滑刀尖點控制功能(SMTCP)，可對CAM軟件生成的不理想路徑進行刀具姿態及刀具路徑的平滑，使整個加工過程及表面更加平順，尤其對于使用刀具側面刀刃部位進行加工，*。
三、數控系統的高速度、高精度控制
要進行高速高精曲面的加工，減小插補誤差，必須縮短插補周期。展會上，廣州數控27i采用工控機硬件平臺，插補周期為0.125-2ms可選，支持納米插補；華中數控HNC-818D數控系統的插補周期為0.125-4ms可選；科德數控的GNC60小插補周期0.125ms。借助高性能的CPU和實時操作系統，是完全可以實現0.125ms及以下的短插補周期。
由于高速高精加工對精度和表面質量的高要求，使得傳統的數控系統以微米為小控制單位進行插補和運動控制，已經不能滿足要求。西門子采用80位浮點計算精度，FANUC30i和三菱M800、M700等系統都實現了納米插補功能。以納米為單位來計算位置指令，使機床平滑移動并提高機床加工精度和表面質量。
本屆展會上，美國赫克WinMax控制系統基于軟件工程學的算法理論，優化運動軌跡和進給率的動態控制算法；無限超前預讀——系統在運行當前程序段的同時，讀入并處理之后超過10000個程序段，規劃刀具路徑，優化加工策略，獲得優加工效果。快速拐角處理可減少50%的振動和振紋，運動更流暢，提高復雜曲面的加工效果和效率。赫克WinMax控制系統提供的優化刀具路徑的方案——自適應刀路AdaptiPath，其工作原理是根據刀具負載自動控制刀具路徑。
西門子對于自由曲面加工，在短的時間里執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控系統的性能。西門子數控系統采用精優曲面和臻優曲面控制技術，結合前瞻預讀功能，同時考慮向前和向后的加工路徑，確保的表面加工質量并進一步提高加工速度，借助創新的優化壓縮器功能，可實現佳的輪廓精度和快的處理速度。
海德漢TNC 640數控系統的程序段處理時間0.5ms，根據主軸功率調整輪廓加工進給速率自適應進給控制。
三菱的 M800系列處理微小線段的能力270k程序段/min，即程序段處理時間0.22ms。它的“可變加速度插補前加減速功能”，大限度地發揮各軸的特性并進行優化。比如，僅直線軸工作時，不受旋轉軸響應性影響即可加速。
CAD/CAM軟件生成的線性刀軌，由于其為非連續性的刀路軌跡，對于加工速度、工件表面質量、機床穩定性都會有一定的影響，尤其是在軟件中設定的加工精度及公差不佳的情況下，新代數控系統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軌跡，且在加工速度的規劃上不再受限于不連續的程序段，從而得到優良的加工質量。
NURBS樣條曲線插補在系統是必備功能，實現微線段過渡、微線段整體擬合、微線段壓縮逼近功能，提高曲面表面質量。北京精雕展示了曲面鏡面加工，對樣條的處理有獨到之處。國產的數控系統，如廣州數控的25iM、華中數控iNC、科德數控GNC60、新代220M都有樣條曲線插補功能。
四、數控系統與互聯網技術的融合
1、工業物聯網（IIoT）與數控系統相結合，打造數字化工廠
物聯網是通過互聯網實現物物獨立相聯的具有連通性的物體網絡，物體連接到基于云的服務器，之后在此服務器上收集、連接和分析數據。物聯網擁有提高工業過程生產率的巨大潛力。
數控系統作為機床的大腦，提供用于優化生產流程的重要生產數據以及用于機床預防性維護的機床狀態數據。
西門子的MindSphere是基于云的開放式物聯網操作系統，即使是小規模聯網的CNC加工企業也能夠生成“智能數據”，可將西門子的數控系統和其他CNC系統安全連接到工業云。將數控機床連接到工業云中。
西門子的基于云的應用程序Manage MyMachines MindApp，選擇和準備相關生產數據。提供大量重要信息，如進給軸和主軸的信息、NC程序狀態、工作模式和當前執行的加工程序名稱。形成易于管理和分析的“智能數據”，并上傳云端，通過圖形顯示和數據分析，用戶能掌握機床的復雜信息，并在屏幕上顯示相關生產效能信息。可以通過網頁瀏覽器，甚至可以通過各種移動設備實時地訪問這些數據。
三菱的e-F@ctory Alliance涵蓋幾乎所有供應鏈和工程鏈，通過三菱FA設備提供具有良好連接兼容性的軟件和設備。三菱數控設備能夠有效應用機床的生產信息，幫助實現工廠的可見、可查、可診斷及可優化。三菱工廠的優化支援，搭載了MES接口功能，針對管理系統的數據庫，會在加工完成時、發生警報時，由CNC自動使用SQL語言向生產管理系統的數據庫發送數據。
FANUC在本次展會展出的IIoT，包括MT Link i套件包、機床云管理平臺、機床數據采集傳輸單元、增強型機床數據采集單元和制造執行系統。
2、數控系統的數字總線技術
總線是數控系統的神經系統。通過總線通信將數控系統各個部件連接起來，大大減輕布線和抗干擾的難度。的數控系統廠商采取封閉的技術路線，研制自己的運動控制總線，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。這些總線協議不開放，用戶不知道具體協議。
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現場總線，即將推出基于EtherCAT總線的數控系統。科德數控GNC60采用自主的GLINK光纖運動總線，100Mbps的高速光纖介質。廣州數控采用具有自主知識產權的GSK-LINK和EtherCAT高速實時以太網總線。
華中數控采用NCUC和EtherCAT兩種總線。EtherCAT總線是德國倍福開發的實時以太網總線，發展迅速，可以實現100個進給軸100µs的控制周期，且抖動小于1µs。EtherCAT總線已經被科爾摩根、路斯特、松下、臺達、安川等多家伺服驅動器廠商采用，是實時高速以太網的發展方向。
結束語
關注國外數控系統，是為了更好地掌握和了解國產數控系統與國外數控系統的差距，然后進行技術積累，研發自主知識產權的國產數控系統。
雖然國產數控系統在5軸聯動等方面取得了一定的成績，突破了國外對我國的關鍵技術的封鎖，但是與德國、日本的數控系統整體品質差距還很大。在展會上，機床所配套的數控系統被FANUC、西門子、三菱占據較高的份額。因此，發展國產數控系統勢在必行，需要數控系統行業的研究不斷深耕細化、技術積累與突破，才能趕超德國、日本的數控系統品質，做出真正意義的大國重器。
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