從CIMT2023國際機床展看數控系統智能化發展

文/武漢華中數控股份有限公司 肖明

【內容摘要】：整體來看，近些年國內數控系統在智能化技術的研制方面不斷努力，發展方向基本與國外保持一致，推出了華中9型等新產品，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（CIMT2023）在北京隆重舉行，來自全球28個國家和地區的約1600家機床工具行業企業同臺競技，全球最先進的制造技術和裝備集中展示。本屆展會主題是“融合創新·數智未來”，展現了新一代信息技術與制造業的深度融合和不斷創新。

一、數控系統智能化技術主要展品

目前，隨著互聯網、大數據、云計算和新一代人工智能技術與制造技術的不斷融合發展，數控系統智能化技術快速發展，很多數控系統企業推出了具有智能化功能的數控系統，其特點是：增加了傳感器，增強了對加工狀態感知能力，實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，用戶可以在數控系統企業的支持下開發APP，實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展出了具備智能化技術的數控系統。

1. 西門子（德國）

西門子主要展出了Sinumerik One和Sinumerik 828D數控系統，840D系統將于2024年退市。Sinumerik One是以西門子技術生態及其數字孿生工具鏈為依托的“數字化原生”數控系統，是西門子推動機床行業數字化轉型的關鍵產品，具有創建相應數字化雙胞胎的多功能軟件，以實現機床制造和生產過程數字化孿生。其智能化功能包括：智能動態控制（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云平臺

2. 發那科（日本）

發那科重點展出了Fanuc 31i Mode B Plus數控系統以及小型3-4軸鉆攻機、線切割機床等，突出發那科數控系統的智能化功能：智能進給軸加減速，智能重疊，智能反向間隙補償，智能機床前端點控制，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、量儀、視覺傳感器、光柵尺、角度編碼器等。

圖2 全新FANOVI界面

可實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、現場生產管理（無紙化操作終端）、生產優化、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、智能機床前端點控制、智能圖形化編程、智能函數、智能動態碰撞監測等。

圖3  圖形化編程

4. 華中數控

本次展會，華中數控股份有限公司以高端五軸數控系統為主題，重點展出了華中9型智能數控系統，實現了質量提升、工藝優化、健康保障和生產管理等智能化功能，使得數控加工“更高、更快、更智能”。系統配置AI芯片，可以實現毫秒級實時預測與推理；集成了數十個智能應用App，構建了定制化人工智能運行與開發的開放平臺；具備動態響應仿真功能：動力學建模，大數據復現關聯，實現機床數字雙胞胎。目前，華中9型智能數控系統的工藝參數優化、智優曲面、智能剛性攻絲、熱誤差補償、iNC-Cloud遠程運維等智能化技術已經在華中8型V2.4系統中批量應用，助力機床加工實現“更精 更快更智能”。

圖4  華中9型智能模塊

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

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

（2）智優曲面iSurfine。數控系統根據零件整體軌跡對加工速度進行全局規劃自動平滑，實現高速、高效基礎上的高表面質量加工。優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）超級勻順。針對加工軌跡中微直線段和圓弧段混合、線段長度不一、線段轉角復雜等缺陷，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行平滑光順，提升速度及加速度平順性，獲得更優的加工表面質量。滿足不同工況、加工精度要求及不同程序特點，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床產品進行數字化管理，為產品建立全生命周期數據檔案，幫助機床企業建立客服中心，遠程指導用戶解決使用過程中出現的問題。

5. 科德數控

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

GNC62數控系統的智能化功能主要包括：

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

（2）支持螺距誤差補償、反向間隙補償、垂直誤差補償、直線度誤差補償、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、離線仿真，支持3D防碰撞檢查，友好的面向用戶開放的GMDL向導式對話式編程工具。   

（4）支持在線監控和信息集成，能實時采集加工過程大數據及加工狀態數據、機床設備信息，具備相應的數據接口，可實現信息互聯互通。

（5）具備強大二次開發接口，支持針對不同應用場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層次開發。

6. 廣州數控

廣州數控設備有限公司重點展出了應用于數控車床、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實時編程、碰撞檢測。提供JMS中央控制系統和JDSoft IFactory對生產數據進行采集、統計、分析，支持訂單管理、任務管理、生產監控、生產統計、設備管理和設備調度等。

圖5  DT實時編程技術

8. 沈陽中科數控

本次展會，沈陽中科數控技術股份有限公司重點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，實現高檔數控系統對加工過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，同時支持銑削、車削、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量，現已成功應用于航發典型工件生產線。

二、數控系統智能化技術發展趨勢

通過對CIMT2023展會上展出的境內外數控系統的智能化技術進行分析比較，我們總結了數控系統智能化技術發展趨勢如下：

 1．數控系統智能化技術發展加快

普通數控機床主要是通過加工代碼、指令對刀具、工件進行控制，不具備感知、反饋和自主學習能力，數控系統缺乏對機床實際加工狀態、環境變化的掌控。而隨著互聯網、大數據、云計算和新一代人工智能技術的不斷發展，數控系統智能化需求強勁。目前，國外已經將互聯網和智能化技術應用于數控系統，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。 

很多企業推出了具備智能化功能的數控產品，除了數控系統企業，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，涵蓋了生產計劃、生產準備、加工生產、過程監控、服務等五個階段。GROB公司的數字化解決方案實現從生產規劃、復雜編程、加工仿真、設備監控與分析、加工過程可視化到維修保養的工藝過程數字化以及設備管理的數字化。

2．數控系統與數字孿生、人工智能等技術深度融合 

數字化、智能化技術的出現，為實現數控機床的性能提升提供了新的支撐技術，構建物理機床的數字孿生機床并在其基礎上實現運動加工仿真成為進一步提升加工整體效率與成本的熱點方向。

境內外多家數控系統廠商和機床廠紛紛通過數據高速采集、控制模型建立、切削仿真等技術實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、虛擬驅動器、電機、機械系統等）、數據分析與驅動等技術將會是未來數控機床數字化智能化發展的方向。 

例如，在產品研發階段，西門子One數控系統能夠助力機床制造商縮短機床設計時間和現場調試時間，提升機床研發、上市效率。面向機床用戶，西門子One數控系統的機床虛擬加工解決方案可實現對加工工藝、加工速度、加速度、節拍時間等方面的仿真驗證，幫助客戶大幅縮減試切時間和試切成本，并規避碰撞風險。目前，一些大型機床企業已經開始試用西門子One的虛擬調試系統，實現了從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新深度融合 

數控系統智能化與機床設計創新深度融合，其智能化優勢才能更好發揮。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）第三方系統深度開發，如 MAZAK-三菱、DMG-西門子、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，用戶可以自定義操作路徑、G代碼循環或者更深層功能性開發；（3）第三方系統界面開發，如 MAZAK-FANUC、創世紀-FANUC、三菱、華中數控，在原生界面基礎上增加其他功能界面，可支持終端客戶問題解決類功能開發的畫面顯示；（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、宇環數控-華中數控等。

例如，本次展會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“行業領先、國產替代、專精特新”的產品目標，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”、“互聯網+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高端激光切割設備。雙方合作還先后開發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產品，并成功實現批量配套。

三、數控系統智能化技術發展境內外差距分析及行業發展建議

1．數控系統智能化技術發展境內外差距分析

從展品看，西門子Sinumerik One數控系統包含智能動態控制、智能負載控制等功能，能夠實現在不同負載、不同動態的精度保持。針對曲面加工，包含精優曲面、臻優曲面、Top Speed等功能，能夠實現曲面的高精度加工，同時還提供機床數字孿生等仿真技術。發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態預測功能，均能實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智優曲面、Cyber-Milling等智能化技術。廣數GSK27i提供智能主軸負載自適應等功能。

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

2．建議國產數控系統企業加強智能化技術的研究

為了追趕國外高端數控系統，建議國產數控系統企業將智能化技術列為研究重點，通過不斷的技術攻關，進一步提升數控加工質量提升、工藝優化、健康保障與生產管理等方面的關鍵共性技術，加大對智能數控系統、智能功能部件和智能優化、智能補償、健康保障等工業應用軟件和數控機床互聯通訊協議標準規范的研發和應用。

3．建議國產數控系統企業加強與機床企業聯合推廣智能化技術

數控機床是典型的機電一體化產品，機床整體性能的提升離不開數控系統、機床主機、其他功能部件的協同。建議國產數控系統企業加強與主機企業的技術交流，在他們的支持下，改進機床設計方法，合作推出市場需要的具備更多智能化功能的高端機床。