導讀

INTRODUCTION

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

作為機床、機器人等主機設備的大腦，數控系統須與之配套使用才可以發揮效用。從數控系統企業與主機廠的關系來看，數控系統產業主要有3種發展模式。 （1）西門子模式。其主要特點是數控系統企業專注于生產各種規格的數控系統，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。這種模式的優點是：主機廠和數控系統企業發揮各自的優勢，有利于形成專業化、規模化生產。缺點是：數控系統企業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廠。 （2）哈斯模式。主機廠獨立開發數控系統，并與其自產的主機裝備配套銷售。這種模式的優點是：主機銷售帶動數控系統推廣。其缺點是：主機廠獨有品牌的數控系統很難被其它主機廠選用。 （3）馬扎克模式。主機廠在數控系統企業提供的開發平臺上，研發自主品牌的數控系統，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，又發揚了其自身的優點。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產品。主機廠自主品牌的數控系統的推廣，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的成本，同時帶動數控系統產業的發展。 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。從數控系統的發展歷程來看，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，數控系統必須具有全閉環、高速高精、多軸聯動與多通道和誤差補償等高端功能。數控系統的數字化技術主要解決用數控系統替代人的體力勞動和少部分腦力勞動，以實現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，滿足制造業高水平發展的要求。 針對數控系統的數字化技術，目前國內外數控系統企業進行了廣泛的工業實踐。 發那科的Series 0i MODEL F、Series 0i MODEL F Plus數控系統是具有先進伺服技術的CNC系統，能進行納米級的精密運算。基于該類數控系統，發那科推出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藥行業產品。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系列數控系統具有漸開線插補功能，能創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，實現高速高精加工。圖2所示為三菱M70數控系統（未采用SSS-4G高精控制功能）與M80數控系統（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范模型的前饋控制，能實現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，包括精優曲面的創新型運動控制技術，以適應五軸銑削加工。SINUMERIK 840Di sl數控系統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工具對用戶指定的系統循環和功能宏進行調整。 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軸聯動；法國施耐德NUM的AxiumPower數控系統，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高檔數控系統可以控制多達28個進給軸（聯動）、4個主軸、4個刀庫和4個執行通道。 國產數控系統華中數控HNC-848D具有五軸聯動、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數控系統采用高性能開放式體系結構，可安裝多種操作系統，支持二次開發，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數控系統采用基于光纖介質的高速數控現場總線GLINK2.0，具備高速實時信息點對點傳輸功能和多軸聯動多通道控制技術，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RTCP功能開啟前后對比

圖4 華中8型數控系統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，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，支持二次開發，采用ARM9微處理器系統內部控制精度可達1nm、位置精度可達0.1μm級。這兩個系列數控系統都能實現高速控制，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數控系統采用自主研發的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，擴展了數控系統的加工范圍，提高了產品加工的質量與效率。圖5展現了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，采用新一代CNC控制器，采用總線控制，支持8軸5聯動，最大進給速度可達200m/min；GSK 980MDi系列鉆銑床數控系統最多支持6軸6聯動控制，控制精度可達0.1μm；GSK27系列數控系統采用多處理器，可實現納米級插補，支持最大8通道和64軸控制。 臺灣地區數控系統最具代表性的企業有寶元和新代。新代的220系列多軸車銑復合數控系統，增加了五軸聯動及RTCP功能，能滿足車銑復合機床多軸聯動的需求，實現高精曲面復雜加工。寶元LNC-M6800D數控系統支持EtherCAT等多種現場總線與伺服連接，最多可實現6通道32軸聯動，其二次開發平臺APAC系列具有強大的內建功能，高度的開放性與整合能力，客戶可以自行開發多種功能，快速與各種系統或周邊擴充組件進行整合。 數控系統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場總線、二次開發、高速高精、多軸多通道等關鍵技術的發展已經相對成熟，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展。與數字化技術相比，數控系統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，增強系統及設備的感知能力和互聯互通能力，將人的部分感知及知識賦予型腦力勞動交由數控系統完成，實現對制造信息的縱向整合，提高設備利用率和制造效率。 數控系統網絡化的基礎是統一標準的接口，系統中的各個功能模塊可通過接口和通信協議實現連接。當前，數控系統網絡化的一個重要方面是互聯互通協議的發展。美國機械制造技術協會（AMT）提出MT-Connect協議，用于機床等數控設備的互聯互通。德國機床制造商協會（VDW）基于通信規范OPC統一架構（UA）的信息模型，制定了德國版的數控機床互聯通訊協議Umati。中國機床工具工業協會提出的NC-Link協議，能實現數控機床及其它智能化制造設備的互聯互通。 作為數控技術研究的重點發展方向，當前國內外主流數控系統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，可為機床企業實現網上維修服務，初步實現了數控系統的網絡化。基于Smooth技術的MAZATROL Smooth系列數控系統采用標準網絡接口，使單機和FMS系統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，利用IoT技術，基于MT-Connect協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，實現實時生產管理與遠程監控。

圖6 馬扎克智能工廠

發那科的30i系列數控系統（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，支持工業網絡和現場網絡，可實現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，可通過以太網及現場網絡對周邊設備的控制和傳感信息進行收集，實現多種周邊設備的連接，實現信息可視化和工廠內的機床的可視化，提高運轉效率。圖7為發那科的Field系統，利用物聯網和大數據，可對數控設備進行監控和分析。發那科的零停機時間（ZDT）功能可通過電腦或移動端實時查看設備工作狀態、生產信息、診斷信息及保養計劃，避免停機的發生，機床遠程診斷功能可通過互聯網進行遠距離故障診斷，

有效減少勞動力成本，提高企業的服務效率。

圖7 發那科Field系統

西門子SINUMERIK 808D、828D及840Dsl系列數控系統，將RFID技術應用于刀具管理，實現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）軟件能將虛擬與現實生產緊密結合，對創意、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網系統MindSphere，企業可便捷訪問各類設備終端，利用MindSphere大量的工業應用與數字化服務，可為企業提供如預防性維護、能源數據管理以及資源優化等方面的服務。

圖8 西門子MindSphere系統

此外，德瑪吉CELOS數控系統可將機床接入企業信息化網絡，連接CAD/CAM、MES、ERP及PDM等信息化軟件，實現產品從設計、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，結合了智能化Indra Drive系列驅動系統，具備集成網絡功能，結合博世OpCon MES制造執行系統平臺，通過人、設備與產品的實時互聯與有效溝通，構建高度靈活網絡化制造模式。 除國外數控系統的網絡化技術外，國產數控系統企業也掌握了相關技術。 華中數控開發了數控系統云平臺（iNC-Cloud）如圖9所示，面向數控機床/系統用戶打造以數控系統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、數據統計、數據可視化等技術，實現生產過程的智能監控、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，有效集成了工業化（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，能使機床形成互聯應用框架，所有的i5智能設備均可通過iPort協議接入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，可連接智能工廠中包括發那科、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支持EtherCAT標準通訊協議，可連接多種即時智能感測模塊，搭配WebAccess云端系統可在各站間形成彼此串聯監控，協助用戶快速打造工業4.0工廠。 綜上，網絡化數控系統可以把孤島式的加工單元集成到同一個系統中，可實現各種加工設備、子系統、應用軟件等集成，使之可以進行互聯和互操作，實現資源的集中利用，以達到組織結構及運行方式的最優化。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控和診斷，通過制造資源共享，實現虛擬設計、虛擬制造等，縮短產品研發制造周期，提高企業快速響應市場變化的能力。 盡管網絡化數控系統已經發展了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。

數控系統智能化技術 數控系統的智能化主要表現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、工藝優化、健康保障和生產管理這四大類，主要目標在于實現數控加工的優質、高效、可靠和低耗。 目前，日本、德國等數控強國在數控系統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MAZATROL MATRI X，實現了主軸監測、自主反饋、車削工作平臺動態平衡等7項智能化功能。基于Smooth技術的第七代數控系統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，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 德瑪吉CELOS數控系統采用21.5in多點觸控智能化人機界面，具有如圖12所示從設計、規劃到生產、監測和服務的CELOS應用程序，可實現智能化刀具管理、數據文件管理、狀態監測及遠程診斷等智能化功能。CELOS系統還可將車間與公司高層組織整合在一起，為持續數字化和無紙化生產奠定基礎，實現數控系統的網絡化智能化。此外，德瑪吉與舍弗勒共同開發的智能機床——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，實現了遠程監控、健康保障、工藝優化等智能化功能。

圖12 德瑪吉CELOS數控系統應用程序

大隈的OPS-P300A數控系統安裝了大量應用軟件，能優先考慮加工現場的操作便捷性，提升了現場能力智能。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、伺服控制優化、加工條件導航、機床防碰撞及進給軸狀態AI自診斷等多項智能化功能，圖13所示為該數控系統的進給軸狀態AI自診斷功能。

圖13 OPS-P300A數控系統進給軸狀態AI自診斷

發那科的Series 0i MODEL F、Series0i MODEL F Plus數控系統具備多項智能化功能，如圖14所示，針對進給軸，可實現智能加減速、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 發那科Series 0i-MODEL F Plus數控系統典型智能化功能 此外，西門子開發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化。海德漢的TNC640數控系統可拓展雙屏顯示；能進行高級動態預測、自適應控制及顫振控制，實現高速輪廓銑削；可進行關聯軸補償、運動自適應控制、動態減振，實現動態高精加工；能實現動態碰撞檢測、在線監測診斷與調試等。 國產數控系統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，數控系統的智能化技術已經初步呈現。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，通過開發功能強大的軟硬件設備與平臺，使數控系統進一步朝著智能化方向發展，通過打造個性化的數控系統和大數據云平臺，實現數控加工全生命周期的技術支持與服務。