2019數控機床智能化技術創新和發展

一、前言

近年來，為了更好滿足機床用戶對數控機床“高速、高精、復合、智能、環保”的要求，國內外數控機床企業不斷研制出具備智能化功能的各類數控機床。特別是近年來，隨著機床設計技術、互聯網與信息技術、人工智能技術的發展和應用，數控加工逐漸呈現出網絡化與智能化的趨勢，數控機床的智能化功能也越來越成熟。

筆者參加了近幾年中國機床工具工業協會主辦的中國國際機床展覽會（北京，CIMT）和中國數控機床展覽會（上海，CCMT），看到部分國外品牌數控機床企業的智能化技術，結合國產數控機床的發展現狀，深有感觸。本文對幾種典型的國外品牌數控機床在智能化技術方面的技術特點進行分析，提出對國產數控機床智能化技術的思考和建議。

二、部分境外機床展品智能化新技術

數控機床智能化新技術主要體現在世界著名的數控機床和數控系統企業的展品中，如MAZAK（馬扎克）、DMG MORI（德馬吉森精機）、OKUMA（大隈）、HURCO（赫克）、STARRAG（斯達拉格）、MIKRON（米克朗）、SIEMENS（西門子）、FANUC（發那科）、HEINDENHAIN（海德漢）等。

1、日本OKUMA（大隈）公司智能化技術

日本OKUMA公司智能化技術主要包括：

（1）加工條件搜索功能：MachiningNavi系統依靠先進的檢測和控制功能，幫助用戶尋找最佳加工條件。不但能夠提高加工面質量，還對縮短加工時間、提升生產效率，以及延長刀具壽命、整合工序有重要作用。

（2）防撞機功能：當進行復雜動作的多面加工時，機床內部發生碰撞的危險也隨之增加。OKUMA公司利用先進控制技術實現防撞機功能，可以實現機床自動運轉與手動操作時都會在撞機前停止動作。操作者可以專心地進行加工，大大縮短了工裝、試件的加工時間。

（3）伺服控制優化功能：通過自動優化伺服控制，提高加工精度及加工表面質量。尤其可以提高加工中心的加速度，縮短加工時間。此外，長期使用機床而產生的反轉突起或異音、振動、折痕、鱗狀痕等可立即消除，還可長時間保持高精度、穩定運行。

（4）測量、補償幾何誤差功能：5軸加工機床在傾斜加工軸類零件和多面體零件時，會產生旋轉軸的軸心偏移等多種“幾何誤差”。一直以來，只能通過手工作業花費大量時間對4種幾何誤差進行補償。5-AxisAuto Tuning System（5軸自動調諧系統）僅需10分鐘即可實現高達 11種幾何誤差測量及自動補償。

（5）準確控制規則的熱位移，即“熱親和”功能：機床周圍的溫度變化及加工過程中產生的熱量，都會對加工精度產生很大的影響。OKUMA設計了接受溫度變化，同時擅于控制熱位移的機床結構。只需在安裝機床時確認一次尺寸，可大幅減少之后的補償次數。

OKUMA機床“熱親和”功能實測效果

2、日本MAZAK（馬扎克）公司智能化技術

MAZAK公司的Smooth Technology（流暢技術）體現了該公司在機床智能化技術的最新發展。其數控系統MAZATROL Smooth配備Windows8 PC的數控系統以及先進軟件，極大地提高了加工效率。通過控制直線軸和轉動軸的最佳加速度，使5軸聯動加工的效率提高30%；利用簡單調諧功能，可根據加工工件自由調整加速度、轉角精度、平滑度等參數，使之最優化。客戶自身可簡單方便地進行加工時間優先、加工面精度優先或加工形狀優先等個性化選擇。

Smooth Technology數控系統

MAZAK數控機床互聯互通結構

此外，MAZAK公司數控機床還具有“全面工廠經營支持”功能，通過開放的系統結構設計和互聯網技術，借助智能手機、平板電腦等外部終端對機床設備的運轉狀況進行監控。同時，采用國際標準通信協議，使多個不同公司的不同設備之間也能實現通信。

3、日本FANUC（發那科）公司智能化技術

FANUC系統以提高機床控制智能化為方向，在其新系統0iMF上標配了智能化功能群，包括：智能重疊控制、智能進給軸加減速、智能主軸加減速、智能自適應控制、智能反向間隙補償、智能機床前端點控制、智能剛性攻絲。

FANUC公司數控系統智能化功能群

4、美國HURCO（赫克）公司智能化技術

美國HURCO公司主要設計并制造各類立式加工中心、臥式加工中心、5軸加工中心和車削中心，全部配套其WinMax 控制系統。其機床產品強調簡化從圖紙設計到零件制造的過程，協助操作者實現簡潔而優質的加工。其兩個主要智能化特點是：

對話式編程：通過圖形校驗，迅速將圖紙變為零件。只需三個步驟：坐標設定、程序編制、加工驗證；

NC/G-代碼編程：控制軟件帶有增強型NC編輯器，增強CAD/CAM的兼容性。在控制器上以圖形校驗程序很容易看到哪些代碼正在被執行。

美國HURCO展出的智能機床

三、對數控機床智能化技術特點的淺析

1、數控機床智能化技術開發瞄準實際需求

數控機床的主要功能是執行加工程序，高效完成零件加工。同時，通過各種辦法，保持加工的穩定性、可靠性和經濟性等。我們可以看到，國外數控機床智能化技術研發主要瞄準以上功能進行，即重點關注數控加工本身。例如：赫克公司認為人與技術之間的關系是：技術應該輔助操作者，而不是干擾操作者的思路。技術應該盡量減少繁瑣和重復的任務，使機械師的工作更富有成效。技術必須支持機械師，而不是控制他。赫克公司倡導盡力支持和幫助用戶，更快地完成從圖紙到零件的過程。

2、機床機械設計與數控系統智能化協同創新

在實現數控機床智能化技術應用的過程中，國外機床企業和數控系統企業各有側重，機床企業偏重于機床整體結構的創新，數控系統企業偏重于數控系統智能化功能的提升，但這兩者相互合作才能實現真正的智能化。例如：OKUMA公司“Thermo-Friendly（熱親和設計）”理念強調，機床的機械設計應該本著“接受機床環境和加工過程的溫度變化”的獨特思路，使得用戶不必采取特殊措施，便能在普通的工廠實現高精度加工。OKUMA公司的熱補償方案可用于機床啟動、再次加工、環境溫度變化等條件下。在這個案例中，機床的結構設計如果沒有創新，數控系統的智能化功能則無法實現。

OKUMA公司機床熱誤差補償的效果

3、互聯網等新技術的應用促進數控機床智能化技術發展

早期，國外數控機床智能化重點關注數控機床本身和數控加工過程的智能化。近年來，國外機床企業也加快了互聯網、工業軟件等新技術在數控機床智能化技術方面的應用，推動機床互聯，集成機器人等自動化設備，建設智能工廠。

例如，MAZAK公司認為現代的機械加工工廠對智能機床的要求應該包括：能夠接入互聯網絡；能夠實時向網絡提供自身的相關信息（如：運行狀態、工作內容、工藝數據、工作進度等）；能夠從網絡接受所需的各種數據（如：加工程序、生產計劃、工藝數據、生產準備信息等）；通過智能化的功能最大程度減少生產準備工作內容；具有一定的自適應和自診斷能力。

MAZAK公司的“智能裝備+互聯網”結構圖

四、對國產數控機床智能化技術發展的幾點建議

1、瞄準用戶實際需求，實現差異化發展

結合CIMT2019參觀考察和重點用戶走訪的情況，數控機床智能化技術根據用戶實際需求也可以分為兩類：高端功能和普及型功能。高端功能包括機床熱循環控制、機床防碰撞、新一代人工智能技術的應用、圖形化仿真和編程等，普及型功能包括熱誤差補償伺服優化、空間誤差補償、智能剛性攻絲、智能加減速等。國產數控機床企業可以根據企業的實際情況和技術復雜程度，選擇用戶急需的、自身具備開發能力的研制方向。

2、機床企業與數控系統企業深度合作，協同創新

機床企業和數控系統企業各有所長。如果機床企業有豐富的用戶加工工藝經驗，在熟悉和理解用戶需求的基礎上，可以在機床機械結構方面創新。數控系統企業能為機床企業提供穩定可靠的數控系統平臺，提供開放的二次開發接口和HMI定制功能。雙方深度融合，協同創新，就一定能開發出實用、有效的智能化功能。在雙方的合作中，機床企業所需要的智能控制要求、加工工藝和使用特色要求可方便地融入到數控系統中；機床企業智能化機床的銷售，可以進一步強化主機廠的機床品牌，增加用戶對主機廠的忠誠度。

3、探索新一代人工智能技術與數控技術深度融合

近年來，大數據、云計算和新一代人工智能技術取得了群體性、革命性的突破。新一代人工智能技術與先進制造技術深度融合所形成的新一代智能制造技術，成為了新一輪工業革命的核心驅動力。專家認為，在國家大力推進智能制造的形勢下，作為工業母機的機床更應該加速走在前列，走一條并行推進、融合發展的中國式智能制造技術推進路線，向高質量和創新型發展。在此背景下，數控機床企業需積極探索如何加快智能機床的研制和應用，是步步緊跟國外機床企業的步伐，還是有所創新和突破？我們建議推動新一代人工智能技術與數控技術的融合，形成新一代智能機床，以期為數控機床產業帶來新的變革。

撰稿：武漢華中數控股份有限公司來源：數控系統分會

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