新常態（tài）下國產數控（kòng）係統的發展對策及案例-刀具網-數控機床市場網

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新常態下國產數控係統（tǒng）的（de）發（fā）展對（duì）策及案例

2018-8-17 來源：中國重汽集團（tuán）濟南橋箱有限公司高級工（gōng）程師作者：劉勝勇（yǒng）

摘要：本文從運行高速化、加工高精（jīng）化、控製智能化、模塊（kuài）總線化（huà）、維護可視化、網絡互（hù）聯化、二次開放（fàng）化、生產綠色化和招投標國產化等方麵（miàn），給（gěi）出了新常態下（xià）國產數（shù）控係統的發展對策及相關案例。

數控機床控製技術是高度集成了機械製造技術、自動化技術、計算機技術、傳感器技（jì）術、信息處理技術和光電液（yè）一體化技術（shù）的（de）現代製造技術，它以國內外各類型的數控係統（tǒng）為平台，通過微處理器（qì）（CPU）和可編程序控製器（PLC/PMC）對機床的運動及其（qí）加工過程進行自動控製（zhì）。這（zhè）一控（kòng）製過程不僅包（bāo）含單機孤島模式下工件的夾緊/鬆開、刀具的選擇、刀具與工（gōng）件的相對位置、切削液的開/關、主軸運行（háng）、伺（sì）服（fú）驅動、各機械耦合部件的潤滑以及（jí）相應部位的冷卻降溫等，還涉及聯機集群模式下操作門的開/閉機器人或機械手的（de）裝（zhuāng）/卸料、運（yùn）行數據（jù）的（de）采（cǎi）集/傳輸以及協同指令的發布/取消等。可以說，硬件和軟（ruǎn）件組成的數控係統是現代機床裝備的“大腦”，是決定數控機床功能、性能、可（kě）靠性和成本價格（gé）的關鍵因素，是製約企業實施（shī）智（zhì）能化製造並構建高（gāo）柔性高效率智能工（gōng）廠的瓶頸之一（yī）。從1952年美國研製第1台數控銑床（chuáng）及1974年（nián）我國製成第1台加工中心至今，數控係統經曆了2個階段和7代的發展，如表1所示。

近些年來，在引進消化國外（wài）數控技術的基礎上，我（wǒ）國已生產（chǎn）出自主版（bǎn）權的數控係統（見表（biǎo）2）。其（qí）中，國產（chǎn）經濟型數控係統已形成（chéng）規（guī）模（mó）優勢並（bìng）占領了我國經濟型數控係（xì）統95%以上的市場份額；國產中型（xíng）數控（kòng）係統的功能性已達（dá）到國外同（tóng）類產品水平，市場占有率不斷（duàn）提高；國產高檔數控係統受技術水平的限製，市場占有（yǒu）率非常少，絕大部分市場被FANUC、SIEMENS、M I T S U B I S H I和N U M等國（guó）外品牌占領。為（wéi）此，國內數控係統製造商應立足於當（dāng）前基礎之上，搶抓“高檔數控機床與基（jī）礎製造裝備”發展機遇，主動變革，持續自主創新，不斷突破國外技術封鎖，強力打破國外數（shù）控的市場生態（tài）圈，以高速（sù）率計算、高可靠性運行和全方（fāng）位（wèi）智（zhì）能（néng）化等優勢（shì），切實做到習近平總書記要求的“隻有把核心技術掌握在（zài）自己手中，才能真正掌握競爭和發展的主動（dòng）權，才能從根本上保障國家經濟安全、國防安全和其他安全（quán）”。作為數控係統的最終用戶，結合多年的使用心得和維護（hù）經驗，對新常態下國產數控（kòng）係（xì）統的發展提出如下幾點（diǎn）建議。

表1 世界和我國（guó）數控係統的（de）發展曆程

表（biǎo）2 國產數控（kòng）係統主要製造（zào）商及其代表產品

1、數控係統要匹配運行（háng）高速化

隨著（zhe）汽（qì）車、國防和航空（kōng）航天等工業的高速發展以及鋁合金等（děng）新材料的應用，數控機床加工的高速化成為企業提（tí）高生產效率、降低製造成（chéng）本並獲取高質量加工精度的（de）有效手段之一。這就要（yào）求數控係統一是（shì）裝用高性（xìng）能極快運算速度的32位甚至64位的多核微處理器（CPU），通過CNC主板上電子元器件的性能優化，使（shǐ）其運算頻率提高至幾百兆赫（hè）、上千兆赫，做到微米、納米和皮米級的控製精度；二（èr）是在保（bǎo）證機床高速平穩運行的前提下，通過梯形（xíng）加減速、指（zhǐ）數加減速、三角函數加減速、S曲線加減速和多項式加減（jiǎn）速等控製技術，使其獲得最優前加減速控製性能（néng）和後加減速控製性能。例（lì）如，MITSUBISHIM800/M80係列（liè）CNC的微小線段處理能力達到270k程序段/min，具備第4代SSS（Super Smooth Surface）控製及樣條曲線功（gōng）能，部分工序可同步執行，機床動態和靜態特性有效改善（shàn）。強化數控係統運算（suàn）能力，通常要綜（zōng）合考慮（lǜ）5個指標，即直線插補、PLC/P M C處理、輔助程序調出、宏運算和輔助功能。數控係統（tǒng）的加減速控製模型如圖1所示。

圖1 數控係（xì）統的加減速模型

2、數控係統要達到加工高精化

現代數控機床就像人的一隻手，工作時它抓著刀具或工件，按照預（yù）定軌跡控（kòng）製刀具或工件沿運動方向進（jìn）給，最終加（jiā）工出用（yòng）戶要求的零（líng）件形狀或實現應有的用途。高精度的零件形狀與精密級的定位機（jī）能既離不（bú）開主軸的高速化、位（wèi）置檢測裝置的高分辨率以及全方位的誤（wù）差補償技術，也離不開機械的製造和裝配精度及IC裝備的製造精密性，更離不開CNC係統（tǒng）的微米（mǐ）、納米甚至皮米級的控製精度。為此，數控係統一是采用直接（jiē）過渡（dù）、曲線過渡或NURBS曲線擬合等連續短線（xiàn）段加（jiā）工技術，並運用具有軌跡通用、計算高（gāo）效且加減（jiǎn）速（sù）最優特性的軌跡前瞻處（chù）理技術（即實時插補的同時向前預插補一段距離，判斷距離內是否存在需（xū）提前減速的路（lù）徑段）進行速度規劃，以實現複（fù）雜型（xíng）麵CAM編程下連（lián）續短線段加工的升降速控製；二是采用單軸（zhóu）跟隨（suí）誤差、多（duō）軸（zhóu）交叉耦合（hé）等（děng）控製方法以及機床幾何誤差與熱變形誤差（chà）的檢測補償等技術，進行輪（lún）廓誤差的補償，以提高（gāo）複雜型麵加工的輪廓精度，例如（rú）FANUC係統的輪廓誤差控製、Axium Power係統的（de）跟隨（suí）誤差控製及Mazak機床的納米輪廓控製等。

3、數控係統要做（zuò）到控製智能化

現代機床的性能不僅取決於機（jī）械本身，還取決於機械的控製技術（shù）。最（zuì）新型的數控係統既要最大限度（dù）地發（fā）揮出機械能力，又要依靠防振控製、熱（rè）變位控製、幹涉防止、語音導航、主軸監測、保養監控、工作台平衡（héng）感知和棒材供給控製等功能，滿足製造業生產柔性化和製造智能（néng）化的發展（zhǎn）需求，不斷（duàn）適應新常態下工廠環境變化，有（yǒu）效減輕操作人員負擔。

（1）數控係統要具備加工過（guò）程的（de）自適（shì）應控製機能（néng）。例如，通過（guò）監測主軸和進（jìn）給電機的功率、電流和電壓等信息，辨識出刀具的受力、磨損以及破損狀態，機械加工的穩（wěn）定性狀態，可（kě）實時修調加工參數（shù）（主軸轉速、進給速度）和加工指（zhǐ）令，使設（shè）備處於最佳運行狀態，以提高產品加（jiā）工精度和設備運行安全性。加工（gōng）過程（chéng）中進給率優化控製示（shì）意如圖2所示。

圖2 加工（gōng）過程中進給率優化（huà）控製示意

（2）數控係（xì）統可對加工參數進行智能優化。數控係統（tǒng）應能集合零件加工的一般規律和特殊（shū）工（gōng）藝經驗，運用現代智能方法，構造（zào）基於專家係統或模型的“加工參數的智能優化與選擇器”，以獲取最優化的加工參數，使加（jiā）工係統始終處於合理（lǐ）經濟（jì）的工作狀（zhuàng）態。

4、數控係統要適合模塊總線化

隨著數控技術的（de）不斷發展，現代數控機床的自動化程（chéng）度愈來愈高、模塊化程度愈來愈強。通過信息的傳輸和數據的交（jiāo）換，將數控機床集成到複雜的生產生命周期工作流和公司的IT結構中（zhōng），已成為（wéi）現代製造公司發展的一（yī）種趨勢。由此，自動化的（de）通信（xìn）網絡（luò）成為數控係（xì）統不可（kě）缺少的重要組成部分（fèn）。I E C 61158第4版給定的現場總線類型有20種之多（duō），即S61158現場總線（xiàn）、Profibus現（xiàn）場總線（見圖3）、Profi NET實時（shí）以太網（見圖4）、Ether CAT實（shí）時以太網、C C-L i n k現場總線、T C N E T實時以太網、Ethernet Powerlink實時以太（tài）網與Interbus現場總線等。

圖3 SINUMERIK 840Dsl係統的Proﬁbus-DP通信網絡

5、數控係統要力求維護可

視化（huà）當下，隨著智能化製（zhì）造的全麵實施（shī）及智能工廠構建的穩步（bù）推（tuī）進，愈來愈多（duō）的製造企業立足於智能機器人與（yǔ）自（zì）動線構建的數字化（huà）工廠，擬采用物聯網技術和設備監控技術，強化內在的信息管理和服務。例如，清楚掌握產銷流程，提（tí）高（gāo）生產過程的可控性，剔除生產線上的人工（gōng）幹預，即時正確地采集生產線數據，合理（lǐ）編排生產計劃及控製生產進度，將一切信息匯總到管理係（xì）統，進而控製整個企業（yè）的生產（chǎn）作業（yè）。這就要求數控係統一是顯示各種診斷信息，以幫助確定報警發生時的狀態；二是嵌入故障診斷引導畫麵（見圖5），以輔助維修者迅速確定報警發生的原因；三是以3D動畫方式嵌入零部件在整機布局的位置（見圖（tú）6），並在其故障時圖解文（wén）字紅色閃爍，方便機床的維護維修；四是適應網絡互聯的要求，既可單機（jī）孤島式運（yùn）轉，也可聯機集群（qún）式運行，還能夠遠程監視，以使車間執行層準確獲知每台數控機床的運行狀況和實時數據，方便後續巡檢人員的調度、維修人員的指揮及計劃生（shēng）產的調整（zhěng）；五（wǔ）是采用智能（néng）故障自修複技術，據故障原因的自我診斷和故障部位（wèi）的自（zì）行確定，自動排除故障或引導維修人員排除故障，進（jìn）而使CNC集自診斷、自排除、自恢複和自調節於一體並貫穿於全生命周期。

6、數控係統要滿足網絡互聯化

在“工業4.0”的驅動下，各製造（zào）企業正全麵建（jiàn）設低時（shí）延、高可靠（kào）和廣覆蓋的（de）工（gōng）業互聯網，開發App，開通微（wēi）博和微信，開展網絡營銷，發展電子商務；正（zhèng）建設商業智能係（xì）統，對生（shēng）產經營數據（jù）進行大數據分析以優化工藝流程，對銷售數據進行大數據分析以開展精確營銷和改進產品設計（jì），對管理數據進行（háng）大數據分析以優（yōu）化、重組和再造管（guǎn）理流程。這就要求數控係統具有雙向、高速的聯（lián）網通訊功能，以保證信息流在（zài）部門間暢通無阻，進而使得機床、加工程序、刀具夾具和生產計劃表等信息（xī）共享，經由軟件實（shí）現企業的（de）實時管理，使得網絡監視下的機床在突發故障時自動發送（sòng）警報（bào）至服務部門，力求提高維修效率並縮（suō）短停機時間。例如，LGMazak公司在其（qí）數控係統中嵌入MAZA-Care遠程診斷軟件，能夠代替用戶365天24小時一直守護機床，機床發生故障時，自動（dòng）通知（zhī）LGMazak進行遠程維護支持；FANUC係統可經操（cāo）作人員的便攜終端隨時隨地確認機床狀態。

圖4 基於工業以太網的ProﬁNET網絡

圖5 FANUC係統內嵌的故障診斷引導畫麵

圖6 LGMazak QTN250Ⅱ臥式車床內嵌的維修圖解

1.冷（lěng）卻扇（shàn）過濾器 2.潤滑壓力開關 3.通風組件 4.潤滑脂壓力開關（guān） 5.C搋製動閥夾緊，第2主軸製動/夾緊 6、液（yè）壓（yā）壓力開關

7、數控係統要二次開發開放化

受PC計算機技術飛（fēi）速發展、C N C 功能部件模（mó）塊化程序（xù）愈來愈高、機床用戶需求功（gōng）能趨於定向複雜化及數控係（xì）統製造成本急需下降等因素的影（yǐng）響，開放型數控係統（見圖7）的優勢得以顯現——不同平台的可移植性、不同模塊同一平台的可擴展性、模塊（kuài）間數據的互（hù）操作性、用戶的便於維護性以及統一的人機界麵（miàn），有的已（yǐ）成為發達國家的戰略技術。例如（rú），FANUC開放型數控係（xì）統可實現CNC與（yǔ）PC計算機的最佳結合，數控係統（tǒng）的功能（néng）可非（fēi）常簡單（dān）地內裝於市場（chǎng）上購買到的硬件和軟（ruǎn）件之中，從而使係統（tǒng）更（gèng）加智能化，實現機床（chuáng）廠（chǎng）家（jiā）的個性化。現（xiàn）今，開放型數控係統的結構主要有3種，即（jí）基於PC的CNC係統（又稱Soft CNC）、PC嵌入式係統、PC與CNC融（róng）合係統。其中，基於PC的CNC係統是（shì）以（yǐ）PC機為平台，數控（kòng）功能由軟件模塊實現，運動執行先經伺服軸（zhóu）卡傳遞數據，再由伺服（fú）裝置驅動坐（zuò）標軸電動（dòng）機；PC嵌入式係（xì）統是把一塊多軸運動（dòng）卡插入傳統的PC中，PC為人機接口平台，運動卡實時控製坐標軸運動（dòng）；PC與（yǔ）CNC融（róng）合係統（tǒng）是增加一塊PC板並提供鍵盤，使PC與（yǔ）CNC聯係在一起，通過相應軟（ruǎn）件實現定製性（xìng）界麵開發，此方式已被（bèi）很多數控係統製造商采用（yòng）。

8、數控係統要全程生產綠色化

隨著日趨嚴格的環境與資源（yuán）約束，製造加工（gōng）的綠色化越來（lái）越重要（yào），這就要求數控係統（tǒng）全生命周期綠色環保化（見圖8），既要節約能源、削減消耗功率，又要節省資源（yuán）、削減消費（fèi）油劑，還有減少廢棄物、削減廢棄油劑（jì）的（de）排放等。

9、數控係統招投標趨於國產化（huà）

國外數控係統因其在技術和性能上的優勢及其在中國市場上（shàng）深耕幾十年，現已具備了（le）很好的市場品牌與客戶（hù）美譽度，並在國內眾多客戶中形成了一個“市場生態圈”。國產數（shù）控係統這些年雖有（yǒu）長足發展，與國外的差距逐步縮小，但其品牌效應和客戶美譽（yù）度與國外品牌仍有巨大差距。為此，國內數控係統製造商要（yào）改（gǎi）善其（qí）產品架構，增強應用可靠性，提升售後服務質量，勇於自（zì）我創新設計，形成獨特技術優勢（shì）；設備製造商要做好國產數（shù）控係統的推（tuī）廣工（gōng）作，積極裝用國產係統，強化與係（xì）統製造（zào）商（shāng）的密切協作關係；企業終端（duān）用戶不僅要在招標過程（chéng）中積極響應（yīng）國產係（xì）統，給予（yǔ）CNC產（chǎn）品同台公（gōng）平競爭機會，還要切實抓好數控係統應

圖7 開放型數控係統模型

圖8 數控係統全生命周（zhōu）期循（xún）環示意（yì）

用維護隊伍的建設，擯（bìn）棄“習慣了就是好用，不習慣就是難用”的觀念，唯有用好方可產（chǎn）生（shēng）最佳效益。

如何才能從國外數控係（xì）統的習慣應用中快速（sù）跳至國產數控係統（tǒng）的嫻熟使用呢？筆者認為（wéi），一是操作者認真學習機床製造商提（tí）供的係統操作說明書，要（yào）像試玩遊戲（xì）一樣接受其畫（huà）麵操作；二是維修者仔細研讀隨機資料，善於借（jiè）助網絡和電話求助，能夠按（àn）照“機床故障→看報警說（shuō）明書/維護說明書（shū）→閱電氣說明書/機械說（shuō）明書（含液壓、氣動原（yuán）理圖）→查參數說明書→調參（cān）數換配（pèi）件”的順序進行（háng）故障排除，係統故障時谘詢係統製造商（shāng），機床故障時谘詢（xún）機（jī）床製造商；三（sān）是係統製造商應像SIEMENS公司一樣加大（dà）其官（guān）網的資料（liào）容量，提升知識共享性和公開性；四是機床製造（zào）商應強化售後服務隊伍，建立故障立即反（fǎn）應機製，嵌（qiàn）入遠程診斷軟件.

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