數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展

在國(guó)家大力推進(jìn)智能制造的形勢(shì)下，作為工業(yè)母機(jī)的機(jī)床更應(yīng)該加速走在前列，走一條并行推進(jìn)、融合發(fā)展的中國(guó)式智能制造技術(shù)推進(jìn)路線，向高質(zhì)量和創(chuàng)新型發(fā)展。在此背景下，數(shù)控機(jī)床企業(yè)需積極探索如何加快智能機(jī)床的研制和應(yīng)用。

一、前言

近年來，為了更好滿足機(jī)床用戶對(duì)數(shù)控機(jī)床“高速、高精、復(fù)合、智能、環(huán)保”的要求，國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床企業(yè)不斷研制出具備智能化功能的各類數(shù)控機(jī)床。特別是近年來，隨著機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)與信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)控加工逐漸呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化與智能化的趨勢(shì)，數(shù)控機(jī)床的智能化功能也越來越成熟。

筆者參加了近幾年中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)主辦的中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)（北京，CIMT）和中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)（上海，CCMT），看到部分國(guó)外品牌數(shù)控機(jī)床企業(yè)的智能化技術(shù)，結(jié)合國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀，深有感觸。本文對(duì)幾種典型的國(guó)外品牌數(shù)控機(jī)床在智能化技術(shù)方面的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)的思考和建議。

二、部分境外機(jī)床展品智能化新技術(shù)

數(shù)控機(jī)床智能化新技術(shù)主要體現(xiàn)在世界著名的數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)的展品中，如MAZAK（馬扎克）、DMG MORI（德馬吉森精機(jī)）、OKUMA（大隈）、HURCO（赫克）、STARRAG（斯達(dá)拉格）、MIKRON（米克朗）、SIEMENS（西門子）、FANUC（發(fā)那科）、HEINDENHAIN（海德漢）等。

1、日本OKUMA（大隈）公司智能化技術(shù)

日本OKUMA公司智能化技術(shù)主要包括：

（1）加工條件搜索功能：MachiningNavi系統(tǒng)依靠先進(jìn)的檢測(cè)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(zhì)量，還對(duì)縮短加工時(shí)間、提升生產(chǎn)效率，以及延長(zhǎng)刀具壽命、整合工序有重要作用。

（2）防撞機(jī)功能：當(dāng)進(jìn)行復(fù)雜動(dòng)作的多面加工時(shí)，機(jī)床內(nèi)部發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)也隨之增加。OKUMA公司利用先進(jìn)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)防撞機(jī)功能，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)與手動(dòng)操作時(shí)都會(huì)在撞機(jī)前停止動(dòng)作。操作者可以專心地進(jìn)行加工，大大縮短了工裝、試件的加工時(shí)間。

（3）伺服控制優(yōu)化功能：通過自動(dòng)優(yōu)化伺服控制，提高加工精度及加工表面質(zhì)量。尤其可以提高加工中心的加速度，縮短加工時(shí)間。此外，長(zhǎng)期使用機(jī)床而產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)突起或異音、振動(dòng)、折痕、鱗狀痕等可立即消除，還可長(zhǎng)時(shí)間保持高精度、穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）測(cè)量、補(bǔ)償幾何誤差功能：5軸加工機(jī)床在傾斜加工軸類零件和多面體零件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(yè)花費(fèi)大量時(shí)間對(duì)4種幾何誤差進(jìn)行補(bǔ)償。5-AxisAuto Tuning System（5軸自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)）僅需10分鐘即可實(shí)現(xiàn)高達(dá)11種幾何誤差測(cè)量及自動(dòng)補(bǔ)償。

（5）準(zhǔn)確控制規(guī)則的熱位移，即“熱親和”功能：機(jī)床周圍的溫度變化及加工過程中產(chǎn)生的熱量，都會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生很大的影響。OKUMA設(shè)計(jì)了接受溫度變化，同時(shí)擅于控制熱位移的機(jī)床結(jié)構(gòu)。只需在安裝機(jī)床時(shí)確認(rèn)一次尺寸，可大幅減少之后的補(bǔ)償次數(shù)。

OKUMA機(jī)床“熱親和”功能實(shí)測(cè)效果

2、日本MAZAK（馬扎克）公司智能化技術(shù)

MAZAK公司的Smooth Technology（流暢技術(shù)）體現(xiàn)了該公司在機(jī)床智能化技術(shù)的最新發(fā)展。其數(shù)控系統(tǒng)MAZATROL Smooth配備Windows8 PC的數(shù)控系統(tǒng)以及先進(jìn)軟件，極大地提高了加工效率。通過控制直線軸和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最佳加速度，使5軸聯(lián)動(dòng)加工的效率提高30%；利用簡(jiǎn)單調(diào)諧功能，可根據(jù)加工工件自由調(diào)整加速度、轉(zhuǎn)角精度、平滑度等參數(shù)，使之最優(yōu)化。客戶自身可簡(jiǎn)單方便地進(jìn)行加工時(shí)間優(yōu)先、加工面精度優(yōu)先或加工形狀優(yōu)先等個(gè)性化選擇。

Smooth Technology數(shù)控系統(tǒng)

MAZAK數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通結(jié)構(gòu)

此外，MAZAK公司數(shù)控機(jī)床還具有“全面工廠經(jīng)營(yíng)支持”功能，通過開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助智能手機(jī)、平板電腦等外部終端對(duì)機(jī)床設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，使多個(gè)不同公司的不同設(shè)備之間也能實(shí)現(xiàn)通信。

3、日本FANUC（發(fā)那科）公司智能化技術(shù)

FANUC系統(tǒng)以提高機(jī)床控制智能化為方向，在其新系統(tǒng)0iMF上標(biāo)配了智能化功能群，包括：智能重疊控制、智能進(jìn)給軸加減速、智能主軸加減速、智能自適應(yīng)控制、智能反向間隙補(bǔ)償、智能機(jī)床前端點(diǎn)控制、智能剛性攻絲。

FANUC公司數(shù)控系統(tǒng)智能化功能群

4、美國(guó)HURCO（赫克）公司智能化技術(shù)

美國(guó)HURCO公司主要設(shè)計(jì)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(tǒng)。其機(jī)床產(chǎn)品強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)化從圖紙?jiān)O(shè)計(jì)到零件制造的過程，協(xié)助操作者實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔而優(yōu)質(zhì)的加工。其兩個(gè)主要智能化特點(diǎn)是：

對(duì)話式編程：通過圖形校驗(yàn)，迅速將圖紙變?yōu)榱慵Ｖ恍枞齻€(gè)步驟：坐標(biāo)設(shè)定、程序編制、加工驗(yàn)證；

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

美國(guó)HURCO展出的智能機(jī)床

三、對(duì)數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)特點(diǎn)的淺析

1、數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)開發(fā)瞄準(zhǔn)實(shí)際需求

數(shù)控機(jī)床的主要功能是執(zhí)行加工程序，高效完成零件加工。同時(shí)，通過各種辦法，保持加工的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等。我們可以看到，國(guó)外數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)研發(fā)主要瞄準(zhǔn)以上功能進(jìn)行，即重點(diǎn)關(guān)注數(shù)控加工本身。例如：赫克公司認(rèn)為人與技術(shù)之間的關(guān)系是：技術(shù)應(yīng)該輔助操作者，而不是干擾操作者的思路。技術(shù)應(yīng)該盡量減少繁瑣和重復(fù)的任務(wù)，使機(jī)械師的工作更富有成效。技術(shù)必須支持機(jī)械師，而不是控制他。赫克公司倡導(dǎo)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(jī)床機(jī)械設(shè)計(jì)與數(shù)控系統(tǒng)智能化協(xié)同創(chuàng)新

在實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)應(yīng)用的過程中，國(guó)外機(jī)床企業(yè)和數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)各有側(cè)重，機(jī)床企業(yè)偏重于機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)偏重于數(shù)控系統(tǒng)智能化功能的提升，但這兩者相互合作才能實(shí)現(xiàn)真正的智能化。例如：OKUMA公司“Thermo-Friendly（熱親和設(shè)計(jì)）”理念強(qiáng)調(diào)，機(jī)床的機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)該本著“接受機(jī)床環(huán)境和加工過程的溫度變化”的獨(dú)特思路，使得用戶不必采取特殊措施，便能在普通的工廠實(shí)現(xiàn)高精度加工。OKUMA公司的熱補(bǔ)償方案可用于機(jī)床啟動(dòng)、再次加工、環(huán)境溫度變化等條件下。在這個(gè)案例中，機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如果沒有創(chuàng)新，數(shù)控系統(tǒng)的智能化功能則無法實(shí)現(xiàn)。

OKUMA公司機(jī)床熱誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

3、互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)發(fā)展

早期，國(guó)外數(shù)控機(jī)床智能化重點(diǎn)關(guān)注數(shù)控機(jī)床本身和數(shù)控加工過程的智能化。近年來，國(guó)外機(jī)床企業(yè)也加快了互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)軟件等新技術(shù)在數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)方面的應(yīng)用，推動(dòng)機(jī)床互聯(lián)，集成機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備，建設(shè)智能工廠。

例如，MAZAK公司認(rèn)為現(xiàn)代的機(jī)械加工工廠對(duì)智能機(jī)床的要求應(yīng)該包括：能夠接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；能夠?qū)崟r(shí)向網(wǎng)絡(luò)提供自身的相關(guān)信息（如：運(yùn)行狀態(tài)、工作內(nèi)容、工藝數(shù)據(jù)、工作進(jìn)度等）；能夠從網(wǎng)絡(luò)接受所需的各種數(shù)據(jù)（如：加工程序、生產(chǎn)計(jì)劃、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)準(zhǔn)備信息等）；通過智能化的功能最大程度減少生產(chǎn)準(zhǔn)備工作內(nèi)容；具有一定的自適應(yīng)和自診斷能力。

MAZAK公司的“智能裝備+互聯(lián)網(wǎng)”結(jié)構(gòu)圖

四、對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)發(fā)展的幾點(diǎn)建議

1、瞄準(zhǔn)用戶實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)差異化發(fā)展

結(jié)合CIMT2019參觀考察和重點(diǎn)用戶走訪的情況，數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)根據(jù)用戶實(shí)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(jī)床熱循環(huán)控制、機(jī)床防碰撞、新一代人工智能技術(shù)的應(yīng)用、圖形化仿真和編程等，普及型功能包括熱誤差補(bǔ)償伺服優(yōu)化、空間誤差補(bǔ)償、智能剛性攻絲、智能加減速等。國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床企業(yè)可以根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況和技術(shù)復(fù)雜程度，選擇用戶急需的、自身具備開發(fā)能力的研制方向。

2、機(jī)床企業(yè)與數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)深度合作，協(xié)同創(chuàng)新

機(jī)床企業(yè)和數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)各有所長(zhǎng)。如果機(jī)床企業(yè)有豐富的用戶加工工藝經(jīng)驗(yàn)，在熟悉和理解用戶需求的基礎(chǔ)上，可以在機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)方面創(chuàng)新。數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)能為機(jī)床企業(yè)提供穩(wěn)定可靠的數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)，提供開放的二次開發(fā)接口和HMI定制功能。雙方深度融合，協(xié)同創(chuàng)新，就一定能開發(fā)出實(shí)用、有效的智能化功能。在雙方的合作中，機(jī)床企業(yè)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(shù)控系統(tǒng)中；機(jī)床企業(yè)智能化機(jī)床的銷售，可以進(jìn)一步強(qiáng)化主機(jī)廠的機(jī)床品牌，增加用戶對(duì)主機(jī)廠的忠誠度。

3、探索新一代人工智能技術(shù)與數(shù)控技術(shù)深度融合

近年來，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和新一代人工智能技術(shù)取得了群體性、革命性的突破。新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合所形成的新一代智能制造技術(shù)，成為了新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動(dòng)力。專家認(rèn)為，在國(guó)家大力推進(jìn)智能制造的形勢(shì)下，作為工業(yè)母機(jī)的機(jī)床更應(yīng)該加速走在前列，走一條并行推進(jìn)、融合發(fā)展的中國(guó)式智能制造技術(shù)推進(jìn)路線，向高質(zhì)量和創(chuàng)新型發(fā)展。在此背景下，數(shù)控機(jī)床企業(yè)需積極探索如何加快智能機(jī)床的研制和應(yīng)用，是步步緊跟國(guó)外機(jī)床企業(yè)的步伐，還是有所創(chuàng)新和突破？我們建議推動(dòng)新一代人工智能技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的融合，形成新一代智能機(jī)床，以期為數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)帶來新的變革。