从CIMT2023国际机床展看数控系统智能化发展
CIMT2023（第十八届中国国际机床展览会）已于4月15日圆满落幕。展会期间，主办方中国机床工具工业协会有关分会组织人员针对本专业领域展品进行评述，现编发部分文章，供业界参考。文章观点仅代表作者本人。
2023年4月，第十八届中国国际机床展览会(CIMT2023)在北京隆重举行，来自全球28个国家和地区的约1600家机床工具行业企业同台竞技，全球最先进的制造技术和装备集中展示。本届展会主题是“融合创新数智未来”，展现了新一代信息技术与制造业的深度融合和不断创新。
(资料图)
一、数控系统智能化技术主要展品
目前，随着互联网、大数据、云计算和新一代人工智能技术与制造技术的不断融合发展，数控系统智能化技术快速发展，很多数控系统企业推出了具有智能化功能的数控系统，其特点是：增加了传感器，增强了对加工状态感知能力，实现了机床加工数据的汇聚；利用人工智能算法挖掘数据中的知识，用户可以在数控系统企业的支持下开发APP，实现机床控制的智能化。在CIMT2023北京国际机床展上，境内外多家数控系统企业展出了具备智能化技术的数控系统。
1.西门子（德国）
西门子主要展出了Sinumerik One和Sinumerik 828D数控系统，840D系统将于2024年退市。Sinumerik One是以西门子技术生态及其数字孪生工具链为依托的“数字化原生”数控系统，是西门子推动机床行业数字化转型的关键产品，具有创建相应数字化双胞胎的多功能软件，以实现机床制造和生产过程数字化孪生。其智能化功能包括：智能动态控制(IDC)、智能负载控制(ILC)、Top Speed plus智能功能。
图1 Top Speed Plus
图2 西门子基于数字孪生的工业云平台
2.发那科（日本）
发那科重点展出了Fanuc 31i Mode B Plus数控系统以及小型3-4轴钻攻机、线切割机床等，突出发那科数控系统的智能化功能：智能进给轴加减速，智能重叠，智能反向间隙补偿，智能机床前端点控制，智能刚性攻丝，智能温度控制，智能主轴负载控制，智能负载表，智能主轴加减速等。支持多种传感器：支持测头、量仪、视觉传感器、光栅尺、角度编码器等。
图3 全新FANOVI界面
可实现机床数据采集及可视化、NC程序集中管控和传输管控、刀具全流程管理、现场生产管理(无纸化操作终端)、生产优化、系统集成管理(MES系统、PLM系统、QMS系统)。
图4 系统集成管理
图5 Fanuc-IoT
3.海德汉（德国）
海德汉重点展示了新款TNC7数控系统，该数控系统具有图形化编程功能，能够快速编写复杂工件加工程序。其智能化功能主要包括：智能偏差测控、智能磨损检测、智能反向间隙补偿、智能机床前端点控制、智能图形化编程、智能函数、智能动态碰撞监测等。
图6 图形化编程
4.华中数控
本次展会，华中数控股份有限公司以高端五轴数控系统为主题，重点展出了华中9型智能数控系统，实现了质量提升、工艺优化、健康保障和生产管理等智能化功能，使得数控加工“更高、更快、更智能”。系统配置AI芯片，可以实现毫秒级实时预测与推理；集成了数十个智能应用App，构建了定制化人工智能运行与开发的开放平台；具备动态响应仿真功能：动力学建模，大数据复现关联，实现机床数字双胞胎。目前，华中9型智能数控系统的工艺参数优化、智优曲面、智能刚性攻丝、热误差补偿、iNC-Cloud远程运维等智能化技术已经在华中8型V2.4系统中批量应用，助力机床加工实现“更精更快更智能”。
图7 华中9型智能模块
同时，华中8型数控系统具备很多实用的智能化功能，帮助用户更好完成机床设计、调试、交付，提高机床使用效益。例如：
(1)一脑双控。一脑双控单机自动化是利用华中8型的多通道功能，一个通道控制机床，一个通道控制桁架机械手。
(2)智优曲面iSurfine。数控系统根据零件整体轨迹对加工速度进行全局规划自动平滑，实现高速、高效基础上的高表面质量加工。优化后刀具轨迹清晰一致，加工零件表面均匀无过切、欠切纹路。
(3)超级匀顺。针对加工轨迹中微直线段和圆弧段混合、线段长度不一、线段转角复杂等缺陷，华中8型数控系统超级匀顺功能可快速有效地对加工轨迹中的缺陷处进行平滑光顺，提升速度及加速度平顺性，获得更优的加工表面质量。满足不同工况、加工精度要求及不同程序特点，适用3C轮廓加工、钻攻、模具、轮毂加工。
(4)iNC-Cloud数控云管家——远程运维及健康保障功能。可以对机床产品进行数字化管理，为产品建立全生命周期数据档案，帮助机床企业建立客服中心，远程指导用户解决使用过程中出现的问题。
图8
5.科德数控
科德数控股份有限公司重点展出了安装GNC62数控系统的五轴立式车铣复合加工中心以及五轴卧式铣车复合加工中心等，以及科德数控的传感器、伺服电机系列产品。
GNC62数控系统的智能化功能主要包括：
(1)支持数字孪生，可根据实时速度、负载率、温度等物理变量的变化而对三维工件模型渲染着色。
(2)支持螺距误差补偿、反向间隙补偿、垂直误差补偿、直线度误差补偿、扭摆误差补偿、空间误差补偿、温度误差补偿等。
图9
(3)友好的人机交互界面，支持3D在线、离线仿真，支持3D防碰撞检查，友好的面向用户开放的GMDL向导式对话式编程工具。
(4)支持在线监控和信息集成，能实时采集加工过程大数据及加工状态数据、机床设备信息，具备相应的数据接口，可实现信息互联互通。
(5)具备强大二次开发接口，支持针对不同应用场景定制与操作和工艺配套的人机交互界面HMI，并支持基本层次配置和SDK层次开发。
6.广州数控
广州数控设备有限公司重点展出了应用于数控车床、铣床的GSK 980系列，应用于齿轮或五轴加工中心的GSK 25i系列，以及应用于高端车铣复合机床的GSK 27i系列等数控系统。GSK 27i数控系统智能化功能有：支持智能总线诊断、智能防碰撞检测、智能主轴负载自适应、智能路径重叠等。
图10
7.北京精雕
北京精雕科技集团有限公司展出的产品主要包括高效型五轴加工中心(JDMRET400DZ)、五轴高速磨削中心(JDGRMG300)以及机加自动化系统(JDGR400T)等，使用的数控系统为JD50，其主要智能化功能包括：与自研CAM软件SurfMill融合，支持DT实时编程、碰撞检测。提供JMS中央控制系统和JDSoft IFactory对生产数据进行采集、统计、分析，支持订单管理、任务管理、生产监控、生产统计、设备管理和设备调度等。
图11 DT实时编程技术
8.沈阳中科数控
本次展会，沈阳中科数控技术股份有限公司重点展出了基于智能硬件平台的GJ600系列智能数控系统、GJ400系列高档数控系统和GJ300系列专用数控系统。其中适用于高档数控机床、复合加工机床及柔性加工单元的GJ610智能数控系统，支持多传感器介入和多信息融合，实现高档数控系统对加工过程的全面感知及智能控制，增强系统加工处理能力，并具有智能编程、智能补偿、精优曲面和远程监控功能，以及设备故障的预测诊断及恢复功能，同时支持铣削、车削、磨削等工艺集成，可大幅度提升数控机床的性能和可靠性，提高复杂零件的加工效率和质量，现已成功应用于航发典型工件生产线。
图 12
二、数控系统智能化技术发展趋势
通过对CIMT2023展会上展出的境内外数控系统的智能化技术进行分析比较，我们总结了数控系统智能化技术发展趋势如下：
1．数控系统智能化技术发展加快
普通数控机床主要是通过加工代码、指令对刀具、工件进行控制，不具备感知、反馈和自主学习能力，数控系统缺乏对机床实际加工状态、环境变化的掌控。而随着互联网、大数据、云计算和新一代人工智能技术的不断发展，数控系统智能化需求强劲。目前，国外已经将互联网和智能化技术应用于数控系统，数控机床的加工效率和精度、机床调试速度和宜人化等大大提升。
很多企业推出了具备智能化功能的数控产品，除了数控系统企业，还包括MAZAK(马扎克)、DMG MORI(德马吉森精机)、GROB(格劳博)等。例如DMG MORI基于CELOS平台的集成数字化制造解决方案，涵盖了生产计划、生产准备、加工生产、过程监控、服务等五个阶段。GROB公司的数字化解决方案实现从生产规划、复杂编程、加工仿真、设备监控与分析、加工过程可视化到维修保养的工艺过程数字化以及设备管理的数字化。
2．数控系统与数字孪生、人工智能等技术深度融合
数字化、智能化技术的出现，为实现数控机床的性能提升提供了新的支撑技术，构建物理机床的数字孪生机床并在其基础上实现运动加工仿真成为进一步提升加工整体效率与成本的热点方向。
境内外多家数控系统厂商和机床厂纷纷通过数据高速采集、控制模型建立、切削仿真等技术实现了机床的虚拟调试与虚拟加工，并取得了很好的效果。围绕数字孪生的需求，数据高速采集存储、模型建立(包括虚拟CNC、虚拟驱动器、电机、机械系统等)、数据分析与驱动等技术将会是未来数控机床数字化智能化发展的方向。
例如，在产品研发阶段，西门子One数控系统能够助力机床制造商缩短机床设计时间和现场调试时间，提升机床研发、上市效率。面向机床用户，西门子One数控系统的机床虚拟加工解决方案可实现对加工工艺、加工速度、加速度、节拍时间等方面的仿真验证，帮助客户大幅缩减试切时间和试切成本，并规避碰撞风险。目前，一些大型机床企业已经开始试用西门子One的虚拟调试系统，实现了从840Dsl到One的移植和机床调试。
3．数控系统智能化与机床设计创新深度融合
数控系统智能化与机床设计创新深度融合，其智能化优势才能更好发挥。就数控机床与数控系统融合紧密程度，本届CIMT展呈现了4种不同类型的搭配情况，分别为：(1)自研数控系统，如FANUC、brother(兄弟)、科德、北京精雕、i5等；(2)第三方系统深度开发，如MAZAK-三菱、DMG-西门子、华工激光-华中数控、宝鸡机床-华中数控，不再使用原系统的原生界面，用户可以自定义操作路径、G代码循环或者更深层功能性开发；(3)第三方系统界面开发，如MAZAK-FANUC、创世纪-FANUC、三菱、华中数控，在原生界面基础上增加其他功能界面，可支持终端客户问题解决类功能开发的画面显示；(4)第三方系统直接应用智能数控系统，如秦川机床-华中数控、宇环数控-华中数控等。
例如，本次展会上展出的华工激光公司五轴激光加工设备，就是和华中数控坚持“行业领先、国产替代、专精特新”的产品目标，采用“马扎克”合作模式，对标高端激光加工机床，依托华中9型数控系统平台，将“智能+数控”、“互联网+数控”与激光切割控制和工艺深度融合，打造的完全自主可控的国产高端激光切割设备。双方合作还先后开发了等离子切割控制系统、三维五轴激光切割控制系统、重装坡口激光切割控制系统等多个产品，并成功实现批量配套。
三、数控系统智能化技术发展境内外差距分析及行业发展建议
1．数控系统智能化技术发展境内外差距分析
从展品看，西门子Sinumerik One数控系统包含智能动态控制、智能负载控制等功能，能够实现在不同负载、不同动态的精度保持。针对曲面加工，包含精优曲面、臻优曲面、Top Speed等功能，能够实现曲面的高精度加工，同时还提供机床数字孪生等仿真技术。发那科数控系统具备切削负载监控、AI轮廓控制等功能，海德汉系统提供高级动态预测功能，均能实现曲面的高精度加工。华中9型数控系统具备负载自适应、iSurfine智优曲面、Cyber-Milling等智能化技术。广数GSK27i提供智能主轴负载自适应等功能。
整体来看，近些年国内数控系统在智能化技术的研制方面不断努力，发展方向基本与国外保持一致，推出了华中9型等新产品，但是在数字孪生、虚拟仿真、数字化调试等方面还有差距。
2．建议国产数控系统企业加强智能化技术的研究
为了追赶国外高端数控系统，建议国产数控系统企业将智能化技术列为研究重点，通过不断的技术攻关，进一步提升数控加工质量提升、工艺优化、健康保障与生产管理等方面的关键共性技术，加大对智能数控系统、智能功能部件和智能优化、智能补偿、健康保障等工业应用软件和数控机床互联通讯协议标准规范的研发和应用。
3．建议国产数控系统企业加强与机床企业联合推广智能化技术
数控机床是典型的机电一体化产品，机床整体性能的提升离不开数控系统、机床主机、其他功能部件的协同。建议国产数控系统企业加强与主机企业的技术交流，在他们的支持下，改进机床设计方法，合作推出市场需要的具备更多智能化功能的高端机床。
来源：协会数控系统分会(肖明 张幼龙)
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