数控机床智能化技术创新和发展

在国家大力推进智能制造的形势下，作为工业母机的机床更应该加速走在前列，走一条并行推进、融合发展的中国式智能制造技术推进路线，向高质量和创新型发展。在此背景下，数控机床企业需积极探索如何加快智能机床的研制和应用。

一、前言

近年来，为了更好满足机床用户对数控机床“高速、高精、复合、智能、环保”的要求，国内外数控机床企业不断研制出具备智能化功能的各类数控机床。特别是近年来，随着机床设计技术、互联网与信息技术、人工智能技术的发展和应用，数控加工逐渐呈现出网络化与智能化的趋势，数控机床的智能化功能也越来越成熟。

笔者参加了近几年中国机床工具工业协会主办的中国国际机床展览会（北京，CIMT）和中国数控机床展览会（上海，CCMT），看到部分国外品牌数控机床企业的智能化技术，结合国产数控机床的发展现状，深有感触。本文对几种典型的国外品牌数控机床在智能化技术方面的技术特点进行分析，提出对国产数控机床智能化技术的思考和建议。

二、部分境外机床展品智能化新技术

数控机床智能化新技术主要体现在世界著名的数控机床和数控系统企业的展品中，如MAZAK（马扎克）、DMG MORI（德马吉森精机）、OKUMA（大隈）、HURCO（赫克）、STARRAG（斯达拉格）、MIKRON（米克朗）、SIEMENS（西门子）、FANUC（发那科）、HEINDENHAIN（海德汉）等。

1、日本OKUMA（大隈）公司智能化技术

日本OKUMA公司智能化技术主要包括：

（1）加工条件搜索功能：MachiningNavi系统依靠先进的检测和控制功能，帮助用户寻找最佳加工条件。不但能够提高加工面质量，还对缩短加工时间、提升生产效率，以及延长刀具寿命、整合工序有重要作用。

（2）防撞机功能：当进行复杂动作的多面加工时，机床内部发生碰撞的危险也随之增加。OKUMA公司利用先进控制技术实现防撞机功能，可以实现机床自动运转与手动操作时都会在撞机前停止动作。操作者可以专心地进行加工，大大缩短了工装、试件的加工时间。

（3）伺服控制优化功能：通过自动优化伺服控制，提高加工精度及加工表面质量。尤其可以提高加工中心的加速度，缩短加工时间。此外，长期使用机床而产生的反转突起或异音、振动、折痕、鳞状痕等可立即消除，还可长时间保持高精度、稳定运行。

（4）测量、补偿几何误差功能：5轴加工机床在倾斜加工轴类零件和多面体零件时，会产生旋转轴的轴心偏移等多种“几何误差”。一直以来，只能通过手工作业花费大量时间对4种几何误差进行补偿。5-AxisAuto Tuning System（5轴自动调谐系统）仅需10分钟即可实现高达 11种几何误差测量及自动补偿。

（5）准确控制规则的热位移，即“热亲和”功能：机床周围的温度变化及加工过程中产生的热量，都会对加工精度产生很大的影响。OKUMA设计了接受温度变化，同时擅于控制热位移的机床结构。只需在安装机床时确认一次尺寸，可大幅减少之后的补偿次数。

OKUMA机床“热亲和”功能实测效果

2、日本MAZAK（马扎克）公司智能化技术

MAZAK公司的Smooth Technology（流畅技术）体现了该公司在机床智能化技术的最新发展。其数控系统MAZATROL Smooth配备Windows8 PC的数控系统以及先进软件，极大地提高了加工效率。通过控制直线轴和转动轴的最佳加速度，使5轴联动加工的效率提高30%；利用简单调谐功能，可根据加工工件自由调整加速度、转角精度、平滑度等参数，使之最优化。客户自身可简单方便地进行加工时间优先、加工面精度优先或加工形状优先等个性化选择。

Smooth Technology数控系统

MAZAK数控机床互联互通结构

此外，MAZAK公司数控机床还具有“全面工厂经营支持”功能，通过开放的系统结构设计和互联网技术，借助智能手机、平板电脑等外部终端对机床设备的运转状况进行监控。同时，采用国际标准通信协议，使多个不同公司的不同设备之间也能实现通信。

3、日本FANUC（发那科）公司智能化技术

FANUC系统以提高机床控制智能化为方向，在其新系统0iMF上标配了智能化功能群，包括：智能重叠控制、智能进给轴加减速、智能主轴加减速、智能自适应控制、智能反向间隙补偿、智能机床前端点控制、智能刚性攻丝。

FANUC公司数控系统智能化功能群

4、美国HURCO（赫克）公司智能化技术

美国HURCO公司主要设计并制造各类立式加工中心、卧式加工中心、5轴加工中心和车削中心，全部配套其WinMax® 控制系统。其机床产品强调简化从图纸设计到零件制造的过程，协助操作者实现简洁而优质的加工。其两个主要智能化特点是：

对话式编程：通过图形校验，迅速将图纸变为零件。只需三个步骤：坐标设定、程序编制、加工验证；

NC/G-代码编程：控制软件带有增强型NC编辑器，增强CAD/CAM的兼容性。在控制器上以图形校验程序很容易看到哪些代码正在被执行。

美国HURCO展出的智能机床

三、对数控机床智能化技术特点的浅析

1、数控机床智能化技术开发瞄准实际需求

数控机床的主要功能是执行加工程序，高效完成零件加工。同时，通过各种办法，保持加工的稳定性、可靠性和经济性等。我们可以看到，国外数控机床智能化技术研发主要瞄准以上功能进行，即重点关注数控加工本身。例如：赫克公司认为人与技术之间的关系是：技术应该辅助操作者，而不是干扰操作者的思路。技术应该尽量减少繁琐和重复的任务，使机械师的工作更富有成效。技术必须支持机械师，而不是控制他。赫克公司倡导尽力支持和帮助用户，更快地完成从图纸到零件的过程。

2、机床机械设计与数控系统智能化协同创新

在实现数控机床智能化技术应用的过程中，国外机床企业和数控系统企业各有侧重，机床企业偏重于机床整体结构的创新，数控系统企业偏重于数控系统智能化功能的提升，但这两者相互合作才能实现真正的智能化。例如：OKUMA公司“Thermo-Friendly（热亲和设计）”理念强调，机床的机械设计应该本着“接受机床环境和加工过程的温度变化”的独特思路，使得用户不必采取特殊措施，便能在普通的工厂实现高精度加工。OKUMA公司的热补偿方案可用于机床启动、再次加工、环境温度变化等条件下。在这个案例中，机床的结构设计如果没有创新，数控系统的智能化功能则无法实现。

OKUMA公司机床热误差补偿的效果

3、互联网等新技术的应用促进数控机床智能化技术发展

早期，国外数控机床智能化重点关注数控机床本身和数控加工过程的智能化。近年来，国外机床企业也加快了互联网、工业软件等新技术在数控机床智能化技术方面的应用，推动机床互联，集成机器人等自动化设备，建设智能工厂。

例如，MAZAK公司认为现代的机械加工工厂对智能机床的要求应该包括：能够接入互联网络；能够实时向网络提供自身的相关信息（如：运行状态、工作内容、工艺数据、工作进度等）；能够从网络接受所需的各种数据（如：加工程序、生产计划、工艺数据、生产准备信息等）；通过智能化的功能最大程度减少生产准备工作内容；具有一定的自适应和自诊断能力。

MAZAK公司的“智能装备+互联网”结构图

四、对国产数控机床智能化技术发展的几点建议

1、瞄准用户实际需求，实现差异化发展

结合CIMT2019参观考察和重点用户走访的情况，数控机床智能化技术根据用户实际需求也可以分为两类：高端功能和普及型功能。高端功能包括机床热循环控制、机床防碰撞、新一代人工智能技术的应用、图形化仿真和编程等，普及型功能包括热误差补偿伺服优化、空间误差补偿、智能刚性攻丝、智能加减速等。国产数控机床企业可以根据企业的实际情况和技术复杂程度，选择用户急需的、自身具备开发能力的研制方向。

2、机床企业与数控系统企业深度合作，协同创新

机床企业和数控系统企业各有所长。如果机床企业有丰富的用户加工工艺经验，在熟悉和理解用户需求的基础上，可以在机床机械结构方面创新。数控系统企业能为机床企业提供稳定可靠的数控系统平台，提供开放的二次开发接口和HMI定制功能。双方深度融合，协同创新，就一定能开发出实用、有效的智能化功能。在双方的合作中，机床企业所需要的智能控制要求、加工工艺和使用特色要求可方便地融入到数控系统中；机床企业智能化机床的销售，可以进一步强化主机厂的机床品牌，增加用户对主机厂的忠诚度。

3、探索新一代人工智能技术与数控技术深度融合

近年来，大数据、云计算和新一代人工智能技术取得了群体性、革命性的突破。新一代人工智能技术与先进制造技术深度融合所形成的新一代智能制造技术，成为了新一轮工业革命的核心驱动力。专家认为，在国家大力推进智能制造的形势下，作为工业母机的机床更应该加速走在前列，走一条并行推进、融合发展的中国式智能制造技术推进路线，向高质量和创新型发展。在此背景下，数控机床企业需积极探索如何加快智能机床的研制和应用，是步步紧跟国外机床企业的步伐，还是有所创新和突破？我们建议推动新一代人工智能技术与数控技术的融合，形成新一代智能机床，以期为数控机床产业带来新的变革。