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CIMT2019展品评述|高档数控系统及其技术特点


2019415-20日,在北京中国国际展览中心(新馆),来自全球28个国家和地区的1700多家展商,相聚在第十六届中国国际机床展览会(CIMT2019)。本届盛会以“融合共赢 智造未来”为主题,旨在促进境内外机床工具企业之间、机床工具企业与用户之间的交流与合作,探讨未来智能制造之路。展会主题也响应了国内外机床工具消费市场的最新变化,凝练了国内外机床工具产业对未来发展方向的关注和思考。

数控系统是机床的大脑和神经系统,同时承担输入输出和驱动控制功能。数控系统不仅是机床的控制器,也是工厂和车间信息化的基础。数控系统是智能制造的关键部件,现代智能制造对数控系统提出了新要求。

高档数控系统具有5轴以上联动的控制能力,多通道,全数字高速实时总线,丰富的插补及运动控制功能,智能化的编程和远程维护诊断。在本文评述中,围绕高档数控系统的技术特点,主要从以下方面进行阐述。

一、高档数控系统智能化技术特点分析

1、操作智能化

图形化操作界面、图形化按钮及触摸屏的采用,简化了操作过程和对操作者的培训。具有多点触控操作,大触摸屏人机界面成为高档数控系统的标配。

德马吉森精机公司(DMG MORI)的人机界面CELOS操作简单,操作数控系统如同使用智能手机一样简单,能将所有机床与公司组织(ERPPPSMES)连接在一起,用特有的方式将机床全面接入公司的网络中。采用21.5″多点触摸显示屏,并具有图标及手势操作的用户界面。CELOS是一个独立于数控系统及加工技术的软件系统,能改善人与机床之间的互动。DMG MORI最新数控系统的机床操作面板也采用多点触控控制面板,只有急停、倍率、手轮、循环启动和保持等涉及安全、使用频率高、手感好的传统开关得以保留。

三菱M800系列数控系统控制器采用19寸立式电容式触摸屏和显示器,与智能手机和平板终端一样,可直观地进行舒适操作,而且系统控制器单元厚度仅50mm。海德汉TNC 640数控系统采用15寸或19寸触摸屏。可以用手势操作,直接移动3D测试图形中的仿真工件,直接在触摸屏上的软件进行操作,更快地浏览NC程序。

西门子、发那科(FANUC)、华中数控的人机界面采用大屏和触摸屏,甚至机床操作面板也采用触摸屏,字母和数字编辑键采用触摸式,或者另外搭配标准的PC键盘。西门子的smartMobile系统,即使操作人员不在车间,仍可以获知显示在智能手机、平板电脑或PC上的操作信息。FANUC 31i-B PANEL iH Pro 采用21.5寸宽屏LCD触摸屏,无需外接键盘和NC操作面板。

3D仿真与防碰撞功能在国外高档数控系统屡屡看到。


2、智能加工技术

加工智能化是对加工过程进行实时监控,自主地对工况变化进行决策,调整加工参数以适应工况变化,最大限度地发挥机床和刀具的潜力,提高生产效率,延长刀具的寿命。

FANUC在展会上以图板和显示器介绍了其产品拥有的智能加工技术,包括表面精细处理技术、高效加工技术、智能进给轴加减速、智能刚性攻丝、智能自适应控制、智能机床控制、智能反向间隙补偿和智能机床前端点控制功能,展示其强大的技术实力。

赫克数控系统以独特的加工路径算法,实现高速、大切削量的高精密加工。


3、人机界面的二次开发

不同的机床用户,有不同的需求,针对自己专用的机床和工艺要求,用户可以自行定制图形界面,编制加工工艺。

西门子数控系统提供扩展用户接口和西门子开发的专业组态软件类的人机界面。扩展用户接口,即在记事本中进行配置编写代码。FANUC通用界面开发方法有使用宏程序执行器、C语言执行器、FANUC图形编辑器。

本届展会,特别是在磨床、齿轮机床所配的数控系统,都进行了二次开发,将加工工艺通过图示界面显示出来。新代提供eHMI快速开发客制页面,用户可以自行定义人机函数库,包括坐标显示页面、执行加工页面、历史报警页面等。

4、智能伺服驱动、高速主轴电机与直驱技术

展会上的高速加工中心呈现的性能指标有,主轴转速达到16000r/min以上,进给速度达到30m/min以上,快速移动速度达到60m/min以上。北京精雕的雕刻中心JDGR200,主轴最高转速达到32000r/min,采用在线测量和智能修正技术,在生鸡蛋上雕刻图形。

要达到高速加工性能,离不开高性能主轴和进给电机与伺服驱动器。

西门子SINAMICS S120 Combi伺服驱动器,由一个电源模块与最多四个电机模块组成。通过智能扩展还可以再添加两个电机模块,可以带动15kW的主轴电机和5个进给电机。可以控制SIMOTICS系列伺服电机、直线电机、力矩电机、减速电机。有效避免弹性效应、齿隙和摩擦效应以及固有振荡的影响。FANUC通过伺服HRV+控制(速度环优化),提高抑制外部干扰的能力,减小轨迹误差,进一步提高加工表面品质。

FANUC展示其直线电机样品,FAGOR提出其直驱解决方案。


5、工业机器人、桁架送料机与数控机床紧密配合

在多个展台,都能看到ABB、库卡(KUKA)、发那科、安川的工业机器人在多台数控机床之间忙碌着,实现无人值守的智能加工生产线。

三菱在数控系统编写机器人的位置和姿态数据,实现数控对机器人的控制,使数控和机器人紧密配合。


二、高档数控系统的多轴数、多通道、多主轴复合控制

1多轴数、多通道、多主轴复合控制

本次展会上,无论是5轴联动的加工中心,或是纵切机床,或5轴工具磨床,为了高精度、高效率加工,都追求一次装夹就可加工成形,实现车、铣、镗、钻、攻丝的复合加工。

西门子840D sl最大支持30个通道,93个控制轴数(NC+主轴)以及任意数量的PLC轴。三菱M800系列最大支持8个通道,32个控制轴数(NC+主轴+PLC轴),最大8个主轴,每个通道控制最大12NC轴,最大联动轴数为8轴。FANUC 30i-B最大支持10个通道,40个控制轴数(NC+主轴+PLC轴),最大8个主轴。华中848最大支持10个通道,80个控制轴数(64NC+主轴+PLC轴),通道内最大4个主轴,每个通道控制最大9NC轴,最大联动轴数为9轴。广州数控27i最大支持18个通道,100个控制轴数(72NC+主轴+PLC轴),通道内最大4个主轴,每个通道控制最大9NC轴,最大联动轴数为9轴。


25轴联动及RTCP功能

很多机床厂商都把5轴联动的数控机床当作主打产品,5轴联动以上的机床以及加工中心,在展台的加工示例中,主要都是加工如螺旋桨叶片、大型圆锥斜齿轮等复杂形状的零件,而且加工精度高,效率高;还有如一次装夹,就可以完成全部加工过程的车铣加工中心,极大提高了加工效率,而且机床刚性强,精度高。不只国外厂商,国内厂商的数控机床中也有很多这样的产品,可见这也是一种高档数控机床的发展趋势。

5轴联动已经是高档数控系统的主要技术指标。目前,国产数控系统中,广州数控的25iM、华中数控的848D,都研发出5轴联动及RTCP,打破国外数控系统的5轴联动技术封锁,实现双转台、双摆头和转台摆头RTCP功能。

新代数控系统提出5轴加工专用平滑功能——平滑刀尖点控制功能(SMTCP),可对CAM软件生成的不理想路径进行刀具姿态及刀具路径的平滑,使整个加工过程及表面更加平顺,尤其对于使用刀具侧面刀刃部位进行加工,效果显著。


三、高档数控系统的高速度、高精度控制

要进行高速高精曲面的加工,减小插补误差,必须缩短插补周期。展会上,广州数控27i采用工控机硬件平台,插补周期为0.125-2ms可选,支持纳米插补;华中数控HNC-818D数控系统的插补周期为0.125-4ms可选;科德数控的GNC60最小插补周期0.125ms。借助高性能的CPU和实时操作系统,是完全可以实现0.125ms及以下的短插补周期。

由于高速高精加工对精度和表面质量的高要求,使得传统的数控系统以微米为最小控制单位进行插补和运动控制,已经不能满足要求。西门子采用80位浮点计算精度,FANUC30i和三菱M800M700等系统都实现了纳米插补功能。以纳米为单位来精确计算位置指令,使机床平滑移动并提高机床加工精度和表面质量。

本届展会上,美国赫克WinMax控制系统基于软件工程学的算法理论,优化运动轨迹和进给率的动态控制算法;无限超前预读——系统在运行当前程序段的同时,读入并处理之后超过10000个程序段,规划刀具路径,优化加工策略,获得最优加工效果。快速拐角处理可减少50%的振动和振纹,运动更流畅,提高复杂曲面的加工效果和效率。赫克WinMax控制系统提供的优化刀具路径的方案——自适应刀路AdaptiPath,其工作原理是根据刀具负载自动控制刀具路径。

西门子对于自由曲面加工,在最短的时间里执行由大量小线段组成的加工程序,加工速度的快慢取决于数控系统的性能。西门子数控系统采用精优曲面和臻优曲面控制技术,结合前瞻预读功能,同时考虑向前和向后的加工路径,确保完美的表面加工质量并进一步提高加工速度,借助创新的优化压缩器功能,可实现最佳的轮廓精度和最快的处理速度。

海德汉TNC 640数控系统的程序段处理时间0.5ms,根据主轴功率调整轮廓加工进给速率自适应进给控制。

三菱的 M800系列处理微小线段的能力270k程序段/min,即程序段处理时间0.22ms。它的“可变加速度插补前加减速功能”,最大限度地发挥各轴的特性并进行优化。比如,仅直线轴工作时,不受旋转轴响应性影响即可加速。

CAD/CAM软件生成的线性刀轨,由于其为非连续性的刀路轨迹,对于加工速度、工件表面质量、机床稳定性都会有一定的影响,尤其是在软件中设定的加工精度及公差不佳的情况下,新代数控系统的高精轨迹轮廓控制HPCC功能,使用合适曲线将线性刀轨拟合为连续轨迹,且在加工速度的规划上不再受限于不连续的程序段,从而得到优良的加工质量。

NURBS样条曲线插补在高档系统是必备功能,实现微线段过渡、微线段整体拟合、微线段压缩逼近功能,提高曲面表面质量。北京精雕展示了曲面镜面加工,对样条的处理有独到之处。国产的高档数控系统,如广州数控的25iM、华中数控iNC、科德数控GNC60、新代220M都有样条曲线插补功能。


四、高档数控系统与互联网技术的融合

1、工业物联网(IIoT)与数控系统相结合,打造数字化工厂

物联网是通过互联网实现物物独立相联的具有连通性的物体网络,物体连接到基于云的服务器,之后在此服务器上收集、连接和分析数据。物联网拥有提高工业过程生产率的巨大潜力。

数控系统作为机床的大脑,提供用于优化生产流程的重要生产数据以及用于机床预防性维护的机床状态数据。

西门子的MindSphere是基于云的开放式物联网操作系统,即使是小规模联网的CNC加工企业也能够生成“智能数据”,可将西门子的数控系统和其他CNC系统安全连接到工业云。将数控机床连接到工业云中。

西门子的基于云的应用程序Manage MyMachines MindApp,选择和准备相关生产数据。提供大量重要信息,如进给轴和主轴的信息、NC程序状态、工作模式和当前执行的加工程序名称。形成易于管理和分析的“智能数据”,并上传云端,通过图形显示和数据分析,用户能掌握机床的复杂信息,并在屏幕上显示相关生产效能信息。可以通过网页浏览器,甚至可以通过各种移动设备实时地访问这些数据。

三菱的e-F@ctory Alliance涵盖几乎所有供应链和工程链,通过三菱FA设备提供具有良好连接兼容性的软件和设备。三菱数控设备能够有效应用机床的生产信息,帮助实现工厂的可见、可查、可诊断及可优化。三菱工厂的优化支援,搭载了MES接口功能,针对管理系统的数据库,会在加工完成时、发生警报时,由CNC自动使用SQL语言向生产管理系统的数据库发送数据。


FANUC在本次展会展出的IIoT,包括MT Link i套件包、机床云管理平台、机床数据采集传输单元、增强型机床数据采集单元和制造执行系统。

2、高档数控系统的数字总线技术

总线是高档数控系统的神经系统。通过总线通信将数控系统各个部件连接起来,大大减轻布线和抗干扰的难度。领先的数控系统厂商采取封闭的技术路线,研制自己的运动控制总线,如FANUCFSBB总线、西门子的Drive-CLiQ总线、海德汉的HSCI总线、FIDIAFBB总线。这些总线协议不开放,用户不知道具体协议。

新代是并行接口和总线并存,新代总线主要采用安川Mechatrolink-IIMechatrolink-III现场总线,即将推出基于EtherCAT总线的数控系统。科德数控GNC60采用自主的GLINK光纤运动总线,100Mbps的高速光纤介质。广州数控采用具有自主知识产权的GSK-LINKEtherCAT高速实时以太网总线。

华中数控采用NCUCEtherCAT两种总线。EtherCAT总线是德国倍福开发的实时以太网总线,发展迅速,可以实现100个进给轴100µs的控制周期,且抖动小于1µsEtherCAT总线已经被科尔摩根、路斯特、松下、台达、安川等多家伺服驱动器厂商采用,是实时高速以太网的发展方向。

结束语

关注国外高档数控系统,是为了更好地掌握和了解国产数控系统与国外数控系统的差距,然后进行技术积累,研发自主知识产权的国产高档数控系统。

虽然国产数控系统在5轴联动等方面取得了一定的成绩,突破了国外对我国的关键技术的封锁,但是与德国、日本的数控系统整体品质差距还很大。在展会上,高档机床所配套的数控系统被FANUC、西门子、三菱占据较高的份额。因此,发展国产高档数控系统势在必行,需要数控系统行业的研究不断深耕细化、技术积累与突破,才能赶超德国、日本的数控系统品质,做出真正意义的大国重器。

来源:广州数控设备有限公司;供稿:数控系统分会


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