工控自動化革新， 助力高端數(shù)控機床普及率提升

　　今年CIMT展帶給人最深的印象是，高端數(shù)控機床的發(fā) 展一日千里，令人嘆為觀止。其中一個較為明顯的現(xiàn)象是， 五軸聯(lián)動數(shù)控機床成為了每家展商的必備展品，以至于一 位展商感慨道:“要是沒有一臺五軸機床，都不好意思來參 展”;此外，很多企業(yè)亮出了精度為微米(1μ)的機床，甚 至提出了亞微米加工?？梢哉f，當前中國制造業(yè)朝著高價值 產(chǎn)業(yè)鏈上升的趨勢，為數(shù)控機床行業(yè)的發(fā)展提供了一片良好 的土壤。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)顯示， 2021年國內(nèi)機床數(shù)控化率為44.9%， 而按照《中國制造2025》中明確提出的到2025年關(guān)鍵工序 數(shù)控化率將提升到64%，由此可見，國內(nèi)機床數(shù)控化率仍有 較大的提升空間。有產(chǎn)業(yè)人士指出，通過多年的發(fā)展，國內(nèi)

　　機床企業(yè)已經(jīng)掌握了數(shù)控機床的基本機械結(jié)構(gòu)，可以初步預(yù) 測在未來10-20年間數(shù)控機床的主體機械結(jié)構(gòu)不會發(fā)生太大 的變化，下一階段數(shù)控機床將向高精、高效、智能化方向發(fā) 展，因此電主軸、直線電機等高效功能部件將會越來越多地 被應(yīng)用于傳動系統(tǒng)，控制技術(shù)特別是基于INTERNET的遠程 維護與管理、五軸聯(lián)動控制技術(shù)、人機工程操作技術(shù)、熱變 形及其補償技術(shù)是機床行業(yè)發(fā)展的重點。

　　五軸聯(lián)動數(shù)控機床應(yīng)用普及

　　根據(jù)QYResearch發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球五軸聯(lián) 動數(shù)控機床市場銷售額達到67.55億美元，2021年達到74.8 億美元，預(yù)計至2027年將達到138.35億美元，2020-2027年復(fù)合增長率約為10.79%(見圖1);2020年國內(nèi)五軸聯(lián)動數(shù) 控機床市場規(guī)模約為6.65億美元，約占全球市場的9.85%， 預(yù)計至2027年將達到15.89億美元，屆時在全球市場的占比 將達到11.49%，2020 -2027年復(fù)合增長率約為13.25%，增 長速度高于全球市場。

　　圖 1 2020-2027 年全球五軸聯(lián)動數(shù)控機床市場銷售額統(tǒng)計及預(yù)測

　　(單位：億美元;資料來源：QYResearch)

　　五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)是衡量一個國家復(fù)雜精密零件制造 能力的重要標準之一。這類高端數(shù)控機床的主要特征是具備 RTCP(Rotation Tool Center Point)刀尖點控制功能，不 同于傳統(tǒng)數(shù)控機床產(chǎn)品，五軸聯(lián)動數(shù)控機床基本的直線軸三 軸 X、Y、Z 及附加的旋轉(zhuǎn)軸 A、B、C 中的兩軸，五個軸能 夠同時運動，任意調(diào)整刀具或工件的姿態(tài)，實現(xiàn)復(fù)雜空間曲 面加工、異形加工、鏤空加工、斜孔/斜切加工等操作，因而 具有支持空間復(fù)雜特征加工能力的優(yōu)勢，更易于實現(xiàn)多工序 復(fù)合加工，具備更高的加工效率和精度。

圖 2 五軸聯(lián)動數(shù)控機床運動軸示意圖

　　分析五軸聯(lián)動數(shù)控機床行業(yè)之所以能夠在近年內(nèi)得到迅 猛的發(fā)展，一方面是市場需求的牽引，隨著國內(nèi)高端制造業(yè) 的整體快速發(fā)展，用戶對加工效率不斷追求，以典型的民用 應(yīng)用案例來看，醫(yī)療行業(yè)選擇五軸機床用于加工髖關(guān)節(jié)、牙 齒等部件;能源行業(yè)選擇五軸設(shè)備用于壓縮機部件的加工; 汽車行業(yè)選擇五軸設(shè)備用于變速器、汽車殼體、發(fā)動機零部 件的加工;機械設(shè)備領(lǐng)域選擇五軸設(shè)備用于真空泵殼體轉(zhuǎn)子 的加工等等，五軸聯(lián)動數(shù)控機床的需求量日益增加。

　　另一方面，五軸數(shù)控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺、擺頭等關(guān)鍵功能部 件的配套能力越來越強，產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善，成熟度越來越 高，也為五軸聯(lián)動機床的普及應(yīng)用提供了充足的技術(shù)支撐。 其中，科德數(shù)控、華中數(shù)控、紐威數(shù)控、維宏股份、錸鈉克 等開發(fā)的五軸數(shù)控系統(tǒng);昊志機電開發(fā)的電主軸、轉(zhuǎn)臺及擺 頭、綠的諧波推出的一體化數(shù)控轉(zhuǎn)臺……都是目前市場上一批 優(yōu)秀的關(guān)鍵功能部件供應(yīng)廠商。

　　實際上，中國五軸聯(lián)動數(shù)控機床的發(fā)展起步較晚，目 前高端市場主要由德國、日本、美國等發(fā)達工業(yè)國家擁有上 百年機床生產(chǎn)經(jīng)驗的跨國公司所占據(jù)。尤其是在機床的“大 腦”—— 五軸數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)上，西門子、海德漢、發(fā)那 科、三菱等都是業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)廠商。在今年的CIMT展上，海德 漢展出的全新TNC7數(shù)控系統(tǒng)提供了一種新的編程方法和機床 操作方法，大量智能化功能，操作簡單、聚焦任務(wù)并可自定義，全面提升車間生產(chǎn)的操作友好性。

　　與此同時，由于近期國際產(chǎn)經(jīng)局勢的振蕩，西方國家加 強了對中國高檔數(shù)控機床和技術(shù)的出口管制，使得國內(nèi)高檔 數(shù)控機床行業(yè)面臨著諸多“卡脖子”難題，而中美貿(mào)易摩擦 更進一步加劇了這一情況，促使中國高檔機床國產(chǎn)化、高端 產(chǎn)品自主可控進程被迫提速，在部分實現(xiàn)了國產(chǎn)替代的五軸 機床產(chǎn)品線，其價格僅為同類進口設(shè)備的一半左右，這也在 一定程度上對這類中高端數(shù)控機床的應(yīng)用普及起到了推波助 瀾的作用。

　　直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用取得突破

　　機床是一個較為傳統(tǒng)、但技術(shù)含量較高的市場，中國每 年的機床出口量非常大，但主要面向的是中低端市場，特別 是在高端CNC數(shù)控機床的開發(fā)上仍然處于相對落后的階段， 借助新技術(shù)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)新型數(shù)控機床的升級迭代， 是目前眾多產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)廠商的重要技術(shù)開發(fā)思路。

　　在決定進入機床市場之前，雅科貝思走訪了很多國內(nèi)機 床生產(chǎn)廠家，發(fā)現(xiàn)他們大部分仍停留在國外原先舊的技術(shù)開 發(fā)路線上，還沒有跟上當前國外機床企業(yè)采用直驅(qū)技術(shù)、IoT 技術(shù)等最新的發(fā)展趨勢。為此，雅科貝思通過控股子公司阿 帕斯數(shù)控來布局機床市場，同時還在新加坡和中國本土引入 一批機床行業(yè)的專業(yè)人士加盟，經(jīng)過多年在機床市場的產(chǎn)品使用驗證，最終在近一、兩年公司在這一細分市場上取得了 很大的突破。

　　阿帕斯數(shù)控致力于直驅(qū)技術(shù)在機床行業(yè)的開發(fā)應(yīng)用，阿 帕斯數(shù)控依托于母公司核心產(chǎn)品—— 直線電機、DDR直驅(qū) 電機，自主開發(fā)、設(shè)計、制造基于直驅(qū)技術(shù)的中高端數(shù)控機 床。直驅(qū)技術(shù)利用電磁技術(shù)直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運動或者 旋轉(zhuǎn)運動機械能，不需要任何中間傳動機構(gòu)，其特點是結(jié)構(gòu) 簡單、無磨損、噪聲低、維護方便等，相比較傳統(tǒng)的伺服電 機+絲杠結(jié)構(gòu)，全直驅(qū)式機床省去了中間的傳動機構(gòu)， 響應(yīng) 性大幅度提高，精度損失小，使得數(shù)控機床在加工效率、精 度和精度壽命都有得到了極大的提升。作為擁有核心直驅(qū)技 術(shù)的數(shù)控機床制造商，阿帕斯數(shù)控采用全直驅(qū)無絲杠的模式 為傳統(tǒng)制造提供了一種全新的、革命性的解決方案。

　　在今年的CIMT展上，阿帕斯數(shù)控展出的機型為超高速 全直驅(qū)五軸精密加工中心U400S與U600，以及超高速精密 天車五軸龍門加工中心SW1613S。這三款產(chǎn)品均全直驅(qū)技 術(shù)，其精度、速度和效率等方面的性能都遠高于傳統(tǒng)機床。SW1613S的擺頭是阿帕斯數(shù)控自主研發(fā)制造的AMH10擺 頭，雙軸均采用直驅(qū)電機驅(qū)動，零背隙、無磨損，額定轉(zhuǎn)速 40rpm，最大轉(zhuǎn)速可達60rpm。相較于傳統(tǒng)齒輪傳動型擺 頭，大大提高了擺軸的快移、切削進給速度，有效滿足高速 直驅(qū)機床所需的擺頭速度要求;定位精度更是達到4角秒，重 復(fù)定位精度達到2角秒。

　　另據(jù)悉，在今年的展會現(xiàn)場，阿帕斯數(shù)控與哈爾濱永潤 鑫機械制造有限公司、昆山匠工培訓(xùn)這兩家公司舉行了簽約 儀式，在中國機場市場的開拓上取得了新的進展。

　　全價值鏈數(shù)字化解決方案

　　在今年CIMT展會期間，西門子全面展示了其涵蓋機床 行業(yè)全價值鏈的創(chuàng)新型數(shù)字化解決方案。這些面向機床行業(yè) 的產(chǎn)品組合和解決方案能夠助力客戶持續(xù)優(yōu)化零件加工方 案，以充分發(fā)揮設(shè)備效能、節(jié)省材料消耗、減少冷卻液等廢 物的排放，幫助客戶通過改進業(yè)務(wù)模式實現(xiàn)降本增效，加速 邁向可持續(xù)未來。未來，這些解決方案也將陸續(xù)在西門子 Xcelerator開放式數(shù)字商業(yè)平臺中上線。

　　在產(chǎn)品研發(fā)階段，西門子機床虛擬調(diào)試解決方案能夠助 力機床制造商縮短30%的機床設(shè)計時間及60%的現(xiàn)場調(diào)試時 間，提升機床研發(fā)、上市效率。面向機床用戶，西門子機床 虛擬加工解決方案可實現(xiàn)對加工工藝、加工速度、加速度、 節(jié)拍時間等方面的仿真驗證，幫助客戶大幅縮減試切時間和 試切成本，并規(guī)避碰撞風險。

　　在生產(chǎn)優(yōu)化階段，應(yīng)用了人工智能技術(shù)的西門子智能 自適應(yīng)加工與刀具監(jiān)測軟件可以動態(tài)優(yōu)化加工過程中的不確 定因素，幫助客戶縮短30%以上的金屬切削時間，同時實現(xiàn) 機床主軸保護、刀具磨損監(jiān)測、主軸驅(qū)動保護等多項功能。 西門子車間資源管理軟件能夠分析整體設(shè)備效率(OEE)、 監(jiān)控車間生產(chǎn)進程和資源狀態(tài)、優(yōu)化生產(chǎn)流程、提前準備生 產(chǎn)所需的刀具和程序資源，幫助客戶實現(xiàn)工廠透明化管理。 面向機床行業(yè)的西門子工業(yè)邊緣解決方案能夠及時采集、分 析和響應(yīng)生產(chǎn)過程中的高頻數(shù)據(jù)，幫助機床行業(yè)縮短創(chuàng)新周 期、提高生產(chǎn)力。

　　西門子還展示了面向機床行業(yè)客戶豐富的硬、軟件產(chǎn)品 組合。西門子數(shù)字化原生數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK ONE帶來了 全新硬件平臺和多種創(chuàng)新功能，適配更多機械加工場景，為 機床制造商和機床用戶全面提升使用體驗。在模具生產(chǎn)過程 中，Top Speed功能通過新型算法的濾波器，能夠顯著提升 機床的加工速度，與Top Surface功能協(xié)同工作，可同時保證 加工效率及精度。在直驅(qū)轉(zhuǎn)臺等需要頻繁變更加工工件的工 況下，智能負荷控制(ILC)功能可根據(jù)工件重量大小變化， 智能匹配控制數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮機床動態(tài)性能。在橋式龍門等 大型機床加工運行中，智能動態(tài)控制(IDC)功能可根據(jù)機 床軸位置或速度變化，智能調(diào)整控制參數(shù)，從而獲得更高的 控制精度和加工精度。在鉆孔、攻絲加工時，加速度自適應(yīng) (Jerk Adaption)功能可以提升加速上限值，優(yōu)化非加工時 的最短路徑，進而提高整體效率。

　　數(shù)控機床邁向聯(lián)網(wǎng)運行

　　隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，數(shù)控機床打破原有的封 閉性，實現(xiàn)互聯(lián)互通已成為企業(yè)發(fā)展的必然要求，數(shù)控機床 聯(lián)網(wǎng)運行已是大勢所趨。從實際應(yīng)用情況來看，現(xiàn)今的數(shù)控 機床大多數(shù)采用的是分布式數(shù)控系統(tǒng)，可以使用一臺計算機對多臺數(shù)控機床實現(xiàn)數(shù)字控制，并且能夠執(zhí)行計劃調(diào)度、程序分配、遠程監(jiān)控和控制管理等功能，數(shù)控機床等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)程度及應(yīng)用范圍正不斷擴大，以適應(yīng)日新月異的生產(chǎn)加工需要。同時，機床作為數(shù)字化產(chǎn)品，在實現(xiàn)互聯(lián)互通之后，其對生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和反饋也成為了重要的生產(chǎn)要素，是智能制造的主要特征之一。

　　另一方面，機床關(guān)鍵、核心功能部件的互聯(lián)互通功能也 是業(yè)內(nèi)關(guān)注的一個重點。在CIMT2023中國國際機床展覽會 上，由中國機床工具工業(yè)協(xié)會主辦，中國機床工具工業(yè)協(xié)會 數(shù)控系統(tǒng)分會和全國機床數(shù)控系統(tǒng)標準化技術(shù)委員會協(xié)辦， 長春禹衡光學有限公司承辦的T/CMTBA 1014-2023《用于 數(shù)控系統(tǒng)的光柵傳感器通信協(xié)議(NCEC)規(guī)范》協(xié)會團體 標準發(fā)布暨宣貫會在北京新國際展覽中心成功舉辦。

　　中國機床工具工業(yè)協(xié)會執(zhí)行副理事長、協(xié)會團體標準工 作委員會主任委員郭長城表示，該標準起草制定過程中，行 業(yè)企業(yè)參與度廣泛、行業(yè)基礎(chǔ)厚實，在行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān) 鍵時期，除了數(shù)控機床的互聯(lián)互通以外，機床關(guān)鍵、核心功 能部件也要具備數(shù)字化通信功能，因此建立統(tǒng)一的規(guī)范和標 準至關(guān)重要;NCEC團標的制定為產(chǎn)業(yè)鏈之間的協(xié)同打下了 基礎(chǔ)，開辟了國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)和光柵傳感器互聯(lián)通信協(xié)議的先 河，希望盡快宣貫推廣，得到機床企業(yè)、數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)和用 戶企業(yè)的認可和應(yīng)用，上下游協(xié)同，將標準落地實施，共同 為機床工具行業(yè)發(fā)展做出貢獻。

　　當然，網(wǎng)絡(luò)安全同樣也是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的一個核心問題。對于海量、多種類的數(shù)控機床，傳統(tǒng)單一的安全防護技術(shù)手段無法解決數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)安全問題，需要從安全基線、主機安全、網(wǎng)絡(luò)邊界等各個層次提升數(shù)控機床的安全防護能力。近期，中國信息通信研究院依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)試驗與測評工業(yè)和信息化部重點實驗室，聯(lián)合北京神州綠盟科技有限公司編寫了《數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)安全研究報告(2023年)》，在如何保證數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)運行的網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全方面提出了一些有益的建議。