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。可以說，當前中國制造業(yè)朝著高價值 產業(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年關鍵工序 數(shù)控化率將提升到64%，由此可見，國內機床數(shù)控化率仍有 較大的提升空間。有產業(yè)人士指出，通過多年的發(fā)展，國內
機床企業(yè)已經掌握了數(shù)控機床的基本機械結構，可以初步預 測在未來10-20年間數(shù)控機床的主體機械結構不會發(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 被應用于傳動系統(tǒng)，控制技術特別是基于INTERNET的遠程 維護與管理、五軸聯(lián)動控制技術、人機工程操作技術、熱變 形及其補償技術是機床行業(yè)發(fā)展的重點。
五軸聯(lián)動數(shù)控機床應用普及
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，預計至2027年將達到138.35億美元，2020-2027年復合增長率約為10.79%(見圖1);2020年國內五軸聯(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)計及預測
(單位：億美元;資料來源：QYResearch)
五軸聯(lián)動數(shù)控技術是衡量一個國家復雜精密零件制造 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 及附加的旋轉軸 A、B、C 中的兩軸，五個軸能 夠同時運動，任意調整刀具或工件的姿態(tài)，實現(xiàn)復雜空間曲 面加工、異形加工、鏤空加工、斜孔/斜切加工等操作，因而 具有支持空間復雜特征加工能力的優(yōu)勢，更易于實現(xiàn)多工序 復合加工，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得到迅 猛的發(fā)展，一方面是市場需求的牽引，隨著國內高端制造業(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 應用案例來看，醫(yī)療行業(yè)選擇五軸機床用于加工髖關節(jié)、牙 齒等部件;能源行業(yè)選擇五軸設備用于壓縮機部件的加工; 汽車行業(yè)選擇五軸設備用于變速器、汽車殼體、發(fā)動機零部 件的加工;機械設備領域選擇五軸設備用于真空泵殼體轉子 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)、轉臺、擺頭等關鍵功能部 件的配套能力越來越強，產業(yè)鏈逐漸完善，成熟度越來越 高，也為五軸聯(lián)動機床的普及應用提供了充足的技術支撐。 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、轉臺及擺 頭、綠的諧波推出的一體化數(shù)控轉臺……都是目前市場上一批 優(yōu)秀的關鍵功能部件供應廠商。
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 百年機床生產經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)界的領導廠商。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、聚焦任務并可自定義，全面提升車間生產的操作友好性。
與此同時，由于近期國際產經局勢的振蕩，西方國家加 強了對中國高檔數(shù)控機床和技術的出口管制，使得國內高檔 數(shù)控機床行業(yè)面臨著諸多“卡脖子”難題，而中美貿易摩擦 更進一步加劇了這一情況，促使中國高檔機床國產化、高端 產品自主可控進程被迫提速，在部分實現(xiàn)了國產替代的五軸 機床產品線，其價格僅為同類進口設備的一半左右，這也在 一定程度上對這類中高端數(shù)控機床的應用普及起到了推波助 瀾的作用。
直驅技術應用取得突破
機床是一個較為傳統(tǒng)、但技術含量較高的市場，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， 借助新技術和工業(yè)物聯(lián)網，實現(xiàn)新型數(shù)控機床的升級迭代， 是目前眾多產業(yè)鏈相關廠商的重要技術開發(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機 床生產廠家，發(fā)現(xiàn)他們大部分仍停留在國外原先舊的技術開 發(fā)路線上，還沒有跟上當前國外機床企業(yè)采用直驅技術、IoT 技術等最新的發(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，經過多年在機床市場的產品使用驗證，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)控致力于直驅技術在機床行業(yè)的開發(fā)應用，阿 帕斯數(shù)控依托于母公司核心產品—— 直線電機、DDR直驅 電機，自主開發(fā)、設計、制造基于直驅技術的中高端數(shù)控機 床。直驅技術利用電磁技術直接將電能轉換為直線運動或者 旋轉運動機械能，不需要任何中間傳動機構，其特點是結構 簡單、無磨損、噪聲低、維護方便等，相比較傳統(tǒng)的伺服電 機+絲杠結構，全直驅式機床省去了中間的傳動機構， 響應 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。作為擁有核心直驅技 術的數(shù)控機床制造商，阿帕斯數(shù)控采用全直驅無絲杠的模式 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。這三款產品均全直驅技 術，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，雙軸均采用直驅電機驅動，零背隙、無磨損，額定轉速 40rpm，最大轉速可達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 直驅機床所需的擺頭速度要求;定位精度更是達到4角秒，重 復定位精度達到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。
在產品研發(fā)階段，西門子機床虛擬調試解決方案能夠助 力機床制造商縮短30%的機床設計時間及60%的現(xiàn)場調試時 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。
在生產優(yōu)化階段，應用了人工智能技術的西門子智能 自適應加工與刀具監(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備效率(OEE)、 監(jiān)控車間生產進程和資源狀態(tài)、優(yōu)化生產流程、提前準備生 產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 析和響應生產過程中的高頻數(shù)據(jù)，幫助機床行業(yè)縮短創(chuàng)新周 期、提高生產力。
西門子還展示了面向機床行業(yè)客戶豐富的硬、軟件產品 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。在直驅轉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 (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)網運行
隨著工業(yè)互聯(lián)網的快速發(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)網運行已是大勢所趨。從實際應用情況來看，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)控機床等設備聯(lián)網程度及應用范圍正不斷擴大，以適應日新月異的生產加工需要。同時，機床作為數(shù)字化產品，在實現(xiàn)互聯(lián)互通之后，其對生產現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和反饋也成為了重要的生產要素，是智能制造的主要特征之一。
另一方面，機床關鍵、核心功能部件的互聯(lián)互通功能也 是業(yè)內關注的一個重點。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)基礎厚實，在行業(yè)數(shù)字化轉型的關 鍵時期，除了數(shù)控機床的互聯(lián)互通以外，機床關鍵、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 準至關重要;NCEC團標的制定為產業(yè)鏈之間的協(xié)同打下了 基礎，開辟了國內數(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，網絡安全同樣也是工業(yè)物聯(lián)網應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手段無法解決數(shù)控機床網絡安全問題，需要從安全基線、主機安全、網絡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)網安全技術試驗與測評工業(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)控機床網絡安全研究報告(2023年)》，在如何保證數(shù)控機床聯(lián)網運行的網絡與數(shù)據(jù)安全方面提出了一些有益的建議。
