数控系统及其人机界面的新进展

张 曙

(同济大学 现代制造技术研究所，上海 200092)

数控系统及其人机界面的新进展

张 曙

(同济大学 现代制造技术研究所，上海 200092)

数控系统是机床的大脑，人机界面是机床数控系统的重要组成部分，是人与机器交互的主要渠道，它对机床的智能化、易操作性和加工效率有很大的影响。因此，采用图形化的信息提示、图形化的软键和多点触控屏幕的人机界面已成为智能化数控系统重要特征。介绍了德马吉森精机公司的CELOS人机界面，杭州友佳精密机械有限公司的FETROL M1000数控系统的人机界面,日本马扎克第7代MAZATROL数控系统的功能和人机界面。

数控系统；人机界面；工业设计

半个多世纪来，数字控制谱写了机床自动化的新篇章。数控机床不仅延伸人的体力，更延伸人的智力，变得越来越聪明。高端数控机床正在向智能化、集成化、网络化和绿色化发展，起主导作用的不是机械和电气部分的硬件，而是知识和软件。数控系统已经从单纯的运动控制发展到参与生产管理和调度。随着与信息和通讯技术的深度融合，现代数控机床已经不仅是一台加工设备，而是工厂网络、甚至智慧城市中的一个节点。

智能手机的出现改变了人们的生活和工作方式，多点触控屏幕、各种APP应用和微信正在改变人的观念和习惯。若将智能手机的某些功能和特征移植到机床数控系统，无疑会大大拓展数控系统的功能，使机床操作更加符合人们的生活习惯，变得简单和方便。因此，采用图形化的信息提示、图形化的软键的人机界面已成为新一代数控系统重要特征[1]。

1 德马吉森精机公司的CELOS[2]

德马吉森精机公司在西门子和三菱数控系统的基础上推出新一代数控系统的人机界面和操作系统CELOS，它打破了传统数控系统人机界面的模式，采用多点触控显示屏幕和类似智能手机的图形化操作界面，拉近了机床操作和生活习惯的距离，如图1所示。

图1 德马吉的CELOS人机界面

CELOS简单易用，就像使用智能手机一样。CELOS简化和加快从构思到成品过程，并且还奠定无纸化生产基础。此外， CELOS应用程序为用户提供一体化和数字化管理、文档查看和加工任务单、加工过程和机床数据显示功能，而且CELOS还兼容PPS和ERP系统，能连接CAD/CAM应用软件并可使用其他未来CELOS应用程序。

目前，CELOS 有12种APP应用，从CAD/CAM浏览、加工任务管理直到数控加工，功能齐全，各种APP应用皆可一键直达，操作非常方便，如图2所示。从图中可见，这些应用的图标可分为5种类型，第1类图标是与生产相关的APP应用，包括数控程序、加工任务管理、任务助手。第2类图标是辅助功能APP应用，包括CADF/CAM浏览、工艺参数计算器、工艺文档管理。第3类图标是技术支持APP应用，包括网络服务和机床检查。第4类图标是有关配置的APP应用，包括节能降耗和机床调整。第5类图标是机床状态监控的APP应用。

图2 CELOS的APP应用菜单

CELOS力求通过这些APP应用，实现无图纸化的加工，使用户实现对订单、工艺流程数据、机床数据的一体化数字管理、记录存档和可视化处理。例如，任务管理和任务助手APP，能够实现对加工任务的管理，帮助机床操作人员通过网络进行计划、准备、优化和系统化处理加工任务。

首先，所有与生产相关的信息，如数控程序、工件、刀具、夹具等，都集中在一个加工任务中，并立即显示在“任务管理器”中。加工任务单所需的所有文档、数据和信息都用结构化方式管理。例如，这些数据可在以后的加工中或重复订单中被快速访问。

通过“任务助手”，经过数字化准备的加工任务单可在以后被系统地执行。在此过程中，首先对加工所需的所有数控程序和设备(刀具，夹具等)进行检查。 然后，通过对话框指导操作人员进行装夹和准备加工任务。给出适当提示和要求必要的确认，确保机床操作人员的操作无差错。只有完成这些步骤后才能开始加工。 因此，即使是复杂加工任务或复杂工件，也能确保加工的高可靠性。

工艺计算器APP实现对工艺切削参数的计算，通过选定刀具、工件材料、背吃刀量等信息，计算出数控编程所需的进给速度、主轴转速、切除率和切削功率等信息。节能降耗APP用于对机床启动、待机 、加工以及润滑和冷却进行优化配置，实现机床的用能管理。

状态监控APP对机床状态信息进行可视化的显示，其界面如图3所示。左侧圆图是主轴负载大小和是否有振动，右侧圆图是3条直线和3个回转驱动轴的负载。下方是零件加工任务和加工批量的进度完成情况及剩余时间。中间是有关机床的其他信息。“状态监测”功能是操作人员与机床间联系的起点。它提供有关当前订单和订单进度的重要绩效指标，而且通过特殊图标以及文字向操作人员显示出现的任何错误、故障或所需的维护。

图3 CELOS机床状态监控界面

数控加工APP在显示器上呈现用户熟悉的数控系统操作界面，包括各轴的位置、进给量、所执行的程序段等，如图4所示。

图4 CELOS的数控加工人机界面

CELOS的APPs应用给数控机床的人机界面带来了全新的变化，将机床的数控系统拓展成为数控加工的管理系统，揭示了数控系统人机界面开发的潜力，必将对数控系统设计和数控加工流程的数字化管理产生巨大的影响。

2 友佳FETROL M100系统[3-4]

FETROL M100是杭州友佳精密机械有限公司开发的新一代高速加工中心数控系统。其技术特点如下。

a.高效率的双核运算引擎、专用运动控制运算核心与人机界面运算核心。

b.15吋多点触控屏幕与全键式键盘：直觉式触控操作搭配全键式键盘操作。

c.串行软输出/输入控制(专利)：配线简单、高抗干扰性及高可靠性。

d.精简化的控制器结构：CPU-based运动控制卡、转接板和机箱。

e.全数字串行通讯控制界面：RTEX。

f.USB即插即用数控程序输入功能(USB盘传入数控程序)。

g.插卡式模块化组件，维护容易。

h.开放的控制器人机界面，容易进行个性化功能开发。

该系统主要是以使用者为出发点,提供操作容易且直觉的全新CNC操作方式，从操作者的角度设计了全新的人机界面，采用图形方式引导，各种功能图标直观、易于辨识，以改善客户的加工效能，提高机床的使用效果。其图形引导界面如图5所示。

图5 友佳FEYROL M110系统的引导界面

从图中可见，控制屏幕上共有20个功能图标，分为4类。

a.加工过程优化：包括按所选刀具和主轴负载自动确定进给量，按工件质量大小设定加减速，按开机时间长短自动温升补偿，加工模式选定(精度或效率优先)，智能刚性攻丝，大孔径铣螺纹，深孔加工循环等。

b.机床使用和维护：包括机床技术规格查询，PLC I/O接口状态，主轴工况(转速、负载、时间)记录，机床外围设备接口和机床定期维护保养通知。

c.与数控编程有关的功能：M代码表，T代码搜索，特定点定位，刚性攻丝故障排除和换刀故障排除。

d.与机床调整有关的功能：主轴按工件上的4点坐标对中心，主轴按工件上的3点坐标对中心，主轴按工件的某一边长坐标对中心或按某一角落的坐标定中心。

加工模式选择、工件质量(重量)确认、智能进给和机床温升补偿的界面如图6所示。

图6 FETROL M1000系统加工模式选择等界面

另外，对不同加工工艺过程，皆可通过对话式编程进行优化，大幅提升加工效率。钻削深孔的多次进给案例如图7所示。

图7 多次进给钻孔工艺的人机界面

3 MAZATROL数控系统的人机界面

1981年日本马扎克公司实现了以日常用语、并且是以人机对话方式进行编程，开发研制出MAZATROL数控系统。历经30余年的不断改进，目前广泛在MAZAK机床产品上搭载使用、具有高度智能化的MAZATROL MATRIX数控系统，其智能化功能主要有以下几个方面[5]：

a.人机对话编程。在数控系统中内置专家数据系统，可根据加工零件材质及形状描绘，自动生成最佳的加工模式、刀具选择和切削条件参数。同时可在机床上进行模拟加工，确认走刀路径的正确性和模拟加工时间，大幅降低了操作人员的编程难度，提高了试加工准备效率。

b.智能振动抑制技术。可将机床加减速引起的机械振动消除，使得机床振动得到抑制。采用加速度计调整其时间常数与机械特性匹配(机械固有振动频率)，此时振动比最小。

c.智能热屏障技术。以机床温度为基准温度，通过热变位补偿、主轴冷却装置同时控制，使得长时间加工精度保持稳定。

d.虚拟加工。在机床、工件、刀具的三维模型支持下，实现加工程序与实际加工环境一样模拟仿真加工。这样在实际加工前，即可检查加工中可能出现的干涉、加工使用的刀具是否合适等。

e.智能安全保护(手动操作时用)。手动操作时的误操作引起的干涉可以使用此功能来防止。手动操作时，三维模型也同时检查，在出现干涉前停止。可以实现机床正确的操作动作，不用担心会发生撞车，大大提高加工准备的效率。

f.智能语音导航。CNC内部设置扬声器，通过真人语音向操作者提示作业。让操作人员面对的不再是冷冰冰的机器，而是一个可以互动的工作伙伴。

g.智能维护保养支持，包括机床运转状况的记录、机床部件单元运行状况管理、图解维修支持、消耗品管理和主轴运转管理等。

h.智能远程诊断MAZA-CARE，突破以往的联网在线远程诊断方式，通过电信3G网络建立起用户机床和设备厂家服务的无线连接。当用户机床故障报警时，会以邮件形式自动发送至MAZAK的售后服务中心，在线服务中心人员可指导客户排除故障。

智能化的数控机床是实现智能化制造最基本的前提，机床不再是一台孤立的加工设备，而是工厂网络中的一个节点。不仅能在加工机器上从相关部门获取或者查询图样信息、加工信息及装夹信息，还能利用加工机器的运转状态、进展情况等数据来进行实时生产管理，并且还能够进行远距离监控。MAZAK公司开发并已应用了多年的智能生产中心(Cyber Production Center，CPC)软件，有效地解决了机械加工工厂最实际和困扰生产效率的4个方面问题:

a.智能程序编辑管理MatrixCam。

b.智能生产日程管理Cyber Schedule。

c.智能刀具管理Cyber Tool Management。

d.智能生产监控和管理Cyber Monitor。

这样一来，数控系统就不仅是机床运动的控制器，而且是参与车间管理，成为工厂网络的一个节点，如图8所示。

图8 机床数控系统是工厂网络中的一个节点

马扎克公司最近发布消息称，开发出专门用于复合加工机床和5轴加工机床的数控装置“MAZATROL Smooth X”。该系统采用智能手机的操作方式，大幅提升了操作便捷性，同时以完全再现5轴加工过程的技术大幅减少了加工仿真模拟时间[6-7]。

这是该公司CNC装置“MAZATROL”系列的第7代产品。采用了19吋的多点触摸屏幕，废除键盘，使操作板小型、薄型化。菜单选择或键盘操作通过触控操作即可完成。其外观和人机界面如图9所示。

图9 MAZATROL Smooth X的人机界面

该系统可借助零件三维模型数据编制数控加工程序，编制时的按键操作减少了80%。另外设计了在确认加工形状和工序的同时进行编程的功能，可防止编程失误，并可以一目了然地看到加工进度，加工会更加顺利和直观。

提升CPU的性能后的运算能力达到原来的4倍，并且缩短了加工时间。例如在进行模具型腔加工时，加工时间甚至可缩短90%。

4 结束语

机床的数控系统正在经历新的巨大变化，从机床的运动控制向车间管理终端转变，智能化、网络化、图形化和多点触控的人机界面将成为新一代数控系统的主要特征。

[1] 张曙,张炳生,卫汉华,等.机床产品创新与设计[M].南京:东南大学出版社,2014.

[2] DMGMORI.CELOS-from the idea to the finished product.[EB/OL].[2014-09-28]. http://en.dmg mori.com/blob/171604/07b2638ccd5647b6a2b2974409c99c1d/mailing-celos-en-pdf-data.pdf.

[3] 麻琪.友佳FETROL M100 控制器系统:第一部分[EB/OL].[2014-09-28]. http://mp.weixin.qq.com/?__biz=MzA5MTQ2NzIzNw==&mid=200287187&idx=1&sn=c8c95e078fd17cce7b2799aa9a7124a9&3rd=MzA3MDU4NTYzMw==&scene=6#rd.

[4] 麻琪.友佳FETROL M100 控制器系统:第二部分[EB/OL].[2014-09-28].http://mp.weixin. qq.com/s?__biz=MzA5MTQ2NzIzNw==&mid=200301376&idx=1&sn=0251d3a0f1ab7690804da30983d89cf7&3rd=MzA3MDU4NTYzMw==&scene=6#rd.

[5] 张伟.智能制造与智能机床技术[EB/OL].[2014-09-28].http://mp.weixin.qq.com/s?_biz= MzA3MTA3MDQwMA==&mid=200478408&idx=2&sn=c488af35343cb85bd976fecbdfac3d29&3rd=MzA3MDU4NTYzMw==&scene=6#rd.

[6] Mazak.Mazatrol SmoothX[EB/OL].[2014-09-28].https://www.mazak.jp/mazatrol_smoothx/

[7] Mazak. 工場に革新をもたらすマザック独自のCNC 装置“MAZATROL SmoothX”誕生[EB/OL].[2014-09-28].https://mazakfiles.blob.core.windows.net/web-site/file/285ffca 940 4840039f38c93ff5f7ad00/20140904_MAZATROL%20SmoothX_J.pdf?sv=2012-02-12&st=2014-09-27T06%3A46%3A40Z&se=2014-09-27T06%3A48%3A40Z&sr=b&sp=r&sig=luil310gTR%2Bpegq8DLh6MneDj1qcHTA1bsfc4eX6XXU%3D.

Newprogressinnumericalcontrolsystemandhuman-machineinterface

ZHANG Shu

(Tongji University, Shanghai, 200092, China)

The numerical control system is the brain of a machine tool. The man-machine interface is an important part of the machine tool numerical control system, has a great influence to machine tool intelligent and operability of machining efficiency. The application of the graphical information prompt, graphical and multi-touch screen for man-machine interface are important intelligent CNC system features. It introduces CELOS human-machine interface in FETROL M1000 system of DMG MORI Company in Hangzhou Youjia Precision Machinery limited company and seventh generation MAZATROL CNC System in Japanese MAZAK Co.

numerical control system; human-machine interface; industrial design

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.10.001

2014-09-28

张曙(1932—)，男，江苏如皋人，同济大学教授，主要研究方向为企业发展战略、先进制造技术和产品创新。

TG659

C

2095-509X(2014)10-0001-05