日本發(fā)那科FANUC數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)持續(xù)進(jìn)步。2023年5月，F(xiàn)ANUC發(fā)布了全新CNC產(chǎn)品“FANUC Series 500i-A”和全新的伺服系統(tǒng)“αi-D伺服系統(tǒng)”。
通過強(qiáng)化對物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和數(shù)字孿生的支持，這一新的CNC系統(tǒng)，加上提升了高速、高精度和節(jié)能性能的伺服系統(tǒng)，為客戶提供了新的價(jià)值。在能源成本上漲和熟練技術(shù)人員短缺等制造業(yè)環(huán)境變化的背景下，F(xiàn)ANUC通過在工廠自動(dòng)化（FA）領(lǐng)域的新提案，幫助客戶解決挑戰(zhàn)。
自1955年FANUC在富士通內(nèi)部開始開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)（NC）以來，F(xiàn)ANUC一直致力于工廠自動(dòng)化的發(fā)展。我們采訪了四位參與最新CNC和伺服系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)人員，探討了FANUC如何利用這些技術(shù)引領(lǐng)下一代工廠的發(fā)展。
問：500i-A是自2003年推出“FANUC Series 30i”以來的新產(chǎn)品。請談?wù)勊⑿翪NC背后的原因。
井出：過去，我們在CNC開發(fā)中主要關(guān)注三個(gè)方面：①加工性能的提升，②運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，③易用性。然而，近年來，制造業(yè)的環(huán)境發(fā)生了變化，包括能源成本的上漲、熟練技術(shù)人員的短缺、代際交替和知識(shí)傳承問題，以及減少環(huán)境負(fù)荷的社會(huì)需求。此外，圍繞數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用需求也在增加，例如以模擬為中心的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用、通過IoT實(shí)現(xiàn)制造現(xiàn)場的可視化和效率化，以及通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?；诖?，我們在繼承傳統(tǒng)開發(fā)理念的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了硬件和軟件，旨在打造一個(gè)能夠靈活應(yīng)對這些多樣化需求的平臺(tái)型CNC。
問：在此次開發(fā)中，您主要關(guān)注了哪些方面？在軟件方面，具體實(shí)現(xiàn)了哪些功能改進(jìn)？
井出：我們加強(qiáng)了定制化功能。在機(jī)床制造商的需求日益多樣化的背景下，我們一直提供各種功能，而在500i-A中，我們?yōu)楦鞴敬蛟炝艘粋€(gè)更容易展現(xiàn)其獨(dú)特性的環(huán)境。首先，作為增強(qiáng)定制化功能的一部分，我們使CNC標(biāo)準(zhǔn)界面與制造商的獨(dú)立界面在同一用戶界面引擎上運(yùn)行。這樣，制造商可以利用CNC標(biāo)準(zhǔn)界面的布局和部件，輕松構(gòu)建獨(dú)立界面，并設(shè)計(jì)與CNC功能聯(lián)動(dòng)的定制界面。此外，我們還新增了自由定義機(jī)床軸結(jié)構(gòu)的功能。以往，CNC只能控制我們預(yù)定的軸結(jié)構(gòu)機(jī)床，而500i-A則支持諸如在旋轉(zhuǎn)軸上增加直線軸等軸結(jié)構(gòu)，這使得五軸加工機(jī)、復(fù)合加工機(jī)以及刀片加工等專用機(jī)床的設(shè)計(jì)更加容易。
問：在硬件方面有哪些改進(jìn)？
斉藤：我們將CPU的處理能力提升到現(xiàn)有“30i-B Plus”的2.7倍。這不僅提高了加工質(zhì)量，還使得在與其他設(shè)備的通信中，能夠?yàn)檎{(diào)用和使用大量數(shù)據(jù)提供更多的CPU性能支持。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐漸普及的背景下，我們預(yù)計(jì)未來伺服電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和故障預(yù)測性維護(hù)的IoT用途將會(huì)擴(kuò)大。通過增強(qiáng)CPU處理能力，我們能夠更好地支持機(jī)床制造商的IoT功能增強(qiáng)需求。
問：您還同時(shí)發(fā)布了全新的αi-D伺服系統(tǒng)。開發(fā)過程中重點(diǎn)關(guān)注了哪些方面？
鴻上：除了高速和高精度外，我們還特別關(guān)注了近年來非常重要的節(jié)能性能。此外，我們還考慮了機(jī)床制造商在設(shè)計(jì)控制柜時(shí)的便捷性，著重于伺服系統(tǒng)的小型化和控制柜內(nèi)部配線的簡化。
問：請談?wù)勑庐a(chǎn)品與現(xiàn)有產(chǎn)品的區(qū)別。
鴻上：在節(jié)能方面，與以往的“αi-B伺服系統(tǒng)”相比，新系統(tǒng)整體上減少了10%的能量損耗。我們不僅重新審視了伺服系統(tǒng)中包括電機(jī)、放大器、控制器在內(nèi)的所有元素，還獨(dú)立開發(fā)了一種稱為“AC電抗器”的新組件，用于三相電源與伺服放大器之間，從而實(shí)現(xiàn)了更高的節(jié)能效果。在精度方面，我們不僅提升了伺服電機(jī)自身的旋轉(zhuǎn)平滑度，還通過可實(shí)現(xiàn)高增益控制的設(shè)計(jì)，使得傳動(dòng)更加精準(zhǔn)，這在模具等精密加工領(lǐng)域?qū)⒋箫@身手。此外，我們還將內(nèi)置于控制柜的伺服放大器的尺寸縮小了最多30%，并擴(kuò)展了將多軸整合為一體的放大器產(chǎn)品線，以應(yīng)對對小型化的需求。※高增益指的是電信號(hào)放大值的提升。
問：據(jù)了解，新CNC是基于與αi-D伺服系統(tǒng)的結(jié)合開發(fā)的。這種組合能夠帶來什么樣的效果？
鴻上：最大的變化是大幅提高了CNC與伺服放大器之間的通信速度。我們過去已經(jīng)通過光纖電纜實(shí)現(xiàn)了“FANUC串行伺服總線（FSSB）”的連接，但通過進(jìn)一步加快通信速度和增加通信容量，不僅加快了控制周期，還能將上下軸的剎車控制以及伺服放大器的輸出切斷等安全重要信號(hào)作為雙重信號(hào)傳輸，這使得整體系統(tǒng)更加可靠。
問：關(guān)于CNC，貴公司在2022年1月推出了“CNC Guide 2”模擬器。請問這是一款什么樣的產(chǎn)品？
井出：這是在電腦上運(yùn)行的CNC模擬器，最初開發(fā)是為了讓用戶學(xué)習(xí)如何使用我們的CNC。后來應(yīng)用戶“希望更高級使用”的要求，我們進(jìn)一步改進(jìn)，使其能夠用于機(jī)床制造商的開發(fā)和加工模擬。這就是現(xiàn)在的CNC Guide 2。用戶在將順序控制程序或自定義界面整合到CNC時(shí)，可以在電腦上進(jìn)行確認(rèn)，這對機(jī)床制造商來說是一個(gè)非常便利的工具。
問：作為加工模擬器，其特點(diǎn)是什么？
井出：我們整合了“伺服模型”。除了傳統(tǒng)基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)模擬，我們還結(jié)合了基于公司伺服調(diào)諧技術(shù)生成的伺服模型，使得在數(shù)字環(huán)境中更接近實(shí)際機(jī)械操作的效果。通過這種方式，用戶可以在數(shù)字空間中預(yù)測實(shí)際加工結(jié)果。如果預(yù)測的加工面效果不理想，還可以通過切換機(jī)床的加工模式等方法加以調(diào)整。在實(shí)際加工之前，通過數(shù)字環(huán)境中的高效試錯(cuò)，能夠減少材料和能源的浪費(fèi)。我們希望用戶能夠與新CNC一起充分利用這一新的數(shù)字孿生技術(shù)。
產(chǎn)品功能和開發(fā)方法的進(jìn)化
問：貴公司的CNC在2023年2月出貨總量突破500萬臺(tái)。請您簡單介紹CNC的發(fā)展歷程。
井出：雖然公司成立于1972年，但早在1955年我們就在富士通內(nèi)部開始了數(shù)控系統(tǒng)（NC）的開發(fā)，并于1956年成功研發(fā)，這是FANUC的起源。此后，1974年我們開發(fā)了搭載微處理器的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC），并于1979年采用通用處理器并安裝顯示器，確立了現(xiàn)代CNC的原型。通過引入通用處理器，計(jì)算機(jī)技術(shù)的升級與CNC的發(fā)展得以緊密結(jié)合。
問：CNC開發(fā)史上有哪些重大事件？
井出：毫無疑問，從NC到CNC的進(jìn)化是一個(gè)重要的里程碑。此外，在90年代量產(chǎn)的“16i”型號(hào)中，我們將原本與顯示器分離的NC本體小型化，并安裝在顯示器的背后。這標(biāo)志著薄型CNC的開端。與此同時(shí)，我們還大幅增強(qiáng)了為機(jī)床制造商提供的定制功能，這也是“16i”型號(hào)中的一大變化。
問：加工的精度和速度是否有所提升？
井出：隨著處理器性能的提升，能夠更快地處理描述三維形狀的精細(xì)線段。因此，可以肯定的是，具有自由曲面的工件加工速度已經(jīng)明顯提高，特別是在模具加工方面。
斉藤：通過改進(jìn)實(shí)時(shí)解析NC程序的邏輯，即使是相同形狀的工件，現(xiàn)在也能以更快的速度進(jìn)行加工。工作機(jī)械并不會(huì)完全按照NC程序運(yùn)作，為了抑制機(jī)械的振動(dòng)，如果遇到“無法急轉(zhuǎn)彎”的部分，CNC會(huì)自動(dòng)降低速度。我們不斷改進(jìn)解析邏輯，以避免不必要的速度下降。
問：請您介紹一下在2018年達(dá)到2000萬臺(tái)產(chǎn)量的伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷史。
鴻上：如果追溯到公司創(chuàng)立初期，1959年我們開發(fā)了電氣-液壓脈沖電機(jī)，這標(biāo)志著伺服系統(tǒng)的開端。由于其抗擾性強(qiáng)的開環(huán)伺服系統(tǒng)得到了廣泛支持，但由于石油危機(jī)導(dǎo)致液壓作為動(dòng)力源變得困難，我們在1974年全面轉(zhuǎn)向DC伺服電機(jī)。1982年，我們又轉(zhuǎn)向了無需定期更換刷子的AC伺服電機(jī)，這相較于DC伺服電機(jī)大大提升了維護(hù)性和可靠性。進(jìn)一步到1986年，我們從模擬控制轉(zhuǎn)向了數(shù)字控制，這是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
問：在伺服系統(tǒng)和CNC的開發(fā)中，有哪些變化？
鴻上：開發(fā)方法不斷進(jìn)化。我剛?cè)肷鐣r(shí)，通常是根據(jù)自己計(jì)算的結(jié)果制作原型機(jī)，并通過反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，但現(xiàn)在這一過程已被基于解析的方法所取代。
間中：隨著有限元分析（FEM）的進(jìn)步，我們能夠進(jìn)行各種電磁分析，開發(fā)效率得到了顯著提高。在電機(jī)扭矩的分析中，我們觀察“轉(zhuǎn)子鐵芯”和其外部的“定子鐵芯”形狀如何影響磁通流動(dòng)，并據(jù)此預(yù)測扭矩變化。最近，我們不僅關(guān)注這兩個(gè)鐵芯形狀與扭矩的關(guān)系，還能夠通過解析結(jié)果得到更接近實(shí)際數(shù)值的扭矩。此外，盡管我們能夠通過解析預(yù)測電機(jī)運(yùn)行的平滑度，但實(shí)際測試中仍會(huì)發(fā)現(xiàn)與解析結(jié)果不符的情況。由于平滑度會(huì)影響加工面質(zhì)量，如何實(shí)現(xiàn)CNC指令的精準(zhǔn)跟蹤和生成平滑動(dòng)作是今后的一個(gè)重要課題。
斉藤：前面提到的CNC模擬器確實(shí)發(fā)揮了很大作用。雖然我們?nèi)匀粫?huì)根據(jù)實(shí)際機(jī)器和電機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行開發(fā)，但因?yàn)槌绦蛐拚Y(jié)果可以“可視化”，所以開發(fā)過程變得更加便捷。
贏得客戶信任的產(chǎn)品制造
問：您在CNC和伺服系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)場有什么感受？
鴻上：隨著數(shù)字技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應(yīng)用不斷深入，我們感到CNC和機(jī)床開發(fā)中需要考慮的技術(shù)范圍正在不斷擴(kuò)大。
井出：機(jī)械復(fù)雜化的速度非常快，開發(fā)人員必須以更快的速度應(yīng)對，否則就會(huì)面臨被淘汰的風(fēng)險(xiǎn)。自動(dòng)化的需求也在增強(qiáng)，而我們公司在機(jī)器人聯(lián)動(dòng)方面的優(yōu)勢正不斷得到加強(qiáng)。
問：最后，您能談?wù)劰驹诋a(chǎn)品開發(fā)中未來依然重視的態(tài)度和理念嗎？
鴻上：我們公司的產(chǎn)品是應(yīng)用于制造現(xiàn)場的生產(chǎn)資料。因此，無論是CNC還是伺服系統(tǒng)，我們都極其重視產(chǎn)品本身的可靠性，并以“不易損壞、在損壞前預(yù)警、即使損壞也能迅速修復(fù)”為口號(hào)推進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)。首先，我們確保產(chǎn)品本身堅(jiān)固耐用，不易損壞，并大力加強(qiáng)預(yù)知維護(hù)功能，在產(chǎn)品損壞前及時(shí)提醒用戶。即使發(fā)生故障，我們也提供故障診斷功能，能迅速識(shí)別問題所在，并采用便于更換零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，我們公司提出“終身維護(hù)”理念，只要客戶繼續(xù)使用我們的產(chǎn)品，我們就會(huì)持續(xù)提供維護(hù)服務(wù)。即使是70年代的DC伺服電機(jī)，我們至今依然可以修理；同時(shí)，我們還可以將顯像管時(shí)代的CNC更換為液晶顯示器。我認(rèn)為，這些都是我們公司CNC和伺服系統(tǒng)設(shè)備能夠長期贏得客戶信任的重要原因。
井出：我們公司有“嚴(yán)格”和“透明”兩大基本理念。所謂嚴(yán)格，意味著“沒有遺漏”、“不偷工減料”，這體現(xiàn)了我們在產(chǎn)品制造中的態(tài)度。盡管客戶需求多樣化且變化迅速，但這些是不應(yīng)改變的原則。在迅速響應(yīng)客戶變化的同時(shí)，我們將繼續(xù)保持一貫的開發(fā)態(tài)度。
