日本发那科FANUC数控系统的技术持续进步。2023年5月，FANUC发布了全新CNC产品“FANUC Series 500i-A”和全新的伺服系统“αi-D伺服系统”。
通过强化对物联网（IoT）和数字孪生的支持，这一新的CNC系统，加上提升了高速、高精度和节能性能的伺服系统，为客户提供了新的价值。在能源成本上涨和熟练技术人员短缺等制造业环境变化的背景下，FANUC通过在工厂自动化（FA）领域的新提案，帮助客户解决挑战。
自1955年FANUC在富士通内部开始开发数控系统（NC）以来，FANUC一直致力于工厂自动化的发展。我们采访了四位参与最新CNC和伺服系统开发的技术人员，探讨了FANUC如何利用这些技术引领下一代工厂的发展。
问：500i-A是自2003年推出“FANUC Series 30i”以来的新产品。请谈谈刷新CNC背后的原因。
井出：过去，我们在CNC开发中主要关注三个方面：①加工性能的提升，②运行的稳定性和可靠性，③易用性。然而，近年来，制造业的环境发生了变化，包括能源成本的上涨、熟练技术人员的短缺、代际交替和知识传承问题，以及减少环境负荷的社会需求。此外，围绕数字技术的应用需求也在增加，例如以模拟为中心的数字技术应用、通过IoT实现制造现场的可视化和效率化，以及通过机器人实现自动化。基于此，我们在继承传统开发理念的基础上，重新设计了硬件和软件，旨在打造一个能够灵活应对这些多样化需求的平台型CNC。
问：在此次开发中，您主要关注了哪些方面？在软件方面，具体实现了哪些功能改进？
井出：我们加强了定制化功能。在机床制造商的需求日益多样化的背景下，我们一直提供各种功能，而在500i-A中，我们为各公司打造了一个更容易展现其独特性的环境。首先，作为增强定制化功能的一部分，我们使CNC标准界面与制造商的独立界面在同一用户界面引擎上运行。这样，制造商可以利用CNC标准界面的布局和部件，轻松构建独立界面，并设计与CNC功能联动的定制界面。此外，我们还新增了自由定义机床轴结构的功能。以往，CNC只能控制我们预定的轴结构机床，而500i-A则支持诸如在旋转轴上增加直线轴等轴结构，这使得五轴加工机、复合加工机以及刀片加工等专用机床的设计更加容易。
问：在硬件方面有哪些改进？
斉藤：我们将CPU的处理能力提升到现有“30i-B Plus”的2.7倍。这不仅提高了加工质量，还使得在与其他设备的通信中，能够为调用和使用大量数据提供更多的CPU性能支持。在物联网应用逐渐普及的背景下，我们预计未来伺服电机的运行数据监测和故障预测性维护的IoT用途将会扩大。通过增强CPU处理能力，我们能够更好地支持机床制造商的IoT功能增强需求。
问：您还同时发布了全新的αi-D伺服系统。开发过程中重点关注了哪些方面？
鴻上：除了高速和高精度外，我们还特别关注了近年来非常重要的节能性能。此外，我们还考虑了机床制造商在设计控制柜时的便捷性，着重于伺服系统的小型化和控制柜内部配线的简化。
问：请谈谈新产品与现有产品的区别。
鴻上：在节能方面，与以往的“αi-B伺服系统”相比，新系统整体上减少了10%的能量损耗。我们不仅重新审视了伺服系统中包括电机、放大器、控制器在内的所有元素，还独立开发了一种称为“AC电抗器”的新组件，用于三相电源与伺服放大器之间，从而实现了更高的节能效果。在精度方面，我们不仅提升了伺服电机自身的旋转平滑度，还通过可实现高增益控制的设计，使得传动更加精准，这在模具等精密加工领域将大显身手。此外，我们还将内置于控制柜的伺服放大器的尺寸缩小了最多30%，并扩展了将多轴整合为一体的放大器产品线，以应对对小型化的需求。※高增益指的是电信号放大值的提升。
问：据了解，新CNC是基于与αi-D伺服系统的结合开发的。这种组合能够带来什么样的效果？
鴻上：最大的变化是大幅提高了CNC与伺服放大器之间的通信速度。我们过去已经通过光纤电缆实现了“FANUC串行伺服总线（FSSB）”的连接，但通过进一步加快通信速度和增加通信容量，不仅加快了控制周期，还能将上下轴的刹车控制以及伺服放大器的输出切断等安全重要信号作为双重信号传输，这使得整体系统更加可靠。
问：关于CNC，贵公司在2022年1月推出了“CNC Guide 2”模拟器。请问这是一款什么样的产品？
井出：这是在电脑上运行的CNC模拟器，最初开发是为了让用户学习如何使用我们的CNC。后来应用户“希望更高级使用”的要求，我们进一步改进，使其能够用于机床制造商的开发和加工模拟。这就是现在的CNC Guide 2。用户在将顺序控制程序或自定义界面整合到CNC时，可以在电脑上进行确认，这对机床制造商来说是一个非常便利的工具。
问：作为加工模拟器，其特点是什么？
井出：我们整合了“伺服模型”。除了传统基于机械结构的静态模拟，我们还结合了基于公司伺服调谐技术生成的伺服模型，使得在数字环境中更接近实际机械操作的效果。通过这种方式，用户可以在数字空间中预测实际加工结果。如果预测的加工面效果不理想，还可以通过切换机床的加工模式等方法加以调整。在实际加工之前，通过数字环境中的高效试错，能够减少材料和能源的浪费。我们希望用户能够与新CNC一起充分利用这一新的数字孪生技术。
产品功能和开发方法的进化
问：贵公司的CNC在2023年2月出货总量突破500万台。请您简单介绍CNC的发展历程。
井出：虽然公司成立于1972年，但早在1955年我们就在富士通内部开始了数控系统（NC）的开发，并于1956年成功研发，这是FANUC的起源。此后，1974年我们开发了搭载微处理器的计算机数控系统（CNC），并于1979年采用通用处理器并安装显示器，确立了现代CNC的原型。通过引入通用处理器，计算机技术的升级与CNC的发展得以紧密结合。
问：CNC开发史上有哪些重大事件？
井出：毫无疑问，从NC到CNC的进化是一个重要的里程碑。此外，在90年代量产的“16i”型号中，我们将原本与显示器分离的NC本体小型化，并安装在显示器的背后。这标志着薄型CNC的开端。与此同时，我们还大幅增强了为机床制造商提供的定制功能，这也是“16i”型号中的一大变化。
问：加工的精度和速度是否有所提升？
井出：随着处理器性能的提升，能够更快地处理描述三维形状的精细线段。因此，可以肯定的是，具有自由曲面的工件加工速度已经明显提高，特别是在模具加工方面。
斉藤：通过改进实时解析NC程序的逻辑，即使是相同形状的工件，现在也能以更快的速度进行加工。工作机械并不会完全按照NC程序运作，为了抑制机械的振动，如果遇到“无法急转弯”的部分，CNC会自动降低速度。我们不断改进解析逻辑，以避免不必要的速度下降。
问：请您介绍一下在2018年达到2000万台产量的伺服系统的发展历史。
鴻上：如果追溯到公司创立初期，1959年我们开发了电气-液压脉冲电机，这标志着伺服系统的开端。由于其抗扰性强的开环伺服系统得到了广泛支持，但由于石油危机导致液压作为动力源变得困难，我们在1974年全面转向DC伺服电机。1982年，我们又转向了无需定期更换刷子的AC伺服电机，这相较于DC伺服电机大大提升了维护性和可靠性。进一步到1986年，我们从模拟控制转向了数字控制，这是一个重要的转折点。
问：在伺服系统和CNC的开发中，有哪些变化？
鴻上：开发方法不断进化。我刚入社时，通常是根据自己计算的结果制作原型机，并通过反复试验进行改进，但现在这一过程已被基于解析的方法所取代。
間中：随着有限元分析（FEM）的进步，我们能够进行各种电磁分析，开发效率得到了显著提高。在电机扭矩的分析中，我们观察“转子铁芯”和其外部的“定子铁芯”形状如何影响磁通流动，并据此预测扭矩变化。最近，我们不仅关注这两个铁芯形状与扭矩的关系，还能够通过解析结果得到更接近实际数值的扭矩。此外，尽管我们能够通过解析预测电机运行的平滑度，但实际测试中仍会发现与解析结果不符的情况。由于平滑度会影响加工面质量，如何实现CNC指令的精准跟踪和生成平滑动作是今后的一个重要课题。
斉藤：前面提到的CNC模拟器确实发挥了很大作用。虽然我们仍然会根据实际机器和电机的运行情况进行开发，但因为程序修正结果可以“可视化”，所以开发过程变得更加便捷。
赢得客户信任的产品制造
问：您在CNC和伺服系统的开发现场有什么感受？
鴻上：随着数字技术和物联网（IoT）的应用不断深入，我们感到CNC和机床开发中需要考虑的技术范围正在不断扩大。
井出：机械复杂化的速度非常快，开发人员必须以更快的速度应对，否则就会面临被淘汰的风险。自动化的需求也在增强，而我们公司在机器人联动方面的优势正不断得到加强。
问：最后，您能谈谈公司在产品开发中未来依然重视的态度和理念吗？
鴻上：我们公司的产品是应用于制造现场的生产资料。因此，无论是CNC还是伺服系统，我们都极其重视产品本身的可靠性，并以“不易损坏、在损坏前预警、即使损坏也能迅速修复”为口号推进产品开发。首先，我们确保产品本身坚固耐用，不易损坏，并大力加强预知维护功能，在产品损坏前及时提醒用户。即使发生故障，我们也提供故障诊断功能，能迅速识别问题所在，并采用便于更换零件的结构设计。此外，我们公司提出“终身维护”理念，只要客户继续使用我们的产品，我们就会持续提供维护服务。即使是70年代的DC伺服电机，我们至今依然可以修理；同时，我们还可以将显像管时代的CNC更换为液晶显示器。我认为，这些都是我们公司CNC和伺服系统设备能够长期赢得客户信任的重要原因。
井出：我们公司有“严格”和“透明”两大基本理念。所谓严格，意味着“没有遗漏”、“不偷工减料”，这体现了我们在产品制造中的态度。尽管客户需求多样化且变化迅速，但这些是不应改变的原则。在迅速响应客户变化的同时，我们将继续保持一贯的开发态度。
