数控系统的国内外发展及应用现状69465

数控技术大作业题目数控系统的国内外发展及应用现状

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提交日期2012年5月21日

摘要

数控系统是一种利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序等实现自动控制的控制系统。数控系统已经实现纳米插补与控制技术，并广泛地运用机器人、智能化加工技术和CAD/CAM技术，数控系统本身也从封闭转向开放式，并朝着高速、高精度化、网络化、环保化的方向发展。

关键词：数控系统开放式研究现状发展趋势

目录

一、国外数控系统现状 (4)

1.美国A- B 公司 (4)

2.日本FANUC公司 (5)

3.德国SIEMENS公司 (6)

二、国内数控系统现状 (7)

1.华中数控 (7)

2.广州数控 (9)

3.北京航天数控 (9)

三、国内外数控系统比较 (10)

四、结论 (10)

参考文献 (11)

数控系统是一种利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序等实现自动控制的控制系统。从1952 年美国麻省理工学院研制出第1 台实验性数控系统，到现在已走过了半个世纪。数控系统也由第一代电子管的硬联接数控发展到第五代MPCNC的软联接数控。

数控系统已经实现纳米插补与控制技术，并广泛地运用机器人、智能化加工技术和CAD/CAM技术，数控系统本身也从封闭转向开放式，并朝着高速、高精度化、网络化、环保化的方向发展。

一、国外数控系统现状

国外数控系统发展总体趋势如下：1.新一代数控系统向OG化和开放式体系结构方向发

展。2.驱动装置向交流、数字化方向发展。3.增强通信功能，向网络化发展。4.数控系统在控制性能上向智能化发展。

在国际市场，德国、美国、日本等几个国家基本掌控了中高档数控系统。国外的主要数控系统制造商有西门子（Siemens）、发那克（FANUC）、三菱电机（Mitsubishi Electric）、海德汉（HEIDENHAIN）、博世力士乐（Bosch Rexroth）、日本大隈（Okuma）等。下面对几个主要系统进行功能介绍与应用分析。

1.美国A- B 公司

美国Allen-Bradley(简称A-B公司)，在首先推出CNC系统7300系统后，80年代又开发出8200，8400，8600系列。

其中A-B8600系列是适用于各种加工设备的柔性CNC系统，通过软硬件的不同配置可派生出四个类型和三种不同档次的产品。四种类型是8600T/车床，8600TC/车床和车削中心，8600MC/铣床和加工中心，8600CP通用型（可用于机器人等）；三种不同档次是8605,8610-10,8650-20。下面对8650-20进行详细介绍

●8600系统为多主式, 主从结构的多微处理器CNC装置，主系统微处理器有两种规格，即标准（CPU用8086/处理器用8087）和高速(CPU用80286/处理器用8028)的两种，轴控制的CPU为8086，高速数据通道n 模块用CPU为80186。

●系统的轴控制功能最多具有17个轴控制能力，即一个主轴控制，16个伺服轴控制，其中8个点到点的轴，8个插补轴，16个伺服轴中有10个轴可联动(其中8个插补轴，2个点到点轴)。

●带有直线和旋转运动及圆弧插补，可在任何平面上作圆弧插补，在轮廓加工中，可自动控制进给率，自动补偿反向误差，可进行软件行程限位、刀具补偿和刀具寿命管理等。

●反馈装置可以编码器、旋转变压器或同步感应器来实现反馈，具有所有模式的自动加减速控制。

●CRT有显示字符和图形的功能，根据定义可对存储装置的目录显示、零件程序及输人的原始偏置值显示、毛坯余量显示，不仅可以用图形显示程序，还可用图形显示输人、输出信号的状态。

●8600系列在较强的软、硬件支持下，具有多组程序处理能力，可并行执行最多到5 组的零件程序。

●用ASSET高级语言扩属了零件程序，能将系统的变量、文件、键盘、显示及串行接口等系统信息引人到零件程序编制环境中。

●具有多种编程方法:

●蓝图(即零件图纸)直接编程；（b）几何工艺语言（GTL）编程；（c）参数化编程，是一种独特的强有力编程工具，可将任何加工顺序作为用户加工环来设计和编程，只给定变数的值即可编制出相似形状工件的程序。

●具有联接到厂级的宽带通信系统的能力，还带小型DNC接口，远程I/O 功能，高速数据通道。

●CNC系统配置的SIPROM（顺序程序）高级语言可很方便地实现梯形图编制，是一个自动编程器。

2.日本FANUC公司

日本FANUC公司是专门生产数控系统及设备的较有影响的厂家，其数控系统销售额占世界的50%，它研制开发了大量新产品并一直处于数控领域的重要位置。

FANUC在7 0 年代中后期生产的CNC装置主要有FSS ,FS7，FSZ，FS3，FS6，FS9 等，大多数是单微处理机和专用芯片(大规模集成电路)相结合的模块化结构，其中FS7CPU 为位片式微处理器构成，FSSCPU是单板机结构，

FS6，FS3的CPU是8086，FS9是数控/仿形（NC/TC）联合控制。在轴控制能力上，从标准的三轴（X、Y、Z）过渡到多轴控制（如FS9 最多可控制15根轴）操作显示功能，由一般的键盘操作过渡到以功能软键操作及菜单驱动，开始有了图形显示功能及人机会话功能，这些数控系统都带有内装式PLC控制，大多数系统己配置了RS-232C标准的串行通信接口，完成数据输入/输出和传送，自诊断功能也逐步加强，从只有故障分类报警到能诊断出故障的内容等等。

在80年代FANUC生产和推出的CNC装置主要有F0、F10/11/12/15，

F00/100/110/120，FS15/150，F0 Mate等，这些都是典型现代数控系统，其中

F0 Mate是F0派生产品，它与F0比较是一种功能简单、结构更紧凑的经济型系统，而F00/100/110/120/150系统是在F10/11/12/15系列的基础上，增加了MMC（Man Machine Controller一人机交互界面）是CNC、PMC （可编程机床控制器）、MMC三位一体的CNC系统。

（1）FANUC系统0系列即F0系列是结构紧凑的可组成面板装配式的CNC装置，当选择了FANUC的各种强电模块时，易于成为一种交钥匙系统。

（2）FANUC系统10/11/12系列的CNC系统有很多品种，可适用于各种机床，从规格上看,M型CNC型装置用于铣、镗床和加工中心，T型用于车床，TT型用于双刀架车床，F型是有对话功能的CNC装置。

（3）FANUC，FS15系列是较新的32 位CNC装置，已具有AI（人工智能）功能的CNC装置。其特点如下：

●FS15系列采用的是模块式，多主总线（FANUC BUS）结构，为一个多微处理器控制系统，所用主CPU是68020，还有一个子CPU （SUB CPU），此外在PMC、轴控制、图形控制、通信及自动编程等功能中也均有各自的CPU。

●FS15可构成最小至最大系统，可控制2-15根轴，还有PMC的轴控制功

能，适用于大型机床、复合机床的多轴控制和多系统控制。

●因采用32位高速多主总线和32位微处理器，能实现很高的加工速度（设定单位在0.0001mm时进给速度可达24m/min）及实现连续微小程序段的高速加工（当NC语句输人下3轴联动时，高速规格是4ms每程序段相当于15m/min进给）。

●与上位计算机之间可实现数据信息的高速传送，有通信专用微处理器和RS422接口及远程缓冲功能。

●FS15带内装式PMC（型号为FANUC PMC-N）在系统和PMC之间设有很大的窗口供用户编制软件。

●FS15系列还增加了64位RISC精简指令微处理器，使加工速度提高4倍。

3.德国SIEMENS公司

德国SIEMENS (西门子)公司，也是世界上有名的数控生产家，自从70年代中和日本FANUC公司合作开发了典型的C尺公系统7以后，在70年代末期，还开发了SINUMERIK8和6系统，80年代又推出了SINUMERIK 3系统( 初期)、SINUMERIK 810和820系统(中期)及SINUMERIK 850和880系统(末期)等。

SIEMENS公司SINUMERIK CNC系统的这些产品，概括地说有以下这些特点：

主要采用了模块化结构, 模块均为印刷电路板。

在一种CNC系列中，选用的是标准硬件模块，并在一种硬件上配置了多种软件，使用户既可选择不同模块又可具有多种工艺类型来满足多种机床的需求。

具有与上位计算机通信的功能，易于进人柔性制造系统(FMS)。

都带有可编程控制器，一般是用SIMATIC S5系列，并用Steps编程语言。

有人机对话功能及多种语言显示（主要是欧洲语言）。

选择RS-232C串行通信口或20mA电流环作数据传递，有很强的扩展性。

此外，西门子公司这七个系列产品可归纳成以下四种类型的CNC装置，代表了西门子公司四个时期数控系统的发展水平。

（1）SINUMERIK 8适配各种机床，通常8ME/8M/8MC及Sprint

8M/Sprint 8ME/Sprint 8M-C用于铣、锉、钻及加工中心，而带Sprint系列又有蓝图编程功能的8MC/8MCE/8MCE-C用于大型镗铣床，8T/Sprint 8T用于车床。

（2）SINUMERIK 3亦有多种型号，用于控制各种机床（3T-车床，3M-铣床，3TT-双刀架4轴车床，3G-磨床，3N-冲剪机床），当3T系统借助于TRANSMIT（转换）功能，可使一般的CNC车床成为一个车削中心, 在一台机床上就能一次完成车、钻、锉、铣的切削。

（3）SINUMERIK 810/820是一种用于小型机床的数控系统，分别有M型(用于镗、铣床及加工中心，T型用于车床、G型用于磨床)等，此外810系列有810T/810TE、810M/810ME、810G/810GE等CNC装置。

（4）SINUMERIK 850/880是SINUMERIK推出的最新CNC产品，它适用于高自动化水平机床及FMS，这一系列包括850M、850T、880M、880T等型号规格。

SIEMENS公司的850/880系统，是多微处理机结构的典型，有如下特点：

●主CPU为80386多微处理器系统，由多种CPU （如数控中用CPU、通信用CPU、伺服用CPU及PLC用CPU等，这些CPU除通信CPU外，还均能扩至CPU 2~4）组成。

●这类系统有很强的通信功能，可进入FMS与CIMS的系统中进行通信。

●850/880系统在部分印刷电路板上，采用了先进的表面安装技术（如存储器模块）。

●尤其在多轴控制上（最多控制轴数20~30个，可实现16个工位联动控制），PLC及编程方面具有特色，在通信（适应FM S和CIMS 需要有通道结构，用了通信中央处理单元）方面有很强的数据管理、传递和处理能力，最后还有功能较强的PLC ，并可扩展到2~4个，既可满足各种机床与CNC之间大量的信息交换又显著地提高了信息传递速度。

二、国内数控系统现状

随着国际学术及产业界对开放式数控系统研究的日益推进，我国的相关研究也越来越受到重视。经过几十年的发展，我国机床行业也形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系，国产数控系统产业发展迅速，在质与量上都取得了飞跃。

国内数控系统基本占领了低端数控系统市场，在中高档数控系统的研发和应用上也取得了一定的成绩。其中，武汉华中数控股份有限公司、北京机电院高技术股份有限公司、北京航天数控系统有限公司和上海电气（集团）总公司等已成功开发了五轴联动的数控系统，分别应用于数控加工中心、数控龙门铣床和数控铣床。近期，武汉重型机床集团有限公司应用华中数控系统，成功开发了CKX5680 控七轴五联动车铣复合加工机床。国内主要数控系统生产基地有华中数控、航天数控、广州数控和上海开通数控等。

1.华中数控

华中“世纪星“数控系统在功能和配置方面远优于国外普及型数控系统。特别是在多轴（9轴）联动、三维图形显示、动态仿真、大容量程序内存、双向螺距补偿、汉字界面、网络功能、开放体系结构、TFT彩色薄形显示器等配置方面，已达到国外高档系统（如FANUC-18、SIMENSE-840）的水平。

众所周知，国外的高档数控系统价格非常昂贵，如意大利Fidia仿形数控系统价格为60~70万元人民币，英国的雷尼绍仿形测头价格高达28万元人民币，德国Walter的数控工具磨床，仅一种刀具的编程软件即需1万美元.而华中数控与菲地亚相同档次的仿形数控系统价格约仅为其1/3。此外，若进口五轴联动以上的数控系统，还受到西方政府的管制，要对最终用户和最终用途进行调查，限制其使用，若认为与军事工业有关，则不予批准。即使我国民用工业能购进口这类设备，其价格也非常昂贵，仅一套CNC单元价格高达20多万元人民币，而华中数控五轴CNC价格约为其1/4。

另外开放式、网络化已成为当今数控系统发展的主要趋势。华中“世纪星”系

列数控系统包括世纪星HNC-18i、HNC-19i、HNC-21和HNC-22四个系列产品，均采用工业微机（IPC）作为硬件平台的开放式体系结构的创新技术路线，充分利用PC软、硬件的丰富资源，通过软件技术的创新，实现数控技术的突破。通过工业PC的先进技术和低成本保证数控系统的高性价比和可靠性。并充分利用通用微机已有软硬件资源和分享计算机领域的最新成果，如大容量存储器&高分辨率彩色显示器、多媒体信息交换、联网通讯等技术、使数控系统可以伴随PC 技术的发展而发展，从而长期保持技术上的优势。

“世纪星”系统功能主要特点如下：

1）编程语言采用国际通用的G代码编程，具有直线、圆弧、螺旋线插补功能，支持程序的旋转、缩放、镜像、刀具补偿、宏程序、子程序调用、多种坐标系设定等功能。支持MasterCAM、UG、ProE等CAD/CAM系统生成的数控加工程序。

2）支持公制/英制输入，绝对值/增量值编程，每分钟/每转进给和直径/半径编程功能。

3）提供多种固定循环和复合循环，车床内（外）径粗车复合循环支持凹槽加工功能。固定循环和复合循环的使用可以用一个程序段来完成一个加工循环，使编程大大简化。

4）车床支持倒角（直角、圆角）、螺纹切削，螺纹切削具有多头螺纹加工功能，并可加工变螺距螺纹。铣床既支持柔性攻丝也支持刚性攻丝，刚性攻丝的使用提高了加工效率, 保证螺纹精度。

5）支持恒线速度切削功能，根据刀尖的位置自动变化主轴速度，使切削线速度保持恒定，以满足工件加工的工艺要求，大大提高精加工面粗糙度，延长刀具的使用寿命。

6）具有小线段连续高速加工功能（G64）和准确定位功能（G61），加减速控制采用S曲线加减速。G64支持程序超前预处理，超前预读程序，将小线段按连续轨迹高速进给,根据拐角大小，自适应控制进给速度，保证拐点处的误差小于跟踪误差的允差设定，特别适合加工CAD/CAM生成的复杂模具加工程序。

7）8重子程序调用，宏程序支持逻辑运算符（AND、OR、NOT）、函数（SIN, COS, TAN, ATAN,ATAN2,ABS, INT, SQRT, EXP）、条件判别语句（IF, ELSE, ENDIF）和循环语句（WHILE, ENDW），可实现复杂的运算，功能强大。用户使用变量进行算术、逻辑和函数的混合运算，可编制各种复杂的零件加工程序，减少甚至免除繁琐计算，大大精简程序量。

8）支持单、双向螺距补偿和反向间隙补偿，螺距补偿数据最多可达256点。具有跟踪误差允差设定与报警功能，数控系统实时监控机床实际坐标，对机床的非正常运行状态进行报警。

9）具有断点保存与恢复功能，大零件程序加工可分时段加工，系统记忆上次中断加工时的状态，为用户提供极大的方便

10）三维图形实时显示刀具轨迹和零件形状，界面实时加工参数显示，包括坐标位置（机床、工件、相对）、跟踪误差、剩余进给、M、S、T和进给速度、倍率等，显示内容丰富。

11）空运行和图形化程序校验功能，方便加工代码的编制和检验。具有后台编程功能。

12）进给修调、快速修调和主轴转速修调三种控制功能，修调范围达到10－150％。

13）系统采用汉字用户界面，提供完善的在线帮助功能（程序代码和帮助图例），操作简便，易于掌握和使用。

14）支持自动换刀、刀具长度补偿和刀尖半径补偿。车床系统支持多种对刀方式（相对刀偏和绝对刀偏），刀补具有圆弧半径补偿，满足高精度加工的要求。

15）支持指定程序行加工、任意程序行加工和程序跳段功能，加工代码的控制更加方便、灵活。

16）提供二次开发接口，可按用户要求定制控制系统的功能，适合专用机床控制系统的开发。

2.广州数控

广州数控生产的GSK983M系统是中高档数控系统产品，该系统最多可实现5轴4联动，可实现高速高精闭环加工，最高移动速度达24m/min精度达1μm。可实现12种固定循环，空间螺旋线插补，刀补C，螺补，用户宏A/B，比例缩放，坐标系旋转等等功能；内嵌式PMC，192/128个I/O点，5000步容量，梯图编程，大大方便和简化机床强电设计并可由户自行二次开发。可实现DNC加工，程序及参数传输功能，极大方便于加工程序备份保存和机床调整。图形显示，中/英文菜单，后台编辑；配备10.4英寸TFT液晶显示器。具有低价格、高性能、高可靠性，等等优点，较适合用于铣床和小型加工中心。其加工稳定性在国产系统中占有一定的优势，该系统已被国内绝大多数机床厂家认可。

GSK983M采用当量技术进行位置闭环控制，使位置控制的准确可靠；用软件进行轮廓插补，专用硬件进行细插补，二级插补使的系统运行十分平稳。GSK983M配置的交流伺服电机，可采用高性能的脉冲编码器、旋转变压器或感应同步器作为检测元件，构成了闭环的CNC系统。

3.北京航天数控

北京航天数控系统有限公司最新推出的CASNUC 2100E系统是一个将PC104板嵌入到控制系统中的一体化的车、铣床闭环数控系统。该系统是将控制系统、显示面板、操作面板集于一体，结构紧凑，易于安装；彩色LCD显示，具有功能全面、性能可靠、连接简单、性价比高等优点。CAS-NUC 2100E数控系统适用于车床、铣床、钻床、磨床等4轴以下的机械设备控制。

系统特点：

①一体化CASNUC 2100e数控系统是一个将PCl04板嵌入到控制系统中的

一体化车/铣床数控系统，控制系统、显示面板、操作面板集于一体，结构紧凑，易于安装。

②高可靠性系统采用的PCl04板具有板载表贴内存、低功耗、不使用风扇等特点，将PCl04板嵌入到控制系统中减少了很多连接环节，系统可靠稳定，具有良好的电磁兼容、抗串扰能力设计。

③操作简单系统采用中文菜单，人性化界面；参数界面带有中文提示，中文报警提示，操作面板按键中文标识，使其操作更加简单、方便等。

(3)系统性能1)控制轴数：系统最多可控制4个轴(含主轴)。2)联动轴数：系统联动。轴数：2～4轴。3)主轴控制：可连接主轴伺服、变频器。4)显示部

件：彩色LCD显示。5)键盘：微机兼容防水键盘(字母、数字)。6)手轮/手持

盒：一个与手持器共用的手轮接口和8个输入点的手持盒(选件)。7)输入、输出

控制：20路输入点、11路输出点(标准配置)。最大32路输入点、最大24路输出

点(选件)。8)存储器控制：14MB(标配)；最大可选配：256MB。9)通信：RS-

232通信最高速度115 200 bit/s。10)DNC功能。11)小线段加工速度可达

2m/min。

三、国内外数控系统比较

目前国内数控系统总体相对国外数控系统还有相当大的差距，在数控系统市场上有更明显的差距，国内数控系统多存在于中低端市场，高档数控系统完全被国外公司垄断。

国内数控系统现在渐渐向开放型数控系统发展，而国外系统由于其对国内的技术封锁加上目前几家大型传统数控公司并未推行开放式数控，由此，国内数控系统的优势将逐渐体现。

在当前市场的竞争中，国内数控系统在性能上并不落后很多，例如国内领先地位的华中数控系统，就其系统功能与SIMENSE和FANUC在中国广泛使用的系统相比毫不逊色，且在价格上国内有着一贯的优势，但是在系统的稳定性、可靠性上有一定的差距，这也是国内厂家不敢使用国内数控系统的主要原因。

在部分数控技术上，国内数控也有着一定的技术领先，例如华中数控系统的SDI算法在PC上实现了复杂曲面直接插补。而国外目前还只有三轴的类似研究，且需高速硬件支持。如苏黎世大学使用小型机和高速浮点阵列；日本铃木裕使用PC+15个Transputer 处理器；三菱公司认为需要2000个68020＋68881 。而华中I型已经实现了SDI算法，并成功地运用于3轴、4轴、5轴联动加工。所以，由机械部组织的专家鉴定会认为该技术“属国际首创”，“具有当前国际先进水平”。

随着今年国内数控系统在系统难点上的突破，国内数控系统越来越多地被人们认识认可，我们需要保持现有的动力，将现在数控系统发展环境的恶性循环转变为良性循环。

数控系统的发展不仅仅是数控系统厂家自行改进就能达到目的的，同时还需要对我国数控机床工业进行问题的寻找与解决。

以下是亟待加强或需要解决的共性问题：

1 深化数控机床基础理论研究；

2 提升数控机床自主研究开发和创新设计能力；

3 大力提高数控机床的可靠性；

4 掌握典型应用行业的加工工艺。

四、结论

从以上分析，我们看到了数控系统向OG化和开放式，交流、数字化，强化通信，网络化，控制性能智能化方向发展的趋势。

也从国内外的数控系统性能及应用对比中看到了国内外数控系统的优劣及当前国内数控市场的发展情况。

通过对比，我们看到了国内数控产业因改善的方向，特别是稳定性方面，必须赶上国外先进数控系统的脚步，这样才能以更优的价格占据我国的数控市场。

参考文献

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[4]刘强. 国产数控机床及其关键技术发展现状及展望, 航空制造技术.2010年第10期