哈工大数控技术大作业发展过程发展趋势国内外发展现状数控系统

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
数控技术大作业
题目：
院系：机械制造及其自动化
班级：XXXXX
姓名：XX
学号：XXXXXXXXX
©哈尔滨工业大学
目录
摘要： (3)
引言 (3)
一、数控系统的发展过程和趋势 (3)
(一）数控系统的发展简史 (3)
（二）数控系统发展趋势 (4)
二、国外和国内数控系统功能介绍与应用分析 (6)
(一）、FANUC的新一代NGC系列数控系统 (6)
（二）、三菱数控系统C70 (7)
（三）、凯恩帝K1000MII (8)
(四）、华中数控HNC-19XP-M数控装置 (8)
（五）、南京华兴数控WA730M—5 (9)
三、国内数控系统与国外知名数控系统比较 (10)
(一）、中高档、中低档数控系统的综合比较 (10)
(二)、高档数控系统国内外综合比较 (10)
(三)、国内外数控系统的比较与差距 (11)
参考文献 (11)
调研报告——数控系统的国内外发展及应用现状
机电工程学院：XXX 学号：XXXXXXXX
摘要：数控系统是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵的关键零件、要求精密复制的零件。

数控系统的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。

关键词:数控系统,发展趋势，国内外对比，知名系统
引言
从数控系统出现以来，给制造业带来了革命性的变化。

数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高,生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高.
数控系统是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控系统为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：（1)机械制造技术；(2）信息处理、加工、传输技术；（3)自动控制技术；（4)伺服驱动技术；(5）传感器技术；(6)软件技术等.
一、数控系统的发展过程和趋势
制造业是生产物质财富的产业，机床是制造业的主要生产设备,制造业中的绝大多数零件都直接或间接地经过机床加工，固此机床(也称工作母机)是制造业的基础。

数控系统的出现极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。

对于整个制造业来说．由于数控系统的大量使用,使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短。

目前数控系统已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。

(一)数控系统的发展简史
数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的，其过程大致如下：
1948年,美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。

由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应,于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。

1949年，该公司与美国麻省理工学院(MIT）开始共同研究，并于1952年试制成功第一
台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。

1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床,称为加工中心（ MC Machining Center)，使数控装置进入了第二代。

1965年，出现了第三代的集成电路数控装置,不仅体积小,功率消耗少,且可靠性提高，价格进一步下降,促进了数控机床品种和产量的发展。

60年代末,先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称 DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称 CNC），使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代.
1974年,研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称 MNC）,这是第五代数控系统。

20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化,可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高,具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。

20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现智能化，网络化制造.
(二)数控系统发展趋势
1．体系开放化发展
计算机技术的飞速发展，推动数控系统更快地更新换代。

开放式体系结构使数控系统有
更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易地实现智能化、网络化。

1）向未来技术开放:软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，
新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容。

2）向用户特殊要求开放:更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊
应用要求;
3)数控标准的建立:标准化的编程语言，既方便用户使用,又降低了和操作效率直接有关
的劳动消耗。

2.高速化
随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用,对数控机床加工的高速化要求越来越高。

1）主轴转速:机床采用电主轴(内装式主轴电机)，主轴最高转速达200000r/min；
2）进给率：分辨率为0.01µm时，最大进给率达到240m/min可获得复杂型面的精确加工;
3）运算速度： CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到上千兆赫.使得当
分辨率为0。

1µm、0。

01µm时仍能获得高达24~240m/min的进给速度；
4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0。

5s.
3.高精度化
数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度,机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。

提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置,提高位置检测精度（日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0。

01µm/脉冲),位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；
采用误差补偿技术:采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿.研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%~80％；
采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度,以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定,能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。

4.功能复合化
复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。

根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类.缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。

国内外的多轴加工机床(包括双主轴、双刀架、9轴控制等)以及可实现4～5轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。

5.控制智能化
随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。

具体体现在以下几个方面：
1)加工过程自适应控制技术
2）加工参数的智能优化与选择
3)智能故障自诊断与自修复技术智能故障回放和故障仿真技术
4）智能化交流伺服驱动装置
6．驱动并联化
并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷。

并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“21世纪新一代数控加工设备"。

7．极端化(大型化和微型化)
国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。

而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工(车、铣、磨）机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。

8．信息交互网络化
使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故障的远程诊断、维护等)。

9.多轴联动化方向发展
在加工自由曲面时，而五轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单,并且能使球头铣刀在铣削三维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显著改善加工表面的粗糙度，多轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。

二、国外和国内数控系统功能介绍与应用分析
（一）、FANUC的新一代NGC系列数控系统
1。

FANUC新一代UGC的3个系列
a）.0i系列：高可靠性和高性能价格比的CNC，该系列包括FS0i/0i Mate-MODEL C;
b）.16i系列：适合于高速、高精、纳米CNC，该系列包括FS16i/18i/21i-MODEL B；
c）.30i系列：适于先进、复合、多轴、多通道、纳米CNC，该系列包括 FS30i/31i/32i — MODEL A。

2．这些系列的数控系统主要特点为：
(a）. 可以满足从低端到高端的需要
从一般的车床、铣床、加工中心、磨床到功能齐全的复杂、先进的复合、高精、高速和高效、多轴联动、多工位、多通道数控机床等，都能满足,也可以适应从金切机床到冲压成形机床的不同品种的需要。

(b）。

采用最新的硬件技术
NGC的30i系列采用了最新的超高速微处理器。

另外，除了在液晶显示器的下面配备的横排软键外，还在液晶显示器的旁边新设了竖排软键。

利用横竖两排软键,可方便地进行屏幕操作.
(c)。

多轴、多通道的数控系统
NGC系列新开发的16i系列，轴数有了明显的增加,表2是16i系列的轴数，其中括弧内
为旧16i系列的轴数据。

(d）。

具有丰富的高精、高速功能
i。

纳米插补：纳米插补产生以纳米为单位的指令给数字伺服控制器，使数字伺服控制器的位置指令平滑，因而也就提高了加工表面的平滑性。

ii。

AI纳米轮廓控制功能
iii. AI纳米高精度控制
iv. 加速度控制:这个功能可以提高加工表面的质量，减少加工时间。

v。

NURBS插补：NURBS是一种自由曲线；当采用CAD设计模具时，NURBS被广泛地用来表示自由曲线
vi。

纳米平滑：在模具加工中,可以再现由CAD设计的自由曲面,实现“无研磨"平滑.由于纳米插补使用由CAD/CAM系统创建的微小的线段程序，因此可以继续使用过去已用惯的程序。

3。

NGC系列5轴加工主要功能:
（a).用于5轴加工的刀具中心点位置控制
(b）.倾斜面加工命令
(c).用于5轴加工的手动进刀
4。

其他特性
(a）。

高速、大容量、多通道的PMC
30i系列由专用的处理器和最新的专用LSI组成的PMC，对大量的顺序控制进行高速处理.可以在一台PMC上执行最多3个通道、各自独立的梯形程序。

（b）。

伺服HRV(High Response Vector）控制
FANUC的伺服HRV控制是实现纳米CNC系统的高速、高精度的伺服控制。

目前已发展和实现了HRV4控制.采用HRV4控制,可以大幅提高对命令的响应性和抑制外部干扰。

电流的控制是所有伺服控制的基础，HRV4可实现最高超过1kHz的高频响应特性。

它还可以实现增益更高的速度控制.
(c)。

丰富的网络功能
利用丰富的网络功能和软件,通过网络传递和共亨信息，管理系统和使用系统。

在构建复杂的多路径系统中,实现优良的可视性和操作性.
(二）、三菱数控系统C70
三菱数控系统C70系列：
1。

满足生产线（汽车发动机等）部品加工要求,提高了可靠性，缩短了故障时间
2。

一块基板上同时最大可连接2个NC控制器
3。

强化了数控功能（单个NC控制器内支持最大系统数7，最大支持6主轴）
4。

标准采用彩色触摸屏显示器,可用GT Designer自定义操作界面
5。

PC平台伺服自动调整软件MS Configurator，简化伺服优化手段
6。

全面采用高速光纤通信，提升数据传输速率和可靠性
（三）、凯恩帝K1000MII
K1000MII是新一代高端数控钻、铣床及加工中心系统，采用32位高性能处理器及8.4英寸彩色液晶显示器,开放式PLC，全新结构设计，最大控制轴数为3轴，同时控制轴数为3轴,可配KND公司或日本进口交流伺服驱动单元，适用于各种数控钻、铣床及加工中心。

(a).采用32位高速微处理器实现高速、高精度控制，最高速度30米/分。

（b).屏幕分辨率为640×480的彩色（TFT)7。

5英
寸或8.4英寸彩色液晶显示器。

（c).主板采用六层线路板,表贴元件，定制式FPGA ，
整机工艺结构合理，抗干扰能力强，可靠性高.
(d）。

开放式PLC，提供调试软件，满足机床厂家的
二次开发要求。

(e）.机床面板有标准贴膜按键和按钮键两种选择，
凯恩帝K1000MII
按钮键机床面板上有50个按键和50个指示灯，它们的功
能用户可自定义。

（f）。

通过CAN总线接口可扩展数字接口和模拟接口，选配远程I/O模块可将数字接口可扩展512/512点。

(g).中英文操作界面，完整的帮助信息，操作更方便。

（h）。

完善的自诊断功能，内部、外部状态实时显示，出现异常立即报警。

（i）.超强程序指令处理能力，达到10000条/18秒,可实现高速小线段加工。

(j）.高速DNC加工，传输速率达到115200BPS同时配有大容量程序缓存。

(k).系统内置640K程序空间，可通过U盘接口扩展程序空间，并可实现U盘DNC加工。

(l).丰富的软件控制功能：宏程序B、刚性攻丝、局部坐标系、机床坐标系、坐标系旋转、极坐标、比例缩放等。

（四）、华中数控HNC—19XP—M数控装置
世纪星"HNC—19xp系列数控单元采用先进的开放式
体系结构,内置嵌入式工业PC，配置5。

7//（18i/18xp
系列）/彩色（19xp系列）液晶显示屏和通用工程面板,
集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC
接口于一体，采用电子盘程序存储方式以及CF卡、DNC、以太网等程序交换功能、具有低价格、高性能、结构紧凑、易于使用、可靠性高等特点。

（a）。

最大联动轴数为3轴。

（b).可选配各种类型的脉冲指令式驱动单元。

（c)。

除标准机床控制面板外，配置32路开关量输入和24路开关量输出接口、手持单元接口、主轴控制与编码器接口。

（d）。

采用5。

7//单色或彩色液晶显示器（分辨率为320×240)
(e）。

全汉字操作界面、故障诊断与报警、加工轨迹图形显示和仿真，操作简便，易于掌握和使用。

（f)。

采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容,具有直线插补、圆弧插补、螺旋线插补、固定循环、旋转、缩放、镜像、刀具补偿、宏程序等功能。

（g).小线段连续加工功能，特别适合于CAD/CAM设计的复杂模具零件加工。

(h)。

加工断点保存/恢复功能，方便用户使用。

(i). 反向间隙和单、双向螺距误差补偿功能。

（j）。

内置RS232通讯接口，轻松实现机床数据通讯。

(k). 支持USB盘，存取程序方便快捷。

（l)。

支持以太网功能选择，快速传输程序与数据.
（m）。

400KB用户零件程序断电存储区（可采用CF卡扩充),32MB RAM加工内存缓冲区。

（五）、南京华兴数控WA730M—5
WA730M-5是南京华兴数控技术有限公司集十多年数控系统开发经验，在原有多代成熟产品的基础上,推出的新一代高性能水刀数控加工中心。

系统采用超大规模可编程逻辑电路方案,具有更高的加工控制品质和系统升级空间.系统可控制数字式交流伺服驱动器及三相细分步进驱动器；系统的电子齿轮功能使得系统可与任意螺距丝杠直联；螺距补偿功能使机床的精度检验大为简化;显示采用10.4″液晶屏彩色显示，具有加工零件图形实时跟踪显示以及坐标字符显示的功能,界面设计更为丰富人性化；图形模拟功能更为强大，具有三维立体模拟和二维平面模拟显示的功能。

系统结构采用整体式工程塑料压模件，造型美观;便捷的双U盘接口,可实现U盘与系统间的程序互存，以及系统在现场升级功能。

（a）.控制轴数：5轴
（b）。

最大联动轴数：3轴
(c).最小指令单位： 0。

001MM
（d）.最大编程尺寸: ±99999.999
（e)。

最快速度 :60M/MIN
(f）.进给速度：15M/MIN
（h）.程序容量/个数： 8M/600
(i)。

彩色TFT液晶屏分辨率：800x600，10。

4吋TFT液晶屏
（j).输入信号： 56路开关量，光电隔离，其中机床零信号为中断方式接入，快速响应，手轮接口2路，X1，X10， X100倍率，1路面板配置,1路标准外接手脉
三、国内数控系统与国外知名数控系统比较
（一）、中高档、中低档数控系统的综合比较
1. 广州数控GSK21M数控系统
系统具有4轴3联动控制功能，可扩展至7轴4联动控制；支持直线、圆弧、样条曲线插补；最快进给速度可达60m/min;系统具有256点输入输出点;，支持梯形图编程；具有99组刀具长度补偿和刀具半径补偿；直线坐标轴具有反向间隙及螺距误差补偿;系统支持刚性攻丝;系统采用4级密码控制系统操作权限;采用电子盘，用户程序容量可达32MB；系统可通过RS232接口实现与PC机通信，用于传输程序、参数和梯形图.支持U盘存储。

2. 凯恩帝K1000M/T II系列数控系统
系统具有4轴4联动控制功能;数字量输入输出点数可达40/24个，支持梯形图编程；数控系统NC代码处理速度可达10000/18s，最快进给速度可达24m/min；系统具有直线插补、圆弧插补、螺旋线插补等基本插补控制功能；具有刀具半径补偿、刀具长度补偿;具有反向间隙和螺距误差补偿；系统支持刚性攻丝；系统采用4级密码控制系统操作权限;采用电子盘，用户程序容量可达640KB；系统可通过RS232接口实现与PC机通信传输程序、参数和偏置。

支持U盘存储。

3.日本FANUC公司Fanuc—0i MB/TB系列数控系统
系统具有4轴4联动控制功能;具有4路D/A模拟量伺服闭环控制接口;数字量输入输出点数可达96/64；分辨率1μm时进给速度可达240m/min，分辨率为0.1μm时进给速度可达100m/min；系统具有直线、圆弧、螺旋线插补功能，支持刚性攻丝；数控系统具有刀具半径补偿、刀具长度补偿，且几何误差、磨损误差可以分别补偿;数控系统支持反向间隙补偿、螺距误差补偿；PMC指令处理速度可达3。

3ms/1000步，采用梯形图编程，最大存储容量可达4000步；系统支持密码控制系统操作权限;支持CF卡存储设备，支持以太网通信，用户NC 程序存储容量可达256KB，可登记的程序数量为200个。

4．西门子数控系统
西门子数控系统功能极为丰富，例如5个数字驱动轴，其中任意4个都可以作为联动轴进行插补运算,另一个作为定位轴使用，同时，还提供一个相应的数字式主轴(模拟主轴即将推出）作为一个变型使用，在带C 轴功能时,可以采用3个数字轴,一个数字主轴,一个数字辅助主轴和一个数字定位轴的配置.
（二）、高档数控系统国内外综合比较
1。

大连光洋GTP8000E系列高档数控系统
GTP8000E系统支持多达6个通道最多32个轴，每个通道可支持五轴联动控制；具有直线、圆弧、螺旋线、二维样条极坐标和圆柱坐标等插补功能；具有切线圆弧插补、三次样条规划、平滑过渡速度等控制方式；系统提供128组刀具长度、刀具半径、刀尖半径补偿值，且几何误差和磨损量可分别补偿；系统采用工业PC平台，NC代码存储容量可达40GB以上
2.华中数控高性能数控系统
除具有世纪星系列数控系统的基本功能外,还支持4个通道、16轴控制功能。

3.Fanuc-16i高档数控系统
该系统最多支持3个通道，20个轴控制功能；系统具有直线插补、圆弧插补、指数插补、圆柱插补、极坐标插补、螺旋线插补、光顺插补、虚拟轴插补、圆锥/螺旋插补、渐开线插补等插补功能； PMC用户程序存储容量可达2MB；PMC输入输出点数最多2048/2048点。

4.Sinumerik840D高档数控系统
该系统最多支持12个通道、31个轴控制功能；系统具有直线插补、圆弧插补、NURBS插补、螺旋线插补、多维样条插补、多项式插补、主数值耦合及曲线表插补、渐开线插补等插补功能；系统具有刀具长度、刀具半径及磨损量、间隙、螺距误差、测量系统误差等补偿功能； PLC的存储容量可达48KB；系统采用模块化I/O，每个模块输入输出点可达72/48。

(三）、国内外数控系统的比较与差距
最近几年，普及型、中、高档数控系统的国产市场完全被外国公司垄断，国外一些知名厂家采用技术封锁扼杀中国的数控民族工业。

但随着时间的迁移，国内用户已逐渐领略到使用国外系统的弊端:1）.不能及时维修及高昂的维修费用;2)。

不便于系统的更新；难于进行二次开发；3)。

国外系统难于作二次开发，国外厂家技术封锁不满足系统的开放性；4).在低端市场，价格较国内的昂贵,性价比低。

由于国内数控系统具有：1)。

性能价格比高，2）.系统维护方便，3）。

语言更加贴近使用习惯，4）。

系统配套能力强,5）.系统开放性好，6）。

便于用户二次开发和集成等许多优点.
综上所述,我国的数控系统与国外有一定的差距，但是正不断减少。

一些国内的数控厂商，如广州数控、凯恩帝、华中数控，正在积极发展自己的核心技术,希望早日进入数控系统的领先行业。

作为国内制造业中最重要的组成部分，我们要共同努力,积极发展数控系统，为制造业尽自己的一份力量.
参考文献
[1] 中国机床工具工业协会数控系统分会。

CIMT2001巡礼［J］。

世界制造技术与装备市场。

[2]王立新. 浅谈数控技术的发展趋势［J]. 赤峰学院学报。

2007。

[3] 陈芳. 数控技术的发展和途径［J］。

科技资讯. 2008。

. 11 .。