3.数控机床前沿技术介绍解读
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数控机床前沿技术介绍
杜家熙
目
1 2
录
数控机床的发展历程
数控机床的发展趋势
3
我国数控机床的发展现状
4
结束语
一、数控机床的发展历程
数控机床(Numerical Control Machine Tools)是用数字代码形 式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和 轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 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。
（2）进给率：最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确 加工； （3）加速度：1g~2g （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。国内最高的在0.7s，
数控系统微处理器运算速度快速提高，功能不断完善、 可靠性进一步提高，监控、检测、换刀、外围设备得到了应用
发展应用阶段（1980-1989年）
先后经历电子管、晶体管、小集成电路、 大规模集成电路、小型计算机 ，微处理器等
起动阶段（1952-1979年）
二、数控机床的发展趋势
体系开放化 绿色化 8
1
系统软件化
一、数控机床的发展历程
1965 1959
小 型 集 成 电 路
1952
晶体管
数控机床
电子管
1源自文库70
小型计算机
1974 1990
微型计算机 PC+CNC
一、数控机床的发展历程
4 3 2 1
智能化、网络化、敏捷制造、虚拟制造
更高水平发展（2000-2012年）
柔性单元、柔性系统、自动化工厂开始应用
产业化成熟阶段（1990-1999年）
2
多轴加工
7
发展趋势
3
控制智能化
6 功能复合化 5 高精高速高效
4 信息网络化
2.1 体系开放化
（1）行业标准化。 （2）功能部件的通用化。
2.2 控制软件化
现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型， 分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进 行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发 展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。 1.传统数控系统：如FANUC 0系统、MITSUBISHI M50系统、 SINUMERIK 810M/T/G系统等。这是一种专用的封闭体系结构的 数控系统。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但 由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统已经淘汰。 2. “PC嵌入NC”结构的开放式数控系统：如FANUC31i、30i系 统、SINUMERIK 840D系统。这是一些数控系统制造商将多年来 积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的 产品。它具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数 控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功 能强大，价格昂贵。
2.2 控制软件化
4.SOFT型开放式数控系统：是一种最新开放体系结构的 数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软 件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和 外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各 种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在 WINDOWS NT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的 各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控 系统相比，SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比， 因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为 当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国MDSI公 司的Open CNC、fidia公司的C10、C20等。
国产数控系统平均无故障时间仅为10000
2.3 高可靠度
国外整机平均无故障工作时间达1000小时以上， 而国内最高只有600小时。
2.4 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；
一、数控机床的发展历程
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。
2.2 控制软件化
3.“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统：它由开放体系结构运 动控制卡和PC机共同构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为 CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控 系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下 自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广 泛应用于制造业自动化控制各个领域。 如美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC 数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC 64构造 的MAZATROL 640 CNC等。
杜家熙
目
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录
数控机床的发展历程
数控机床的发展趋势
3
我国数控机床的发展现状
4
结束语
一、数控机床的发展历程
数控机床(Numerical Control Machine Tools)是用数字代码形 式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和 轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 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。
（2）进给率：最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确 加工； （3）加速度：1g~2g （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。国内最高的在0.7s，
数控系统微处理器运算速度快速提高，功能不断完善、 可靠性进一步提高，监控、检测、换刀、外围设备得到了应用
发展应用阶段（1980-1989年）
先后经历电子管、晶体管、小集成电路、 大规模集成电路、小型计算机 ，微处理器等
起动阶段（1952-1979年）
二、数控机床的发展趋势
体系开放化 绿色化 8
1
系统软件化
一、数控机床的发展历程
1965 1959
小 型 集 成 电 路
1952
晶体管
数控机床
电子管
1源自文库70
小型计算机
1974 1990
微型计算机 PC+CNC
一、数控机床的发展历程
4 3 2 1
智能化、网络化、敏捷制造、虚拟制造
更高水平发展（2000-2012年）
柔性单元、柔性系统、自动化工厂开始应用
产业化成熟阶段（1990-1999年）
2
多轴加工
7
发展趋势
3
控制智能化
6 功能复合化 5 高精高速高效
4 信息网络化
2.1 体系开放化
（1）行业标准化。 （2）功能部件的通用化。
2.2 控制软件化
现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型， 分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进 行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发 展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。 1.传统数控系统：如FANUC 0系统、MITSUBISHI M50系统、 SINUMERIK 810M/T/G系统等。这是一种专用的封闭体系结构的 数控系统。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但 由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统已经淘汰。 2. “PC嵌入NC”结构的开放式数控系统：如FANUC31i、30i系 统、SINUMERIK 840D系统。这是一些数控系统制造商将多年来 积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的 产品。它具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数 控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功 能强大，价格昂贵。
2.2 控制软件化
4.SOFT型开放式数控系统：是一种最新开放体系结构的 数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软 件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和 外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各 种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在 WINDOWS NT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的 各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控 系统相比，SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比， 因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为 当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国MDSI公 司的Open CNC、fidia公司的C10、C20等。
国产数控系统平均无故障时间仅为10000
2.3 高可靠度
国外整机平均无故障工作时间达1000小时以上， 而国内最高只有600小时。
2.4 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；
一、数控机床的发展历程
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。
2.2 控制软件化
3.“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统：它由开放体系结构运 动控制卡和PC机共同构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为 CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控 系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下 自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广 泛应用于制造业自动化控制各个领域。 如美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC 数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC 64构造 的MAZATROL 640 CNC等。