数控系统的国内外发展及应用现状教学教材.docx

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数控系统的国内外发展及应用现状教学教材

数控系统的国内外发展及应用现状

数控技术课大作业

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数控系统的国内外发展及应用现状

第1章序言

第2章数控系统的发展过程和趋势

2.1数控系统的发展过程

2.2数控系统的发展趋势

第3章国外和国内数控系统功能介绍与应用分析

3.1国外数控系统功能介绍与应用分析

3.1.1西门子SINUMERIK840D

3.1.2FANUC数控系统6

3.2国内数控系统功能介绍与应用分析

3.2.1华中“世纪星”数控系统

3.2.2广州数控GSK27全数字总线式高档数控系统

第4章国内外数控系统比较及差距分析

4.1国内外数控系统比较

4.1.1西门子公司数控系统（SIEMENS）的产品特点

4.1.2FANUC公司数控系统的产品特点

4.2我国数控系统与国外数控系统的差距

参考文献

第一章序言

数控即数字控制（NumericalControl，NC）。

数控技术是指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术。

数控机床，简单的说，就是采用了数控技术的机床。

即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。

因此，数控机床就是一种具有数控系统的自动化机床。

它是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。

第二章数控系统的发展过程和趋势

2．1数控系统的发展过程

1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。

六年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上。

在美国诞生了第一台数控机床。

从此，传统机床产生了质的变化。

近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。

1.数控（NC）阶段

（1952-1970年）早期计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。

人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控（NC）。

随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年第一代——电子管;1959年第二代——晶体管;1965年第三代——小规模集成电路。

2.计算机数控

（CNC）阶段（1970——现在）到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。

其运算速度比五、六十年代有了大幅度的提高，这比专门"搭"成的专用计算机成本低、可靠性高。

于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的"通用"两个字省略了）。

到1971年美国lintel公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件——运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处器，又可称中央处理单元（简称CPU）。

到1974年微处理器被应用于数控系统。

由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为仿计算机数控。

到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。

数控系统从此进入了基于PC的阶段。

总之，计算机数控阶段也经历了三代。

即1970年第四代——小型计算机；1974年第五代——微处理器和1990年第六代——基于PC的阶段（国外称为PC-BASED）。

必须指出，数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，只是发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低，价格极为昂贵，应用很不方便等极为关键的问题。

因此，即使在工业发达国家，数控机床大规模地得到应用和普及，是在七十年代未八十年代初以后的事情，也即数控技术经过近三十年的发展才走向普及应用的。

还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习称数控（NC）。

所以我们日常讲的"数控"实质上已是指"计算机数控"了。

2.2数控系统的发展趋势

从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了五十多年的历程。

近10年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。

总体上讲，目前世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：

1向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展。

2向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展。

3向PC—based化和开放性方向发展。

4出现新一代数控加工工艺与装备，机械加工向虚拟制造的方向发展。

5信息技术（IT）与机床的结合，机电一体化先进机床将得到发展。

6纳米技术将形成新发展潮流，并将有新的突破。

7节能环保机床将加速发展，占领广大市场。

第三章国外和国内数控系统功能介绍与应用分析

3.1国外数控系统功能介绍与应用分析

3.1.1西门子SINUMERIK840D

SINUMERIK840D是西门子公司20世纪90年代推出的高性能数控系统。

它保持西门子前两代系统SINuMERIK880和840C的三CPU结构：

人机通信CPU（MMC-CPU）、数字控制CPU（NC-CPU）和可编程逻辑控制器CPU（PLC-CPU）。

三部分在功能上既相互分工，又互为支持。

在物理结构上，NC-CPU和PLC-CPU合为一体，合成在NCU（NumericalControlUnit）中，但在逻辑功能上相互独立。

SINUMERIK840D的特点主要包括：

（1）数字化驱动。

在SINUMERIK840D中，数控和驱动的接口信号是数字量，通过驱动总线接口，挂接各轴驱动模块。

（2）轴控规模大。

最多可以配31个轴，其中可配10个主轴。

（3）可以实现五轴联动。

SINUMERIK840D可以实现X、Y、Z、A、B五轴的联动加工，任何三维空间曲面都能加工。

（4）操作系统视窗化.SINUMERIK840D采用Windows95作为操作平台，使操作简单、灵活，易掌握。

（5）软件内容丰富功能强大。

SINUMERIK840D可以实现加工（Machine）、参数设置（Parameter）、服务（Services）、诊断（Diagnosis）及安装启动（Start—up）等几大软件功能。

（6）具有远程诊断功能。

如现场用PC适配器、MODEM卡，通过电话线实现SINUMERIK840D与异域PC机通信，完成修改PLC程序和监控机床状态等远程诊断功能。

（7）保护功能健全。

SINUMERIK840D系统软件分为西门子服务级、机床制造厂家级、最终用户级等7个软件保护等级，使系统更加安全可靠。

（8）硬件高度集成化。

SINUMERIK840D数控系统采用了大量超大规模集成电路，提高了硬件系统的可靠性。

（9）模块化设计。

SINUMERIK840D的软硬件系统根据功能和作用划分为不同的功能模块，使系统连接更加简单。

（10）内装大容量的PLC系统。

SINUMERIK840D数控系统内装PLC最大可以配2048输入和2048输出，而且采用了Profibus现场总线和MPI多点接口通信协议，大大减少了现场布线。

（11）PC化。

SINUMERIK840D数控系统是一个基于PC的数控系统。

3.1.2FANUC数控系统6

FANUC数控系统6，是具备一般功能和部分高级功能的中级型CNC系统，分成6M与6T两个品种，它们的硬件部分是通用的，只变更其部分软件来获得不同功能，6T适用于车床，6M适用于铣床和加工中心。

FANUC数控系统6的特点主要包括：

（1）可靠性高。

由于使用了大容量磁泡存储器、大规模专用集成电路和高速微处理器，而且在制造过程中采用严格筛选，使用自动检测器进行自动检测以及环境试验等措施，大大提高了电路的可靠性。

为了提高动作的可靠性，该系统还备有数据奇偶校验、程序对比校验和时序校验等校验功能。

（2）适用于高精度、高效率加工，最小脉冲当量为1μm或0.001in，具有提高加工精度的间隙补偿和丝杠螺距误差补偿功能；还有自动监视和自动补偿伺服系统漂移的功能；有自动监视误差寄存器的静态误差与动态误差的功能；备有高效率的随机选择自动换刀机构和纯电气式的主轴快速定向控制系统；有控制主轴电动机转速、确保切削速度不变的恒速切削控制；还有为缩短加工时间的许多固定循环。

（3）容易编程。

备有由用户自己制作特有变量型子程序的用户宏功能；有不必预先计算就能够直接指定刀尖设定点的刀尖半径补偿功能；能用图样标记半径值直接指令的圆弧补偿；还有便于某些交换工作台机械编程的返回第2参考点功能，只需指定精加工尺寸就可以自动进行粗切削、精切削的复合型固定循环。

（4）容易维护保养，现场调试方便。

能够使用微处理器进行CNC系统内部监视，能判断160种（6M）或130种（6T）停车故障；确认CNC系统的所有输入/输出开关信号的显示值或输出值，能发现数控柜和机床强电柜的故障；间隙补偿量、螺距误差补偿量、伺服系统时间常数等参数可简单地用MDI输入设定。

（5）操作性好，使用安全。

大容量磁泡存储器，具有最大320m控制带的存储、编辑功能，用程序号检索可以调出所需程序进行加工，具有相当于DNC的功能；使用CRT显示器能确认程序内容、偏移量的设定与变更和各种动作的状态，加上手动操作，大大提高了操作性能；使用带小数点的数字表示尺寸或位置可以防止眼误；具备便于工程管理、刀具寿命管理的累计使用时间显示功能等；为了保护所存入的程序，使用带“锁”的键输入；为防止刀具与工件冲撞，使用了存储式限位开关，设置刀具禁入区域。

3.2国内数控系统功能介绍与应用分析

3.2.1华中“世纪星”数控系统

1“世纪星”系统配置主要特点如下：

1）基于工业PC的数控系统，先进的开放式体系结构。

可与数控车、数控铣、加工中心、车铣复合等机床配套。

2）“世纪星”系统有普及型（HNC-21）和功能型（HNC-22）两个系列，可配4个进给轴，最大联动轴数为4轴（可扩展到6轴控制和联动）。

进给轴控制接口类型有脉冲、模拟、串口等多种类型，可连接多种伺服电机和步进电机。

既可用作半闭环、闭环控制，也可用作开环控制。

3）系统配置7.7英寸彩色液晶显示器（分辨率640×480象素），也可配10.4英寸TFT彩色液晶显示器（分辨率640×480象素），画面美观、清晰、直观。

4）可选配电子盘、硬盘、软驱、网络等存储器，极大地方便用户的程序输入。

用户程序可断电储存容量达16MB。

程序存储个数无限制,直至存储器写满。

5）标准配置40路输入和32路输出，不需扩展即可满足大部分车、铣和加工中心的控制要求，并可根据需要扩展到128路输入和128路输出。

6）面板包含标准车、铣床操作按钮和状态指示灯，使用户操作直观明了。

显示屏亮度具有手动和自动调节功能。

7）DNC接口通讯功能，DNC最大速度115.2KB/S；可选配局域网（以太网）连接功能，可实现数控机床联网，以太网速度可达10-100MB/S。

2“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。

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）提供标准的PLC图形显示和设置，方便用户的查看和修改。

17）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。

3.2.2广州数控GSK27全数字总线式高档数控系统

GSK27系统是广州数控承担国家高档数控装置开发重大专项项目的结晶，是广数依托自己的成熟的数控研发技术、工业现场总线技术、制造技术等的最新成果。

系统采用多处理器实现nm级控制；人性化人机交互界面，菜单可配置，根据人体工程学设计，更符合操作人员的加工习惯；采用开放式软件平台，可以轻松与第三方软件连接；高性能硬件支持最大8通道，64轴控制。

GSK27全数字总线式高档数控系统主要特点包括：

（1）开放式数控系统平台，对第三方软件有很好的支持；

（2）多通道、多轴联动控制；

（3）采用高性能处理器实现纳米级控制；

（4）支持各种常用编程软件的刀具路径程序；

（5）电子手轮可手动控制各进给轴；

（6）具有三维刀具补偿；

（7）具有旋转刀具中心点编程；

（8）具有远程诊断技术；具有三维仿真技术。

第四章国内外数控系统比较及差距分析

4.1国内外数控系统比较

4.1.1西门子公司数控系统（SIEMENS）的产品特点：

SIEMENS公司的数控装置采用模块化结构设计，经济性好，在一种标准硬件上，配置多种软件，使它具有多种工艺类型，满足各种机床的需要，并成为系列产品。

随着微电子技术的发展，越来越多地采用大规模集成电路（LSI），表面安装器件（SMC）及应用先进加工工艺，所以新的系统结构更为紧凑，性能更强，价格更低。

采用SIMATICS系列可编程控制器或集成式可编程控制器，用SYEP编程语言，具有丰富的人机对话功能，具有多种语言的显示。

SIEMENS公司CNC装置主要有SINUMERIK3／8／810／820／850／880／805／802／840系列。

4.1.2FANUC公司数控系统的产品特点：

（1）结构上长期采用大板结构，但在新的产品中已采用模块化结构。

（2）采用专用LSI，以提高集成度、可靠性，减小体积和降低成本。

（3）产品应用范围广。

每一CNC装置上可配多种上控制软件，适用于多种机床。

（4）不断采用新工艺、新技术。

如表面安装技术SMT、多层印制电路板、光导纤维电缆等。

（5）CNC装置体积减小，采用面板装配式、内装式PMC（可编程机床控制器）。

（6）在插补、加减速成、补偿、自动编程、图形显示、通信、控制和诊断方面不断增加新的功能：

插补功能：

除直线、圆弧、螺旋线插补外，还有假想轴插补、极其坐标插补、圆锥面插补、指数函数插补、样条插补等。

切削进给的自动加减速功能：

除插补后直线加减速，还插补前加减速。

补偿功能：

除螺距误差补偿、丝杠反向间隙补偿之外，还有坡度补偿线性度补偿以及各新的刀具补偿功能。

故障诊断功能：

采用人工智能，系统具有推理软件，以知识库为根据查找故障原因。

（7）CNC装置面向用户开放的功能。

以用户特订宏程序、MMC等功能来实现。

（8）支持多种语言显示。

如日、英、德、汉、意、法、荷、西班牙、瑞典、挪威、丹麦语等。

（9）备有多种外设。

如FANUCPPR，FANUCFACard，FANUCFLOPYCASSETE，FANUCPROGRAMFILEMate等。

（10）已推出MAP（制造自动化协议）接口，使CNC通过该接口实现与上一级计算机通信。

（11）现已形成多种版本。

FANUC系统早期有3系列系统及6系列系统，现有0系列、10/11/12系列、15、16、18、21系列等，而应用最广的是FANUC0系列系统。

4.2我国数控系统与国外数控系统的差距

国内外数控系统总体来说差距还是有。

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和低价倾销的双重策略，利用其先进的技术和产品以及灵活多样的促销手段抢占中国市场，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：

不能及时维修及高昂的维修费用；不便于系统的更新；难于进行二次开发；由于国外厂家技术封锁，国外系统难于作二次开发，而许多用户要求系统的开放性，以便根据实际情况扩展功能；在低端市场，价格较国内的昂贵，性价比低。

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。

然而，由于我国原有数控系统的封闭性及数控软硬件研究开发的基础较差，技术积累较少，研发队伍的实力较弱，研发的投入力度不够，国产中高档数控系统在性能、功能和可靠性方面与国外相比仍有较大的差距，限制了数控系统的发展。

为此需要政府、科研院所和制造商共同努力，推进我国中高档数控系统的发展。

参考文献

1.王永章，杜君文，程国全.数控技术.北京：

高等教育出版社，2001.

2.徐伟，刘朝明.数控系统发展趋势的研究[期刊论文]–制造业自动化2009,31（9）

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4.邹伟平，吴再兴.数控技术的现状及发展趋势[期刊论文]–林业机械与木工设备2006,34（3）

5.数控市场：

竞争激烈四大差距[期刊论文]–机械工程师2006（11）

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18-20.

7.权秀敏,尹显明.数控技术发展趋势[J].新技术新工艺,2007,（6）:

14-16.