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现代数控技术发展趋势

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CNC数控系统的发展趋势

北京机床研究所 李佳特 今年是数控机床发明50周年。现代数控机床与50年前的数控机床最根本的区别是它们的

加工速度与加工精度极大悬殊的差别。加工精度从50年代的0.01mm到现在的0.001µm，提

高了104的数量级。加工速度从每分几十毫米提高到每分几十米，提高了103的数量级。数控

机床的发展是制造技术(MT)发展的结果，也是机床自动化技术，特别是以数控系统为代表的

新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品的结果。现代数控系统其技术范围复盖自动控制技术，电子技术，数字技术，电力电子和电机技术，精密测量技术，软件技术，

通信技术，机械制造技术等。现代数控系统由50年前的全硬件、液压驱动、单机控制发展到

目前的软硬结合、交流数字伺服、多机控制。随着信息技术和制造技术的不断发展，数控机床

作为信息技术（IT）与制造技术（MT）的结合点，也飞速地发展。当前，数控技术的发展呈

现着3个明显的趋势。

一，控制系统的高性能：

（1）高精、高速加工

数控加工的输入信息主要是刀具的轨迹和刀具相对工件运动的速度；把它们编制成加工程

序的形式输入到系统。如果它们的信号在传递过程中受阻塞、失真、延时，就会使输出的信息

不可能准确地复制输入的信息。因此机床加工的精度和速度也就不会保证。对于高速、高精加

工，整个信息流都必须高速而不畸变地流动和转化成刀具或工作台运动才能在高速时加工出高

精度的机械零件。数控机床由于采用计算机控制，可以保证加工的零件具有很高的精度重复

性。但是当加工时，由于输入信号要经过一系列的环节处理，不可避免地要失真、延时。因此

在高速加工时，要保持高的加工精度就要采取一定的措施。对于高精、高速的加工，除了机械设计和制造要保证能实现目标外，对CNC系统的要求主要是占用空间小、处理速度快、控制精

度高。CNC装备在数控机床上，为了保证高的生产率，它主要用在底层加工车间，直接控制

加工。CNC应能 高速运行各种软件，增强硬件的操作处理性能，采用了最新电子及控制技

术。保证软件可以得到高精、高速加工的功能。为了防止扰动，主要集中开发数字滤波器的技

术，以消除机械的谐振。还可以提高伺服系统的位置增益。系统中采用了前馈控制，以提高加

工精度，补偿由于伺服滞后所产生的误差。适当控制进给率和采用恰当的加减速曲线可以减少

加减速滞后所产生的误差。“前瞻”控制在程序执行前对运动数据进行计算，处理和多段缓

冲，从而控制刀具按一定高速运动，误差仍然很小。进给和主轴的伺服系统对高速、高精和高效十分重要。目前主要从以下几方面提高其性能。减少电机和控制单元的大小，提高编码器的

分辨率；主轴电机开始采用同步电机，它比较适用于齿轮机床的系统，齿轮机床有时需要很低

的速度，但精度很高。比如，FANUC伺服电机的设计不但体积小，采用高增益控制，伺服电

机是无齿槽效应的电机，带有1.6×107脉冲/转分辨率的编码器。伺服控制采用交流数字伺服

控制，具有很高电流检测精度，采用相应的硬件，可以产生所谓“纳米控制”，也就是在系统

检测分辨率为1µm时，插补分辨率可以提高到1nm（图1）；大大提高了加工的精度和粗糙

度。以控制高速、高精的机床。

图1 纳米插补 CNC NC指令程序 机床 高增益伺服控制纳米插补 对于控制直线电机，设计数字滤波器以避免直接驱动机械所带来的多谐振特性以改善 “纳米

控制”的性能。这些性能产生了“高速时的高精”以及“低速时的高精”。在直线电机驱动的

加工中心上加工，加工速度为30m/min时，其圆度为2～3µm；在加工速度为10m/min时，其

圆度为1µm。高速加工目前速度已达100 m/min，主轴转速达60, 000 r/min。 在剧烈的加减速时，加工曲率很大、形状很尖的工件时，由于有较大的加速度变化，或且

说，较大的加加速度，可能会产生机械的冲击，为了减少该冲击，引入了冲击控制（图2）有

时也称为Jerk控制。

图2 冲击控制

（2）5轴加工功能和复杂加工功能的机床

复杂的5轴加工，包括旋转的加工时，待处理的信息大大增加，因此，在许多场合下，数

控系统需要增加RISC芯片的处理器进行预处理。5轴加工的机械其配置主要有刀具旋转方式、工作台旋转方式和这两种的复合方式（图3）。

图3不同结构的5 振动

Y 加速度 Y 速度

Y 跳变 大的跳变 未施加Jerk控制

施加Jerk控制 轨迹:直线 圆弧

振动减小

小的跳变减速

Y加速度

Y跳变 Y速度

5 轴加工FANUC Series 16i-MB, 18i-MB55 轴加工FANUC Series 16i-MB, 18i-MB5

1.支持各种形式的5轴加工除了“刀具倾斜型”加工形式外，又增加了“工作台倾斜型”和“组合型”加工形式

( 刀具和工作台均倾斜 )刀具倾斜型刀具倾斜型工作台倾斜型工作台倾斜型组合型组合型 轴加工

因此5 轴加工要能满足各种配置的要求。

对于3维曲面加工，由于难于用上刀具的最佳几何形状进行切削，不仅效率低而且表面粗

糙度差，往往采用手动进行修补，因此也可能丧失精度。采用5轴联动，可以使用刀具最佳形

状进行加工。其功能主要为：（1）轴向刀具补偿，即使改变刀具的方向，仍然可以按刀具方

向进行刀具补偿。（2）刀具中心控制，即使刀具的方向改变，刀具中心点的运动仍然受控

制，它跟随某指定的直线。（3）3维刀具半径补偿，在垂直于倾斜刀具的平面可以进行刀具

半径补偿和刀具前沿偏置。（4）3维圆弧插补，可以指定在倾斜的平面内的圆弧。（5）倾斜面加工指令：可以编制用来加工倾斜平面的加工程序，此外，可以使刀具垂直于倾斜面的方式

控制旋转轴。（6）3 维手动进给，可以以手动进给的方式，使刀具朝着沿倾斜面的方向和倾

斜刀具的方向移动。

复杂的加工功能表现在许多的机械上，如齿轮加工，不但要求同步分齿运动，根据不同

的齿轮形状，还要进行差动插补控制。这些功能可以通过改善伺服系统的控制以及数控系统本

身的软件解决，比如采用“学习控制”、“自适应”控制等。对于“虚拟轴”机床，现代数控

系统也能满足其要求。

超高速和高精加工复杂形状的工件，在保证高级的加工表面时，CNC必须保证机床平滑的运动。这可以由监控正在加工的工件形状，借此实时地控制它的加工速度、加速度或加加速

度因而使加工总是保持在最佳状态。

（3）复合数控机床

为了提高生产率，数控复合加工机床的开发和制造已变成数控机床的一种发展趋势。复合

加工机床是指在同一机械上可以进行多种工艺的加工，如在一台机床上可以进行车加工、铣加

工、镗加工等，比如，一个圆柱体要进行圆柱表面的车削、镗中心孔、还要求在圆柱面上铣沟

槽，这些加工都要求在同一台数控机床上完成。这样就能大大提高生产率。

因此，对于复合数控机床，首先需要增加可以用于进行复合加工的功能，比如铣床需要增

加螺锥线功能、螺旋线功能、3维圆弧功能、刀具中心点控制，另外，刀具补偿功能也需要既

有车加工又有铣加工的功能。除此以外，这种机床还经常需要高速加工。

现代高性能的数控系统还应该包括系统的安全功能、方便的操作功能、良好的维修功能等。

二，数控系统的开放

NC系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。当出现NC系统以后，制造厂家

逐渐希望NC系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进NC系统, 同时也希望系统具有图形交互、诊断等功能。因此

需要商用的数控系统具有友好的人机界面和开发平台。为了满足机床技术的发展，要求CNC

控制器透明以使机床制造商和最终用户可以自由地执行自己的思想。这就产生了开放结构的数

控系统。1987年美国空军在里根政府支持下，发表了著名的“NGC(下一代控制器)”的计划，

首先提出了开放体系结构的控制器概念。这个计划的重要内容之一便是提出了“开放系统体系

结构标准规格 (SOSAS)”。90年代开始，在美国海军支持下，美国国家标准技术研究院提出

了“EMC(增强型机床控制器)”；由通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出了“OMAC(开

放模块体系结构控制器)”，它相似於欧洲的“OSACA(对於自动化系统的开放体系结构)”，等等。NGC计划的目的是建立一个体系模型，并定义模型中各模块的控制功能和接口，确定

它们的内部关系规则；提出采用新的描述语言，通过原型样机使它有效。美国空军把开放的体

系结构定义为在竞争的环境中允许多个制造商销售可相互交换和相互操作的模块。但是，目前

这个目标远没有达到。 IEEE“开放系统技术委员会”定义“开放”的概念为：“开放系统所执行的应用可以运行

在多家制造者不同的平台；并可以与其他系统的应用相互操作而呈现与用户交互的协同

（IEEE1003. 0）。”也可以用下列的性能指标评估控制器的开放性。（1）移植性：在保持应

用模块（AM）的功能下，不需任何变化就可以应用到不同的平台。（2）扩展性：不同的AM能运行在一个平台而不出现冲突。（3）互操作性：AM在一起工作时表现为相互协同，可以

根据定义相互交换数据。（4）缩放性：按照用户的需要，AM的功能、性能和硬件的规模可

以伸缩。

机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前，开

放的数控系统结构主要有2种形式：（1）基于PC的CNC系统，这种系统以PC机为平台，

开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传送数据控制座标轴电机的运动。（2）PC嵌入式：这

种系统的基本结构为：CNC＋PC主板，即把一块PC主板插入传统的CNC机器中；PC板主要

运行非实时控制，CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制；或且CNC作为数控功能运行，而PC板作为用户的人机接口平台。（3）PC＋CNC：目前主流NC系统生产厂家认为NC

系统最主要的性能是可靠性，象PC机存在的死机现象是不允许的。而系统功能首先追求的仍

然是高精高速的加工。加上这些厂家长期已经生产大量的NC系统；体系结构的变化会对他们

原系统的维修服务和可靠性产生不良的影响。因此不把开放结构作为主要的产品，仍然大量生

产原结构的NC系统。为了增加开放性，主流NC系统生产厂家往往采用这种方案，即在不变

化原系统基本结构的基础上增加一块PC板，提供键盘使用户能把PC和CNC联系在一起，大

大提高了人机界面的功能比较典型的如FANUC的150/160/180/210系统。有些厂家也把这种装

置称为融合系统（fusion system)。由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商的欢迎。成为NC技术的发展趋势之一。

目前，商业上应用较多CNC系统的开放情况如表1所示。从上表可以看出，目前流行的CNC系统基本都是开放的，仅仅是开放的程度不同而已。开放最少的仍是核心的CNC部分。

目前商业的CNC的开放情况如表1所示（参考文献1）。 表1 商用CNC开放一览表： HMI CNC核心 编程接口 通信接口 CNC 平台

（HW，OS） 平台

（HW，OS） HMI、 API CNC、API LAN支

持 驱动支持 I/O支

持

FANUC 210i PC和WinCE/NT ―― ＋＋ WinAPI ―― ＋＋ Ethernet ―― ＋＋ Fieldbus Indramat MTC200 PC和WinNT ＋＋ WinAPI ―― ＋＋ Ethernet ＋＋ SERCOS ＋＋ Fieldbus MDSI 开放CNC PCWinNT+RTX (软件CNC) ＋＋ WinAPI ＋＋ ＋＋ Ethernet ＋＋ SERCOS ＋＋ Fieldbus Robert Bosch 型号osa PCWinNT ＋＋ WinAPI ＋＋ ＋＋ Ethernet ＋＋ SERCOS ＋＋ Fieldbus Allen Bradly9/PC PCWinNT ―― ＋＋ WinAPI ＋ ＋＋ Ethernet ＋＋ SERCOS ＋＋ Fieldbus SiemensE&A 840D/840Di PCWin95/NT ―― ＋＋ WinAPI ＋＋ ＋＋ Ethernet ―― ＋＋ Fieldbus

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现代数控制造执行系统技术与应用读书报告 ——数控系统发展趋势

现代数控制造执行系统技术与应用读书报告 ——数控系统发展趋势

现代数控制造执行系统技术与应用读书报告

——数控系统发展趋势

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数控系统发展趋势

1、 数控系统的概述

1.1 概述 自1952年美国研制出第一台试验性数控系统以来，数控技术的发展十分迅速，数控系统也由原先的硬连接数控发展成为今天的计算机数控(CNC)，它是综合了计算机、通信、微电子、自动控制、传感、测试、机械制造等技术而形成的一门边缘学科。近几年来，机械加工业大量采用数控机床取代传统的普通机床进行机械加工，普通机械逐渐被数控机械所代替。数控机床综合了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制、电机与拖动、电子和电力、精密测量、气液压及现代机械制造技术等多种先进技术的机电一体化产品，是数控机床的心脏。具有高精度，高效率，柔性自动化等特点决定了今后发展数控机床是我国机械制造业技术改造的必由之路，是工厂自动化的基础。数控机床在各个机械制造企业已成为大、中型企业的主要技术装备。

机床数控系统，即计算机数字控制（CNC）系统是在传统的硬件数控(NC)的基础上发展起来的。它主要由硬件和软件两大部分组成。通过系统控制软件与硬件的配合，完成对进给坐标控制、主轴控制、刀具控制、辅助功能控制等。CNC系统利用计算机来实现零件程序编辑、坐标系偏移、刀具补偿、插补运算、公英制变换、图形显示和固定循环等。使数控机床按照操作设计要求，加工出需要的零件。

1.2 发展历程

数控系统也由当初的电子管式起步，发展到了今天的开放式数控系统，经历了以下几个发展阶段: 分立式晶体管式→小规模集成电路式→大规模集成电路式→小型计算机式→超大规模集成电路→微机式的数控系统。

第一代数控系统，以MIT 研制的三坐标数控系统为标志，系统全部采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件电路完成。

第二代数控系统，以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统为标志。

第三代数控系统，60 年代中期，由于小规模集成电路的出现，使其体积变小、功耗降低，数控系统的可靠性得以进一步提高，推动了数控系统的进一步发展。

数控机床技术现状与发展趋势论文

数控机床技术现状与发展趋势论文

数控机床技术的现状与发展趋势

[摘要] 数控技术和数控装备是各个国家工业现代化的重要基础。我国数控技术与世界先进国家相比还有一定的差距，因此了解数控技术国内外的发展状况对我国数控领域的发展有非常重要的意义。

[关键词] 数控技术 软件伺服 发展方向

数控技术(简称nc即numerical contro1)应用于生产中已有二十多年的历史了，它使传统的制造业发生了质的变化，尤其是近年来．微电子技术和计算机技术的发展给nc技术带来了新的活力。数控机床是现代制造业的主流设备，是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。因此世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。

一、数控技术和数控设备国内外发展现状

1.开放结构的发展

数控技术从发明到现在，已有近60年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模pc数控，小型计算机数控，微处理器pc数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的cnc数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。 数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。

经过几十年的数控技术的不断革新，制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统，同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床制造商可以在开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前比较典型的数控系统有：日本fanuc，mitsubishi；德国siemens、heidenhain；西班牙fagor等。我国的有：华中数控、航天数控等。

数控技术在机械加工中的应用与发展前景分析

数控技术在机械加工中的应用与发展前景分析

数控技术在机械加工中的应用与发展前景分析

摘要:数控技术是采用数字控制的方法对某一个工作过程进行控制的一种当今先进制造技术和装备最核心的先进技术。机械制造业的竞争,其实质是数控技术的竞争。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势和发展前景来看,数控系统正向电气化、电子化、高速化、精密化等方面高速发展。

关键词:数控技术 机械加工 发展前景

1 数控技术的发展现状

1.1 数控技术的特点

由于输入数据的存储、处理等功能均可由编辑的软件来完成,现代数控技术大大增强了机械制造的灵活性,提高了设备的工作效率。[1]数控加工技术能够高质量的完成一般机床难以完成的复杂零件盒曲面形状的加工;能够方便的改变加工工艺参数,因而利于换批加工和新产品的研制;可实现一次装夹工件完成多道工序加工,从而确保高质量的加工精度,同时又减少了辅助时间;采用模块化标准工具,既减少了换刀和安装时间又提高了工具标准化强度和工具的管理水平;便于实现计算机辅助制造。

1.2 我国数控技术的发展现状

我国数控技术近50年的发展历程,特别是经过了4个5年计划后我国基本奠定了数控技术发展的基础,基本掌握了现代数控技术的从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术,其中大部分技术已经具备进行商品化开发的基础,部分技术已经商品化产业化,初步形成了数控产业基地,建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。

但是我国的数控技术还存在很多不足。在技术水平上与国外先进水平大约落后10～15年,在高精尖技术方面则更大;产业化水平上市场占有率低,品种覆盖率小,还没形成规模生产;功能部件专业化生产水平及成套能力低,外观质量相对差;可靠性能不高,商品化程度不足,国产数控系统尚未建立自己的品牌效应,用户信心不足;数控技术的研发工程能力较弱,数控技术应用领域拓展力度不强,相关标准规范的研究、制定滞后。

因此,对于今后我国数控技术的发展,我们一定要做战略考虑,从我国基本国情的角度出发,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向,在高精尖装备研发方面,要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合,在竞争前数控技术方面,强调创新,强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品,为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。

数控技术在制造业中的应用与前景

数控技术在制造业中的应用与前景

数控技术在制造业中的应用与前景

随着科技的飞速发展，数控技术已经成为了制造业的重要组成部分。数控技术，即数值控制技术，通过对加工过程进行自动化控制，大大提高了生产效率和产品质量。在这篇文章中，我们将探讨数控技术在制造业中的应用及其未来的发展前景。

让我们来看看数控技术在制造业中的应用。数控技术广泛应用于各种机械加工领域，如机床、汽车、船舶、航空航天等。在机床领域，数控技术已经成为了主流，几乎所有的机床都配备了数控系统。数控机床可以通过编程，实现对刀具运动轨迹的精确控制，从而达到高精度和高一致性的加工效果。这不仅提高了生产效率，也大大降低了人工成本。

除了机床领域，数控技术在汽车制造中也起到了关键作用。汽车制造过程中，有许多复杂的零部件需要精确加工，如发动机、变速箱等。利用数控技术，可以实现对这些零部件的精确制造，从而提高汽车的性能和可靠性。数控技术还可以用于汽车零部件的批量生产，提高生产效率，降低生产成本。

在船舶和航空航天领域，数控技术的应用也非常广泛。这些领域的产品往往具有复杂的设计和精密的制造要求，数控技术可以实现对这些产品的高精度加工，满足其设计和功能要求。同时，数控技术还可以提高生产效率，缩短生产周期，降低生产成本。

我们来看看数控技术的未来发展前景。随着科技的不断进步，数控技术也在不断发展。未来的数控技术将更加智能化、网络化和自动化。智能化是数控技术发展的一个重要方向。未来的数控系统将具备更强大的计算和处理能力，可以实现更复杂的加工任务。同时，数控系统还可以通过技术，实现对加工过程的智能优化，提高生产效率和产品质量。

网络化是数控技术的另一个发展方向。未来的数控系统将具备更强的网络功能，可以通过互联网实现远程控制和监控。这样，制造商可以实时掌握生产情况，及时调整生产计划，提高生产效率。同时，网络化还可以促进制造业的集群发展，实现资源的共享和优化配置。

自动化是数控技术的第三个发展方向。未来的数控系统将具备更强的自动化功能，可以实现无人化或少人化的生产。这不仅可以提高生产效率，也可以降低人工成本。同时，自动化还可以提高生产的安全性，减少生产过程中的事故风险。