数控系统的国内外发展及应用现状

调研报告——数控系统的国内外发展及应用现状

摘要：以课堂所学习的知识为基础，对数控系统的国内外发展及应用现状进行调研，对数控系统的发展过程和趋势进行总结；分别对国外和国内各几种数控系统进行功能介绍与应用分析；对国内数控系统与国外知名数控系统进行比较，并总结了存在的差距；

关键词：数控系统；CNC；发展趋势；数控技术；机械制造

在机械制造业中，数控加工技术已经越来越受到重视。从第一台数控机床开发成功到现在已有50多年的历史，由传统的封闭式数控系统发展到现今的开放式PC数控系统。传统的

计算机数控系统，由于采用封闭的体系结构，它的通用性、软件移植性、功能扩展和维修都比较困难；开放式体系结构的计算机数控系统的发展，使传统的计算机数控系统的市场正在受到挑战。开放式计算机数控系统，采用软件模块化的体系结构，显示了优良的性能，能适应各种计算机的软件平台，具有统一风格的用户交互环境，操作、维护、更新换代和软件开发都比较方便，具有较高的性能价格比，已成为数控系统发展的方向。

1我国数控技术的发展及其现状

1.1我国数控技术的发展历程

数控技术从诞生至今，前后经历了五个发展阶段，即电子管数控、晶体管数控、中小规模IC数控、小型计算机数控、微处理器数控。目前数控系统的发展进入了一个良性的发展模式，即主板以超大集成电路板为主，处理器以单片机或PLC 为主，控制核心单元以PC机专业软件系统为主的发展模式。

我国从1958年起，由一批科研院所、高等学校和少数机床厂起步进行数控系统的研制和开发，但当时收效甚微。改革开放后，我国数控技术逐步取得实质性的发展。通过引进国外技术，消化吸收和科技攻关，使得我国的数控技术有了质的飞跃，数控制造业进入了高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量尚不佳。“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用。目前国产数控系统主要为经济型（多采用单片机开发），而我国高档数控市场的95%仍被国外公司占据，如日本的法拉克，德国的西门子等。

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1.2数控技术的特点

数控技术是指用数字化信号对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技术。现在，数控技术也叫计算机数控技术。目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术，这种技术用计算机按事先存储的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存储、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，

均可通过计算机软件来完成。

数控技术是典型的机械、电子、自动控制、计算机和检测技术密切结合的机电一体化高新技术。数控技术是实现制造过程自动化的基础，是自动化柔性系统的核心，是现代集成制造系

统的重要组成部分。数控技术把机械装备的功能、效率、可靠性和产品质量提高到一个新水平，使传统的制造业发生了极其深刻的变化。数控加工技术不同于传统的加工技术，其主要特点为：

（1）能高质量地完成一般机床难以完成的复杂零件和曲面形状的加工；

（2）能方便地改变加工工艺参数（如切削用量），因而利于换批加工和新产品的研制；

（3）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；

（4）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程度和工具的管理水平；

（5）便于实现计算机辅助制造。随着计算机技术的发展和微处理器的采用，数控技术得到了飞速发展和广泛的应用。

1.3我国数控技术的发展现状

我国的机械制造工业已具有一定的实力。机床工业高速发展，机床产品除满足国内建设需要外，还有部分产品远销国外。

（1）现已能生产小型仪表机床、重型机床，各种精密的、高度自动化的、高效率的机床。机床性能正在逐渐提高，有些机床性能已接近世界先进水平。

（2）目前生产的数控系统（以数控机床为主）大部分以PC机作为控制核心，使得我国生产的数控系统在硬件系统方面、软件系统方面都有不同程度的提升，增强了市场竞争力。

（3）目前已能生产100多种数控机床，并研制出六轴五联动的数控系统，可应用于更加复杂型面的加工。国产数控机床的分辨率已经提高到0.001mm。系统

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的可靠性也大大提升，这是由于我国生产数控系统均采用模块化设计，且电路板中广泛采用超大规模集成电路，保证了系统的整体可靠性。

我国机械制造工业已经取得了巨大的成就，但与世界先进水平相比还有很大差距。大部分高精度机床的性能还不能满足要求，精度保持性差，特别是数控机床的产量、技术水平和质量保证等方面都明显落后，这主要是管理落后、专业化生产水平低，工艺落后也是主要因素。由于工艺水平落后，使产品研制出来后也不能迅速转变成商品，即使从国外引进的机电产品技术，也不能形成批量生产。目前，美国利用计算机数控技术已经成功实现了机械制造的“三个三”，即设计周期三个星期，试制周期三个月，无故障运行三年。为此，机械工业部门提出了“加强工艺管理、严格工艺纪律为突破口，提高工艺水平，推行全面质量管理，打一场提高产品质量的硬仗”作为工艺工作的指导方针。这是振兴我国机械工业的重大战略措施之一。

随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，在21世纪中，加工技术将向着超精密、超高速以及发展新一代加工设备的方向发展。而数控加工技术的一个

重要发展趋势是：工艺设计由经验判断走向定量分析，加工工艺由技艺发展为工程科学，使工艺模拟技术得到迅速发展。

2国内外多种数控系统进行功能介绍与应用分析；

2.1 国外CNC系统现状

世界CNC机床产量中,低、中、高档CNC机床之比为30:60:10。高档CNC机床主要被德国、美国所垄断;日本占据了中档CNC机床的主要市场;韩国则是中低档CNC机床的主要供货商[1]。可见中高档CNC系统基本掌握在德、美、日本几个国家中。2007年,全球CNC系统市场销售额为61亿美元。国外的主要CNC系统制造商有西门子(Siemens)、发那克(FANUC)、三菱电机(Mitsubishi Electric)、博世力士乐(Bosch Rexroth)、日本大隈(Okuma)等,2007年全球CNC系统市场Siemens 占了34. 6%,FANUC占了29.2%,三菱电机占了12.3%[2]。CNC系统的发展基本可分以下几个阶段。

2.1.1传统CNC系统

传统CNC系统目前仍在世界各国得到广泛应用,由于传统CNC系统的封闭性,

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使企业难以实现网络化,各制造商的CNC系统软硬件又不兼容,用户基本上无法介入。目前传统CNC系统主要有FANUC 0系列、MITSUBISHI M50系列和SINUMERIK 810M/T/G系列等。

2.1.2开放式CNC系统

随着工业计算机技术的不断发展和完善,CNC系统向开放式发展是必然趋势。开放式CNC系统的软硬件和总线规范都是对外开放的,有充足的软硬件资源可被用户应用,因此具有性价比高、模块化结构、友好的人机界面和优良的开放性等特点。开放式CNC系统经历了以下的发展:①“PC嵌入CNC”结构的开放式CNC 系统。该系统是制造商在传统CNC系统的基础上,将专用数控软件技术和工业控制机(Industrial Personal Computer, IPC)资源相结合的产品,它具有一定的开放性。目前主要有FANUC 10、11、12系列、SiemensSINUMERIK 802D系列和AB 9/360系列等。②“CNC嵌入PC”结构的开放式CNC系统。该系统由运动控制模块与IPC 共同构成,用户可自行开发所需的CNC系统。主要有美国Delta Tau公司的PMAC-CNC系统、Aerotech公司的UNIDEX 600系统和日本MAZAK公司的MAZATROL 640 CNC系统等[3]。③软件化开放式CNC系统。该系统将所需CNC 软件装在IPC中,构成各种类型的高性能CNC系统,不少CNC系统制造商还将可编程控器(Programmable Logic Controller, PLC)和内装

伺服控制的全软件化集成在CNC系统中。目前,主要有美国MDSI公司的Open CNC系统、德国Power Automation公司的PA8000 NT系统和日本三菱电机公司的E60系统等。

随着实时智能控制技术的发展,有不少CNC系统还配置了编程专家系统、故障诊断系统、参数自设定系统等,使CNC系统实现了智能化。FANUC已开发了智能化CNC系统———F15,该系统主要应用了人机通信(Man-Machine Communication,MMC)、计算机数控(Computer Number Control,CNC)和可编程机床控制器(Programmable Machine Controll, PMC)的技术。

为了加快CNC机床的应用和开发速度,应用计算机仿真技术,对数控加工过程进行编程,还可应用虚拟仿真技术对刀具的防碰撞、工件几何结构和运动性能等实现检验,以此取代实物加工,降低生产成本,缩短CNC编程周期。Siemens开发的“虚拟CNC”技术,可实现加工过程的可视化仿真演示,使西门子CNC系统具有用户界面图形化(HMI)、用户化定制和补充(CNCK)、PLC、硬件配置(包括操作站、键盘、I/O等)、可联网的开放性结构和功能。在虚拟CNC系统中,可对加工的工件在计算机上实现模拟加工,并修正加工的CNC程序,以保证实际加工工件的精度和质量。

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2.2 国内CNC系统现状

我国机床行业经过几十年的发展,形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系,使国产CNC系统产业发展迅速,在质和量上都取得了飞跃。特别是国产高档CNC系统开发成功,打破了国外技术封锁,中高档CNC系统大部分仍采用Siemens 和FANUC产品。国内CNC系统基本占领了低端CNC系统的市场,中高档CNC系统的研发和应用也取得了一定的成绩。据美国权威咨询机构ARC分析,中国CNC 机床的需求开始趋向高速度、高精度和高效率,因此中国对中档CNC系统的需求将有较快地增长。

2.2.1中高档CNC系统

武汉华中数控股份有限公司(以下简称华中数控)、北京航天数控系统有限公司(以下简称航天数控)、北京机电院高技术股份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CNC系统,分别应用于CNC加工中心、CNC龙门铣床和CNC铣床。近期,武汉重型机床集团有限公司应用华中CNC系统,成功开发了CKX5680 CNC七轴五联动车铣复合加工机床。国内主要CNC系统生产基地有华中数控、航天数控、广州数控设备有限公司(以下简称广州数控)和上海开通数控设备有限公司(以下简称开通数控)等。

2.2.2数字化交流伺服驱动系统

国内的产品也有了很大的发展,已能满足一般的应用,并能与进口产品竞争,占领了国内大部分市场。伺服系统和伺服电机生产基地主要有兰州电机厂、华中数控、航天数控、广州数控和开通数控等。华中数控开发了具有自主知识产权的华中“世纪星”高、中、低端系列数控系统产品,主要有HCNC-21/22、18、19和210系列CNC系统。其中210系列数控系统采用了先进的开放式体系结构,内置嵌入式工业PC,配置有工业以太网通讯接口。华中数控还生产了HSV-16、18、160和162型全数字交流伺服驱动系统。其中HSV-16型应用了双智能功率模

块(Intelligent Power Module,IPM),年销售近万台套,为国内数十家著名主机厂提供了批量配套,又开发了具有自主知识产权的GK6和GK7系列交流永磁伺服电机和GM7系列交流伺服主轴电机,并实现了产业化。广州数控开发了钻铣床、车床、加工中心的CNC系统等产品14种,其中主要有:①GSK 983M-S/V加工中心CNC 系统,属中高档CNC系统。该系统采用了多个高速微处理器,具有丰富的CNC功能和高速PLC功能,采用高速高精度的伺服系统,可实现四轴四联动的闭环控制,控制

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速度达到μm级。②GSK 218M加工中心CNC系统采用了32位高性能的CPU和超大规模可编程器件FPGA,通过实时控制和硬件插补技术保证了系统μm级精度下的高效率,可在线编程的PLC使系统功能更加灵活强大。③DA01B、DA98A全数字交流伺服驱动系统,其中DA98A伺服驱动系统采用DSP和优化PID算法,并使用了IPM模块,使系统提高了位置和速度控制的准确性和快速性。目前,公司已投资3.4亿元,到2010年CNC系统年产量将达到8.8万套,位列世界同行前三名;伺服系统年产达到20万台,产品性能达到世界先进水平。

大连高金数控集团已成功开发了3 000 MW五轴联动数控系统,并小批量进入市场;除伺服驱动系统外,还可提供主轴伺服驱动系统,其主轴电机已拥有7.5 kW、11 kW、15 kW 3种常用规格的产品,主轴的最高转速可达12 000 r/min[5]。

沈阳机床目前已投入10.4亿元,用于建设高档CNC机床生产基地和功能部件产业园,除可为国家重点行业提供先进的高档CNC机床之外,还形成CNC系统、数控刀架和刀库等机床功能部件的专业化生产。建成后,将形成具有年产数控刀架

3万套、刀库1万套、数控系统1.1万套的生产能力。上海电气中央研究院已成功开发了具有国际先进水平的SE300开放式全软件化CNC系统,适用于各种CNC机床,并成功地将SE300开放式CNC系统应用于制瓶机、仪表车床、HM077车床、三坐标铣床、TVU4加工中心和五轴CNC铣床、Φ160 mm的CNC镗铣床Φ6.3 m 的CNC双柱立车。SE303 CNC系统在进口TVU4加工中心上应用,如图4所示。还将直线电机应用于铣床中,使机床加工速度提高了2倍,空载速度提高了4倍。

国内各CNC系统制造商正在研发基于总线技术的中高档CNC系统,华中数控在北京国际机床展上展出了基于工业以太网技术的交流伺服驱动系统,开通数控和上海交通大学联合研发的基于工业以网技术的嵌入式CNC系统也已小批量生产。

然而,由于我国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,因此国产中高档CNC系统在性能、功能和可靠性方面与国外仍存在较大差距。为此需要政府、院所高校和制造商共同努力,以推进我国中高档CNC系统的发展。

3国内外数控系统的比较与差距

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

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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。

但是随着国内一些公司不断地科研创新，在高端市场也取得了跨越式的进展。这里以华中数控系统为例，介绍我国数控系统的快速发展以及与国外数控系统的比较。

由于华中数控系统采用了以工业PC机为硬件平台，DOS、Windows及其丰富的支持软件为软件平台的技术路线，使主控制系统具有质量好，性能价格比高，新产品开发周期短，系统维护方便，系统更新换代和升降快，系统配套能力强，系统开放性好，便于用户二次开发和集成等许多优点。华中数控系统在其操作界面，操作习惯和编程语言上按国际通用的数控系统设计。国外系统所运行的G 代码数控程序，基本不需修改，可在华中数控系统上使用。但是，华中数控系统采用汉字用户界面，提供完善的在线帮助功能，便于用户学习和使用。系统提供类似高级语言的宏程序功能。具有三维仿真校验和加工过程图形动态跟踪功能，图形显示形象直观。操作、使用方便容易。与SIMENSE和FANUC的普及型数控系统相比较，华中数控系统在功能上毫不逊色，在价格上更为低廉，在维护和更新换代方面更为方便，但在外观和可靠性方面略差。

纵观国际上数控技术的发展的趋势，PC数控(即华中数控系统采用了以工业PC机为硬件平台)的技术路线是目前的主要潮流。SIMENSE和FANUC也不得不开始转向PC数控。国外PC-CNC主要在原CNC上增扩PC，用于图形、通讯和大容量存储，如FANUC 160、西门子840、和美国AB9360 等；另一种在PC上扩充带DSP处理器的控制卡，如FANUC open 4、美国DeltaTau 的PMAC等。

相比之下，华中数控系统比较彻底地贯彻了PC-CNC的技术路线，以PC+软件完成全部的CNC功能，因而以国外低档数控系统的价格，实现了国外高档系统的功能，具有优良的性能/价格比。因此，由国家组织的专家鉴定会认为，华中数控系统是具有我国特色的高性能数控系统，是一项重大的科研成果，具有国际先进水平。

此外，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”。

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在中国，在“六.五”、“七.五”和“八.五”计划的支持下，我国先后研制成功华中I型、中华I型、蓝天I型、航天I型四个基本型数控系统。国内各系统均实现了高档多轴多过程控制。

4结论

PC机进入数控领域，极大的促进了数控技术的发展，也为我国在数控生产领域赶超发达国家提供了机遇。机械制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重点。我国正处于经济发展的关键时期，制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先进数控制造技术的世界潮流，将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施，才能尽快缩小与发达国家的差距，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。总之，在我国研究和发展数控制造技术势在必行。

参考文献：

[1] 龙章科. Equipment Manufactring Technology，2008，(3)；

[2] 叶伯生彭炎午. 数控技术的发展现状与动态初探，工业仪表与自动化装置，

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[3] 梁昌鑫，贾廷纲，陈孝祺，国内外数控系统现状及发展趋势[J]. 上海电机学院

学报，2008，第四期；

[4] 李明贵.反映现代工业发展趋势的先进制造技术[J].机电工程技术，2005，34（2）；

[5] 梁志锋，解翔，唐小琦.基于工业以太网的网络数控系统设计及实现[J].现代制

造工程，2006，（1）；

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