数控系统的起源与发展趋势

1、数控系统的结构特点、起源以及发展趋势，常用的基本知识。112312-云飘目录(一) 起源,发展趋势及结构特点(二) CNC系统的组成(三) CNC系统的功能和一般工作过程 (一)起源,发展趋势及结构特点：数控系统的发展趋势 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,机床制造业是一个国家的基本装备工业，是工业生产的技术基础，数控技术在给机床制造业带来显著经济效益及广阔发展前景的同时，也是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备，因此它已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。控技术是当今先进制造技术和装备最

2、核心的技术，世界各国制造广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 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46 年历程。控系统由当初的电子管式起步，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。到本世纪初，数控系统的总体发展趋势是：数控装置由NC 向CNC 发展；广泛采用32 位CPU组成多微处理器系统； 提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便

3、于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化方向发展；C N C 装置向人工智能化方向发展；采用新型的自动编程系统；增强通信功能；数控系统可靠性不断提高。 进入90 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用P C 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。开放式体系结构利用多CPU 的优势，能够实现故障自动排除，增强通信功能，提高进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系统，由于其硬件、软件和总线规范

4、都是对外开放的， 有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。 数控系统在控制性能上向智能化发展。随着人工智能在计算机领 域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障

5、监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统已实用化。 我国数控技术的发展 我国数控技术起步于1958 年，发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段是封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是引进技术，消化吸收， 初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控 装备的产业化取得了实质性进步 5 。目前我国数控技术的发展已由研究开发阶段向推广应用

6、阶段过渡，也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。现已出现了一批能百台成批量生产数控机床、数控系统的企业。在数控技术软件上，一些单项技术已接近国外水平。纵观我国数控技术5 0 多年的发展历程，总体来看取得了以下成绩： （1 ）奠定基础，基本掌握了现代数控核心技术。 （2）初步形成了数控产业基地。在攻关成果和 部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、广州数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。 （3 ）建立了一支数控研究、开发、管理人才队伍。我国数控技术在发展上取得了六个方面的跨越：可供应网络化、集成化、柔性化的制造设备，可服务器上实现加工对象的实体造型，并生成加工程序，自动传送到各台机床进

7、行加工； 5 轴联动联动的数控机床更加成熟；进入世界高速数控机床生产国行列。机床采用电主轴，主轴最高转速达200000r/min；进入高精度、高精密数控机床生成国行列；进入全数控化螺旋齿轮切齿机生产行列，使中国成为继美国、瑞士、德国之后的第四个能生产这类机床的国家；关联杆系（虚拟轴） 开始走向实用化。 4  我国数控技术发展中存在的问题我国数控技术发展的现状是： 系统技术含量低，产品的附加值少，中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，只在低端市场占有一席之地，不具备与进口系统进行全面抗衡的能力，还不能为我国数控产业起到支撑的作用，与国外相比，还有差距。

8、0;主要问题有以下几方面：（1 ）技术创新成分低、消化吸收能力不足。技术引进是加快我国数控技术发展的一条重要途径，但引进技术后要实现从根本上提高我国数控技术水平，必须进行充分的消化吸收。消化吸收的力度不强，不但无法摆脱对国外技术的依赖，而且还会造成对国外技术依赖性增强的反作用。 （2）技术创新环境不完善。我国尚未形成有利于企业技术创新 的竞争环境。企业技术创新的动力来源于对经济利益的追求和外部市场的竞争压力，其主动技术创新意识不强。企业还没有建立良好的技术创新机制，绝大部分企业的技术创新组织仍处于一种分散状态，很难取得高水平的科研成果。（3 ）产品可靠性

9、、稳定性不高。可靠性、稳定性上与国外技术相差较大，影响了产品的市场占有率。（4 ）网络化程度不够。我国数控技术的网络化程度不够，其集成化、远程故障排除、网络化水平有限。（5 ）体系结构不够开放。大部分数控产品体系结构不够开放，用户接口不完善，少数具有开放功能的产品又不能形成真正的产品，只是停在试验、试制阶段。用户不能根据自己的需要将积累的技术经验融入到系统中，无形中流失了很多对数控技术改进、创新和完善的资源。（6 ）服务水平与能力欠缺。一部分企业不顾长远利益，对提高自身的综合服务水平不够重视，只注重推销而不注重售前与售后服务，导致用户对制造商缺乏信心。 

10、1) 高速、高效 机床向高速化方向发展,可充分发挥现代刀具 材料的性能,不但可大幅度提高加工效率,降低加工 成本,而且还可提高零件的表面加工质量和精度。 超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生 产有广泛的适用性。新一代数控机床(含加工中 心)只有通过高速化来大幅度缩短切削工时才可能 进一步提高生产率。超高速加工特别是超高速铣削 与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发 应用紧密相关。 2) 高精度 从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工) ,

11、是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级( < 10 nm) ,应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削(车,铣) 、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工(三束加工及微细电火花加工,微细电解加工和各种复合加工等) 。随着现代科学技术的发展,对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现,更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺,大力发展新型超精密加工机床,完善现代超精密加工技术,以适应现代科技的发展。当前,机械加工高精度的要求如下:普通的加工精度提高了1倍,达到5m;精密加工精

12、度提高了2个数量级;超精密加工精度进入纳米级( 0. 001 m) 主轴回转精度要求达到0. 010. 05m;加工圆度为0. 1m;加工表面粗糙度Ra = 0. 003m等。精密化是为了适应高新技术发展的需要,也是为了提高普通机电产品的性能,质量和可靠性,减少其装配时的工作量,从而提高装配效率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高,机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要,近10多年来,普通级数控机床的加工精度已由±10m提高到±5m,

13、精密级加工中心的加工精度则从±3 5 m提高到±1 1. 5m。 3) 高可靠性 数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性1个数量级以上,但也不是可靠性越高越好,仍然是适度可靠,因为是商品,受性能价格比的约束。对于每天工作2班的无人工厂而言,如果要求在16 h内连续正常工作,无故障率P ( t) 99%的话,则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3 000h。MTBF大于3 000 h,对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差

14、别巨大,我们只对1台数控机床而言,如主机与数控系统的失效率之比为10 1(数控系统的可靠比主机高1个数量级) 。此时数控系统的MTBF就要大于33 333. 3 h,而其中的数控装置,主轴及驱动等的MTBF就必须大于10 万h。当前国外数控装置的MTBF值已达6 000 h以上,驱动装置达30 000 h以上。 4) 模块化、专门化与个性化 机床结构模块化、数控功能专门化、机床性能价格比显著提高并加快优化。为了适应数控机床多品种,小批量的特点,机床结构模块化、数控功

15、能专门化、机床性能价格比显著提高并加快优化、个性化是近几年来特别明显的发展趋势。 5) 智能化 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面: 为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如自适应控制,工艺参数自动生成; 为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化,如前馈控制,电动机参数的自适应运算,自动识别负载自动选定模型,自整定等; 简化编程,简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程,智能化的人机界面等;  智能诊断,智能监控方面的内容,方便系统的诊断及维修等。 6) 柔性化和集成化 数控机床向

16、柔性自动化系统发展的趋势是:从点(数控单机,加工中心和数控复合加工机床) ,线( FMC, FMS, FTL, FML)向面(工段车间独立制造岛,FA) ,体(CIMS,分布式网络集成制造系统)的方向发展,另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段,是各国制造业发展的主流趋势,是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提,以易于联网和集成为目标;注重加强单元技术的开拓和完善; CNC单机向高精度,高速度和高柔性方向发展;数控机床及其柔性制造系统能

17、方便地与CAD /CAM /CAPP /MTS联结,向信息集成方向发展;网络系统向开放、集成和智能化方向发展。(二)CNC系统的组成：CNC系统主要由硬件和软件两大部分组成。其核心是计算机数字控制装置。它通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。CNC系统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。CNC系统有很多种类型，有车床、铣床、加工中

18、心等的CNC系统。但是，各种数控机床的CNC系统一般包括以下几个部分：中央处理单元CPU、存储器（ROM/RAM）、输入输出设备（I/O）、操作面板、显示器和键盘、纸带穿孔机、可编程控制器等。图4-1所示为CNC系统的一般结构框图。 可编程控制器PLC CNC控制器 计算机硬件与数控系统软件 输出设备打 印 机穿 孔 机电 传 机显示设备 输入设备编程计算机 操作面板电子手轮纸带阅读机程序 电气控制单 元机床电器速度控制单 元 位置检测 进给电机主轴控制 单 元主轴电机 图4-1 CNC系统的结构框图 在图4-1中所示的整个计算机数控系统的结构框图，数控系统主要是指图中的CNC控制器。CNC控

19、制器由计算机硬件、系统软件和相应的I/O接口构成的专用计算机与可编程控制器PLC组成。前者处理机床轨迹运动的数字控制，后者处理开关量的逻辑控制。(三)CNC系统的功能和一般工作过程：（一）CNC系统的功能  CNC系统由于现在普遍采用了微处理器，通过软件可以实现很多功能。数控系统有多种系列，性能各异。数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。CNC系统的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能M指令代码上。根据数控机床的类型、用途、档次的不同，CNC系统的功能有很大差别，下面介绍其主要功能。&

20、#160;1. 控制功能  CNC系统能控制的轴数和能同时控制（联动）的轴数是其主要性能之一。控制轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。一般数控车床只需二轴控制，二轴联动；一般数控铣床需要三轴控制、三轴联动或212轴联动；一般加工中心为多轴控制，三轴联动。控制轴数越多，特别是同时控制的轴数越多，要求CNC系统的功能就越强，同时CNC系统也就越复杂，编制程序也越困难。 2. 准备功能  准备功能也称G指令代码，它用来指定机床运动方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环

21、等指令。对于点位式的加工机床，如钻床、冲床等，需要点位移动控制系统。对于轮廓控制的加工机床，如车床、铣床、加工中心等，需要控制系统有两个或两个以上的进给坐标具有联动功能。 3. 插补功能  CNC系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。由于轮廓控制的实时性很强，软件插补的计算速度难以满足数控机床对进给速度和分辨率的要求，同时由于CNC不断扩展其他方面的功能也要求减少插补计算所占用的CPU时间。因此 ，CNC的插补功能实际上被分为粗插补和精插补，插补软件每次插补一个小线段的数据为粗插补，伺服系统根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲的输出称为

22、精插补。有的数控机床采用硬件进行精插补。 4. 进给功能  根据加工工艺要求，CNC系统的进给功能用F指令代码直接指定数控机床加工的进给速度。 （1）切削进给速度  以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度，如100mm/min。对于回转轴，表示每分钟进给的角度。 （2）同步进给速度  以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度，如0.02mm/r。只有主轴上装有位置编码器的数控机床才能指定同步进给速度，用于切削螺纹的编程。 （3）进给倍率  操作面板上设置了进给倍率开关，

23、倍率可以从0200%之间变化，每档间隔10%。使用倍率开关不用修改程序就可以改变进给速度，并可以在试切零件时随时改变进给速度或在发生意外时随时停止进给。 5. 主轴功能  主轴功能就是指定主轴转速的功能。 （1）转速的编码方式  一般用S指令代码指定。一般用地址符S后加两位数字或四位数字表示，单位分别为r/min和mm/min。 （2）指定恒定线速度  该功能可以保证车床和磨床加工工件端面质量和不同直径的外圆的加工具有相同的切削速度。 （3）主轴定向准停  该功能使

24、主轴在径向的某一位置准确停止，有自动换刀功能的机床必须选取有这一功能的CNC装置。 6. 辅助功能  辅助功能用来指定主轴的启、停和转向；切削液的开和关；刀库的启和停等，一般是开关量的控制，它用M指令代码表示。各种型号的数控装置具有的辅助功能差别很大，而且有许多是自定义的。 7. 刀具功能  刀具功能用来选择所需的刀具，刀具功能字以地址符T为首，后面跟二位或四位数字，代表刀具的编号。 8. 补偿功能  补偿功能是通过输入到CNC系统存储器的补偿量，根据编程轨迹重新计算刀具的运

25、动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的工件。补偿功能主要有以下种类： （1）刀具的尺寸补偿  如刀具长度补偿、刀具半径补偿和刀尖圆弧补偿。这些功能可以补偿刀具磨损以及换刀时对准正确位置，简化编程。     （2）丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿或者热变形补偿  通过事先检测出丝杠螺距误差和反向间隙，并输入到CNC系统中，在实际加工中进行补偿，从而提高数控机床的加工精度。 9. 字符、图形显示功能  CNC控制器可以配置单色或彩色CRT或LCD，通过软件和硬

26、件接口实现字符和图形的显示。通常可以显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形及刀具实际移动轨迹的坐标等。 10. 自诊断功能  为了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明故障的类型和部位，以减少停机时间，CNC系统中设置了各种诊断程序。不同的CNC系统设置的诊断程序是不同的，诊断的水平也不同。诊断程序一般可以包含在系统程序中，在系统运行过程中进行检查和诊；也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障的部位。有的CNC可以进行远程通信诊断。 11. 通信功能  

27、为了适应柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）的需求，CNC装置通常具有RS232C通信接口，有的还备有DNC接口。也有的CNC还可以通过制造自动化协议（MAP）接入工厂的通信网络。 12. 人机交互图形编程功能  为了进一步提高数控机床的编程效率，对于NC程序的编制，特别是较为复杂零件的NC程序都要通过计算机辅助编程，尤其是利用图形进行自动编程，以提高编程效率。因此，对于现代CNC系统一般要求具有人机交互图形编程功能。有这种功能的CNC系统可以根据零件图直接编制程序，即编程人员只需送入图样上简单表示的几何尺寸就能自动地计算出全部交点、切

28、点和圆心坐标，生成加工程序。有的CNC系统可根据引导图和显示说明进行对话式编程，并具有自动工序选择、刀具和切削条件的自动选择等智能功能。有的CNC系统还备有用户宏程序功能（如日本FANUC系统）。这些功能有助于那些未受过CNC编程专门训练的机械工人能够很快地进行程序编制工作。 （三）CNC系统的一般工作过程 1. 输入  输入CNC控制器的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数。机床参数一般在机床出厂时或在用户安装调试时已经设定好，所以输入CNC系统的主要是零件加工程序和刀具补偿数据。输入方式有纸带输入、键盘输入、磁盘输入，上级计算机DNC

29、通讯输入等。CNC输入工作方式有存储方式和NC方式。存储方式是将整个零件程序一次全部输入到CNC内部存储器中，加工时再从存储器中把一个一个程序调出。该方式应用较多。NC方式是CNC一边输入一边加工的方式，即在前一程序段加工时，输入后一个程序段的内容。 2. 译码  译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中零件的轮廓信息（起点、终点、直线或圆弧等），F、S、T、M等信息按一定的语法规则解释（编译）成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。编译过程中还要进行语法检查，发现错误立即报警。 3. 刀具补偿  刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。为了方便编程人员编制零件加工程序，编程时零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的，与刀具尺寸无关。程序输入和刀具参数输入分别进行。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹按系统存储的刀具尺寸数据自动转换成刀具中心（刀位点）相对于工件的移动轨迹。 刀具补偿包括B机能和C机能刀具补偿功能。在较高档次的CNC中一般应用C机能刀具补偿，C机能刀具补偿能够进行程序段之间的自动转接和过切削判断等功能。 4. 进