数控系统的应用越来越广泛，需求越来越大，其技术研究与发展越来越深入。这将提高社会生产率与产品质量，为社会创造巨大的财富！  关键词：数控系统 功能应用 研究进展 发展趋势 

 Abstrect: The application of NCS has been more and more widely used and the require is bigger and bigger ． Its research and development becomes deeper and deeper ． This will improve the effective of society and the quality of production．Also it will   

make great poverty for the society．

一、引言    

 从1952年数控机床的诞生到现在，数控技术随着计算机技术和微电子技术的发展经历了飞速的发展。数控系统集微电子、计算机、信息处理、自动检测和自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能 化起着举足轻重的作用。近10年来，由于国外很多知名公司的潜心研究和大力开发，各种不同层次的数控系统和数控设备快速产生并迅速发展，数控系统正在发生着日新月异的变化。

二、 数控系统的发展历史

2.1 数控系统的概念 

数控系统是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它集计算机、机械加工、微电子和自动 控制多项技术于一体，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项高新技术。从20世纪70年代以来， 以数控机床为代表的现代基础机械已成为制造工业最重要的技术特征，数控机床水平的高低和机床数控化率的高低已成为衡量国家工业化水平高低的重要标志。随着数控技术的发展和在生产过程中的广泛应用，传统的机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性的变化，加工精度和速度提高，生产效率大幅度增长，加工品质得到了极大完善，并实现了人工很难做到的对各种复杂工件的自动加工。数控系统发展的同时也奠定了柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）的基础。 

2.2 数控系统的发展现状

 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测和自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动 化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制和神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成一体和机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。 加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD／CAM及自动编程系统进行编制。CAD／CAM和CNC6之间没有反馈控制环节,整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长和加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD／CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工品质。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。

 三、国内的主要数控系统

3.1 华中数控系统

武汉华中数控股份有限公司创立于1994年，是我国数控系统的龙头企业。公司开发了具有自主版权的华中I型和“世纪星”系列数控系统产品，七轴五联动数控产品打破了国外技术封锁，成为我国大型国有装备制造企业选用的首台全国产化高档数控设备。

(1)  华中“世纪星”HNC一21／22数控系统：华中“世纪星”HNC 一21／22数控系统具有低价格、高性能、简单、可靠、结构牢靠，造型美观，体积小巧等特点。采用彩色液晶显示器，具有高亮度、高对比度，色彩明亮，视角宽广等优点。支持6轴联动和全闭环控制，适用于各种车、铣床加工中心等机床的控制，采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD／CAM自动编程系统兼容。具有极高的性能价格比。  

 HNC一21i／22i五代数控系统采用新的结构设计，SMT电路，CPU主板散热外露设计，支持U盘，采用CAN总线支持I／0扩展，最多支持8轴控制，采用新的面板塑料件模具外观更美观。

(2)世纪星HNC一18i／t9iXP系统：世纪星HNC—18i／19iXP是世纪星HNC一21／22的一种“精简”机型，基本保留了世纪星HNC一21／22的全部指令和功能，主要区另4是显示屏的尺寸和控制轴数。采用CPU主板一体化设计，支持U盘，采用新的面板塑料件模具外观更美观，安装波段开关和三位控制开关方便操作。世纪星HNC一18i／19iXP控制电路采用32位微处理器，超大规模集成电路芯片，专用门阵列器件完成数控系统硬件插补，实现高速、离精控制。整个工艺采用表面贴装元器件，整体结构简单，外部接口专用化，减化了数控单元与外部单元的联接。数控单元采取全密封结构，机箱上无散热风扇，适应复杂、恶劣的工业环境使用；数控单元内部连接电缆极少。这些工艺使整套系统结构更为紧凑，可靠性进一步提高。华中世纪星HNC一18i／19iXP数控系统以工业PC硬件平台+软件完成全部NC功能，可以控制三个进给轴和一个主轴，最大联动轴数为3轴。可应用于数控车、铣、 磨、以及专用数控机床。                                                 

 (3)新一代基于以太网技术的高性能数控系统HNC一21／22Me：华中数控“世纪星”系列的HNC一21／22Me型数控系统，是基于以太网技术，采用先进的开放式体系结构，在Linux实时操作系统下实现的高性能数控系统。实现了系统与伺服驱动、主轴、I／O的全数字通信，满足高性能数控系统的实时、同步、多轴和可靠的要求。可以在工厂级、车间级、现场级使用以太网，一网到底。开放性好、扩展性好、可裁减、配置灵活，可实现半闭环、全闭环控制、高速、高精加工能力。最大节点个数可扩展到128个。 

3.2 广州数控系统

 广州数控(GSK)始建于1991年，十多年来致力于专业研发、生产机床数控系统、伺服驱动装置与伺服电机，推广机床数控化普及的大型高新技术企业。数控系统方面主要产品有：CSK系列车床、钻铣床、加工中心数控系统。 

(1)  GSK普及型车床控制系统GSK218TB、GSK218T、GSK980TB、GSK980TBl采用32位高性能CPU和超大规模可编程器件FPGA，运用实时多任务控制技术和硬件插补技术，实现斗m级精度运动控制。GSK 980TD为新一代的普及型车床数控系统，采用32位高性能CPU和超大规模可编程器件FPGA，运用实时多任务控制技术和硬件插补技术，实现斗m级精度运动控制和PLC逻辑控制。CSK980TDa又是在GSK980TD基础上改进设计的新产品，显示器升级为7英寸彩色宽屏LCD，并增加了PLC轴控、Y轴控制、抛物线／椭圆插补、语句式宏指令、自动倒角、刀具寿命管理和刀具磨损补偿等功能。 

(2)  GSK 928TE、CSK 928TC、CSK 928TC一2、GSK 928TA、GSK 928TB为经济型肛m级车床数控系统。采用大规模门阵列进行硬件插补，最高速度15米／分，在自动循环加工指令方面各有特点。 

(3)  GSK 980TDl、GSK25T是中档车床数控系统。具备PLC梯形图显示、实时监控功能，提供操作面板I．／O接口，可由用户设计、选配独立的操作面板。 

(4)  铣床数控系统CSK 990MA、GSK 928MA。GSK990MA为普及型铣床数控系统，采用32位高性能的CPU和超大规模可编程器件FPGA，实时控制和硬件插补技术保证了系统“m级精度下的高效率，可编辑的PLC使逻辑控制功能更加灵活强大。GSK 928MA可控四个坐标轴，四轴直线插补、二轴圆弧插补，二十二种铣、钻、攻牙循环加工指令和参数编程功能。

(5)  钻、铣床数控系统GSK 980MD。广州数控研制的新一代普及型铣床CNCC—SK980MD是CSK9801VlC的升级产品，采用了32位高性能CPU和超大规模可编程器件FPCA，运用实时多任务控制技术和硬件插补技术，实现“m级”精度运动控制和PLC逻辑控制。 

3.3 航天数控系统 

北京航天数控隶属于航天长峰股份有限公司，是国家定点机床数控系统研发中心和产业化基地，主要从事机床数控系统及其配套产品的设计、开发、生产、销售和服务，机床数控化改造工程。近期成功开发的开放式2l系列数控系统和DSSU02系列全数字交流伺服，达到国CIMS提供技术支持。其典型应用有车床、铣床、钻床、磨床、加工中心、螺杆铣、凸轮磨、火焰切割、玻璃雕刻、

4轴机器人控制，4轴激光表面处理控制等。这种开放式的平台结构系统既可以为用户提供最终产品，也可为其他数控系统生产厂家和工业过程控制用户提供OEM的软、硬件产品。  航天CASNUC2100E数控系统是一个将PCI04板嵌入到控制系统中的一体化的车／铣床闭环数控系统。该系统是将控制系统、显示面板、操作面板集于一体，结构紧凑，易于安装；彩色LCD显示，具有功能全面、性能可靠、连接简单、性价比高等优点。CASNUC 2100E数控系统适用于车床、铣床、钻床、磨床等4轴以下的机械设备控制。  四、国外主要的数控系统

4.1 西门子数控系统  西门子数控系统是西门子集团旗下自动化与驱动子集团的产品，西门子凭借在数控系统及驱动产品方面的专业思考与深厚积累，不断制造出机床产品的典范之作，为自动化应用提供了日趋完美的技术支持。三十多年来西门子数控系统SINUMERIK发展了很多代。目前在广泛使用的主要有802、810、840等几种类型。

(1)  SINUMERIK802D具有免维护性能的SINUMERIK802D，其核心部件 PCU(面板控制单元)将CNC、PLC、人机界面和通讯等功能集成于一体。可靠性高、易于安装。SNUMERIK802D可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴。通过生产现场总线PROFIBUS将驱动器、输入输出模块连接起来。模块化的驱动装置SIMODRIVE611ue配套1FK6系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。通过视窗化的调试工具软件，可以便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化。          

(2)  SINUMERIK 810D在数字化控制的领域中，SINUMERIK 810D第一 次将CNC和驱动控制集成在一块板子上。快速的循环处理能力，使其在模块加工中独显威力。SINUMERIK 810D NC软件选件的一系列突出优势可以帮助用户在竞争中脱颖而出。例如提前预测功能和坐标变换功能，提前预狈4功能可以在集成控制系统上实现快速控制，坐标变换功能可以用固定点停止来卡紧工件或定义简单参考点。刀具管理也是一种功能强大的管理软件选件。样条插补功能(A，B，C样条)用来产生平滑过渡；压缩功能用来压缩NC记录；多项式插补功能可以提高810D／810DE运行速度。温度补偿功能保证您的数控系统在这种高技术、高速度运行状态下保持正常温度。此外，系统还为用户提供了钻、铣、车等加工循环。

(3), SINUMERIK 840DSINUMERIK 840D是西门子的高端数控系统，采 用32位微处理器，具有大量的控制功能且在使用中不会相互影响。全数字化的系统、革新的系统结构、更高的控制品质、更高的系统分辨率以及更短的采样时间，适于各种复杂加工任务的控制，具有优于其它系统的动态品质和控制精度。 

4.2  FANUC数控系统

FANUC公司是生产数控系统的著名厂家，该公司自60年代生产数控系统以来，已经开发出40多种的系列产品。FANUC公司目前生产的数控装置有F0、F10／F1I／F12、F15、F16、F18系列。各系列数控系统的特点是： 

(1)高可靠性的PowerMate 0系列：用于控制2轴的小型车床，取代步进电机的伺服系统；可配置画面清晰、操作方便，中文显示的CRT／MDI，也可配性能／价格比高的DPL／MDI。                      

(2)普及型CNC 0一D系列：o—TD用于车床，o—MD用于铣床及小型加工中心，o—GcD用于圆柱磨床，o—GSD用于平面磨床，0一PD用于冲床。 

(3)全功能型的0一C系列：0川C用于通用车床、自动车床，o—Mc用于铣床、钻床、加工中心，o—Gcc用于内、外圆磨床，o—cSc用于平面磨床，0一TrC用于双刀架4轴车床。

(4)高性能／价格比的oi系列：整体软件功能包，高速、高精度加工，并具有网络功能。0i—MB／MA用于加工中心和铣床，4轴4联动；0i—TB／TA用于车床，4轴2联动，0i—mate MA用于铣床，3轴3联动；0i—mate’rA用于车床，2轴2联动。 

(5)具有网络功能的超小型、超薄型CNC 16i／18i／21i／30i系列：控制单元与LCD集成于一体，具有网络功能，超高速串行数据通讯。其中FSl6i—MB的插补、位置检测和伺服控制以纳米为单位。16i最大可控8轴，6轴联动；18i最大可控6轴，4轴联动；21i最大可控4轴，4轴联动。Fanuc30i系统，具有10通道，八根主轴，可控进给轴数达32轴，可联动控制进给轴数达24个，能同时运行十个独立的数控加工程序，具有轴同步、混合、叠加控制等功能。除此之外，还有实现机床个性化的CNC 16／18／160／180系列。FANUC公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，在市场的占有率最高。 

4.3  NUM数控系统     

NUM公司是法国著名国际性公司施耐德电气公司的子公司，专门从事CNC数控系统的开发和研究，欧洲第二大数控系统供货商。主要产品有：NUMl020／1040 7 NUMl020M? NUMl020T?NUMl040M，NUMl040T、NUMl060、NUMl050 7NUM驱动及电机。NUM数控系统的技术特点：

（1）NUMl020／1040   NUMl020／1040数控系统是NUM公司于1995年开发出的全新数控系统，是紧凑且功能完善的32位数控系统，并且和  14  NUMl060系列系统完全兼容，特别适合于1至6轴的数控机床。

（2）NUMl020T   NUMl020T基本单元适用于铣床的2—4轴CNC内装式可编程控制器(PLC)32位CPU超大规模集成电路CISC。NUM 1040M基本配置基本单元适用于铣床，镗床和加工中心的CNC内装式可编程控制器(PLC)32位CPU超大规模集成电路CISC。NUM 10d0T基本配置基本单元适合2—4轴双刀架车床中心的CNC内装式可编程控制器PLC 32位CPU超大规模集成电路CISC。 

（3）NUM 1060   NUM 1060模块化、大功率的多轴组CNCNUM 1060专为金属加工处理(铣、车、磨)，木材加工以及各种切齿机、特种机床及线性或回转组合机床等设计，以其完善的性能及灵活的控制特性为主要特色。1060控制单元控制2到32轴加工机床、32位SISC处理器、CNC分辨率为l micron，0．1 micron或0．01 micron、最大进给率为240m／min、高精密的图形轮廓描绘：最多9轴插补、1至4个主轴和手轮控制、多轴组(1至8个)、可处理2048个输入／输出点的内藏式PLC、Fipway通讯模组。 

4.4  Heidenhain数控系统     

海德汉公司是一家拥有100多年历史的专门生产高精密测量元件和数控系统的跨国集团公司，其数控系统产品号称在欧洲销售第一。由于多年来从事精密模具加工，对加工速度及精度的提升有着深刻、独到的见解，所生产的高性能数控系统和测量反馈元件在模具加工和高精密加工领域中得到了广泛的应用。目前Heidenhain数控系统主要有适用于铣、钻、镗和加工中心的TNC系列和适用于车削加工的MANUALplus系列，如下所示： 产品型号：特点  TNC 124 ：3个闭环控制轴1个开环控制轴(位置显示)，适用于小型铣 床、钻床和镗床数控系统。  TNC320：3个闭环轴加伺服控制主轴s，适用于铣床、钻床和镗床的紧 凑型轮廓加工数控系统。  TNC620：3个闭环轴加伺服控制主轴S，适用于铣、钻和镗机床的理想 数控系统。  iTNC530：最多13轴加主轴或12轴加2个主轴。  MANUALplus 4110：2个控制轴X／Z，控制主轴和1个动力驱动刀具。MANUALplus 620：2个控制轴X／Z，控制主轴。  海德汉iTNC530是一个多功能的，面向车间的铣、钻、镗等机床和加工中心轮廓加工的通用性控制系统。该系统的数据处理时间比TNC系列产品快8倍，所配备的“快速以太网”通讯接口能以100Mbit／s的速率传输程序数据，比TNC系列快了10倍，新型程序编辑器具有大型程序编辑能力，可以快速插入和编辑信息程序段。在新系统中，该公司首次将NC主控计算机与驱动控制单元分开，并装了英特尔处理器。该机采用15英寸高分辨率XGA显示器(1025 X768)或10．4英寸(640×480)VGA显示器显示。任何熟悉TNC系统的操作者很快便可以掌握这种新系统的操作。机械师不必记忆G代码，只需要用组合键按键就可以编制线段、弧段、循环程序。    

五、数控系统的发展趋势 

5.1 数控系统向开放式体系结构发展20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快地更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用,PC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、适应性和可扩展性，易于实现智能化和网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统。 

5.2  数控系统向软数控方向发展  现在，实际用于工业现场的数控系统主要有四种类型: 传统数控系统; “PC嵌入NC”结构的开放式数控系统; “NC嵌入PC”结构的开放式数控系统; SOFT型开放式数控系统。它们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，而且出现了从硬数控向软数控方向发展的趋势。 

5.3  数控系统控制性能向智能化方向发展      智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。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、三维刀具补偿和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。世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装 置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。 

5.4  数控系统向网络化方向发展  数控系统的网络化，主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称“e制造”，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时，要求具有远程通讯服务等功能。             

5.5 数控系统向高可靠性方向发展  随着数控机床网络化应用的日趋广泛，数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16h内连续正常工作，无故障率在P(t)=99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000h。我们只对某一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1（数控的可靠比主机高一个数量级），此时数控系统的MTBF就要大于33333.3h， 

  而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万h。如果对整条生产线而言，可靠性要求还要更高。当前国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，驱动装置达30000h以上，可以看到距理想的目标还有差距。 

5.6 数控系统向复合化方向发展  在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。 

5.7数控系统向多轴联动化方向发展  由于在加工自由曲面时，三轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，进而对工件的加工品质造成破坏性影响，而五轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率。因此，各大系统开发商不遗余力地开发五轴、六轴联动数控系统，随着五轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及，五轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。 

六、结语 

本文介绍了机床的数控系统、数控系统的发展以及国内外主要的数控系统类型，数控系统是随现代计算机技术、电子技术发展同步的，同时也是根据生产发展的需要而发展的。现在数控技术已经成熟，今后的发展将更快、更好用、更加便宜。虽然在发展过程中还有很多问题有待解决，但是我们坚信，随着这些问题的逐步解决，新一代数控系统将会进一步推动现代制造业的发展。 

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