第一节

一、数控发展的简史

1948年，美国派尔逊斯公司研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板。由于样板形状复杂、精度高，于是提出计算机控制机床的设想。1957年，该种机床开始量产使用。但当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在少数有特殊需要的部门用来加工复杂型的零件。1959年，制成了晶体管元件和印制电路板，使数控装置进入了第二代。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，体积小，功耗少，可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。20世纪60年代末，出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统DNC；采用小型计算机控制的计算机数控系统CNC，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。

1974年，研制成微处理器和半导体存储器的微型计算机数控装置MNC，这是第五代数控系统。20世纪80年代初，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置趋于小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。

二、数控市场的现状

1．数控机床

在国际机床市场上，数控产品最出名的就数德国、美国、日本三国了。

在机械制造领域，美国的机床主机设计与制造、数控系统，广泛应用于汽车行业、航天航空行业、医疗设备制造业等，技术水平世界领先，几家举世闻名的机床厂商如哈斯（Haas）、哈挺（Hartinge）、辛辛那提（Cincinnati）、英格索尔（Ingersoll）格里森（Gleason）等公司长期以来均以高精度、高效率、高度自动化作为自己的发展目标。作为与数字自动控制相对应的领域，CNC Software公司开发出Mstercam CAD／CAM软件，以便绘图及自动编程。美国由于其机床具有优异的性能特点，一直是国际上高档数控机床的重要出口商，而中国是它最大的客户。

德国的机床制造技术也不逊色，拥有专做数控系统的西门子公司和近年来红透半边天的德玛吉（DMG）机床制造企业。另外，还有西门子公司旗下的Siniumerk、通快（Trumpf），海德汉（Heidenhain）、巨浪（Chiron）、因代克斯（Index）、吉特迈（Gildemeister）等机床厂商，后两位更是产销量位居世界前列。为了便于自动化控制，德国还致力于数控系统、编程软件的开发，最著名的要属UG（Unigraphics NX）了，现今它也是西门子公司旗下著名的西门子自动化与驱动集团下设机构。

日本也不甘落后，二战后通过一系列的政府引导和政策刺激，从20世纪70年代起，日本大量从德国引进技术，消化后大量仿造。经过努力，日本在20世纪90年代就超越了德国，成为世界第一大数控机床生产国，直到现在还是，这个领头羊就是日本发那科（Fanuc）公司，其他如天田（Amada）、大隈（Okuma）、牧野（Makmo）等公司也都在国际上占有重要地位。日本在发展数控技术的过程中，特别注重关键技术的开发，如今具有生产业界诸多核心产品的能力，如马扎克、森精机等公司在机床复合（一机多种功能）化方面是世界第一的。

另外，瑞士的中小型精密机床长期以来独步世界，比如阿奇·夏米尔公司，小型精密机床常年来产销量世界第一。而目前占领中国机床市场的，还有一些中国台湾地区、韩国的机床，如韩国斗山、台湾永进、台湾友佳、台湾协鸿、台湾奕达等公司，这些公司的机床广泛应用在模具制造业及小型加工企业。

2．数控系统

数控系统是数控机床的核心，通常数控机床生产厂家会与数控系统的开发商合作，由数控系统的开发单位为数控机床配备合适的数控系统，如国内的蓝天，长峰等公司。

而有些数控系统的研发单位，和数控机床的生产单位同属于一家总公司，在系统的配备上会节约一部分成本，如发那科和马扎克公司。

也有的老牌研发单位早已与自己的机床生产单位分离，推出更加开放的数控系统，能够兼容绝大多数机床品牌，这个代表就是西门子公司。

在国内的数控市场，中高端市场被洋品牌占据绝对的份额，约占95％，其中就以日本的发那科和德国的西门子公司为主。其他系统还有西班牙的发格公司；德国的海德汉公司；美国的哈斯公司；日本的三菱公司、东芝公司、大隈公司、马扎克公司等。而低端的经济型机床，配备的多数都是本土开发的品牌，如武汉的华中数控系统（HNC世纪星为代表）、广州的GKS数控系统、沈阳高精的蓝天数控系统、大连大森数控系统（DASEN）、大连光洋数控系统（GONA）、北京航天数控系统、北京的凯恩帝数控系统等，他们了解中国市场的具体需求，能够有针对性地开发相对应的功能，为中小企业所青睐。

代表先进加工技术的数控系统，能够加工出以往普通机床无法加工的零部件，广泛地应用在车、船、重型机械、高精设备、军工等关键产品的生产中。德国西门子公司和日本发那科公司是跟中国合作较早的企业，发那科公司的系统不是开放性的，很多技术是封锁的；而西门子公司近年来开发的都是开放式系统，它采用高度模块化设计，系统的结构是完全透明的，用户可以根据自己的实际需求来对系统进行二次开发，满足了各种用户的需求。

本书中的编程与操作方面，都将以西门子系统的操作为例。

三、典型数控系统简介

1．发那科系统

发那科系统是日本富士通公司的产品。1992年，北京发那科机电有限公司成立。发那科公司开发出0系列后，不断改进，并通过北京发那科机电有限公司，逐渐占领中国机床市场。

1）系统结构

发那科系统是当今世界上数控系统科研、设计、制造、销售实力很强大的企业，发那科系统的典型构成如下。

（1）数控主板：用于核心控制、运算、存储、伺服控制等。新主板集成了PLC功能。

（2）PLC板：用于外围动作控制。新系统的PLC板已经和数控主板集成到一起。

（3）I／O板：早期的I／O板用于数控系统和外部的开关信号交换。新型的I／O板主要集成了显示接口、键盘接口、手轮接口、操作面板接口及RS232接口等。

（4）MMC板：人机接口板。这是个人电脑化的板卡，不是必须匹配的。本身带有CRT、标准键盘、软驱、鼠标、存储卡、串行和并行接口。

（5）CRT接口板：用于显示器接口。新系统中，CRT接口被集成到I／O板上。另外，还提供其他一些可选板卡等。

2）系统特点

（1）系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。

（2）发那科系统设计了比较健全的自我保护电路。

（3）PMC信号和PMC功能指令极为丰富，便于工具机厂商编制PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。

（4）系统提供串行RS232C接口、以太网接口，能够完成PC和机床之间的数据传输。

（5）发那科系统性能稳定，操作界面友好，系统各系列总体结构非常的类似，具有基本统一的操作界面。

（6）发那科系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件的要求不是特别高，因此适应性很强。

鉴于上述的特点，发那科系统拥有广泛的客户。

3）市场状况

发那科系统进入中国市场的历史非常悠久，目前有多种型号的产品在使用，发那科公司目前生产的数控系统型号主要有Funac0i、Funac10i、Funac16i、Funac18i、Funac21i等系列，因为F18i和F21i在国内使用时间较长，有广泛的客户基础，使用范围最广。F00／F100／F110／F120／F150系列是在F0／F10／F12／F15的基础上加了MMC功能，即CNC、PMC、MMC三位一体的CNC。

综合发那科公司的各种系统在中国机床市场的使用情况统计，发那科系统占据了中国机床系统的半壁江山，操作员的数量十分庞大，拥有最广泛的应用基础，所以每个想做机械加工的朋友，都应该或多或少地了解一下这个系统，这是跨入数控操作这个门槛的必修课。

2．西门子系统

在1960—1964年，西门子的工业数控系统在市场出现。在1964年，西门子公司为其数控系统注册品牌“SINUMERIK”。1984—1994年，西门子公司相继推出SINUMERIK840C系统。西门子公司从此时起开始开放NC数控自定义功能，公布PC和HMI开放式软件包。基于系统的开放性，西门子公司显著提高了其OEM机床制造商定制他们设备的可能性。

在1996—2000年，西门子公司推出SINUMERIK840D系统、SINUMERIK810D系统、SINUMERIK802D系统。人与机器相关的安全集成功能已经集成到软件之中。面向图形界面编程的ShopMill和ShopTurn能够帮助操作工以最少的培训时间快速上手，且易于操作和编程。

SINUMERIK840D是由数控及驱动单元NCU（Numerical Control Unit），人机交互设备MMC（Man Machine Communication），可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller）三部分模块组成。在集成系统时，通常将伺服驱动和数控单元并排放在一起，并用设备总线互相连接，它也可以理解成是一个独立的部分。

（1）NCU，即中央控制单元，负责NC数控系统所有的功能，机床的逻辑控制，还有和MMC的通信，它由一个COM CPU板，一个PLC CPU板和一个DRIVE板组成。

（2）MMC负责NC数据的输入和显示，它实际上就是一台计算机，有自己独立的CPU，还可以带硬盘，带软驱，通过外设的键盘与显示器OP（Operation Panel）单元，与操作者进行交互式编程与操作控制与反馈。

（3）PLC，采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式输入输出，控制机床运动。使用的是西门子SIMATIC S7-300的软件及模块，在同一条导轨上从左到右依次为电源模块（Power Supply）、接口模块（Interface Module）、信号模块（Signal Module）。

（4）数字伺服驱动，一般都采用全数字化的SIMODRIVE611D，它包括两部分：电源模块和驱动模块（功率模块）。611D数字驱动，是新一代数字控制总线驱动的交流驱动，它分为双轴模块和单轴模块两种，可实现全闭环控制。该驱动现已成标准化，可配置多种数控系统，如海德汉系统等。

840D系统采用32位微处理器实现CNC控制，用于完成CNC连续轨迹控制以及内部集成式PLC控制，可实现钻、车、铣、磨、切、冲、激光加工和搬运设备的控制，配备611D驱动，最多可控制31个进给轴和主轴，进给和快速进给的速度范围为100～9999mm／min，具有样条插补、三阶多项式插补、控制值互联和曲线表插补，这些功能为加工各类曲线曲面零件提供了便利条件。此外，它还具备进给轴和主轴同步操作的功能，其操作方式主要有AUTO自动、JOG手动、TEACH IN示教，MDI半自动四种基本工作模式。

3．海德汉系统

海德汉公司位于德国绍姆堡，是一家集各项尖端机床配件的跨国公司，主要研制生产光栅尺、角度编码器、旋转编码器、数显装置和数控系统。海德汉公司的产品被广泛应用于机床、自动化机器，尤其是半导体和电子制造业等领域。

数控系统并不是海德汉公司的主业，而其生产的光栅尺却是垄断了国际市场的绝大部分，可以说，世界范围内80％的精密机床上配置的光栅尺，都是海德汉公司生产的。

海德汉公司在控制领域具有强势技术，生产系统和机床都配置自己的光栅尺和编码器，这就大大降低了生产开发的成本。但是，海德汉公司绝大多数生产的都是高端的机床和系统，这就会给大家造成一个“在我国海德汉公司的产品用得不多”的假象。

目前，在我国镗铣机床上常用的海德汉系统，按照功能由低到高的顺序分别有TNC124、TNC320、TNC620、TNC530、TNC640几个系列，而专门用在车床或车铣中心上的MANUALplus 620数控系统，更是在灵活的手工编程方面获得了巨大成功。

2005年，海德汉公司德国总部以3000万美元的投资总额在北京天竺空港工业区建立了占地14650m ² 的新厂区，即约翰内斯·海德汉博士（中国）有限公司，从而迈出了在中国应用研发和生产制造的步伐。

4．发格系统

西班牙发格自动化有限公司成立于1972年，隶属于西班牙蒙德拉贡（MCC）工业集团，是MCC公司专门生产数控产品的公司。发格自动化有限公司是世界著名的机床数控系统（CNC）、伺服驱动系统、数显（DRO）和光栅尺／编码器制造商。

发格自动化控制产品包括：高、中、低档可控制1～32轴的各种规格型号的数控系统、数字化交流／直流伺服驱动系统、伺服电动机、数显表、光栅尺、编码器等。其光栅尺和编码器的市场占有率更是跻身世界第二，成为海德汉公司的有力竞争对手。其产品广泛用于车、铣、镗、磨、测量、模具仿形加工、火焰／激光切割、专机等各方面。

为了给中国客户提供及时、优质的服务，西班牙发格自动化有限公司于1990年在北京设立办事处，于1997年在北京成立了独资公司——北京发格自动化设备有限公司。

因为低端市场被一些国产系统和发那科等品牌占领，而发格自动化有限公司进入中国较晚，没有这个领域的竞争力，故只能抢占中高端市场，其系统分为三个基本型号：可控三轴联动的8035 CNC、可控七轴的8055／8055i CNC、功能强大的可控32轴的8070 CNC。其中，可控七轴的8055／8055i CNC在国内应用较多。

5．马扎克系统

马扎克（MAZAK）公司是一家知名机床制造商，成立于1919年，公司产品以高速度、高精度著称，产品遍及机械业的各个行业。

2000年，马扎克公司在宁夏银川成立小巨人机床有限公司，主要生产NEXUS系列的数控车床，并具有立式加工中心及VTC系列立式加工中心。

1）马扎克系统介绍

现如今，马扎克公司机床普遍使用MAZATROL 640M和MAZATROL MATRIX这两种数控系统，更有适用于高速加工机床的MAZATROL MATRIX NANO、MAZATROL MATRIX NEXUS。

Mazatrol Fusion 640数控系统是日本山崎马扎克公司与日本三菱电机公司合作，历经4年时间开发的新一代数控系统。该数控系统以其高品质的运动控制性能和先进的信息化、智能化功能居于世界领先地位。该数控系统主要有以下三个显著的优势。

（1）Mazatrol Fusion 640数控系统使用了高性能、高速度的64位RISC结构的CPU，利用超群的数据处理能力实现了高速度、高品质的运动控制。使用Mazatrol Fusion 640数控系统可以在原有的加工模式基础上实现更高速、更精密的加工。

（2）Mazatrol Fusion 640数控系统在世界上首次使用了CNC和PC融合技术，使这种新型的CNC系统兼具传统CNC和现代PC的双方面优势，实现了数控系统的网络化、智能化功能。

由于PC和CNC的融合，Mazatrol Fusion 640数控系统可以详细准确地记载机床的运转状况，管理者在办公室或家中甚至在外地也可以通过Intranet来全面了解机床的生产状况（从零件加工的数量、种类到机床主轴的负载情况），为管理者提供了极大的方便。将数控系统接入工厂的局域网后，管理计算机可以通过网络直接访问各种有关加工工况和工作过程的数据，并实时发出各种指令，真正实现了管理过程的闭环控制。

（3）Mazatrol Fusion 640数控系统所独有的Mazatrol加工编程语言是一种应用了人工智能技术的编程语言，它融入了包含MAZAK公司70余年加工经验的智能化专家系统，使得加工程序的编写变得非常容易。

2）马扎克系统特点

马扎克系统有独步天下的内置专家系统功能，程序的编制利用马扎克公司开发的人机对话（有宁夏产专用汉语界面）方式实现了世界上最简单的编程。你只要告诉系统要加工的工件材质和使用的刀具材质，系统就会根据内置的专家库自动给出主轴转速、进给速度等切削参数。

加工向导预测功能可以根据切削条件计算出主轴的功率负荷，并且给出总的加工时间和每一把刀具的加工时间，以及每把刀具的加工时间在总加工时间中的比例，编程操作人员可以根据主轴的负荷和加工时间对程序进行进一步的优化。

当输入要加工零件的形状、要求等信息后，系统可以自动搜索并显示所需刀具和自动生成刀具的加工路径，并通过三维实体模拟加工功能，及时发现工件是否存在工件过切、是否和夹具干涉等情况，而对于一些只能显示刀具中心轨迹的系统是无法得到这样的信息。

客户自行编程确定的适宜的切削条件，可以通过切削条件学习功能进行记忆，并可在今后的编程中直接调用。

加工中使用的刀具并非通过刀位编号来管理，而是通过刀具名称直接输入功能管理的，这种世界独有的功能，可实现简单准确的刀具管理。程序编好后，系统就可以马上自动列出加工此工件所需的各种刀具，将需要的刀具和刀库内现有的刀具进行对照，并给出还需要增加的刀具，刀库内不需要的刀具和虽然有但是将要达到刀具的使用寿命的刀具。操作者可以根据这些信息方便高效地进行刀具的准备工作。

6．华中数控系统

作为国产系统的代表，华中公司的光环让国内其他的数控系统开发公司无法比拟，自打科研创业伊始，连续多次领先国内科技并突破国外技术壁垒，开发出实用的世纪星系列。

1988年，黄树槐校长参观发那科公司后，组建华中理工大学数控研究所，并于1993年成功研制华中I型数控系统，以此为契机，次年组建华中数控公司，进行科研转化。自1994年开始，华中数控公司就开始和国内各大机床厂商深度合作，和大连机床集团等主机厂组建战略同盟，使华中数控公司的研究成果，不断地在各个机械加工行业得到广泛应用。

华中数控公司面向国家重大高档数控装备的技术要求，通过自主创新，形成了系列化、成套化的中、高档数控系统产品产业化基地。华中数控公司具备较强的系统配套能力，可生产HNC-8、HNC-210、HNC-21、HNC-18／19等高档、中档、普及型数控系统，以及全数字交流伺服主轴系统、全数字交流伺服驱动系统等产品，充分满足各类用户的不同需求。

华中五轴联动数控产品打破国外技术封锁，已有一百多台成功应用在航空、船舶、汽车、电力等行业工业用户中，是目前国内唯一获得批量应用的国产高档数控系统。

华中数控公司具有自主知识产权的数字交流伺服驱动单元和主轴伺服驱动单元系列产品。具有自主知识产权的GK6、GM7系列交流伺服主轴实现了批量生产，成为目前国内唯一拥有成套核心技术自主知识产权（包括数控系统、伺服单元和电机、主轴单元及主轴电机等）和自主配套能力的企业。

四、数控系统的发展

未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。

具体来讲，当今数控机床的发展方向如下。

（1）更高的精度控制。

（2）更简单的编程操作。

（3）实时的加工状态三维跟踪。

（4）开放性的二次开发。

（5）更多的功能集成。

（6）良好的人机对话系统。

（7）以及完善的工厂联机管理。

按照这个发展潮流来看，日本的马扎克公司走在了前面，而更高昂的系统比如美国哈斯公司，也有这种竞争力。

如图1-1所示，西门子828D系统具有良好的交互式编程界面，而不需要操作人员熟记各种编程代码，操作人员只需要在程序界面选择相应的被加工图形，CRT显示区的左侧就会出现相应图形，右侧则是留给操作人员填写的诸如点位坐标、铣削方式等一系列信息，然后它将自动生成加工程序。

在加工时，CRT显示区还会有精确的刀具跟踪显示画面，这是真实的按照比例显示的实时加工模拟。

对于追赶现代科技的一个改变，这个系统也可以实现网络控制，但只能是复杂的短信息，还没有做到马扎克公司的全网络覆盖。

如图1-2所示，相对于主流的西门子840D，横排图标有变化。如果认为有了这种系统，就不用学习现在流行的通用代码，静待它被推广使用的想法，这就错了，因为各种原因，如价格、技术保密、政策限制等，这种先进的系统想要普及还有待时日。从一方面讲，无论系统如何变化，加工程序的原理是不会变的，所以应扎实地学好基本功。