数控机床控制的分析介绍，

1.数控及数控机床概念

广义地讲，数控是数字控制（Numerical Control，NC）的简称，是采用数字化的信息对某一对象的工作过程进行自动控制的技术。其控制对象可以是位移、角度、速度等机械量，也可以是其他物理量，本书特指机床数控技术。

机床一般是指将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称为“工作母机”或“工具机”，习惯上简称机床。根据国家制定的机床型号编制方法，机床分为11大类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、锯床和其他机床。在每一类机床中，又按工艺范围、布局形式和结构性能等分为若干组，每一组又分为若干个系（系列）。在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占机器总制造工作量的40%～60%，它在国民经济现代化的建设中起着重大作用。

数控机床是指采用数字控制技术控制的金属切削机床，其数字控制装置的核心部分称为数控系统。数控系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码控制机床动作，对零件进行加工。它涉及多个技术领域，主要有机械制造技术、信息处理加工传输技术、自动控制技术、伺服驱动技术、传感器技术和软件技术等技术。

2.数控机床的发展史

1947年，美国帕森斯（Parsons）公司为了精确地制造直升机的机翼、桨叶和飞机框架，提出了用电子计算机控制机床来加工形状复杂零件的设想。1949年，美国空军为了能在短时间内制造出经常变更设计的火箭零件，与帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究所（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，开始了三坐标铣床的数控化工作，于1952年研制成功世界上第一台数控机床——三坐标数控铣床。经过三年的试用和改进，于1955年获得了美国空军的批量采购，这标志着数控机床进入了实用阶段。此后，德国、英国、日本和前苏联等国也开始了数控机床的研制开发工作。1959年美国Keaney&Treckre公司开发出了具有刀具库、刀具交换装置和回转工作台的数控机床，该机床可以实现在一次装夹中对工件的多个面进行钻孔、铰孔、攻螺纹、镗削、铣削等多种加工。这不仅提高了生产率，而且使加工精度也大大提高。这类带有刀具库和自动换刀装置的数控机床称为加工中心（Machining Center）。

自1952年美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等技术的发展，作为数控机床核心的数控技术也在迅速地发展和不断地更新换代，至今已先后经历了8个发展阶段。

第1代数控机床：1952～1959年采用电子管元件构成的专用NC系统。

第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。

第3代数控机床：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。

第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（Computer Numerical Control，CNC）。

第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制的系统（Microcomputer Numerical Control，MNC）。20世纪70年代初，随着大规模集成电路、半导体存储器、微处理器的问世，通用小型计算机出现并逐渐普及，给数控技术带来了突破性的发展。原来由硬件实现的功能逐步改由软件完成，数控系统进入了“软连接”时代。1974年，首次出现了采用微处理器芯片的软连接CNC系统，象征着数控系统进入了以微机为背景的第5代。这一发展真正实现了机电一体化，进一步缩小了体积，降低了成本，简化了编程和操作，使数控系统达到了普及的程度。

第6代数控机床：20世纪70年代末～80年代初，随着超大规模集成电路、大容量存储器、CRT的普及应用，CNC系统进入了第6代。它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为完备，具备了多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互式对话编程、三维图形动画显示/校验、实时软件精度补偿等功能。在系统体系结构上，开始出现了柔性化、模块化的多处理机结构，数控系统产品也逐步实现了标准化、系列化。

第7代数控机床：高精度CNC开发与应用阶段。

为了实现高速、高精度的曲面轮廓精加工，必须提高微轮廓线的解释处理能力和伺服驱动特性。为保证零件程序的传送、插补、加工线速度控制等连续处理，CNC系统应具有足够的数据处理速度和能力。32位CPU以其很强的数据处理能力在CNC中得到了应用，使CNC系统进入了面向高速、高精度的时代。1986年，三菱电机公司率先推出了CPU为68020的32位CNC，掀起了32位CNC的热潮，并逐渐成为当今数控系统的主流。

第8代数控机床：基于PC的开放式CNC的开发与应用。

进入20世纪90年代，个人计算机（Personal Computer，PC）的性能提高很快，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC生产批量很大，价格便宜，可靠性高。1994年，基于PC的CNC控制器在美国首先亮相市场，并在此后获得了高速发展。PC的引入，不仅为CNC提供十分坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为CNC的开放化提供了基础。

3.数控机床的发展趋势

数控技术已经广泛应用于世界各国信息产业、生物产业、国防工业中，使得各国的制造能力和水平得到了提高，市场的适应能力和竞争能力也不断地加强。如美国等工业发达国家还将数控技术及高端数控机床列为国家的战略物资，大力发展数控技术及其产业。

进入20世纪90年代以来，现代微电子技术、计算机技术、检测与控制技术的飞速发展，使CNC系统的结构发生重大变革，控制性能和系统功能得到大幅度提高和增强，并且随着各项新技术的涌现，数控机床的其他功能部件在质量和性能上也得到大幅度提升。

另外，人工智能技术的发展与计算机技术相结合，极大地推进了数控系统的智能化程度。如加工过程的自适应控制、工艺参数的自动生成、智能化的伺服驱动、智能化的自动编程、智能诊断和监控等技术，进一步改善了机床的性能、功效和操作性。

从整体技术水平上看，数控机床主要呈现出以下几个方面的发展趋势。

（1）高速化发展(www.xing528.com)

由于加工零件的辅助时间大幅度降低，在机械加工中的总工时中，切削所占的时间比例就变得越来越大。因此，要想进一步提高机床的生产率，只有大幅度地降低切削工时，才有可能出现新的飞跃。采用比常规切削速度高出一个数量级的高速切削技术，其具有切削力低、工件热变形小、材料切除率高、加工精度好等特点，正在成为金属切削领域的发展研究方向之一。而高性能数控系统的产生为实现高速切削提供了控制技术的保证，特别是高速切削机理、高速加工技术、高速加工用刀具技术、高速加工工艺技术以及高速加工测试技术等在近些年的突破性发展，为实现高速加工提供了基础条件。

现在，工业发达的国家都把生产高速机床作为其重要的发展目标，高速机床的生产能力和技术水平已经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。高速加工机床能否达到理想加工状态，主要取决于高速加工机床的关键单元。高速加工机床单元技术的研究内容主要包括：高速主轴单元、高速进给系统和高速CNC控制系统等。高速机床整机技术研究内容主要包括：机床床身、冷却系统、安全措施和加工环境等。

目前，高速加工中心的进给速度最高可达80m/min，空运行速度可达100m/min。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。如美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。用该机床加工薄壁飞机零件，只需30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h。

（2）精密化发展

随着现代微电子技术的发展，当今先进的CNC系统都已完成了由16位处理器向32位微处理器的过渡，大大提高了CNC的数据处理能力和程序执行速度。某些系统，如FANUC FS15系列等，还开发出采用64位精简指令集微处理器（RISC）的系统。不少系统通过配置多微处理器实现分散处理，采用实时多任务操作系统进行并行处理等措施，进一步提高系统的数据处理速度，为高精度加工控制指标的实现创造了必要的条件，使得高速进给运动控制中的自适应平滑升降速控制、自由曲线加工的内部矢量精插补等复杂算法得以实现，系统的控制指标大幅度提高，如FANUC 15系统在最小设定单位可达0.1μm。此外，一些高性能数控系统如三菱、FANUC等还推出了新的插补功能，如样条曲线、NURBS曲线的插补功能，简化了编程，提高了曲线、曲面的加工精度。同时，一些新的实时误差补偿技术的应用，进一步提高了数控系统的加工控制精度。

随着机床各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。

（3）高效化发展

对机床高速及精密化要求的提高，导致了对加工工件制造速度的要求提高。同时，由于产品竞争激烈，产品生命周期快速缩短，模具的快速加工已成为缩短产品开发时间必须具备的条件。对制造速度的要求致使模具加工机床朝着高效能、专业化机种发展。

（4）开放化发展

目前制造业中使用的CNC系统，大多是基于专用计算机设计而成的，这给系统的使用维护、更新换代、系统集成带来很多不便。随着PC技术的引入以及PC文化的启迪，越来越多的系统开发商认识到，基于模块化、标准化、开放化的柔性化结构体系对CNC技术的发展具有重大意义。这有利于共享通用的软硬件资源和集中一致的测试服务，节省开发与维护的费用。当使用环境变更或技术变更时，能通过扩展、升级和增强的方法迅速满足新的需求。

（5）复合化发展

产品外观曲线的复杂化致使模具加工技术必须不断升级，机床五轴联动加工、六轴联动加工已日益普及，机床加工的复合化已是不可避免的发展趋势。目前，复合化呈现了车—铣复合、车—磨复合、成形复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司DMU Voution系列加工中心，可一次装夹实现5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或由CAD/CAM直接或间接控制。

4.世界数控机床生产概况

根据2006年中国机床工具工业协会和中国台湾省机器工业同业公会（TAMI）统计的数据显示：2006年世界机床产值为592.5亿美元。世界机床生产前五名依次是：日本135.2亿美元、德国107.8亿美元、中国70.6亿美元、意大利54.5亿美元和韩国41.4亿美元。另外，2008年的统计数据显示，全球机床产值达816亿美元，达到了顶峰。由于受到经济危机等因素的影响，2009年世界机床产值554.9亿美元，产销量有所下降。

从2003年开始，我国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。2005年我国机床消费107.8亿美元，占世界金属加工机床生产总额的20%；而2006年我国机床消费131.1亿美元，占世界机床生产总额的22%。

由于国内需求旺盛，在全球经济危机的情况下，我国是唯一的机床产值2009年超过2008年的国家。2009年我国机床产值为153亿美元，消费机床197.86亿美元，消费机床总量占当年世界机床产值的35.7%。

5.我国数控机床发展概况

我国从1958年开始由北京机床研究所和清华大学等单位首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始研制晶体管数控系统，直到20世纪60年代末～70年代初，研制出劈锥数控铣床、非圆插齿机等并获得成功。与此同时，还开展了数控铣床加工平面零件自动编程的研究。1972～1979年是数控机床的生产和使用阶段，例如清华大学成功研制了集成电路数控系统；在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究和应用数控技术；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从20世纪80年代开始，随着改革开放政策的实施，我国先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北京机床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术；上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航天二院706所研制出MNC864数控系统等。到“八五”末期，我国数控机床的品种已有200多个，产量已经达到年产10000台的水平，是1980年的500倍。

2007年，数控机床产量逾越百台的企业已经达到138家。此外，一批高精、高速、高效，一批多坐标、复合、智能型，一批大规格、大吨位、大尺寸的数控机床新产品已经开始进入国家重点用户应用领域。如沈阳机床集团开发带AB轴的龙门加工中心和立式车铣中心已应用于航空工业；齐齐哈尔重型数控装备公司开发数控重型曲轴加工机床已能够加工出43t的船用重型曲轴等。

我国机床行业正处于高速发展时期，行业总产值和销售收入连续6年保持20%以上的增长，数控机床消费连续5年位居世界第一。“十一五”期间，国家高度重视和支持发展国产数控机床，制定了数控机床发展规划，出台了相应的扶持政策，计划到2010年，国产数控机床占国内市场比重达50%。

2008年12月，《高档数控机床与基础制造装备科技重大专项》得到国家批准。专项对高档数控机床等重大装备、数控系统、功能部件与关键部件、共性技术、创新平台建设及应用示范工程做出了安排。机床工具行业自主创新能力得到进一步提高，为国产高档数控机床的继续发展奠定了坚实的技术基础。

但是，由于我国工业基础相对单薄、以企业为主体的创新体系尚未建立、数控机床产业化时间短等原因，技术上和产业上与西方发达国家相比还存在一定差异。首先是新产品开发能力缺乏。从行业总体看，基础技术和关键技术研究还很薄弱，基础开发理论研究、基础工艺研究和应用软件开发还不能适应数控技术快速发展的要求，全行业科技人才缺乏，缺乏高级技术人员，科技投入和科研设施尚不适应等。其次是功能部件发展滞后。数控机床的发展需要高水平、专业化、规模化生产的功能部件作基础，而目前我国在这方面还很落后。据了解，大多数中高档数控机床主要配套的还是FANUC和SIEMENS等国外数控系统。用户选购国产机床时，普遍提出选用境外功能部件的要求，刀库、机械手、数控刀架、滚珠丝杠和导轨、电主轴等主要还是选择日本、德国或中国台湾省的产品。功能部件发展的滞后性，将制约国产中高档数控机床的发展。