数 控 技 术
ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ ＣＯＮＴＲＯＬ
数 控 技 术
面 向 21 世 纪 课 程 教 材
Textbooks Series for 21st Century
目 录
? 第一章 概论
? 第二章 数控编程技术
? 第三章 计算机数控系统的基本原理
? 第四章 进给伺服系统
第一节 数字控制技术
第二节 数控机床的构成
第三节 数控系统主要技术指标
第四节 数控系统分类
第五节 数控技术发展趋势
第一章 概论
第六节 NC机床的发展方向
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目 标
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? 掌握数控机床的组成及各部分的作用与功能
? 掌握数控机床的工作原理
? 了解数控机床的分类
? 了解数控机床的特点
? 了解数控机床及数控技术的发展
第一章 概论
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数控技术 给机械制造业带来了革命性的变化
现代数控技术 成为制造业实现自动化, 柔性化,集成化生产的基础技术
数控机床 是发展现代机械制造技术必需的基础设备
数控技术水平
的高低，数控机床拥有量的多少是
衡量一个国家工业现代化水平的重
要标志
图片
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第一节 数字控制技术
?数字控制 （ NC Numerical Control）
?计算机数字控制 （ CNC Computer Numerical Control）
数字控制系统的特点,
? 可用不同字长表示不同精度的信息 ;
? 利用算术运算进行复杂的信息处理 ;
? 利用逻辑运算实现按不同指令进行不同方式的信息处理,
用软件实现柔性加工；
第一章 概论
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以数字量作为控制信息量
第一节 数字控制技术
?机床数控技术 —
?数控机床 —
?数字控制与顺序控制
第一章 概论
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以数字化的信息实现机床控制
采用数字化的信息控制的机床
第二节 数控机床的构成
电 气 回 路
I/O
设
备
操作
面板
计算机
数 控
装 置
进给伺服单元
测 量 装 置
进给运动
PLC 主轴伺服单元 主轴运动
辅助装置
第一章 概论
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第二节 数控机床的构成
程序编制及程序载体
输入装置
数控装置及强电控制装置
伺服驱动系统及位置检测装置
(一 )
(二 )
(三 )
(四）
习 题
1-1 什么是数控机床？ 它由哪些部分组成？
1-2 数控机床的输入介质是指 ___
① 光电阅读机
② 穿孔机
③ 穿孔带, 磁带和软磁盘
④ 零件图纸和加工程序单
1-3 用框图说明一般数控机床的工作原理 。
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第三节 数控系统主要技术指标
? 控制轴数 CNC最多可以控制多少坐标轴
（ 包括直线轴和回转轴 ）
? 联动轴数 CNC可同时控制且按一定规律完成一定轨迹
插补的协调运动的坐标轴数
? 插补功能 插补直线, 圆弧, 抛物线, 椭圆, 正弦曲线,
螺旋曲线, 样条函数等, 甚至可对曲面直接插补 。
插补坐标系也从直角坐标系扩展到极坐标系,
圆筒坐标系 。
第一章 概论
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第三节 数控系统主要技术指标
机床坐标轴可达到的控制精度，即 CNC每发出一个脉冲，
坐标轴移动的距离
? 定位精度
实际位臵与指令位臵的一致程度, 不一致量为误差；
? 重复精度
在相同条件下，操作方法不变，进行规定次数操作所
得到的连续结果的一致程度。
第一章 概论
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?脉冲当量（分辨率）
? 定位精度与重复精度
第三节 数控系统主要技术指标
?行程和插补范围 — CNC的控制范围和加工范围
? 进给速度和调节范围
? 进给速度 —刀具每分钟切削进给距离；
? 最大进给速度 — CNC在一定精度条件下所能达到的
最大加工速度；
? 最大快进速度 — 不加工的最大移动速度；
? 速度调节 — 通过操作面板上的进给倍率开关调整，
调节范围一般是 10%-120%，每档间隔 10%
第一章 概论
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第三节 数控系统主要技术指标
?主轴转速和调节范围
? 主轴转速 —主轴每分钟的转速；
? 转速调节 —通过操作面板上的主轴倍率开关调整,
调节范围一般是 50%? 120%,每档间隔 5%；
? 主轴恒线速 —保证诸如车床端面切削的恒定切削速度。
单位 mm/min，
第一章 概论
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第三节 数控系统主要技术指标
?刀具管理和刀具补偿
?T指令 —CNC从刀库中选择刀具
? 刀具半径补偿, 长度补偿, 刀具寿命管理, 自动刀具测量等
第一章 概论
?准备功能（ G功能） 用来指令机床动作的方式功能
?辅助功能 （ M功能 ）
规定主轴的起停, 转向, 冷却液的通断, 刀库的起停等
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第三节 数控系统主要技术指标
?操作功能
程序段跳步、机械闭锁、辅助功能闭锁、单段、试运行、
录返、示教等。
?开关量接口
M,S,T功能以 BCD码形式输出；机床其它开关量信号,
如急停, 循环起动, 进给保持等 。
?字符图形显示
?自诊断功能
?通信与通信协议
第一章 概论
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第四节 数控系统分类
按控制方式分
?点位控制数控系统
?轮廓控制数控系统
按有无反馈分
?开环控制数控系统
?闭环控制数控系统
第一章 概论
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平面轮廓加工的
数控系统
空间轮廓加工的
数控系统
第四节 数控系统分类
按性能分
第一章 概论
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?经济型数控系统
?普及型数控系统
?高级型数控系统
第四节 数控系统分类
第一章 概论
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经 济 型 普 及 型 高级型
CPU 8位 1~2个 16位 32位
联动轴数 ≤ 3 ≤ 5 ≥ 5
分辨率 0.005~0.01 1 um ≤ 1um
进给速度 6~8m/min ≤ 24m/min ≥ 24m/min
伺服驱动 开环, 步进
式
交流 /直流 半
闭 /全闭
数字化交流 /
直流, 全闭
显示 LCD,LED CRT,字符 /
图形
CRT,图形
通信 RS232 简单
通信
RS232DNC
通信接口
高性能通信
接口, 联网
第五节 数控技术发展趋势
? 高精度
? 超精密加工进入了纳米 （ 0.001μm ） 级；
? 机床回转精度达 0.01μm ；
? 加工圆度为 0.1μm ；
? 表面粗糙度为 Ra=0.03μm ；
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
实例：
?液浮陀螺球面的球度 0.2-0.5μm ；
? 空对空导弹红外接受器的非球面反射镜的形状误差
0.1-0.3μm ；
? 激光打印机的平面反射镜和录像机磁头的平面度要求为
0.04μm, 粗糙度为 0.02μm ；
? 高精度轴承的滚动体圆度要求小于 0.5μm ；
? 轿车气缸的缸体和连杆两端的圆孔的圆柱度要求 <1μm
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
? 高速度, 高效率
? 高速进给, 高响应伺服
? 主轴高速回转, 高刚度, 高速传动, 冷却高速
? FANUC FS15系列 CNC,多个 32位 CPU进行分散控制和处理,
最小设定单位在 0.1μm 时, 进给速度可达 24m/min；
最小设定单位在 1μm 时, 进给速度可达 240m/min
? 日本新泻铁工所的 V240立式 MC主轴 转速高达 50000RPM，
加工一个 NAC55钢模具, 用陶瓷刀具只需求 12MIN，
而在普通机床上需 9小时；
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
? 瑞士 IBAG公司生产电主轴
最高转速 140000RPM,最高功率 100KW；
? 瑞士 DIXI公司生产的 5轴 5面体 MC
主轴转速高达 42000RPM,定位精度高达 8μm
工作台及立柱均采用人造花岗岩,
刚性, 稳定性和精度保持性均佳 。
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
?复合化
?工序复合化
一次安装, 完成多工序多表面加工 。
刀库, 机械手, 主轴箱库, 可交换工作台；
?功能复合化
车铣中心
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
?智能化
? 自适用控制技术
? 专家系统
? 故障自诊断
? 智能化交流伺服驱动装臵
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
?高柔性化
?小型化与开放式结构
? 小型化
LSI,新型 TFT彩色液晶薄型显示器和表面安装技术,
三维立体装配；
SIEMENS推出的 SINUMERIK 840D CNC
体积为 50× 316× 207（ mm3）
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
?开放式结构
定义（ IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现系
统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。
? 开放式数控系统特点：
– 系统构件（软件和硬件）具有标准化
(Standardization)与多样化 ( Diversification)和互换
性 (Interchangeability)的特征
– 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统,积
木式”的集成 。构造应该是可移植的和透明的；
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
– 向未来技术开放,由于软硬件接口都遵循公认的标准协
议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件
资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味
着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不
断改善并处于长生命周期；
– 标准化的人机界面,标准化的编程语言，方便用户使用，
降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
– 向用户特殊要求开放,更新产品、扩充能力、提供可供
选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给
用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直
到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能
方便地融入，创造出自己的名牌产品；
– 可减少产品品种,便于批量生产、提高可靠性和降低成
本，增强市场供应能力和竞争能力。
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
? 开放式数控装置的概念结构
第一章 概论
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硬件
配置
单元
软件
配置
单元
标准计算机硬件
数控系统
基本硬件
数控功能
应用程序
DOS(WINDOWS)
实时多任务操作系统 RTM
应用程序接口
NC构件库
第五节 数控技术发展趋势
?国内外开放式数控系统的研究进展
– 美国,NGC( The Next Generation Work-station/Machine
Controller)和 OMAC(Open Modular Architecture Controller)
计划
– 欧共体,OSACA（ Open System Architecture for Control
within Automation Systems)计划
– 日本,OSEC(Open System Environment for Controller)计划
– 华中 I型 ——基于 IPC的 CNC开放体系结构
– 航天 I型 CNC系统 ——基于 PC的多机 CNC开放体系结构
第一章 概论
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第六节 NC机床的发展动向
1,数控加工中心机床 MC (Machining Center)
MC：定位精度 ± 2.5μm，重复定位精度 1μs,S>1000r/min
Fmax=36~40m/min，换刀时间 T ~ T 1S，切削 ~切削 <2s
现代 MC,① 在 NC镗或铣床上加 ATC
② MC上加自动分度回转工作台或自动转角度的
主轴头，一次装夹完成多面、多角度加工
③ MC上带交换工作台
第一章 概论
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第一章 概论
图片
第一章 概论
第一章 概论
第一章 概论
第五节 数控机床的发展动向
? 并联加工中心
又称 6条腿数控机床、
虚轴机床,是数控机床
在结构上取得的重大
突破。
驱动杆
机架
动平台 主轴电机 伺服电机
主轴
刀具
柔性夹具工件
静平台
并联机床结构示意图
?并联加工中心 特点
– 并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产物；
– 由于它没有传统机床所必需的床身、立柱、导轨等制约机
床性能提高的结构，
– 具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。
第六节 NC机床的发展动向
1,数控加工中心机床 MC (Machining Center)
美, MC第一消费大国，拥有量超 6万台，占该国 NC机床的
50%，年产量 5000台；
日, MC第一生产大国，年 產 15000台，产值 30亿美元
(均 20 万 /台 )
德, MC第一技术大国，年产虽 2500台，但产值 10亿
(均 40 万 /台 )
中国, 生产厂家 30多，产量均 500台
第一章 概论
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第一章 概论
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2．自动程序编制 APT
APT 语言 是一种对工件、刀具的几何形状
及刀具相对于工件的运动进行定义时所用
的一种接近于英语的符号语言，将该源程
序输入计算机，经编译产生数控加工程序。
第一章 概论
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3．自适应控制 AC（ Adaptive Control）
将代表加工状态的参数进行测量并及时对主轴转速,
进给速度等参数进行修正，使切削过程达到并维
持 最佳状态,这称为 NC机床的 自适应控制
所谓 最佳状态 指标，可以是最大生产率、最低加工
成本、最佳表面质量等。
第一章 概论
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3．自适应控制 AC（ Adaptive Control）
通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功
率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识
别，以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工
的稳定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（主轴
转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，
以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安
全性。
第一章 概论
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3．自适应控制 AC（ Adaptive Control）
–日本牧野在电火花 NC系统 Makino_Mce20中，
用专家系统代替人进行加工过程监控。
–Mitsubishi Electric 公司的用于数控电火花成型
机床的,Miracle Fuzzy” 基于模糊逻辑的自适
应控制器，可自动控制和优化加工参数；
第一章 概论
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3．自适应控制 AC（ Adaptive Control）
–以色列的外置式力自适应控制器
–意大利 Mandelli公司数控系统的可编程功率自适
应控制功能。
–国内清华和华中科技大学的自适应控制技术的研
究已取得成果。正在进行商品化开发。
第一章 概论
4．直接数字控制 DNC（ Direct NC）
DNC是一台中央计算机控制一群 CNC，目前
DNC已从直接数控演变为分配式数控，即 DNC控制的全
部,CNC机床各守其职，与中央计算机组成计算机。
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西安顺通电子工程公司与西安高压开并厂 95年
研制成, ST-DNC”分布式 CNC系统机网络,
实现分级控制，而不再是让一台计算机去分时
完成各台 CNC的常规工作。
第一章 概论
? DNC系统的基本功能和辅助功能
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DNC系统功能
NC
程
序
管
理
NC
数
据
分
配
NC
数
据
校
正
NC
编
程
车
间
数
据
采
集
物
流
控
制
局
部
生
产
控
制
基本功能 辅助功能
第一章 概论
? 具有 DNC功能的单元控制系的基本结构
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自动运输小车
仓库堆栈装运机
清洗装置
工业机器人
测量装置
刀具预调装置
外围设备控制装置
加工中心
CNC车床
生产控
制计算机
CAD
CAM
单元控制软件包
CELL60
自动化编程系统
通信
CPU
单元控制器
F-DMATE
DNC
CPU
PC
CPU
图形
CPU
外设
CPU
工
厂
局
部
网
DNC1
网络
第一章 概论
5．柔性制造系统 FMS（ Flexible Manufacturing System）
将多台 NC机床与工件、刀具、夹具及切屑与自动传
输线相配合，并由计算机统一管理与控制，就组成
了计算机群控自动线,国外称为 FMS
特点, 加工效率很高，且有很大的灵活性和较强
的适应性
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教 学片
第一章 概论
车间
6．设计制造一体化 CAD/CAM
CAD充分利用计算机高速计算能力、逻辑判断能力、特别是
图象显示和人机会话能力，使计算机履行很大一部分制图员
和设计师的工作，快速完成高质量产品设计与工艺设计任务。
CAM完成生产计划的编制，生产过程的调度并对整个制造
过程进行控制。
CAD/CAM是产品设计和制造过程的完整系统，它使计算机
集成化机械工厂成为现实，它被人们称之为制作业的未来。
第一章 概论
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第一章 概论
防真软件
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
第一章 概论
( Computer Integrated Manufacture System )
CIMS 应用效益 ——应用示范企业的效益要点
?成都飞机工业公司 CIMS工程
? 麦道机头生产周期,12个月 ? 6个月
? 某型号飞机批生产周期,24个月 ? 18月
? 复杂结构件设计、加工时间 缩短 到原来的 1/6
? 获得 1亿美元 的波音 757尾段订单
? 获得 1994年度国内企业 CIMS应用领先奖
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
第一章 概论
( Computer Integrated Manufacture System )
CIMS 应用效益 ——应用示范企业的效益要点
?山西经纬纺织机械股份有限公司 CIMS工程
? 生产周期,102天 ? 72天
? 在制品和库存从 6000万 ? 2700万
? 公司综合指标、利税、产值、出口创汇跃居 全国同行首位
? 促成其在香港、深圳发行股票,筹资 3亿 多元
? 获得 1996年度国内企业 CIMS应用领先奖
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
第一章 概论
( Computer Integrated Manufacture System )
CIMS 应用效益 ——应用示范企业的效益要点
?福建炼油化工有限公司 CIMS工程
? 总轻质油收率 ? 0.55%
? 实际能耗 ? 2.39千克 标油 /吨原料
? 年增效益 2632.2万元
? 可比综合商品率 ? 0.56%
? 获得 1996年度国内企业 CIMS应用领先奖
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
第一章 概论
前言,
日美企业竞争力倒转
美国如何从 80年代,
从 钢铁、汽车、机械、化工 到 电视、激光、
录像机、半导体、集成电路、计算机 失去优势
策略,?信息化
?企业过程重组
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
第一章 概论
日美企业竞争力倒转
92年 INTER 取代日本成为 世界 IC之最
93年 通用、福特公司扭亏为赢
94年 美国在芯片、软件、计算机、网络、移动通信、
高清晰度电视、生物技术占优势
美国幸福杂志“世界 500强”：
?80年代以来长期居于世界经济之冠的日本，其入围 500强企业比例
连年下降，而美国则连年上升
?前 10名中居一、二的三菱、三井到 96年后让为于通用、福特
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
CIM 是一种概念、一种哲理。
它指出了制造业 应用计算机技术 的更高阶段。
在制造企业中将从 市场分析, 经营决策, 产品设计,经过
制造 过程各环节，最后到 销售 和 售后服务,逐步实现 全企业
的 计算机化 。
实施 CIM的 目的 是实现企业内 更短的设计生产周期, 改善
企业 经营管理,以适应市场的迅速变化，获得 更大经济效益 。
第一章 概论
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
CIMS 就是在 CIM思想指导下，逐步实现 企业全过程
计算机化 的综合人 —机系统。不论其计算机技术应用
的广度和深度处于什么阶段，只要 全局规划 是明确的，
确实 按照 CIM 思想 指导着企业的体制改革和技术改革，
就可称之为 CIM系统 。
第一章 概论
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强调的几点,
CIMS的 核心是集成,系统互连（ Interfacing）不是系统集成
CIM不等于 全盘自动化
CIM是 人, 经营, 技术 三者的 集成
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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CIMS 的三要素
经营, 技术, 人 /机构
相互作用、相互支持，使企业达到最优 。
经营
技术人 / 机构
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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实施 CIMS的阻力分布
美国 AMRC统计,
70% -- 来自于人
11% -- 对成本的评估不正确
9% -- 技术原因
10% -- 其它 (资金限制等 )
“人的集成”,
是 技术改造 和 社会改革 相结合的问题，
是 工程技术 和 社会科学 相结合的问题。
硬件 1%
通信 8%
规划 20%
管理 13%
组织 32%
软件 8%
系统的表现 8%
车间人员 10%
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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CIMS的概念引起了技术上的新要求
异构环境 下的信息集成
复杂 大系统 的建模
实时分布 环境下的 生产调度 和 优化技术
人工智能 和 专家系统 的成功应用
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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CIMS的概念推动了各分支技术的进步
━ CAD 技术发展趋势
集成化 （ 需解决）
实体建模向 特征建模 的转变
CAD/CAPP/CAM 与 MIS 及车间的 接口
统一的产品 信息模型
规范的 数据交换 方式
不同 CAD 系统间的 数据转换
国际互联网上的 通信
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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智能化
标准化
智能界面
设计评价
概念设计工具
第一章 概论
CIMS的概念推动了各分支技术的进步
━ CAD 技术发展趋势
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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（ 2） CIMS的发展与应用
CIMS在中国的 发展历史
建立 CIMS工程研究中心，着重解决总体集成的关键技术
（ 1988—1992年）
围绕 CIMS的单元关键技术建立一批国家级试验基地
（ 1990—1993年）
选择并支持若干个重点应用工厂，实现从厂需求出发而提
出的 CIMS计划 （ 1990—1995年）
逐步推广，形成我国的 CIMS产业 （ 1994—2000年）
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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CIMS在中国 发展现状
我国 863/CIMS计划分 4个层次展开：
应用工程 ——以效益驱动，以成熟技术支持 CIMS应用企业
产品开发 ——以市场驱动，市场需求作为产品的验收标准
关键技术攻关 ——以市场为导向，技术驱动
应用基础研究 ——着眼于 CIMS技术中具有高水平和新概念
的关键技术
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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六个研究专题,
设计自动化
车间自动化
集成化管理与决策信息系统
集成质量系统
CIMS计算机网络和数据库
总体技术
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
CIMS在中国 发展现状
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CIMS应用工程 进展
1989年 第一家 CIMS应用企业 ——成都飞机工业公司
1995年 11月 北京一机 CIMS工程获 SME,工业领先奖,
1995年度 成飞、北京一机、沈鼓
1996年度 山西经纬
1997年度 福炼
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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CIMS 技术在企业的应用取得的 成就
促进企业的管理模式、运行机制的 变化,
提高企业适应市场的 竞争能力
对同行业起到 示范作用
培养了一支计算机应用的 队伍
提高企业的经济 效益
引导企业技术改造的 方向
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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国家拨款 企业自筹
成飞 220万 2000万
经纬 60万 1600万
华宝 18万 1150万
福炼 90万 1900万
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
CIMS 技术在企业的应用取得的 成就
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CIMS 技术在企业的应用取得的 成就
中国 AVIC-CIMS
连结北京、上海、沈阳、西安、成都的卫星网上的
异地设计、异地制造
波音、空客的转包
干线飞机的制造和装配
AE-100的并行工程
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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管理信息系统（ MIS）
工程设计系统（ EIS）
制造自动化系统（ MAS）
质量保证系统 （ QAS）
计算机通讯网络
数据库
四个功能分系统
二个支撑分系统
数据库
通信 网络
管理信息系统
制造自动化系统
工
程
设
计
质
量
保
证
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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（ 4） 几种先进制造业模式的提法
并行工程（ CE,Concurrent Engineering）
CE 是 集成 地 并行 地 设计产品 及 相关过程 的系统化方法，
它要求产品开发人员从设计 一开始 即考虑 产品生命周期
中的各种因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。
并行工程的概念
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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并行工程的概念
产品开发队伍重构
以产品（型号）为主线的多功能集成产品开发团队（ IPT）
专业功能组
电子 DBP 结构 DBP 机械 DBP 动力 DBP
机翼 IPT 机身 IPT 动力 IPT
市场 产品开发 工程 制造 销售服务757/767
设计开发组 (DBT -Design Build Team)
777
集成产品开发团队 （ IPT-Integrated Product Team）
737-X
未来：高性能的产品开发组织
电子 DBP 结构 DBP 机械 DBP 动力 DBP
机翼 IPT 机身 IPT 动力 IPT
第一章 概论
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过程重构
从传统的 串行 产品开发流程转变成 集成 的,并行 的
产品开发过程。并行过程不仅是 活动的并发,更主要的
是下游过程在产品开发 早期参与设计过程 ；另一方面则
是 过程的精减,使信息流动与共享的效率更高。
第一章 概论
串行开发流程
概念设计 详细设计 过程设计 原型制造及测试 生产制造
缺点, 修改反馈频繁，开发周期长
并行工程的概念
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并行开发流程
概念设计
详细设计
过程设计
原型制造及测试 生产制造
对结构和功能的改进意见
可加工性、经济、质量评估
定位、装夹、可行性评估
产品结构配置、功能规范化
几何、特征、精度
工艺过程,NC程序、装夹方案
优点,减少反馈次数、缩短产品开发时间
第一章 概论
并行工程的概念
过程重构
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数字化产品定义
? 支持 IPT协同工作的 网络 与 计算机平台 ；
? 先进的 通讯手段 （ 如 E-mail、多媒体会议、电子论坛等 ）；
? 先进的 管理手段 （ 如工作流管理、项目协调板、电子评审等）
协同工作环境
? 数字化 产品模型和产品 生命周期数据 管理（ PDM）
? 计算机辅助工具与 信息集成,如 CAD/CAE/CAM, DFA,DFM
第一章 概论
并行工程的概念
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强调 团队 工作（ Team Work）精神和工作方式
强调设计过程的 并行性 —— 设计 +工艺 +仿真 +原型制作
强调设计过程的 系统性 —— 设计、制造、管理、进度、成本
强调设计过程的 快速, 短, 反馈 ——将错误消灭在, 萌芽, 状态
第一章 概论
并行工程的概念
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并行工程 研究与应用状况
? 美国 DARPA/DICE 计划
? 欧洲 ESPRIT II—III计划
? 日本 IMS计划
1986--1992年左右,研究与初步尝试阶段
第一章 概论
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1991—1996年,全面应用阶段
航空领域,波音 777,737-X，麦道,Northop B-2轰炸机等
航天领域,Lockhead/Thaad导弹开发
汽车领域,Ford 2000 C3/P,Renault等
电子领域,Simens,DEC,HP,IBM,GE等
机械领域,ABB,GM等
第一章 概论
并行工程 研究与应用状况
1996—至今,新的发展阶段
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航空工业的典型代表 ——Boeing 777 大型双发越洋客机
1990年 10月开始设计,1994年 6月试飞成功。关键技术包括：
1,Team Work
组织了 238个多功能团队，集中式协同工作
第一章 概论
2,全数字化定义 Digital Definition
基于 CAD/CAE/CAM 构造数字化产品主模型，无图纸生产
3,数字化预装配 Digital Pre-Assembly
减少设计更改、反馈和报废 50% 以上
4.广域网上的异地设计、异地制造
5.STEP 的数据交换
6.供应链的管理
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航天产品开发 —— Lockhead/Thaad 导弹开发
1992年得到国防部 6.88亿美元订单，要求开发一种
战略拦截导弹，并尝试把产品开发周期从 5年缩短到 2年。
1994年完成目标。所采用的关键技术包括：
1.基于数字化产品定义的并行过程
2.虚拟团队
3.产品数字管理
4.电子化评审，大大缩短传统开发时 5000次评审所需要的周期
5.高性能网络系统
第一章 概论
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精良生产（ LP,lean Production） 丰田模式
减少一切不必要活动,杜绝浪费,从生产操作、组织管理、
经营方式 等方面找出一切不能为产品增值的活动和人员，
加以革除。
七种浪费：修复、过量、搬运、库存、等待、加工过程中
把任务集成为复杂的 多面手 的工作，或组成 小组 的任务，以
消除多余 的或重复的工作。
大量生产方式的目标是使产品足够好，而 LP则要求 尽善尽美,
不许有废品 。
第一章 概论
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经营过程重构（ BPR,Business Process Re_engineering）
对企业经营过程彻底的 重新构思,根本的 重新构造,以达到
诸如成本、质量、服务、速度等关键性能方面的显著提高。
,重新 构思,重新 构造 （设计）、重新 构成 （实施）,
,先要 合理 化，然后 自动 化,
第一章 概论
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敏捷制造（ AM,Agile Manufacturing）
敏捷制造的 基本思想
美国, 21世纪制造企业战略, 报告中首次提出。
?“?敏捷性 ’ 是对于急剧变化、连续分裂的全球市场提供高质量、
高性能、按用户要求配置的商品和服务而盈利的挑战的反应。,
?“?敏捷性 ’ 是动态的没有尽头的，是专门承上启下预见到未来，
是进攻性地抓住变化，和始终面向企业发展的。,
?“敏捷从字面上讲，它可以和产品生产周期联系在一起，表示
快速 ；它可以和大批用户化生产联系在一起，表示 适应性 ；
它可以和重构联系在一起，表示生产过程的 不断改进 ；它可
以和精良生产联系在一起，表示更高的 资源利用率 。
┄┄ 几乎所有的表示 竞争 的特点联系在一起。,
第一章 概论
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敏捷制造（ AM,Agile Manufacturing）
敏捷制造企业的 基本特征
1.并行工作
2.继续教育
3.根据用户反应建立的组织机构
4.动态多方合作
5.珍惜雇员
6.向工作小组及其成员放权
第一章 概论
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敏捷制造企业的 基本特征
7.柔性的重新配置组合
8.开放的体系结构
9.产品设计一次成功
10.产品终身质量保证
11.技术的领先及敏感
12.企业的集成
13.基于远景规划的管理和领导
第一章 概论
敏捷制造（ AM,Agile Manufacturing）
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敏捷制造（ AM,Agile Manufacturing）
如何评价企业的, 敏捷性, 及如何用敏捷性赢得竞争
1.使顾客富裕销售的, 解答, ——需要，而不是产品
2.用合作去加强竞争
3.组织的敏捷性
4.充分发挥人和信息的作用
第一章 概论
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第一章 概论
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LP,AM,BMP,CE 都是 CIM哲理
——集成观点和信息观点的体现
它们不是互相取代，而是从不同的角度实
现相同的目标
——为用户迅速提供性价比优良的多样
化产品和服务，这也正是这些生产模式
和技术的原动力。
总结
习 题
1.近年来数控系统发展很快，数控机床进给速度已从
增加到,而最小设定单位已从 减少到 。
2,加工中心是指 ○
① 柔性制造单元 FMC ② 分布式 DNC系统
③ 适应控制系统 ④ 自动换刀数控机床
3,DNC系统是指 ○
① 适应控制系统 ② 群控系统
③ 柔性制系统 ④ 计算机数控系统
4.点位控制系统与轮廓控制的主要区别是什么?
5,什么叫脉冲当量？ 它影响数控机床什么性能？
它的值一般为多少？
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答 案
1,什么是数控机床？它由哪些部分组成？
答, 数控机床是一种利用数控技术准确按照事先安
排的工艺流程,自动实现规定动作的金属加工机床。它
由输入介质、数控装置、伺服系统、反馈系统和机 床
等部分组成。
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2.数控机床的输入介质是什么？
答：数控机床的输入介质是穿孔带、磁带和软
磁盘。
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答：数控机床的原理图如下图所示。
输入介质 数控装置 伺服系统 机床
反馈装置
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3.用框图说明一般数控机床的工作原理
1.近年来数控系统发展很快，数控机床进给速度已从
3~5m/min增加到 15~30m/min,而最小设定单位已从
0.001mm减少到 0.0001mm
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2.加工中心是指：自动换刀数控机床
3.DNC系统是指：群控系统
4.点位控制系统与轮廓控制的主要区别是什么?
答：点位 /直线控制系统只能加工沿坐标轴方向上的直线
属性。
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5.什么叫脉冲当量？ 它影响数控机床什么性能？
它的值一般为多少？
答：相对于每一个脉冲信号的机床 运动部件的位移
量称为脉冲当量又称作最小设定单位。它的大小视
机床的精度而定，一般为 0.01~0.0005mm，脉冲当
量影响数控机床的加工精度，它的值取得越小，加
工精度越高。
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步进电机
驱动电路
指令脉冲
功率步进电机
机床
工作台
（ a)
步进电机
驱动电路
指令脉冲
机床
工作台
步进电机
液压扭矩放大器
电液脉冲马达
(b)
开环数控机床系统
闭环、半闭环数控机床系统
D.C.(A.C.)
位移指令
速
度
反
馈
位
移
反
馈
位置检测装置
位移指令
D.C.(A.C.)
位
移
反
馈
速
度
反
馈 位置检测装置
(a)
(b)
ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ ＣＯＮＴＲＯＬ
数 控 技 术
面 向 21 世 纪 课 程 教 材
Textbooks Series for 21st Century
目 录
? 第一章 概论
? 第二章 数控编程技术
? 第三章 计算机数控系统的基本原理
? 第四章 进给伺服系统
第一节 数字控制技术
第二节 数控机床的构成
第三节 数控系统主要技术指标
第四节 数控系统分类
第五节 数控技术发展趋势
第一章 概论
第六节 NC机床的发展方向
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目 标
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? 掌握数控机床的组成及各部分的作用与功能
? 掌握数控机床的工作原理
? 了解数控机床的分类
? 了解数控机床的特点
? 了解数控机床及数控技术的发展
第一章 概论
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数控技术 给机械制造业带来了革命性的变化
现代数控技术 成为制造业实现自动化, 柔性化,集成化生产的基础技术
数控机床 是发展现代机械制造技术必需的基础设备
数控技术水平
的高低，数控机床拥有量的多少是
衡量一个国家工业现代化水平的重
要标志
图片
图片
图片
图片
图片
图片
图片
第一节 数字控制技术
?数字控制 （ NC Numerical Control）
?计算机数字控制 （ CNC Computer Numerical Control）
数字控制系统的特点,
? 可用不同字长表示不同精度的信息 ;
? 利用算术运算进行复杂的信息处理 ;
? 利用逻辑运算实现按不同指令进行不同方式的信息处理,
用软件实现柔性加工；
第一章 概论
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以数字量作为控制信息量
第一节 数字控制技术
?机床数控技术 —
?数控机床 —
?数字控制与顺序控制
第一章 概论
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以数字化的信息实现机床控制
采用数字化的信息控制的机床
第二节 数控机床的构成
电 气 回 路
I/O
设
备
操作
面板
计算机
数 控
装 置
进给伺服单元
测 量 装 置
进给运动
PLC 主轴伺服单元 主轴运动
辅助装置
第一章 概论
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第二节 数控机床的构成
程序编制及程序载体
输入装置
数控装置及强电控制装置
伺服驱动系统及位置检测装置
(一 )
(二 )
(三 )
(四）
习 题
1-1 什么是数控机床？ 它由哪些部分组成？
1-2 数控机床的输入介质是指 ___
① 光电阅读机
② 穿孔机
③ 穿孔带, 磁带和软磁盘
④ 零件图纸和加工程序单
1-3 用框图说明一般数控机床的工作原理 。
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第三节 数控系统主要技术指标
? 控制轴数 CNC最多可以控制多少坐标轴
（ 包括直线轴和回转轴 ）
? 联动轴数 CNC可同时控制且按一定规律完成一定轨迹
插补的协调运动的坐标轴数
? 插补功能 插补直线, 圆弧, 抛物线, 椭圆, 正弦曲线,
螺旋曲线, 样条函数等, 甚至可对曲面直接插补 。
插补坐标系也从直角坐标系扩展到极坐标系,
圆筒坐标系 。
第一章 概论
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第三节 数控系统主要技术指标
机床坐标轴可达到的控制精度，即 CNC每发出一个脉冲，
坐标轴移动的距离
? 定位精度
实际位臵与指令位臵的一致程度, 不一致量为误差；
? 重复精度
在相同条件下，操作方法不变，进行规定次数操作所
得到的连续结果的一致程度。
第一章 概论
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?脉冲当量（分辨率）
? 定位精度与重复精度
第三节 数控系统主要技术指标
?行程和插补范围 — CNC的控制范围和加工范围
? 进给速度和调节范围
? 进给速度 —刀具每分钟切削进给距离；
? 最大进给速度 — CNC在一定精度条件下所能达到的
最大加工速度；
? 最大快进速度 — 不加工的最大移动速度；
? 速度调节 — 通过操作面板上的进给倍率开关调整，
调节范围一般是 10%-120%，每档间隔 10%
第一章 概论
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第三节 数控系统主要技术指标
?主轴转速和调节范围
? 主轴转速 —主轴每分钟的转速；
? 转速调节 —通过操作面板上的主轴倍率开关调整,
调节范围一般是 50%? 120%,每档间隔 5%；
? 主轴恒线速 —保证诸如车床端面切削的恒定切削速度。
单位 mm/min，
第一章 概论
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第三节 数控系统主要技术指标
?刀具管理和刀具补偿
?T指令 —CNC从刀库中选择刀具
? 刀具半径补偿, 长度补偿, 刀具寿命管理, 自动刀具测量等
第一章 概论
?准备功能（ G功能） 用来指令机床动作的方式功能
?辅助功能 （ M功能 ）
规定主轴的起停, 转向, 冷却液的通断, 刀库的起停等
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第三节 数控系统主要技术指标
?操作功能
程序段跳步、机械闭锁、辅助功能闭锁、单段、试运行、
录返、示教等。
?开关量接口
M,S,T功能以 BCD码形式输出；机床其它开关量信号,
如急停, 循环起动, 进给保持等 。
?字符图形显示
?自诊断功能
?通信与通信协议
第一章 概论
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第四节 数控系统分类
按控制方式分
?点位控制数控系统
?轮廓控制数控系统
按有无反馈分
?开环控制数控系统
?闭环控制数控系统
第一章 概论
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平面轮廓加工的
数控系统
空间轮廓加工的
数控系统
第四节 数控系统分类
按性能分
第一章 概论
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?经济型数控系统
?普及型数控系统
?高级型数控系统
第四节 数控系统分类
第一章 概论
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经 济 型 普 及 型 高级型
CPU 8位 1~2个 16位 32位
联动轴数 ≤ 3 ≤ 5 ≥ 5
分辨率 0.005~0.01 1 um ≤ 1um
进给速度 6~8m/min ≤ 24m/min ≥ 24m/min
伺服驱动 开环, 步进
式
交流 /直流 半
闭 /全闭
数字化交流 /
直流, 全闭
显示 LCD,LED CRT,字符 /
图形
CRT,图形
通信 RS232 简单
通信
RS232DNC
通信接口
高性能通信
接口, 联网
第五节 数控技术发展趋势
? 高精度
? 超精密加工进入了纳米 （ 0.001μm ） 级；
? 机床回转精度达 0.01μm ；
? 加工圆度为 0.1μm ；
? 表面粗糙度为 Ra=0.03μm ；
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
实例：
?液浮陀螺球面的球度 0.2-0.5μm ；
? 空对空导弹红外接受器的非球面反射镜的形状误差
0.1-0.3μm ；
? 激光打印机的平面反射镜和录像机磁头的平面度要求为
0.04μm, 粗糙度为 0.02μm ；
? 高精度轴承的滚动体圆度要求小于 0.5μm ；
? 轿车气缸的缸体和连杆两端的圆孔的圆柱度要求 <1μm
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
? 高速度, 高效率
? 高速进给, 高响应伺服
? 主轴高速回转, 高刚度, 高速传动, 冷却高速
? FANUC FS15系列 CNC,多个 32位 CPU进行分散控制和处理,
最小设定单位在 0.1μm 时, 进给速度可达 24m/min；
最小设定单位在 1μm 时, 进给速度可达 240m/min
? 日本新泻铁工所的 V240立式 MC主轴 转速高达 50000RPM，
加工一个 NAC55钢模具, 用陶瓷刀具只需求 12MIN，
而在普通机床上需 9小时；
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
? 瑞士 IBAG公司生产电主轴
最高转速 140000RPM,最高功率 100KW；
? 瑞士 DIXI公司生产的 5轴 5面体 MC
主轴转速高达 42000RPM,定位精度高达 8μm
工作台及立柱均采用人造花岗岩,
刚性, 稳定性和精度保持性均佳 。
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
?复合化
?工序复合化
一次安装, 完成多工序多表面加工 。
刀库, 机械手, 主轴箱库, 可交换工作台；
?功能复合化
车铣中心
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
?智能化
? 自适用控制技术
? 专家系统
? 故障自诊断
? 智能化交流伺服驱动装臵
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
?高柔性化
?小型化与开放式结构
? 小型化
LSI,新型 TFT彩色液晶薄型显示器和表面安装技术,
三维立体装配；
SIEMENS推出的 SINUMERIK 840D CNC
体积为 50× 316× 207（ mm3）
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
?开放式结构
定义（ IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现系
统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。
? 开放式数控系统特点：
– 系统构件（软件和硬件）具有标准化
(Standardization)与多样化 ( Diversification)和互换
性 (Interchangeability)的特征
– 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统,积
木式”的集成 。构造应该是可移植的和透明的；
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
– 向未来技术开放,由于软硬件接口都遵循公认的标准协
议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件
资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味
着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不
断改善并处于长生命周期；
– 标准化的人机界面,标准化的编程语言，方便用户使用，
降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
– 向用户特殊要求开放,更新产品、扩充能力、提供可供
选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给
用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直
到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能
方便地融入，创造出自己的名牌产品；
– 可减少产品品种,便于批量生产、提高可靠性和降低成
本，增强市场供应能力和竞争能力。
第一章 概论
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第五节 数控技术发展趋势
? 开放式数控装置的概念结构
第一章 概论
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硬件
配置
单元
软件
配置
单元
标准计算机硬件
数控系统
基本硬件
数控功能
应用程序
DOS(WINDOWS)
实时多任务操作系统 RTM
应用程序接口
NC构件库
第五节 数控技术发展趋势
?国内外开放式数控系统的研究进展
– 美国,NGC( The Next Generation Work-station/Machine
Controller)和 OMAC(Open Modular Architecture Controller)
计划
– 欧共体,OSACA（ Open System Architecture for Control
within Automation Systems)计划
– 日本,OSEC(Open System Environment for Controller)计划
– 华中 I型 ——基于 IPC的 CNC开放体系结构
– 航天 I型 CNC系统 ——基于 PC的多机 CNC开放体系结构
第一章 概论
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第六节 NC机床的发展动向
1,数控加工中心机床 MC (Machining Center)
MC：定位精度 ± 2.5μm，重复定位精度 1μs,S>1000r/min
Fmax=36~40m/min，换刀时间 T ~ T 1S，切削 ~切削 <2s
现代 MC,① 在 NC镗或铣床上加 ATC
② MC上加自动分度回转工作台或自动转角度的
主轴头，一次装夹完成多面、多角度加工
③ MC上带交换工作台
第一章 概论
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第一章 概论
图片
第一章 概论
第一章 概论
第一章 概论
第五节 数控机床的发展动向
? 并联加工中心
又称 6条腿数控机床、
虚轴机床,是数控机床
在结构上取得的重大
突破。
驱动杆
机架
动平台 主轴电机 伺服电机
主轴
刀具
柔性夹具工件
静平台
并联机床结构示意图
?并联加工中心 特点
– 并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产物；
– 由于它没有传统机床所必需的床身、立柱、导轨等制约机
床性能提高的结构，
– 具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。
第六节 NC机床的发展动向
1,数控加工中心机床 MC (Machining Center)
美, MC第一消费大国，拥有量超 6万台，占该国 NC机床的
50%，年产量 5000台；
日, MC第一生产大国，年 產 15000台，产值 30亿美元
(均 20 万 /台 )
德, MC第一技术大国，年产虽 2500台，但产值 10亿
(均 40 万 /台 )
中国, 生产厂家 30多，产量均 500台
第一章 概论
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第一章 概论
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2．自动程序编制 APT
APT 语言 是一种对工件、刀具的几何形状
及刀具相对于工件的运动进行定义时所用
的一种接近于英语的符号语言，将该源程
序输入计算机，经编译产生数控加工程序。
第一章 概论
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3．自适应控制 AC（ Adaptive Control）
将代表加工状态的参数进行测量并及时对主轴转速,
进给速度等参数进行修正，使切削过程达到并维
持 最佳状态,这称为 NC机床的 自适应控制
所谓 最佳状态 指标，可以是最大生产率、最低加工
成本、最佳表面质量等。
第一章 概论
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3．自适应控制 AC（ Adaptive Control）
通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功
率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识
别，以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工
的稳定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（主轴
转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，
以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安
全性。
第一章 概论
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3．自适应控制 AC（ Adaptive Control）
–日本牧野在电火花 NC系统 Makino_Mce20中，
用专家系统代替人进行加工过程监控。
–Mitsubishi Electric 公司的用于数控电火花成型
机床的,Miracle Fuzzy” 基于模糊逻辑的自适
应控制器，可自动控制和优化加工参数；
第一章 概论
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3．自适应控制 AC（ Adaptive Control）
–以色列的外置式力自适应控制器
–意大利 Mandelli公司数控系统的可编程功率自适
应控制功能。
–国内清华和华中科技大学的自适应控制技术的研
究已取得成果。正在进行商品化开发。
第一章 概论
4．直接数字控制 DNC（ Direct NC）
DNC是一台中央计算机控制一群 CNC，目前
DNC已从直接数控演变为分配式数控，即 DNC控制的全
部,CNC机床各守其职，与中央计算机组成计算机。
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西安顺通电子工程公司与西安高压开并厂 95年
研制成, ST-DNC”分布式 CNC系统机网络,
实现分级控制，而不再是让一台计算机去分时
完成各台 CNC的常规工作。
第一章 概论
? DNC系统的基本功能和辅助功能
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DNC系统功能
NC
程
序
管
理
NC
数
据
分
配
NC
数
据
校
正
NC
编
程
车
间
数
据
采
集
物
流
控
制
局
部
生
产
控
制
基本功能 辅助功能
第一章 概论
? 具有 DNC功能的单元控制系的基本结构
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自动运输小车
仓库堆栈装运机
清洗装置
工业机器人
测量装置
刀具预调装置
外围设备控制装置
加工中心
CNC车床
生产控
制计算机
CAD
CAM
单元控制软件包
CELL60
自动化编程系统
通信
CPU
单元控制器
F-DMATE
DNC
CPU
PC
CPU
图形
CPU
外设
CPU
工
厂
局
部
网
DNC1
网络
第一章 概论
5．柔性制造系统 FMS（ Flexible Manufacturing System）
将多台 NC机床与工件、刀具、夹具及切屑与自动传
输线相配合，并由计算机统一管理与控制，就组成
了计算机群控自动线,国外称为 FMS
特点, 加工效率很高，且有很大的灵活性和较强
的适应性
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教 学片
第一章 概论
车间
6．设计制造一体化 CAD/CAM
CAD充分利用计算机高速计算能力、逻辑判断能力、特别是
图象显示和人机会话能力，使计算机履行很大一部分制图员
和设计师的工作，快速完成高质量产品设计与工艺设计任务。
CAM完成生产计划的编制，生产过程的调度并对整个制造
过程进行控制。
CAD/CAM是产品设计和制造过程的完整系统，它使计算机
集成化机械工厂成为现实，它被人们称之为制作业的未来。
第一章 概论
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第一章 概论
防真软件
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
第一章 概论
( Computer Integrated Manufacture System )
CIMS 应用效益 ——应用示范企业的效益要点
?成都飞机工业公司 CIMS工程
? 麦道机头生产周期,12个月 ? 6个月
? 某型号飞机批生产周期,24个月 ? 18月
? 复杂结构件设计、加工时间 缩短 到原来的 1/6
? 获得 1亿美元 的波音 757尾段订单
? 获得 1994年度国内企业 CIMS应用领先奖
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
第一章 概论
( Computer Integrated Manufacture System )
CIMS 应用效益 ——应用示范企业的效益要点
?山西经纬纺织机械股份有限公司 CIMS工程
? 生产周期,102天 ? 72天
? 在制品和库存从 6000万 ? 2700万
? 公司综合指标、利税、产值、出口创汇跃居 全国同行首位
? 促成其在香港、深圳发行股票,筹资 3亿 多元
? 获得 1996年度国内企业 CIMS应用领先奖
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
第一章 概论
( Computer Integrated Manufacture System )
CIMS 应用效益 ——应用示范企业的效益要点
?福建炼油化工有限公司 CIMS工程
? 总轻质油收率 ? 0.55%
? 实际能耗 ? 2.39千克 标油 /吨原料
? 年增效益 2632.2万元
? 可比综合商品率 ? 0.56%
? 获得 1996年度国内企业 CIMS应用领先奖
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
第一章 概论
前言,
日美企业竞争力倒转
美国如何从 80年代,
从 钢铁、汽车、机械、化工 到 电视、激光、
录像机、半导体、集成电路、计算机 失去优势
策略,?信息化
?企业过程重组
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
第一章 概论
日美企业竞争力倒转
92年 INTER 取代日本成为 世界 IC之最
93年 通用、福特公司扭亏为赢
94年 美国在芯片、软件、计算机、网络、移动通信、
高清晰度电视、生物技术占优势
美国幸福杂志“世界 500强”：
?80年代以来长期居于世界经济之冠的日本，其入围 500强企业比例
连年下降，而美国则连年上升
?前 10名中居一、二的三菱、三井到 96年后让为于通用、福特
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
CIM 是一种概念、一种哲理。
它指出了制造业 应用计算机技术 的更高阶段。
在制造企业中将从 市场分析, 经营决策, 产品设计,经过
制造 过程各环节，最后到 销售 和 售后服务,逐步实现 全企业
的 计算机化 。
实施 CIM的 目的 是实现企业内 更短的设计生产周期, 改善
企业 经营管理,以适应市场的迅速变化，获得 更大经济效益 。
第一章 概论
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7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
CIMS 就是在 CIM思想指导下，逐步实现 企业全过程
计算机化 的综合人 —机系统。不论其计算机技术应用
的广度和深度处于什么阶段，只要 全局规划 是明确的，
确实 按照 CIM 思想 指导着企业的体制改革和技术改革，
就可称之为 CIM系统 。
第一章 概论
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强调的几点,
CIMS的 核心是集成,系统互连（ Interfacing）不是系统集成
CIM不等于 全盘自动化
CIM是 人, 经营, 技术 三者的 集成
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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CIMS 的三要素
经营, 技术, 人 /机构
相互作用、相互支持，使企业达到最优 。
经营
技术人 / 机构
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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实施 CIMS的阻力分布
美国 AMRC统计,
70% -- 来自于人
11% -- 对成本的评估不正确
9% -- 技术原因
10% -- 其它 (资金限制等 )
“人的集成”,
是 技术改造 和 社会改革 相结合的问题，
是 工程技术 和 社会科学 相结合的问题。
硬件 1%
通信 8%
规划 20%
管理 13%
组织 32%
软件 8%
系统的表现 8%
车间人员 10%
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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CIMS的概念引起了技术上的新要求
异构环境 下的信息集成
复杂 大系统 的建模
实时分布 环境下的 生产调度 和 优化技术
人工智能 和 专家系统 的成功应用
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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CIMS的概念推动了各分支技术的进步
━ CAD 技术发展趋势
集成化 （ 需解决）
实体建模向 特征建模 的转变
CAD/CAPP/CAM 与 MIS 及车间的 接口
统一的产品 信息模型
规范的 数据交换 方式
不同 CAD 系统间的 数据转换
国际互联网上的 通信
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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智能化
标准化
智能界面
设计评价
概念设计工具
第一章 概论
CIMS的概念推动了各分支技术的进步
━ CAD 技术发展趋势
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
(1) CIM与 CIMS
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（ 2） CIMS的发展与应用
CIMS在中国的 发展历史
建立 CIMS工程研究中心，着重解决总体集成的关键技术
（ 1988—1992年）
围绕 CIMS的单元关键技术建立一批国家级试验基地
（ 1990—1993年）
选择并支持若干个重点应用工厂，实现从厂需求出发而提
出的 CIMS计划 （ 1990—1995年）
逐步推广，形成我国的 CIMS产业 （ 1994—2000年）
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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CIMS在中国 发展现状
我国 863/CIMS计划分 4个层次展开：
应用工程 ——以效益驱动，以成熟技术支持 CIMS应用企业
产品开发 ——以市场驱动，市场需求作为产品的验收标准
关键技术攻关 ——以市场为导向，技术驱动
应用基础研究 ——着眼于 CIMS技术中具有高水平和新概念
的关键技术
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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六个研究专题,
设计自动化
车间自动化
集成化管理与决策信息系统
集成质量系统
CIMS计算机网络和数据库
总体技术
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
CIMS在中国 发展现状
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CIMS应用工程 进展
1989年 第一家 CIMS应用企业 ——成都飞机工业公司
1995年 11月 北京一机 CIMS工程获 SME,工业领先奖,
1995年度 成飞、北京一机、沈鼓
1996年度 山西经纬
1997年度 福炼
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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CIMS 技术在企业的应用取得的 成就
促进企业的管理模式、运行机制的 变化,
提高企业适应市场的 竞争能力
对同行业起到 示范作用
培养了一支计算机应用的 队伍
提高企业的经济 效益
引导企业技术改造的 方向
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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国家拨款 企业自筹
成飞 220万 2000万
经纬 60万 1600万
华宝 18万 1150万
福炼 90万 1900万
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
CIMS 技术在企业的应用取得的 成就
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CIMS 技术在企业的应用取得的 成就
中国 AVIC-CIMS
连结北京、上海、沈阳、西安、成都的卫星网上的
异地设计、异地制造
波音、空客的转包
干线飞机的制造和装配
AE-100的并行工程
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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管理信息系统（ MIS）
工程设计系统（ EIS）
制造自动化系统（ MAS）
质量保证系统 （ QAS）
计算机通讯网络
数据库
四个功能分系统
二个支撑分系统
数据库
通信 网络
管理信息系统
制造自动化系统
工
程
设
计
质
量
保
证
第一章 概论
（ 2） CIMS的发展与应用
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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（ 4） 几种先进制造业模式的提法
并行工程（ CE,Concurrent Engineering）
CE 是 集成 地 并行 地 设计产品 及 相关过程 的系统化方法，
它要求产品开发人员从设计 一开始 即考虑 产品生命周期
中的各种因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。
并行工程的概念
第一章 概论
7．计算机集成制造系统 ( CIMS )
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并行工程的概念
产品开发队伍重构
以产品（型号）为主线的多功能集成产品开发团队（ IPT）
专业功能组
电子 DBP 结构 DBP 机械 DBP 动力 DBP
机翼 IPT 机身 IPT 动力 IPT
市场 产品开发 工程 制造 销售服务757/767
设计开发组 (DBT -Design Build Team)
777
集成产品开发团队 （ IPT-Integrated Product Team）
737-X
未来：高性能的产品开发组织
电子 DBP 结构 DBP 机械 DBP 动力 DBP
机翼 IPT 机身 IPT 动力 IPT
第一章 概论
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过程重构
从传统的 串行 产品开发流程转变成 集成 的,并行 的
产品开发过程。并行过程不仅是 活动的并发,更主要的
是下游过程在产品开发 早期参与设计过程 ；另一方面则
是 过程的精减,使信息流动与共享的效率更高。
第一章 概论
串行开发流程
概念设计 详细设计 过程设计 原型制造及测试 生产制造
缺点, 修改反馈频繁，开发周期长
并行工程的概念
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并行开发流程
概念设计
详细设计
过程设计
原型制造及测试 生产制造
对结构和功能的改进意见
可加工性、经济、质量评估
定位、装夹、可行性评估
产品结构配置、功能规范化
几何、特征、精度
工艺过程,NC程序、装夹方案
优点,减少反馈次数、缩短产品开发时间
第一章 概论
并行工程的概念
过程重构
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数字化产品定义
? 支持 IPT协同工作的 网络 与 计算机平台 ；
? 先进的 通讯手段 （ 如 E-mail、多媒体会议、电子论坛等 ）；
? 先进的 管理手段 （ 如工作流管理、项目协调板、电子评审等）
协同工作环境
? 数字化 产品模型和产品 生命周期数据 管理（ PDM）
? 计算机辅助工具与 信息集成,如 CAD/CAE/CAM, DFA,DFM
第一章 概论
并行工程的概念
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强调 团队 工作（ Team Work）精神和工作方式
强调设计过程的 并行性 —— 设计 +工艺 +仿真 +原型制作
强调设计过程的 系统性 —— 设计、制造、管理、进度、成本
强调设计过程的 快速, 短, 反馈 ——将错误消灭在, 萌芽, 状态
第一章 概论
并行工程的概念
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并行工程 研究与应用状况
? 美国 DARPA/DICE 计划
? 欧洲 ESPRIT II—III计划
? 日本 IMS计划
1986--1992年左右,研究与初步尝试阶段
第一章 概论
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1991—1996年,全面应用阶段
航空领域,波音 777,737-X，麦道,Northop B-2轰炸机等
航天领域,Lockhead/Thaad导弹开发
汽车领域,Ford 2000 C3/P,Renault等
电子领域,Simens,DEC,HP,IBM,GE等
机械领域,ABB,GM等
第一章 概论
并行工程 研究与应用状况
1996—至今,新的发展阶段
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航空工业的典型代表 ——Boeing 777 大型双发越洋客机
1990年 10月开始设计,1994年 6月试飞成功。关键技术包括：
1,Team Work
组织了 238个多功能团队，集中式协同工作
第一章 概论
2,全数字化定义 Digital Definition
基于 CAD/CAE/CAM 构造数字化产品主模型，无图纸生产
3,数字化预装配 Digital Pre-Assembly
减少设计更改、反馈和报废 50% 以上
4.广域网上的异地设计、异地制造
5.STEP 的数据交换
6.供应链的管理
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航天产品开发 —— Lockhead/Thaad 导弹开发
1992年得到国防部 6.88亿美元订单，要求开发一种
战略拦截导弹，并尝试把产品开发周期从 5年缩短到 2年。
1994年完成目标。所采用的关键技术包括：
1.基于数字化产品定义的并行过程
2.虚拟团队
3.产品数字管理
4.电子化评审，大大缩短传统开发时 5000次评审所需要的周期
5.高性能网络系统
第一章 概论
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精良生产（ LP,lean Production） 丰田模式
减少一切不必要活动,杜绝浪费,从生产操作、组织管理、
经营方式 等方面找出一切不能为产品增值的活动和人员，
加以革除。
七种浪费：修复、过量、搬运、库存、等待、加工过程中
把任务集成为复杂的 多面手 的工作，或组成 小组 的任务，以
消除多余 的或重复的工作。
大量生产方式的目标是使产品足够好，而 LP则要求 尽善尽美,
不许有废品 。
第一章 概论
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经营过程重构（ BPR,Business Process Re_engineering）
对企业经营过程彻底的 重新构思,根本的 重新构造,以达到
诸如成本、质量、服务、速度等关键性能方面的显著提高。
,重新 构思,重新 构造 （设计）、重新 构成 （实施）,
,先要 合理 化，然后 自动 化,
第一章 概论
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敏捷制造（ AM,Agile Manufacturing）
敏捷制造的 基本思想
美国, 21世纪制造企业战略, 报告中首次提出。
?“?敏捷性 ’ 是对于急剧变化、连续分裂的全球市场提供高质量、
高性能、按用户要求配置的商品和服务而盈利的挑战的反应。,
?“?敏捷性 ’ 是动态的没有尽头的，是专门承上启下预见到未来，
是进攻性地抓住变化，和始终面向企业发展的。,
?“敏捷从字面上讲，它可以和产品生产周期联系在一起，表示
快速 ；它可以和大批用户化生产联系在一起，表示 适应性 ；
它可以和重构联系在一起，表示生产过程的 不断改进 ；它可
以和精良生产联系在一起，表示更高的 资源利用率 。
┄┄ 几乎所有的表示 竞争 的特点联系在一起。,
第一章 概论
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敏捷制造（ AM,Agile Manufacturing）
敏捷制造企业的 基本特征
1.并行工作
2.继续教育
3.根据用户反应建立的组织机构
4.动态多方合作
5.珍惜雇员
6.向工作小组及其成员放权
第一章 概论
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敏捷制造企业的 基本特征
7.柔性的重新配置组合
8.开放的体系结构
9.产品设计一次成功
10.产品终身质量保证
11.技术的领先及敏感
12.企业的集成
13.基于远景规划的管理和领导
第一章 概论
敏捷制造（ AM,Agile Manufacturing）
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敏捷制造（ AM,Agile Manufacturing）
如何评价企业的, 敏捷性, 及如何用敏捷性赢得竞争
1.使顾客富裕销售的, 解答, ——需要，而不是产品
2.用合作去加强竞争
3.组织的敏捷性
4.充分发挥人和信息的作用
第一章 概论
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第一章 概论
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LP,AM,BMP,CE 都是 CIM哲理
——集成观点和信息观点的体现
它们不是互相取代，而是从不同的角度实
现相同的目标
——为用户迅速提供性价比优良的多样
化产品和服务，这也正是这些生产模式
和技术的原动力。
总结
习 题
1.近年来数控系统发展很快，数控机床进给速度已从
增加到,而最小设定单位已从 减少到 。
2,加工中心是指 ○
① 柔性制造单元 FMC ② 分布式 DNC系统
③ 适应控制系统 ④ 自动换刀数控机床
3,DNC系统是指 ○
① 适应控制系统 ② 群控系统
③ 柔性制系统 ④ 计算机数控系统
4.点位控制系统与轮廓控制的主要区别是什么?
5,什么叫脉冲当量？ 它影响数控机床什么性能？
它的值一般为多少？
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答 案
1,什么是数控机床？它由哪些部分组成？
答, 数控机床是一种利用数控技术准确按照事先安
排的工艺流程,自动实现规定动作的金属加工机床。它
由输入介质、数控装置、伺服系统、反馈系统和机 床
等部分组成。
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2.数控机床的输入介质是什么？
答：数控机床的输入介质是穿孔带、磁带和软
磁盘。
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答：数控机床的原理图如下图所示。
输入介质 数控装置 伺服系统 机床
反馈装置
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3.用框图说明一般数控机床的工作原理
1.近年来数控系统发展很快，数控机床进给速度已从
3~5m/min增加到 15~30m/min,而最小设定单位已从
0.001mm减少到 0.0001mm
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2.加工中心是指：自动换刀数控机床
3.DNC系统是指：群控系统
4.点位控制系统与轮廓控制的主要区别是什么?
答：点位 /直线控制系统只能加工沿坐标轴方向上的直线
属性。
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5.什么叫脉冲当量？ 它影响数控机床什么性能？
它的值一般为多少？
答：相对于每一个脉冲信号的机床 运动部件的位移
量称为脉冲当量又称作最小设定单位。它的大小视
机床的精度而定，一般为 0.01~0.0005mm，脉冲当
量影响数控机床的加工精度，它的值取得越小，加
工精度越高。
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步进电机
驱动电路
指令脉冲
功率步进电机
机床
工作台
（ a)
步进电机
驱动电路
指令脉冲
机床
工作台
步进电机
液压扭矩放大器
电液脉冲马达
(b)
开环数控机床系统
闭环、半闭环数控机床系统
D.C.(A.C.)
位移指令
速
度
反
馈
位
移
反
馈
位置检测装置
位移指令
D.C.(A.C.)
位
移
反
馈
速
度
反
馈 位置检测装置
(a)
(b)
