第一章 概 述
第一节 数控技术的基本概念
一,数控与数控机床
1．基本概念
数字控制（ NC）
数控系统（ NC System）
数控装置（ NCU）
计算机数控（ CNC）
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2．用数控机床加工一个零件的过程见图 1-1。
零件图 数控系统 机床
数控
装置
伺服
系统
加工程序
图 1-1 数控机床的加工过
程
第一章 概 述
用数控机床加工工件时, 首先由编程人员按照零
件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程
序 。 数控系统读入加工程序后, 将其翻译成机器能够
理解的控制指令, 再由伺服系统将其变换和放大后驱
动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动, 并带动机
床的工作台移动, 实现加工过程 。 数控系统实质上是
完成了手工加工中操作者的部分工作 。
二, 数控机床的特点
1,适应性强
2,加工精度高, 质量稳定
3,生产效率高, 经济效益好
4,减轻操作者的劳动强度, 操作简单
5,有利于生产管理的现代化
6,有故障诊断和监控能力
第一章 概 述
但另一方面，数控机床在使用中也暴露出一些问
题，主要有：
1．造价较高，很多企业特别是小企业还无法接受；
2．调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员；
3．对编程人员的技术水平要求较高。
三、数控装置的主要技术指标
数控装置的性能指标反映了数控系统的基本性
能，是选择数控系统的主要依据，概括起来如下：
1．控制轴数和联动轴数
2．脉冲当量（控制分辨率）
3．定位精度和重复精度
4．行程
5．主轴转速和调节范围
6．进给速度和调节范围
第一章 概 述
第一章 概 述
7．准备功能（ G功能）
8．辅助功能（ M功能）
9,自动加减速功能
10,开关量接口
以上性能指标可以作为选择数控装置时参考，
随着数控技术的发展，数控装置的性能指标也在不
断地丰富和提高。一般来说，性能越高的数控装置，
价格也越贵，所以对用户来说并不一定一味地追求
高性能，而应该根据自己的实际需要，综合考虑性
能和价格，作出最经济实用的选择。
图 1-2 数控机床的应用范围
第一章 概 述
第一章 概 述
第二节 数控机床的组成与分类
一,数控机床的组成
图 1-2是数控机床的组成框图。数控机床一般由输入输
出设备、数控装置、主轴和进给伺服单元,PLC及其接口电
路和机床本体等几部分组成。除了机床本体以外的部分统称
为数控系统，数控装置是数控系统的核心。
1,输入 /输出设备
2,数控装置
3,伺服单元
4,可编程逻辑控制器 (PLC)
5,机床本体
6,测量装置
主轴伺
服单元
数
控
装
置
输出设
备
P
L
C
进给伺
服单元
主轴
电机
进给
电机
位置
检测
机
床
本
体
接口电路操作面板
输入设
备
图 1-3 数控机床的逻辑组成
第一章 概 述
图 1-4 数控系统的物理组成
第一章 概 述
图 1-5 FANUC 系列 150i B型数控装置
二、数控机床的分类
目前，数控机床的品种齐全，规格繁多。
为了研究的方便起见，可以从不同的角度对数
控机床进行分类，常见的有以下几种分类方法：
（一）按控制轨迹的特点分类
1,点位控制数控机床
2,直线控制数控机床
3,轮廓控制数控机床
第一章 概 述
图 1-6 点位控制
第一章 概 述
图 1-7 直线控制
图 1-7 轮廓控制
第一章 概 述
图 1-8 开环数控系统的结构图
（二）按伺服系统的类型分类
1,开环控制数控机床
第一章 概 述
图 1-9 闭环数控系统的结构图
2,闭环控制数控机床
第一章 概 述
图 1-10 半闭环数控系统结构图
3,半闭环控制数控机床
第一章 概 述
第一章 概 述
（三）按功能水平分类
1,高级型数控系统
2,普及型数控系统
3,经济型数控系统
性能
类别
CPU位
数
联动轴
数
分辨率
(um)
进给速度
(m/min)
显示
高级型 32 5 <0.1 >24 三维
动态
普及型 26 3 0.1~10 10~24 字符 /
图形
经济型 8 <3 <10 <10 字符
表 1.1 数控系统的功能分类
第一章 概 述
第三节 数控技术的发展
一,数控技术与数控机床的产生与发展
数控技术是机械技术和计算机控制技术的结合的产
物，因此计算机技术的每一点进步都在推动数控技术向
前发展。
1959年，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大
减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板。
1965年，出现了小规模集成电路。由于它体积小、
功耗低，，使数控系统的可靠性得以进一步提高，这是
第三代数控系统。
1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展
出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，
被人们成为第四代数控系统，
1974年开始出现的以微处理器为核心的数控系统被
人们誉为第五代数控系统，近 30年来，装备微处理机数
控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。
第一章 概 述
二、中国的数控技术与数控机床
1,2000年的统计数据
数控机床厂家,100
数控系统厂家,50
数控机床配套厂家,300
年产量,14053台
数控机床品种,1300
产量数控化率,8%（ 95年 3.6%）
第一章 概 述
2.十五目标
数控机床年增长率,>18%
到 2005年
产量, 25000~30000台
品种, 2000种
数控化率, 20%
第一章 概 述
三、数控技术的发展趋势
1,高速高精度
2,智能化
数控系统的智能化主要体现在以下几个方面：
（ 1） 应用自适应控制技术
（ 2） 自动编程技术
（ 3） 具有故障自动诊断功能
（ 4） 应用模式识别技术
第一章 概 述
3,开放式数控系统
随着数控技术的发展，数控系统变得越来越复杂，
暴露出许多自身固有的缺陷。 最大的问题是，这些数
控系统都是专门设计的，它们具有不同的编程语言、
非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬
件接口等，这些缺陷造成了数控系统使用和维护的不
便，也限制了数控技术的进一步发展。 为了解决这些
问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。这个
概念最早见于 1987年美国的 NGC(Next Generation
Controller)计划,NGC控制技术通过实现基于相互操
作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准
规范（ SOSAS）”找到解决问题的办法。一个开放式
的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案
去定制控制系统。 由于这样一个富有哲理的概念作为
NGC计划的奠基石,NGC代表了下一代控制技术。
第一章 概 述
1996年, 美国 HP公司在东京日本国际机床展览会
上展出了开放式数控系统 OAC500； HP公司对开放
式数控系统提出了 12个方面的判别准则：
（ 1） 是否基于工业标准硬件平台和总线结构；
（ 2） 运动控制软件是否采用工业标准的开放操
作系统；
（ 3） 能否采用流行的硬件和软件与工厂的网络
相连接；
（ 4） 能否运行流行的软件而不降低机床的性能；
（ 5） 能否安装从不同商家得到的流行硬件；
第一章 概 述
（ 6） 设计或第三方开发者能否应用标准工具和
文件格式, 编程接口建立用户实时的应用；
（ 7） 能否修改所有级别的控制软件；
（ 8） 控制商家能否提供文件格式的开发工具,
允许访问系统的所有级别？
（ 9） 对于 I/O接口, 控制器是否使用了标准的现
场总线？
（ 10） 是否可以把控制器与不同厂家的伺服装
置相连接？
（ 11） 控制器是否可以与多用户控制的网络相
连接？
（ 12） 所有的编程 （ GUI,运动, PLC） 是否采
用了标准的流行的编程工具？
第一章 概 述
第一章 概 述
4,基于网络的数控系统
网络的任务主要是进行通讯, 共享信息 。 数
控机床作为车间的基本设备, 它的通讯范围是：
（ 1） 数控系统内部的 CNC装置与数字伺服间的 通信,
主要通过 SERCOS链式网络传送数字伺服控制信息；
（ 2） 数控系统与上级主计算机间的通信；
（ 3） 与车间现场设备及 I/O装置的通信, 主要通过
现场总线, 如 PROFIBUS等进行通讯；
（ 4） 通过因特网与服务中心的通信, 传递维修数据；
（ 5） 通过因特网与另一个工厂交换制造数据 。
5,提高数控系统的可靠性
可靠性是数控机床用户最为关注的问题，
提高可靠性通常可采取下列一些措施：
（ 1） 提高线路的集成度。采用大规模集成电
路、专用芯片及混合式集成电路，以
减少元器件数量，精简外部连线和降低功耗。
（ 2） 建立由设计、试制到生产的完整质量保
证体系。例如采取防电源干扰，输入
输出隔离；使数控系统模块化、通用化及标
准化，以便组织批量生产和维修；在安装制
造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进
行全面检查考核等。
第一章 概 述
（ 3） 增强故障自诊断功能和保护功能 。 由于元器
件失效, 编程及人为操作失误等原因, 数控系统完
全可能出现故障 。 数控系统一般具有故障预报和自
恢复功能 。 此外, 应注意增强监控和保护功能, 例
如有的系统设有刀具破损检测, 行程范围保护和断
电保护等功能, 以避免损坏机床或报废工件 。 由于
采用了各种有效的增强可靠性的措施, 现代数控系
统的平均无故障时间可达到 MTBF=10000~36000小时 。
第一章 概 述
6,数字制造
1995年 12月，美国 SME主席 G.Olling提出,,数
字制造, （, digital manufacturing”）将会是我
们的主要工作。什么是, 数字制造, 呢？简单地说，
就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中
的所有信息。在计算机世界里，可以产生各种各样
的信息，并把物理过程虚拟化； DNC还可以对
CAD/CAPP/CAM以及 CNC的程序进行传送和分级管理。
DNC技术使 CNC与通信网络联系在一起,还可以传送
维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信；进而
把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。现在
的问题是，如何把这些信息从计算机, 下载, 到生
产线，在生产过程中利用这些信息控制机器，生产
出合格产品；这个全过程就是数字制造。
第一章 概 述
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第一节 数控技术的基本概念
一,数控与数控机床
1．基本概念
数字控制（ NC）
数控系统（ NC System）
数控装置（ NCU）
计算机数控（ CNC）
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2．用数控机床加工一个零件的过程见图 1-1。
零件图 数控系统 机床
数控
装置
伺服
系统
加工程序
图 1-1 数控机床的加工过
程
第一章 概 述
用数控机床加工工件时, 首先由编程人员按照零
件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程
序 。 数控系统读入加工程序后, 将其翻译成机器能够
理解的控制指令, 再由伺服系统将其变换和放大后驱
动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动, 并带动机
床的工作台移动, 实现加工过程 。 数控系统实质上是
完成了手工加工中操作者的部分工作 。
二, 数控机床的特点
1,适应性强
2,加工精度高, 质量稳定
3,生产效率高, 经济效益好
4,减轻操作者的劳动强度, 操作简单
5,有利于生产管理的现代化
6,有故障诊断和监控能力
第一章 概 述
但另一方面，数控机床在使用中也暴露出一些问
题，主要有：
1．造价较高，很多企业特别是小企业还无法接受；
2．调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员；
3．对编程人员的技术水平要求较高。
三、数控装置的主要技术指标
数控装置的性能指标反映了数控系统的基本性
能，是选择数控系统的主要依据，概括起来如下：
1．控制轴数和联动轴数
2．脉冲当量（控制分辨率）
3．定位精度和重复精度
4．行程
5．主轴转速和调节范围
6．进给速度和调节范围
第一章 概 述
第一章 概 述
7．准备功能（ G功能）
8．辅助功能（ M功能）
9,自动加减速功能
10,开关量接口
以上性能指标可以作为选择数控装置时参考，
随着数控技术的发展，数控装置的性能指标也在不
断地丰富和提高。一般来说，性能越高的数控装置，
价格也越贵，所以对用户来说并不一定一味地追求
高性能，而应该根据自己的实际需要，综合考虑性
能和价格，作出最经济实用的选择。
图 1-2 数控机床的应用范围
第一章 概 述
第一章 概 述
第二节 数控机床的组成与分类
一,数控机床的组成
图 1-2是数控机床的组成框图。数控机床一般由输入输
出设备、数控装置、主轴和进给伺服单元,PLC及其接口电
路和机床本体等几部分组成。除了机床本体以外的部分统称
为数控系统，数控装置是数控系统的核心。
1,输入 /输出设备
2,数控装置
3,伺服单元
4,可编程逻辑控制器 (PLC)
5,机床本体
6,测量装置
主轴伺
服单元
数
控
装
置
输出设
备
P
L
C
进给伺
服单元
主轴
电机
进给
电机
位置
检测
机
床
本
体
接口电路操作面板
输入设
备
图 1-3 数控机床的逻辑组成
第一章 概 述
图 1-4 数控系统的物理组成
第一章 概 述
图 1-5 FANUC 系列 150i B型数控装置
二、数控机床的分类
目前，数控机床的品种齐全，规格繁多。
为了研究的方便起见，可以从不同的角度对数
控机床进行分类，常见的有以下几种分类方法：
（一）按控制轨迹的特点分类
1,点位控制数控机床
2,直线控制数控机床
3,轮廓控制数控机床
第一章 概 述
图 1-6 点位控制
第一章 概 述
图 1-7 直线控制
图 1-7 轮廓控制
第一章 概 述
图 1-8 开环数控系统的结构图
（二）按伺服系统的类型分类
1,开环控制数控机床
第一章 概 述
图 1-9 闭环数控系统的结构图
2,闭环控制数控机床
第一章 概 述
图 1-10 半闭环数控系统结构图
3,半闭环控制数控机床
第一章 概 述
第一章 概 述
（三）按功能水平分类
1,高级型数控系统
2,普及型数控系统
3,经济型数控系统
性能
类别
CPU位
数
联动轴
数
分辨率
(um)
进给速度
(m/min)
显示
高级型 32 5 <0.1 >24 三维
动态
普及型 26 3 0.1~10 10~24 字符 /
图形
经济型 8 <3 <10 <10 字符
表 1.1 数控系统的功能分类
第一章 概 述
第三节 数控技术的发展
一,数控技术与数控机床的产生与发展
数控技术是机械技术和计算机控制技术的结合的产
物，因此计算机技术的每一点进步都在推动数控技术向
前发展。
1959年，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大
减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板。
1965年，出现了小规模集成电路。由于它体积小、
功耗低，，使数控系统的可靠性得以进一步提高，这是
第三代数控系统。
1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展
出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，
被人们成为第四代数控系统，
1974年开始出现的以微处理器为核心的数控系统被
人们誉为第五代数控系统，近 30年来，装备微处理机数
控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。
第一章 概 述
二、中国的数控技术与数控机床
1,2000年的统计数据
数控机床厂家,100
数控系统厂家,50
数控机床配套厂家,300
年产量,14053台
数控机床品种,1300
产量数控化率,8%（ 95年 3.6%）
第一章 概 述
2.十五目标
数控机床年增长率,>18%
到 2005年
产量, 25000~30000台
品种, 2000种
数控化率, 20%
第一章 概 述
三、数控技术的发展趋势
1,高速高精度
2,智能化
数控系统的智能化主要体现在以下几个方面：
（ 1） 应用自适应控制技术
（ 2） 自动编程技术
（ 3） 具有故障自动诊断功能
（ 4） 应用模式识别技术
第一章 概 述
3,开放式数控系统
随着数控技术的发展，数控系统变得越来越复杂，
暴露出许多自身固有的缺陷。 最大的问题是，这些数
控系统都是专门设计的，它们具有不同的编程语言、
非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬
件接口等，这些缺陷造成了数控系统使用和维护的不
便，也限制了数控技术的进一步发展。 为了解决这些
问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。这个
概念最早见于 1987年美国的 NGC(Next Generation
Controller)计划,NGC控制技术通过实现基于相互操
作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准
规范（ SOSAS）”找到解决问题的办法。一个开放式
的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案
去定制控制系统。 由于这样一个富有哲理的概念作为
NGC计划的奠基石,NGC代表了下一代控制技术。
第一章 概 述
1996年, 美国 HP公司在东京日本国际机床展览会
上展出了开放式数控系统 OAC500； HP公司对开放
式数控系统提出了 12个方面的判别准则：
（ 1） 是否基于工业标准硬件平台和总线结构；
（ 2） 运动控制软件是否采用工业标准的开放操
作系统；
（ 3） 能否采用流行的硬件和软件与工厂的网络
相连接；
（ 4） 能否运行流行的软件而不降低机床的性能；
（ 5） 能否安装从不同商家得到的流行硬件；
第一章 概 述
（ 6） 设计或第三方开发者能否应用标准工具和
文件格式, 编程接口建立用户实时的应用；
（ 7） 能否修改所有级别的控制软件；
（ 8） 控制商家能否提供文件格式的开发工具,
允许访问系统的所有级别？
（ 9） 对于 I/O接口, 控制器是否使用了标准的现
场总线？
（ 10） 是否可以把控制器与不同厂家的伺服装
置相连接？
（ 11） 控制器是否可以与多用户控制的网络相
连接？
（ 12） 所有的编程 （ GUI,运动, PLC） 是否采
用了标准的流行的编程工具？
第一章 概 述
第一章 概 述
4,基于网络的数控系统
网络的任务主要是进行通讯, 共享信息 。 数
控机床作为车间的基本设备, 它的通讯范围是：
（ 1） 数控系统内部的 CNC装置与数字伺服间的 通信,
主要通过 SERCOS链式网络传送数字伺服控制信息；
（ 2） 数控系统与上级主计算机间的通信；
（ 3） 与车间现场设备及 I/O装置的通信, 主要通过
现场总线, 如 PROFIBUS等进行通讯；
（ 4） 通过因特网与服务中心的通信, 传递维修数据；
（ 5） 通过因特网与另一个工厂交换制造数据 。
5,提高数控系统的可靠性
可靠性是数控机床用户最为关注的问题，
提高可靠性通常可采取下列一些措施：
（ 1） 提高线路的集成度。采用大规模集成电
路、专用芯片及混合式集成电路，以
减少元器件数量，精简外部连线和降低功耗。
（ 2） 建立由设计、试制到生产的完整质量保
证体系。例如采取防电源干扰，输入
输出隔离；使数控系统模块化、通用化及标
准化，以便组织批量生产和维修；在安装制
造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进
行全面检查考核等。
第一章 概 述
（ 3） 增强故障自诊断功能和保护功能 。 由于元器
件失效, 编程及人为操作失误等原因, 数控系统完
全可能出现故障 。 数控系统一般具有故障预报和自
恢复功能 。 此外, 应注意增强监控和保护功能, 例
如有的系统设有刀具破损检测, 行程范围保护和断
电保护等功能, 以避免损坏机床或报废工件 。 由于
采用了各种有效的增强可靠性的措施, 现代数控系
统的平均无故障时间可达到 MTBF=10000~36000小时 。
第一章 概 述
6,数字制造
1995年 12月，美国 SME主席 G.Olling提出,,数
字制造, （, digital manufacturing”）将会是我
们的主要工作。什么是, 数字制造, 呢？简单地说，
就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中
的所有信息。在计算机世界里，可以产生各种各样
的信息，并把物理过程虚拟化； DNC还可以对
CAD/CAPP/CAM以及 CNC的程序进行传送和分级管理。
DNC技术使 CNC与通信网络联系在一起,还可以传送
维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信；进而
把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。现在
的问题是，如何把这些信息从计算机, 下载, 到生
产线，在生产过程中利用这些信息控制机器，生产
出合格产品；这个全过程就是数字制造。
第一章 概 述
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