机床数控系统选型策略的分析与探讨

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机床数控系统选型策略的分析与探讨

在数字化控制技术和精密制造技术高速发展的今天，数控机床以其加工质量、精度和效率高，加工复杂形面零件能力强，加工柔性强（适应多种加工对象），与cad/cam网络兼容性好，适合制造加工信息集成管理，设备的利用率高，正常运行费用低等诸多优点，正日益成为现代制造业的主流加工设备。而数控系统堪称数控机床的“大脑”，如何为机床配置合适的数控系统及选择哪些数控功能，一直是机床生产厂家和最终用户所最关注的核心问题之一。在本文中，笔者将结合国内外主要种类的数控系统特点，从机床生产厂家和最终用户的不同角度对机床产品的数控系统选型问题分别作出策略性的分析和探讨。

1 国内外主要数控系统的特点分析

1.1 国产数控系统

南方数控、华中数控、航天数控、大森数控等，发展至今已有十余年历史，在国家的大力扶植下已有了很大的发展，不但在经济型数控系统方面实现了规模化生产（如南方数控年产过万台），而且在中档数控系统的研发及产业化上取得了突破（如华中数控已成功开发出五轴联动的数控系统）。目前，国产数控系统还主要应用于旧设备的数控化改造领域及车、铣类中低端经济型数控机床市场。

1.2 进口品牌数控系统

大致可分为日系和欧系两大类。日系以发那科为主，辅以三菱、大偎、马扎克等品牌，在国内的数控车、铣床和加工中心市场拥有较大的市场份额；欧系则以西门子为代表，加上发格、海德汉、力士乐等品牌，目前占据国内中高端数控机床市场的主流地位。上述品牌中，如发那科、西门子等较有影响力的大公司，均以设立合资或独资公司的形式在中国内地建厂，实现了部分产品的本地化制造。

1.3 机床制造商自行开发的专用数控系统

如美国的哈斯公司、格里森公司等，他们大多开发出自己的数控系统软件，移植到通过oem贴牌定制的其它品牌数控系统上，甚至直接兼并一些小的数控品牌，从而拥有自己的数控硬件平台。一般而言，这类专用数控系统都集成了机床制造商拥有自主知识产权的专利技术，在一些特殊加工领域有其独到之处，适用于专业规模化生产中的整条流水线的集中装备。

1.4 以pmac为代表的开放式数控系统

它们一般都是在普通的pc工控机上插入相应的运动控制卡，可运行于microsoft windows环境下，用户可以自由的配置数控系统的其它软硬件。因其良好的开放性，最初很受一些科研院所的欢迎，随着技术的不断进步，现已逐渐向普通工业场合推广。

客观地说，简单对市场上的某种数控系统做出优劣好坏的定性判定是不科学的。上述各类数控系统既然能够存在于市场，就必然有其各自特定的市场定位，优势或弱项，区别仅在于市场份额的大小不同而已。所以，无论是机床制造厂家还是最终用户在选型时决不能先入为主，应该针对实际的装备需求做科学的分析，判断和决策，选择出最适合的数控系统型号。

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2 机床设计中的数控系统选型策略

2.1数控系统设计选型的一般程序

一般来讲，正规的机床制造厂家对于新型产品的设计选型会遵循iso9001质量保证体系相关标准的要求，制定一系列规范化的程序，主要包括：

2.1.1 新产品开发前的市场调研

机床制造厂家在开发新的机床产品前，一般应该做广泛深入的市场调研，如对目标客户群的调查走访，对国外同类样机的资料检索及现场考察等。

2.1.2 形成《设计任务书》

根据调研结果及可行性论证，确定新产品的市场定位及主要技术指标，最终形成《设计任务书》。《设计任务书》即是整个新产品研发的纲领性文件，是包括数控系统选型在内的所有设计工作的基本依据。

2.1.3 确定机床的数控设计方案

根据《设计任务书》的要求，研究确定机床电气系统的整体控制方案，明确主要技术环节的控制方法及相关功能选项。

2.1.4 筛选出符合要求的数控系统型号

从技术可行性和功能适用性的角度，从众多种类的数控系统中筛选出两种以上型号的数控系统，并与相关供应商联系，制作系统配置清单及询价，以备最终的数控系统选型论证。

2.1.5经论证及评审后完成数控系统定型

将备选型号的数控系统相关资料提交设计评审会议（至少两次），经评审组专家质询和充分论证后，最终确定该机床的数控系统标准配置型号。

2.2系统选型中的数控功能选择依据

数控系统主要由控制单元、伺服驱动和测量系统三部分组成。在设计选型中的数控功能选择也是围绕这三个部分展开的。大致包括以下几点：

2.2.1 根据机床的几何结构和传动结构及其运动插补关系确定数控通道数（坐标系个数）和伺服轴（直线轴和回转轴）个数，插补算法的选择等；

2.2.2 根据机床的精度要求确定数控系统的位置控制方式：开环/半闭环/全闭环；以及对数控系统的多程序预读、光滑控制、轮廓优化等多方面的性能要求；

2.2.3 根据机床的加工范围和规格确定各个数控轴的行程，同时通过对加工范围所覆盖的典型零件的加工工艺和工序流程的分析，进而确定合理的轴进给速度和主轴转速；

2.2.4 根据机床的控制动作框图及其复杂程度，如是否配置刀库、交换工作台、自动上下料装置等辅助机构、有无加工工件的节拍要求等，确定数控系统的的档次要求（包括内置cpu个数，可扩展的外部i/o点数以及多任务处理能力等）。

2.3 影响数控系统设计选型的非功能性因素

数控系统的功能适用性对于数控机床的设计选型无疑是重要的限制性因素，但不可否认的是：因为目前市场上几种主要的数控系统的基本功能选项大同小异，同档次系统的性能指标接近，所以最终决定数控机床系统配置型号的往往是那些非功能性因素。

2.3.1 价格因素

激烈竞争的数控机床市场，迫使机床制造厂家的设计人员在面对档次和性能接近的数控系统时，必然倾向于选择价格较低的品牌。尤其是对经济型或普及型数控机床而言，其数控系统价值在整机售价中所占的成本比例已接近30%。价格因素在机床设计的系统选型时就显得尤其敏感。

2.3.2 系统可靠性
根据统计，与数控系统相关的故障是数控机床主要的故障源之一。因此，数控系统的可靠性问题是系统设计选型时必须考虑的因素。特别是对数控系统在恶劣电磁环境中的抗干扰能力，必须在系统设计选型时做出相应的可靠性评价。

2.3.3 系统开放性

对于某些专机类的数控机床产品，要求数控系统具有较好的开放性，以便设计人员更加方便地在数控系统的硬件平台上集成相关控制软件。

2.3.4 贸易条件

除上述价格因素外，数控系统供货商在合同中所承诺的其它贸易条件，如交货期、付款方式、质保期、出口许可证、售后服务、技术支持等也在相当程度上影响到数控系统的设计选型。

2.3.5 目标客户的认同度

设计选型的数控系统型号是否被大多数目标客户所认同和接受，将直接关系到新型机床的市场前景。有实力的机床制造厂家可以向用户提供两种数控系统配置选择，即标准配置和选项配置。当然，这两种数控系统的选型是建立在充分的市场调研基础之上的。

在现实中，影响机床制造厂对数控系统设计选型的因素还有很多，譬如机床厂商的行业地位，产品的市场占有率（垄断程度），机床厂商与系统供应商的关系，国家的政策导向，设计人员对系统的熟悉程度等。

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3 就设备采购中的数控系统选型问题提几点建议

很多最终用户在采购数控机床时，对机床的机械性能、工艺要求、验收标准等均已有了相当程度的了解。但对于数控系统的选型则存在一定的盲目性。在此，笔者提出几点建议，谨供参考。  

3.1 应根据机床的性能需要来恰当选择数控系统的功能配置

用户在订购数控机床时，既要把必需的数控选项功能订全，不能遗漏，同时也要避免因片面追求高的性能指标，以致因使用率不高而造成不必要的资金浪费。某些选项功能并不实用，但价格不菲。例如，通过以太网口实现对机床故障的远程诊断功能，在实验室完全可以实现。但在工业现场的实际应用中你将发现，并非配置一个以太网接口那么简单，不但要有专门软件来支持，而且机床制造厂家必须提供相应的响应机制才行。况且，国外研究机构的统计数据表明，仅有不到25%的机床故障可以通过远程诊断的方法来解决。

3.2 在数控系统的选型时注重长期运行成本的估算

在计算数控机床的投资回报率时，既要计算一次性采购成本，还要加上其长期的运行成本，包括能耗费用、人员工资、维修费用等。因此，在数控机床的系统选型时，应尽量选择技术成熟的新型系统。虽然初次购置费用会有所增加，但可以保证相对较长时期的备件供应，同时，在系统淘汰前的维修费用也会大大降低。同样道理，应尽量避免选购二手的进口数控设备。

3.3 尽量选择与原有数控设备相同的数控系统品牌

采购新机床设备时,优先考虑选择与原有数控设备相同的数控系统品牌，可以减少原有操作人员和维修人员的培训费用和时间，尽早使新机床投入使用产生效益，因人为操作原因造成的机床故障发生几率也会大大降低。原有的零件程序一般都可以不经修改直接调用。

3.4 数控系统的可靠性和售后服务质量对机床用户至关重要

建议机床用户在设备采购前向有经验的业内人士或企业咨询、考察，特别要重视他们对相关数控系统的可靠性评价，并以此作为数控系统选型的重要参考依据。尽量选择信誉度较好的机床厂商，以保证获得快捷专业的售后服务保障。

4 结束语

无论是从机床生产厂家还是从最终用户的角度看，数控机床的系统选型都不应仅仅简单地作为一个技术问题来讨论，而应是一个对性能、价格、可靠性、人员、服务等多方面因素的综合性评价和决策过程。