机床数控系统行业市场分析.docx

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1、机床数控系统行业市场分析1、数控系统是数控机床最核心的部件之一，高档数控系统为国家战略级资源1.1、数控系统是数控机床的大脑机床是制造机器的机器，又被称为工业母机。机床是现代制造业最为重要的工具之一，也是国家基础制造能力的综合体现。机床产品的性能决定着制造的质量，特别是高档的数控机床，其技术水平更是一个国家先进工业化的体现。数控机床加工全能，其可以把车、铳、螺纹加工等集中到一台机床上，使其具有多种工艺手法，数控机床可以很好地解决精度高、复杂、小批量、多品种的零件加工问题，提高产品质量，保证加工零件的精度。数控机床是在普通机床的基础上发展起来，由于数控机床具有良好的柔性、高加工精度和稳定性、可加

2、工复杂零件等一系列优点，目前在机械制造业中有着十分广泛的应用。数控机床相对传统机床具有明显的加工优势，正逐步替代传统机床产品。高档数控机床是能够实现高精度、高复杂性、高效高动态加工的数控机床，具备明显的技术优势。1）高精度：在同等机床档次条件下，具备更高精度加工能力，主要应用于精密模具等零件加工；2）高复杂性：五轴联动加工下才能够完成具备形状复杂、多线型、异形曲面等特点的零件；3）高效高动态：主要服务于航空航天、汽车、军工等重点领域，满足零件加工对高动态特性、高速高节拍等特点的需求，常见于航空航天发动机叶轮、叶盘、叶片及飞机结构件等。由于数控机床可以明显提升加工效率和加工质量，在现代生产之中，

3、数控机床正逐步替代传统的手动机床产品。数控系统是机床的重要部件。从机床结构上看，数控机床由机床主体、传动系统和数控系统构成，机床主体是机床的框架，包括床身及底座铸件、主轴及变速箱等，传动系统包括传动机械、辅助动力系统等,机床主体和传动系统构成工件加工的基础，其刚度、抗震性等要求比较高。从成本占比上看，2016H1海天精工数控机床主要成本构成为结构件、控制系统、传动系统、驱动系统、刀库及其他，其中结构件占35%,控制系统占22%,传动系统占20%,驱动系统占13%,总计达到90%。数控系统是数控机床的“大脑”，数控系统性能的优劣直接影响高端数控机床的加工精度及效率，是最核心的部件之一。图4.机床

4、成本构成（海天精工2016年HD结构件控制系统传动系统驱动系统刀库、刀塔及组件光栅尺其他数控系统是数字控制系统的简称，也被称为计算机数控(ComputerizedNumerica1Contro1,CNC)O数控系统是根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或者全部数值控制功能，并且配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统，因此数控系统包括控制系统、驱动系统和检测系统三大部分。数控系统中的核心模块为计算机数字控制器，即CNC控制器。操作者将编程信息传输至CNC控制器，随后CNC控制器将命令进行控制执行，操作者可以在改变计算机数控系统软件的同时对数控机床的主轴、电器、电机等单元进行操作与控制。

5、数控系统根据程序内容发出指令，一方面由伺服系统中的电动机通过传动装置控制机床执行件的运动，另一方面控制机床的其它辅助运动，如主轴转速、转向选择，冷却泵的开停等。检测系统可以检测机床部件的运动位置、速度，并反馈到控制系统和伺服系统，用于修正控制指令。数控系统通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，包括数控加工程序解释、数据处理、进给轴控制和开关量控制功能。选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能，不仅提高了数控加工过程和操作的方便性和舒适性，而且拓宽了数控系统的适用范围，使制造系统中制造单元的集成成为可能。选择功能包括主要包含以下功能：编程功能、图形模拟功能和通信功能。

6、根据伺服系统控制方式的不同，可以把数控系统分为开环、半闭环、闭环控制数控系统，高档数控系统通常为闭环控制数控系统。1）开环控制数控系统：不带检测装置，无反馈电路，以步进电动机为驱动元件。原理是CNC装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依次通电/断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构（齿轮箱、丝杠等）带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，被广泛应用于经济型数控系统中。图5.数控机床工作流程零件图4M1件加工程序制备控制介炭2）半闭环控制数控系统：位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际

7、运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制。由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如闭环控制数控系统，但其调试方便，成本适中可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。3）闭环控制数控系统：位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制。这类控制方式的位置控制精度很高，通常在高端数控机床领域使用。由于闭环控制数控系统将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放

8、在闭环内，整个系统连接的刚性变差，调试时其系统稳定状态很难达到。根据数控系统的功能水平的不同，可以把数控系统分为经济型、标准型和高档型数控系统，高档数控系统是国家战略级资源。高档型数控系统的控制类型、加工速度、加工精度等方面会有明显的提升，并且西方发达国家目前正严格管控甚至禁止对外出售高档数控系统，或者对高档数控系统的部分功能进行限制。日本发那科的五轴联动数控系统并未对国内企业开放。美国机床企业会对用户进行定时核查，掌握其设备使用情况。数控系统产业链正逐步实现国产化。数控系统产业上游包括制造所需的工控机、显示屏、计算芯片、功率模块、伺服电机和其他部件，这些上游产品一同构成了数控系统的控制系统、

9、测量系统和伺服驱动系统。国内数控机床的计算芯片和功率模块以进口为主，不过国内数控系统制造商已经逐步采用国内芯片产品。部分伺服驱动和电机市场已经国产化替代，但是产品性能与国外产品还有一些差距。数控系统下游是数控机床制造商，后者广泛应用于汽车船舶、航空航天、国防军工、机械制造和石油化工等工业领域。图17.2023年中国数控系统竞争格局发那科三菱电机广州数控西门子其他1.2.国内外数控系统发展历程1952年，美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，开创了世界数控系统技术发展的先河。20世纪80年代中期，数控系统技术进入高速发展阶段。1986年，三菱(MrrSUB1SHI)推出了采用Motoro1

10、a32位68020CPU的数控系统，掀起了32位数控系统的热潮。1987年，发那科(FANUC)公司32位多CPU系统ES15的问世，使系统内部各部分之间的数据交换速度较原来的16位数控系统显著提高。90年代以来，受计算机技术高速发展的影响：利用PC丰富的软硬件资源，数控系统朝着开放式体系结构方向发展。德、美、日等各国争相开发新一代的高速数控机床，加工中心的主轴转速、工作台移动速度、换刀时间分别从80年代的30004000r/min、IOmmin和5-1Os提高到90年代的15000-50000rmin80-120mmin和13s进入21世纪，数控系统技术在控制精度上取得了突破性进展。2010

11、年国际制造技术展览会上，专业的数控系统制造商纷纷推出了提高控制精度的新举措。FANUC展出的Series30i31i32i35i-MODE1B数控系统推出了A1纳米轮廓控制、AI纳米高精度控制、纳米平滑加工NURBS插补等先进功能，能够提供以纳米为单位的插补指令，大大提高了工件加工表面的平滑性和光洁度。SIEMENS展出的SINUMERIK828D数控系统所独有的80位浮点计算精度，可充分保证插补中轮廓控制的精确性，从而获得更高的加工精度。此外，MITSUBISHI公司的M700V系列数控系统也可实现纳米级插补。经过持久研发和创新，德、美、日等国已基本掌握了数控系统的领先技术。目前，在数控技术

12、研究应用领域主要有两大阵营：一个是以发那科(FANUC)、西门子(SIEMENS)为代表的专业数控系统厂商；另一个是以山崎马扎克(MAZAK)、德玛吉(DMG)为代表，自主开发数控系统的大型机床制造商。两种阵营下的数控系统公司发展模式又分为了西门子模式、哈斯模式和马扎克模式，每种模式各有其优缺点。D西门子模式：数控系统厂专业生产各种规格的数控系统，提供各种标准型的功能模块，为全世界的主机厂批量配套。2)哈斯模式：主机厂独立开发数控系统，并与其自产的数控机床配套销售。如美国的哈斯(HaaS)公司、意大利的菲迪亚公司等，这些公司创立之初是从数控系统研发起步的，为了销售数控系统，开始了数控机床的生产

13、销售。我国的科德数控也是这种发展模式。3）马扎克模式：主机厂在数控系统厂提供的开发平台上，研发自主品牌的数控系统，并与其所生产的数控机床配套销售。如日本马扎克、森精机等公司，在三菱.发那科提供的数控系统平台上，共同研发形成马扎克、森精机的数控系统品牌。图18.三级别数控系统竞争格局我国数控系统起步阶段以政府为主导。1958年我国出现第一台数控机床，1981年我国开始引进发那科数控技术，随后开始引进GE、西门子等数控系统。1996年我国领先数控系统制造商开始模型学习，自助创新。2006年以后，我国开始研发高端数控系统。经过多年的发展，国内涌现处华中数控、广州数控、北京凯恩帝等具备一定市场竞争力的

14、企业。传统数控系统不满足现代制造业的生产需求，数控系统应当朝着智能化、网络化和开放化方向发展，在发展过程中，还需要解决网络制造接口问题、跨平台运行通讯机制以及先进控制算法问题，以此促进数控系统的全新发展，从根本上提升现代制造业的发展水平。虽然国产高端数控系统与国外相比在功能性能和可靠性方面仍存在一定差距,但近年来在多轴联动控制、功能复合化、网络化、智能化和开放性等领域也取得了一定成绩。1）高速、高精度、高可靠性：机床的高速化极大地提高加工效率、降低加工成本、缩短生产周期和提高市场竞争力；高精度直接关系到产品的加工质量；可靠性是数控系统综合性能优劣的直接体现，能否在可靠性方面缩短与国外数控系统的

15、差距是关系到国产数控系统及其装备能否占领市场的关键因素。2）多轴联动、复合化：多轴联动数控系统集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，多轴联动加工可利用刀具的最佳几何形状进行切削，产品的加工效率、加工质量和加工精度将大幅提升。一般认为，2至3台三轴机床的加工效率仅能和1台五轴联动机床的加工效率相媲美。随着市场对于个性化需求日益强烈，交货日期不断缩短，金属加工行业愈来愈多地采用复合机床对复杂工件进行综合加工，数控系统在工艺上的复合程度不断提升，相较只具备单一加工功能的数控系统，用户更需要能够提供车削铳削、锋削、钻削和磨削等工序的复合型数控系统。3）智能化、柔性化、网络化：智能化体现在方

16、方面面：智能控制加工质量和效率，如自适应控制加工过程、自动生成工艺参数等；智能提高驱动性能，如负载自动识别、电机参数自适应运算、前馈控制等；智能编程和操作，如自动编程和智能化的人机界面。数控系统向柔性化发展的趋势表现在两个方面：一方面是由点（数控单机）、线（柔性生产线）向面（自动化车间）、体（C1MS）的方向发展；另一方面是向注重经济性和实用性的方向发展。数控系统的网络化主要是数控系统与外部控制系统进行网络连接与控制。在网络技术成熟发展过程中，逐渐提出数字制造概念，已经成为机械制造企业的现代化标志。图21.科德数控GNC62数控系统GNC62败控系统4）开放式、软数控模式：开放式数控系统是指数控系统制造商可通过对数控系统功能进行重新组合、修改、添加或删减，快速构建不同品种和档次的数控系统，并且可以针对不同厂家、用户和行业需求,将其特殊应用和技术经验集成到数控系统中，形成定制