用于实训教学的数控机床选型策略分析

北京劳动保障职业学院 魏 巍

前言

根据教育部最新颁布的《普通高等学校高等职业教育（专科）专业目录》和《中等职业学校专业目录》统计，数控加工技术的教学与实训所涉及的专业至少涵盖高职的装备制造大类的6类18个重点专业以及中职的加工制造类的9个重点专业。顺应我国从“制造大国”向“制造强国”转变的历史机遇，几乎所有中高职院校的机电类院系都已经建设或正在筹建自有数控加工实训基地（中心、室）项目，规模虽大小不一，但均需要采购批量不等的以数控机床为主的实训设备，该部分的资金投入一般会占到数控加工实训项目建设总预算（不含土地费用）的60%~70%。而数控系统堪称数控机床的“大脑”，其性能的优劣直接关系到数控机床的有效使用。因此，如何为用于数控加工实训教学的机床设备配置最合适的数控系统及选择哪些数控功能选项，一直是中高职院校的机电类专业教师在筹建数控加工实训时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，从满足数控加工技术相关专业群实训教学的课程建设需求出发，针对以机床为主的职教实训设备的数控系统和功能选型问题作出策略性的分析和探讨。

一、国内外主要数控系统的特点分析

1.国产数控系统

譬如华中数控、南方数控、航天数控、大森数控等，发展至今在经济型数控系统方面实现了规模化生产，中档数控系统的研发及产业化也取得了较大突破。国产数控系统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。

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目前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。

3.机床制造商自行开发的专用数控系统

如美国的哈斯、格里森；日本的马扎克等公司，他们大多开发出自己的数控系统软件，且拥有专属的数控硬件平台。

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。适用作研发专用设备的系统平台进行二次开发，很受一些科研院所的实验室欢迎。

客观的说，简单评价某种数控系统的优劣好坏并不科学。各类数控系统有其各自特定的市场定位和优势特色，区别仅在于市场份额的大小不同而已。

二、影响实训机床数控选型的功能性因素

用于实训的数控机床选型实质上是机床的数控系统型号及其控制功能的选择的决策过程，应与中高职院校相关专业系列课程的实训教学目标和具体需求密切相关。数控系统一般由控制单元、伺服驱动和测量系统三部分组成，所有的数控功能也是依托这三个部分的软硬件配置实现的。即最终的功能需求决定了机床的数控系统软硬件配置（即招标文件中的技术要求）。一般而言，影响实训机床数控选型的功能性因素包括以下几点。

1.符合相关专业（群）的专业教学标准和系列课程标准要求

数控加工实训教学并不简单针对单一专业或课程，而是涉及多个专业门类和系列课程，在数控选型时应结合本校的专业设置及院系发展规划通盘考虑，注重前置、同步和后续课程的衔接和匹配。例如：仅就高职专业的装备制造大类的机械设计制造类而言，数控加工就涉及机械设计与制造、机械制造与自动化、数控技术、精密机械技术、特种加工技术、材料成型与控制技术、模具设计与制造专业、机械装备制造技术等9个专业；又如，中职的数控技术应用专业所开设的专业技能课程“数控车削/铣削技术训练”的前置课程均包括“CAD/CAM技术应用”课程，实训机床的数控系统应具有与CAD/CAM软件进行通讯和数据传输的接口和功能；此外，该专业的数控机床装调与维护方向课程“数控机床结构与维护”要求实训机床的数控系统硬件应最好采用模块化配置，而尽量回避采用一体机结构。

2.满足相关专业（群）的职业技能资格认证培训需求

目前，中高级职业院校的数控相关专业普遍推行“课证融合”的教学模式，要求学生在完成本专业理论知识学习的同时，获取相关工种不同层次的职业技能资格证书，如“数控铣工”“数控车工”“ 数控机床装调”等工种的中级工、高级工证书。这就要求实训机床设备的数控功能应满足相关职业技能鉴定及相关培训的需求。例如，数控系统的位置控制方式（测量系统）包括开环、半闭环、全闭环三种，“数控机床装调维修工”的职业技能鉴定要求学员能够正确识别和区分这三种测量系统；所以实训机床的测量系统配置应在主机一致的基础上按比例选配不同的测量系统供学生认知。又如，部分数控系统提供的“示教”功能，经实践证明对迅速提高学生的数控加工操作技能和数控编程水平效果明显。

3.执行强制性或推荐性的国家及行业标准要求

GB 5226.1-2008 《机械电气安全 机械电气设备 第1部分：通用技术条件》是国内机床行业正规厂商的数控机床产品普遍执行的国家强制性安全标准，该标准也被作为目前市场上选购机床产品时考核机床安全性的主要依据。但对于职业院校用户而言，实训机床的操作者都是刚刚接触数控加工的学生，无论从安全意识还是技术水平考量，均与机械加工企业的熟练工人无法比较。因此，职业院校在对数控实训设备选型时应同时参考执行原劳动和社会保障部2006年颁布的行业标准LD/T 81.1-2006《职业技能实训和鉴定设备通用技术规范》，该标准虽不是专为机床类产品制订，但适用于所有职业技能实训和鉴定设备。标准中关于安全、环保、知识产权以及计算机辅助实训软件等方面的要求，对实训机床设备的数控选型具有重要的指导意义。

4.有利于“工学结合”教育模式下学生操作技能的提升

实训机床设备的数控功能选型应符合中高职阶段学生学习相关专业课程的学情特点，有利于他们实践数控机床操作技能的提升。中高职学生的英语水平普遍较差，因此在选择国外品牌的数控系统功能时，应要求提供可中英文切换的操作界面。如果需要在实训场所组态教学网络，应选择数控系统的工业以太网的网络接口和软件。对于模具设计与制造专业的实训机床，则应定制数控系统的多程序预读、光滑控制、轮廓优化等高级选项功能，以适应该专业对工件表面粗糙度的较高要求。

三、影响实训机床数控选型的非功能性因素

实训机床的数控功能适用性虽然是选型时重要的限制性因素，但目前市场同档次数控机床产品的性能指标高度趋同，所以最终决定实训机床数控系统配置的往往是一些非功能性因素。

1.品牌因素

国内市场的数控系统两大品牌都来自国外：FANUC和SIEMENS。前者在整个机床行业占有六成以上的市场份额，但主要局限在中低端市场；后者占据了高中端市场的多数份额。从区域上看，南方民营经济发达地区对日系数控系统较为青睐；而北方地区则偏重于欧系数控系统。国产系统中，以华中数控系统的技术水平较高。

2.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%~40%。价格因素在实训机床的数控系统选型时就显得尤其敏感。

3.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设备采购是系统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以及系统的自诊断功能。应向机床制造商提出专门的数控系统可靠性指标要求，如机床的平均无故障时间（MTBF）。

4.系统开放性

数控系统的开放性，既体现在与周边辅助设备的兼容上，也体现在能否方便地在数控系统的硬件平台上集成第三方软件。如果后期有对实训设备升级改造的需求，应要求机床制造商在数控系统的内置CPU的配置及可扩展的外部I/O点数等预留足够的设计裕量。这些预留配置也可以作为数控系统调试维修、PLC控制技术等专业课程实训的硬件平台。

5.贸易条件

除上述价格因素外，机床制造商在标书及合同中对不同数控系统配置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选型。

在现实中，影响机床数控系统选型的因素还有很多，譬如机床厂商的资质，市场占有率（垄断程度），交易各方的合作关系，国家的政策导向，技能大赛的设备系统配置等。

四、对职业院校的实训机床设备采购提出几点建议

很多职业院校在筹建数控加工实训基地建设时，对于拟采购数控机床的种类、数量、机械性能，工艺要求等均已有了相当程度的了解。但对于机床的数控系统及其功能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。

1.重视前期的市场调研；

数控实训设备的招标采购前，一般应该做广泛深入的市场调研，调研的对象包括主要备选的机床制造商、学生就业区域范围内的机械加工企业、兄弟院校已建成的数控实训基地、当地职业技能鉴定机构、国家及省级职业技能大赛的组织方与承办单位等。

2.合理配置各种数控系统的比例

基于目前国内主要数控系统的市场占有率现状，不宜选用单一品牌的数控系统配置，更不能搞成“万国博览会”。建议按4∶4∶2的比例配置FANUC、SIEMENS和其他数控系统，其中FANUC或SIEMENS两种系统应尽量集中在某一种类的数控机床，如数控车床全部采用FANUC系统，数控铣床（或加工中心）全部采用SIEMENS系统；剩余的20%份额主要用于采购诸如五轴加工中心等高端数控设备，也可以部分选择华中等国产品牌的数控系统，用于国家职业技能大赛的培训用机。

3.根据实训教学与培训的实际需求恰当选择数控系统的功能配置

数控机床的功能配置高低往往与价格密切相关。既要避免片面追求配置高、功能全；又要为后期的功能扩展留有接口和I/O资源。应将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过高的性能指标，以致造成不必要的资金浪费。

4.在数控机床选型时注重其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。技术成熟的主流系统，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。同样道理，应尽量避免选购二手的进口数控设备。

5.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。

6.数控系统的可靠性和售后服务质量对院校用户至关重要

对于职业院校实训用的数控机床而言，可靠性和售后服务质量往往比精度和刚性更重要，因为实训用的试件多为铸铁件、铝件甚至蜡件，切削负载很小。建议院校用户在设备采购前的调研中重视用户对相关数控机床的可靠性评价，并以此作为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。

[1] 李程.数控加工实训基地建设应注意的问题及相关对策向[J].新教育时代电子杂志（教师版）,2014(8).

[2] 高文会.关于高职院校数控实训基地建设的探讨[J].长沙航空职业技术学院学报,2007(6).

[3] 魏巍.机床产品的数控系统选型策略分析[J].现代模具,2007(1).