數(shù)控技術的應用使傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)生了質的變化，尤其是近年來．微電子技術和計算機技術的發(fā)展給數(shù)控技術帶來了新的活力。數(shù)控技術和數(shù)控裝備是各個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎。

數(shù)控機床是現(xiàn)代制造業(yè)的主流設備，精密加工的必備裝備，是體現(xiàn)現(xiàn)代機床技術水平、現(xiàn)代機械制造業(yè)工藝水平的重要標志，是關系國計民生、國防尖端建設的戰(zhàn)略物資。因此世界上各工業(yè)發(fā)達國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產業(yè)。

CNC數(shù)控加工

CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計算機數(shù)據(jù)控制”，簡單地說就是“數(shù)控加工”，在珠江三角洲地區(qū)，人們稱為“電腦鑼”。

數(shù)控加工是當今機械制造中的先進加工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點的自動化加工方法。它是將要加工工件的數(shù)控程序輸入給機床，機床在這些數(shù)據(jù)的控制下自動加工出符合人們意愿的工件，以制造出美妙的產品。

數(shù)控加工技術可有效解決像模具這樣復雜、精密、小批多變的加工問題，充分適應了現(xiàn)代化生產的需要。大力發(fā)展數(shù)控加工技術已成為我國加速發(fā)展經濟、提高自主創(chuàng)新能力的重要途徑。目前我國數(shù)控機床使用越來越普遍，能熟練掌握數(shù)控機床編程，是充分發(fā)揮其功能的重要途徑。

數(shù)控機床是典型的機電一體化產品，它集微電子技術、計算機技術、測量技術、傳感器技術、自動控制技術及人工智能技術等多種先進技術于一體，并與機械加工工藝緊密結合，是新一代的機械制造技術裝備。

CNC數(shù)控機床的組成

數(shù)控機床集機床、計算機、電動機及拖動、動控制、檢測等技術為一體的自動化設備。數(shù)控機床的基本組成包括控制介質、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、反饋裝置及機床本體，如圖

1、控制介質

控制介質是儲存數(shù)控加工所需要的全部動作刀具相對于工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控制介質就是指將零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體。控制介質有多種形式，它隨著數(shù)控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，穿孔帶、穿孔卡趨于淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然后通過計算機與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置的方法應用越來越廣泛。

2、數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，人們喻為“中樞系統(tǒng)”。現(xiàn)代數(shù)控機床都采用計算機數(shù)控裝置CNC。數(shù)控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數(shù)控裝置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。

3、伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是接收數(shù)控裝置的指令、驅動機床執(zhí)行機構運動的驅動部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較后，帶動機床的移動部件或執(zhí)行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

反饋裝置是由測量元件和相應的電路組成，其作用是檢測速度和位移，并將信息反饋回來，構成閉環(huán)控制。一些精度要求不高的數(shù)控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環(huán)系統(tǒng)。

5、機床本體

機床本體是數(shù)控機床的實體，是完成實際切削加工的機械部分，它包括床身、底座、工作臺、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝的特點

CNC數(shù)控加工工藝也遵守機械加工切削規(guī)律，與普通機床的加工工藝大體相同。由于它是把計算機控制技術應用于機械加工之中的一種自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工序較為復雜，工步安排較為詳盡周密。

CNC數(shù)控加工工藝包括刀具的選擇、切削參數(shù)的確定及走刀工藝路線的設計等內容。CNC數(shù)控加工工藝是數(shù)控編程的基礎及核心，只有工藝合理，才能編出高效率和高質量的數(shù)控程序。衡量數(shù)控程序好壞的標準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工件。

數(shù)控加工工序是工件整體加工工藝的一部分，甚至是一道工序。它要與其他前后工序相互配合，才能最終滿足整體機器或模具的裝配要求，這樣才能加工出合格的零件。

數(shù)控加工工序一般分為粗加工、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步。

CNC的數(shù)控編程

數(shù)控編程是從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全過程。它的主要任務是計算加工走刀中的刀位點（cutter location point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表面的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢量。

數(shù)控機床是根據(jù)工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度和動作先后順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭松開及冷卻等操作，以規(guī)定的數(shù)控代碼形式編成程序單，輸入到機床專用計算機中。然后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的指令進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令，控制各部分根據(jù)規(guī)定的位移和有順序的動作，加工出各種不同形狀的工件。因此，程序的編制對于數(shù)控機床效能的發(fā)揮影響極大。

數(shù)控機床必須把代表各種不同功能的指令代碼以程序的形式輸入數(shù)控裝置，由數(shù)控裝置進行運算處理，然后發(fā)出脈沖信號來控制數(shù)控機床的各個運動部件的操作，從而完成零件的切削加工。

目前數(shù)控程序有兩個標準：國際標準化組織的ISO和美國電子工業(yè)協(xié)會的EIA。我國采用ISO代碼。

隨著技術的進步，3D的數(shù)控編程一般很少采用手工編程，而使用商品化的CAD/CAM軟件。

CAD/CAM是計算機輔助編程系統(tǒng)的核心，主要功能有數(shù)據(jù)的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數(shù)設置、加工仿真、數(shù)控程序后處理和數(shù)據(jù)管理等。

目前，在我國深受用戶喜歡的、數(shù)控編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對于數(shù)控編程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小異，但各有特點。

CNC數(shù)控加工零件的步驟

1、分析零件圖，了解工件的大致情況（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）

2、確定零件的數(shù)控加工工藝（加工的內容，加工的路線）

3、進行必要的數(shù)值計算（基點、節(jié)點的坐標計算）

4、編寫程序單（不同機床會有所不同，遵守使用手冊）

5、程序校驗（將程序輸入機床，并進行圖形模擬，驗證編程的正確）

6、對工件進行加工（好的過程控制能很好的節(jié)約時間和提高加工質量）

7、工件驗收和質量誤差分析（對工件進行檢驗，合格流入下一道。不合格則通過質量分析找出產生誤差原因和糾正方法）。

數(shù)控機床的發(fā)展歷史

二戰(zhàn)后，制造業(yè)的生產大部分是依靠人工操作，工人看懂圖紙后，手工操作機床，加工零件，用這種方式生產產品，成本高，效率低，質量也得不到保證。

在20世紀40年代末期，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一種方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀，利用著一張硬卡來控制機床的動作，在當時，這只是一種構思。

1948年，帕森斯向美國空軍展示了他的這種想法，美國空軍看后，表示極大的興趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問題，由于樣板形狀復雜，精度要求高，一般的設備難以適應，美國空軍立即委托及贊助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發(fā)這部硬卡紙來控制的機床，終于在1952年，麻省理工學院和帕森斯公司合作，成功的研制出了第一臺示范機，到了1960年較為簡單和經濟的點位控制鉆床，和直線控制數(shù)控銑床得到了較快的發(fā)展使數(shù)控機床在制造業(yè)各部門逐步獲得推廣。

CNC加工的歷史已經經歷了長達半個多世紀，NC數(shù)控系統(tǒng)也由最早的模擬信號電路控制發(fā)展為極其復雜的集成加工系統(tǒng)，編程方式也有手工發(fā)展成為智能化、強大的CAD/CAM集成系統(tǒng)。

就我國而言，數(shù)控技術的發(fā)展是比較緩慢的，對于國內的大多數(shù)車間來說。設備比較落后，人員的技術水平和觀念落后表現(xiàn)為加工質量和加工效率低下，經常拖延交貨期。

1、第一代NC系統(tǒng)是在1951年引入的，其控制單元主要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一臺數(shù)控機床誕生，已經從銑床或車床發(fā)展到加工中心，成為現(xiàn)代制造業(yè)的關鍵設備。

2、第二代NC系統(tǒng)于1959年產生的，其主要有單個的晶體管和其他部件組成。

3、1965年引入了第三代NC系統(tǒng)，其首次采用集成電路板。

4、實際上，在1964年已經研制出來了第四代NC系統(tǒng)，即我們非常熟悉的計算機數(shù)字控制系統(tǒng)（CNC控制系統(tǒng)）。

5、1975年，NC系統(tǒng)采用了強大的微處理器，這就是第五代NC系統(tǒng)。

6、第六代NC系統(tǒng)采用了現(xiàn)行的集成制造系統(tǒng)（MIS）+DNC+柔性加工系統(tǒng)（FMS）

數(shù)控機床的發(fā)展趨勢

1. 高速化

隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應用，對數(shù)控機床加工的高速化要求越來越高。

a.主軸轉速：機床采用電主軸(內裝式主軸電機)，主軸最高轉速達200000r/min；

b. 進給率：在分辨率為0.01μm時，最大進給率達到240m/min且可獲得復雜型的精確加工；

c. 運算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數(shù)控系統(tǒng)，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由于運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；

d. 換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

2.高精度化

數(shù)控機床精度的要求現(xiàn)在已經不局限于靜態(tài)的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補償越來越獲得重視。

a. 提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給，使CNC控制單位精細化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度，位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法；

b. 采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償?shù)燃夹g，對設備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。

c. 采用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度:通過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重復定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，并保證零件的加工質量。

3. 功能復合化

復合機床的含義是指在一臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結構特點可分為工藝復合型和工序復合型兩類。加工中心能夠完成 車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復雜零件的全部加工。隨著現(xiàn)代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯(lián)動數(shù)控機床越來越受到各 大企業(yè)的歡迎。

4. 控制智能化

隨著人工智能技術的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產柔性化、制造自動化的發(fā)展需求，數(shù)控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

a. 加工過程自適應控制技術；

b. 加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇；

c. 智能故障自診斷與自修復技術；

d. 智能故障回放和故障仿真技術；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；

f. 智能4M數(shù)控系統(tǒng)：在制造過程中， 將測量 、建模、加工、機器操作四者(即4M)融合在一個系統(tǒng)中 。

5.體系開放化

a. 向未來技術開放：由于軟硬件接口都遵循公認的標準協(xié)議，可采納、吸收和兼容新一代通用軟硬件。

b. 向用戶特殊要求開放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合以滿足特殊應用要求；

c. 數(shù)控標準的建立：標準化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關的勞動消耗。

6.驅動并聯(lián)化

可實現(xiàn)多坐標聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工，并聯(lián)機床被認為是“自發(fā)明數(shù)控技術以來在機床行業(yè)中最有意義的進步”和“21世紀新一代數(shù)控加工設備”。

7.極端化(大型化和微型化)

國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎產業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰(zhàn)略技術，需發(fā)展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備。

8.信息交互網絡化

既可以實現(xiàn)網絡資源共享，又能實現(xiàn)數(shù)控機床的遠程監(jiān)視、控制、遠程診斷、維護。

9. 加工過程綠色化

近年來不用或少用冷卻液、實現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能環(huán)保的機床不斷出現(xiàn)， 綠色制造的大趨勢使各種節(jié)能環(huán)保機床加速發(fā)展。

10. 多媒體技術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以做到信息處理綜合化、智能化，應用于實時監(jiān)控 系統(tǒng)和生產現(xiàn)場設備的故障診斷、生產過程參數(shù)監(jiān)測等，因此有著重大的應用價值。

審核編輯 ：李倩