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
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,?？梢宰龅叫畔⑻幚砭C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,。
目前,，數(shù)控機床的發(fā)展日新月異，高速化,、高精度化,、復合化、智能化,、開放化、并聯(lián)驅動化,、網絡化,、極端化、綠色化已成為數(shù)控機床發(fā)展的趨勢和方向,。