數控技術

（1）數字控制。數字控制（Numerical Control，NC）是一種用數字化信號對控制對象（如機牀的運動及其加工過程）進行自動控制的技術，簡稱為數控。

（2）數控技術。數控技術是指用數字、字母和符號對某一工作過程進行可編程的自動控制技術。

（3）數控系統。數控系統是指實現數控技術相關功能的軟、硬件模塊的有機集成系統，它是數控技術的載體。

（4）計算機數控系統。計算機數控系統（Computer Numerical Control，CNC）是指以計算機為核心的數控系統。

（5）數控機牀。數控機牀（NC Machine）是指應用數控技術對加工過程進行控制的機牀，或者説裝備了數控系統的機牀 ^[2]  。

數控技術隨着現代科技，特別是微電子、計算機技術的進步而不斷髮展。發達國家普遍重視機牀工業，不斷研究機牀的發展方向和提出科研任務，併為此網羅世界性人才和提供充足的經費。美、德、日三國是當今世界上在數控機牀科研、設計、製造、使用方面技術比較先進和經驗比較豐富的國家。

美國由於其汽車等製造業發達，電子、計算機技術又處於世界領先地位，因此發展了大量大批量生產自動化所需的自動線。其數控機牀的主機設計、製造及數控系統基礎紮實，且一貫重視科研和創新，其高性能數控機牀技術在世界也一直領先。當今美國既生產用於宇航產品加工的高性能數控機牀，也為中小企業生產廉價實用的數控機牀。

德國重視機牀工業的重要戰略地位。德國的數控機牀，尤其是大型、重型、精密數控機牀.由於質量及性能良好、先進實用，在世界上享有盛譽。德國特別重視數控機牀主機及配套件的先進和優質，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數控系統和各種功能部件在質量、性能上居世界前列。如西門子公司的數控系統和Heidenhain公司的精密光柵均世界聞名。

日本也和美、德兩國相似，充分發展大批量生產自動線，繼而全力發展中小批量柔性生產自動化的數控機牀。在中檔數控機牀方面，日本的出口量居世界第一位。日本從20世紀80年代開始進一步加強科研，發展高性能數控機牀。日本突出發展數控系統，日本FANUC公司生產的數控系統，在技術上領先，在產量上居世界第一。

我國生產數控機牀的廠約佔機牀廠總數的1/3。數控機牀產量不斷增長，但數控機牀的需求量增長得更快，國產數控機牀產量還滿足不了社會發展的需求，大量的數控機牀需要進口。

我國從1958年研製出第一台數控機牀到如今數控機牀的發展大致可分為兩大階段：

1958-1979年為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段由於數控系統的穩定性、可靠性尚未很好地解決，限制了國產數控機牀的發展。而數控線切割機牀由於結構簡單，得到了較快的發展。在第二階段，通過引進先進的數控技術和合作生產等方式，解決了數控機牀的可靠性、穩定性等問題，數控機牀開始批量生產和使用。經過第二階段的發展，我國數控機牀的設計和製造技術有了較大提高，開發了立式加工中心、卧式加工中心，以及數控車牀、數控銑牀等多種數控機牀；培訓了一些數控機牀設計、製造、使用維護方面的人才；通過利用國外的先進元器件及數控系統配套，能自行設計系統配套，能自行設計及製造高速、高性能、多面、多軸聯動的數控機牀。在加工中心的基礎上，研製了柔性製造單元，建造了柔性製造系統。到20世紀80年代末，我國在一定範圍內探索實施了CIMS（計算機集成製造系統），取得了寶貴的經驗，掌握了一定的技術。

雖然我國的數控技術有了一定的發展，但是和其他先進國家的相比，差距還很大。我國數控機牀的數量和品種尚不能完全滿足國內市場需求，出口量少；設計製造水平還處於學習、仿造走向自行開發階段；嚴重缺乏各方面專家人才和熟練的技術工人；重要功能部件、自動化刀具、數控系統需要國外技術的支撐；還需要提高關鍵技術的試驗、消化、掌握及創新能力。

隨着世界科技進步和機牀工業的發展，數控機牀作為機牀工業的主流產品，已成為實現裝備製造業現代化的關鍵設備，是國防軍工裝備發展的戰略物資。我國航天航空、國防軍工製造業需要大型、高速、精密、多軸、高效數控機牀；汽車、摩托車、家電製造業需要高效、高可靠性、高自動化的數控機牀和成套柔性生產線；電站設備、冶金石化設備、軌道交通設備、造船業、製造業需要以高精度、重型為特徵的數控機牀；IT、生物工程等高技術產業需要納米級和亞微米超級精密加工數控機牀；產業升級的工程機械、農業機械等傳統制造行業，特別是蓬勃發展的民營企業，需要大量數控機牀進行裝備。因此，加快發展數控機牀產業也是我國裝備製造業發展的現實要求 ^[3]  。

數控技術由機牀本體、數控系統及外圍技術三部分組成。

機牀本體主要由牀身、立柱、導軌、工作台等基礎件和刀架、刀庫等配套件組成。

數控系統由輸入/輸出設備、計算機數控（Computer Numerical Control，CNC）裝置、可編程控制器（Programmable Logic Control，PLC）及主軸伺服驅動裝置、進給伺服驅動裝置以及測量裝置等組成。其中，計算機數控裝置是數控系統的核心。

外圍技術主要包括工具技術（主要指刀具系統）、編程技術和管理技術 ^[4]  。

1.提高加工精度

數控機牀是高度綜合的機電一體化產品，是由精密機械和自動控制系統組成的，其本身具有很高的定位精度和重複定位精度，機牀的傳動系統與機牀的結構具有很高的剛度及熱穩定性；在設計傳動結構時採取了減少誤差的措施，並由數控系統自動進行補償，所以，數控機牀有較高的加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使產品質量穩定，合格率高，這一點是普通機牀無法與之相比的。

2.提高生產效率

數控機牀可以採用較大的切削用量，有效地節省了加工時間。數控機牀或加工中心還有自動換速、自動換刀和其他自動化操作功能，使輔助時間大大縮短，且一旦形成穩定加工過程，無須進行工序間的檢驗與測量。所以，採用數控加工比普通機牀的生產率高3-4倍，甚至更多。

3.提高適應性

數控機牀按照被加工零件的數控程序來進行自動化加工，當加工對象改變時，只要改變數控程序，不必用靠模、樣板等專用工藝裝備，這有利於縮短生產準備週期，促進產品的更新換代。

4.提高零件的可加工性

一些由複雜曲線、曲面形成的機械零件，用常規工藝方法和手工操作難以加工，甚至無法完成，而由數控機牀採用多座標軸聯動即可輕鬆實現。

5.提高經濟效益

數控機牀（特別是加工中心）大多采用工序集中，一機多用，在一次裝夾的情況下，可以完成零件的大部分工序的加工，一台數控機牀或加工中心可以代替數台普通機牀。這樣既可以減少裝夾誤差，節約工序間的運輸、測量、裝夾等輔助時間，又可以減少機牀種類，節省機牀佔地面積，帶來較高的經濟效益 ^[5]  。

數控技術不僅給傳統制造業帶來了革命性的變化，使製造業成為工業化的象徵，而且隨着數控技術的不斷髮展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業的發展起着越來越重要的作用。儘管十多年前就出現了高精度、高速度的趨勢，但是科學技術的發展是沒有止境的，高精度、高速度的內涵也在不斷變化，正在向着精度和速度的極限發展。

從世界上數控技術發展的趨勢來看，主要有如下幾個方面：

1.機牀的高速化、精密化、智能化、微型化發展

隨着汽車、航空航天等工業輕合金材料的廣泛應用，高速加工已成為製造技術的重要發展趨勢。高速加工具有縮短加工時間、提高加工精度和表面質量等優點，在模具製造等領域的應用也日益廣泛。機牀的高速化需要新的數控系統、高速電主軸和高速伺服進給驅動，以及機牀結構的優化和輕量化。高速加工不僅是設備本身，而且是機牀、刀具、刀柄、夾具和數控編程技術，以及人員素質的集成。高速化的最終目的是高效化，機牀僅是實現高效的關鍵之一，絕非全部，生產效率和效益在“刀尖”上。

2.五軸聯動加工和複合加工機牀快速發展

採用五軸聯動對三維曲面零件進行加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1台五軸聯動機牀的效率可以等於2台三軸聯動機牀，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，五軸聯動加工可比三軸聯動加工發揮更高的效益。但過去因五軸聯動數控系統主機結構複雜等原因，其價格要比三軸聯動數控機牀高出數倍，加之編程技術難度較大，制約了五軸聯動機牀的發展。當前數控技術的發展，使得實現五軸聯動加工的複合主軸頭結構大為簡化，其製造難度和成本大幅度降低，數控系統的價格差距縮小。因此五軸聯動技術促進了複合主軸頭類型五軸聯動機牀和複合加工機牀的發展。

3.新結構、新材料及新設計方法的發展

機牀的高速化和精密化要求機牀的結構簡化和輕量化，以減少機牀部件運動慣量對加工精度的負面影響，大幅度提高機牀的動態性能。例如，藉助有限元分析對機牀構件進行拓撲優化，設計箱中箱結構以及採用空心焊接結構和使用鉛合金材料等已經開始從實驗室走向實用。

我國機牀設計和開發手段要儘快從二維CAD向三維CAD過渡。三維建模和仿真是現代設計的基礎，是企業技術優勢的源泉。在此三維設計基礎上進行CAD/CAM/CAE/PDM的集成，加快新產品的開發速度，保證新產品的順利投產，並逐步實現產品生命週期管理。

4.開放式數控系統的發展

許多國家對開放式數控系統進行了研究，數控系統開放化已經成為數控系統的未來之路。所謂開放式數控系統，就是數控系統的開發可以在統一的運行平台上，面向機牀廠家和最終用户，通過改變、增加或剪裁結構對象（數控功能），形成系列化，並可方便地將用户的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中，快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統，形成具有鮮明個性的名牌產品。開放式數控系統有三種形式：

（1）全開放系統，即基於微機的數控系統，以微機作為平台，採用實時操作系統，開發數控系統的各種功能，通過伺服卡傳送數據，控制座標軸電動機的運動。

（2）嵌入系統，即CNC+PC，CNC控制座標軸電動機的運動，PC作為人機界面和網絡通信。

（3）融合系統，在CNC的基礎上增加PC主板，提供鍵盤操作，提高人機界面功能。

開放式數控系統的體系結構規範、通信規範、配置規範、運行平台、數控系統功能庫以及數控系統功能軟件開發工具等是當前研究的核心。

5.可重組製造系統的發展

隨着產品更新換代速度的加快，專用機牀的可重構性和製造系統的可重組性日益重要。通過數控加工單元和功能部件的模塊化，可以對製造系統進行快速重組和配置，以適應變型產品的生產需要。機械、電氣和電子、液體和氣體，以及控制軟件的接口規範化和標準化是實現可重組性的關鍵。

6.虛擬機牀和虛擬製造的發展

為了加快新機牀的開發速度和質量，在設計階段藉助虛擬現實技術，可以在機牀還沒有製造出來以前，就能夠評價機牀設計的正確性和使用性能，在早期發現設計過程的各種失誤，減少損失，提高新機牀開發的質量 ^[1]  。

從世界上數控技術及其裝備應用來看，其主要應用領域有以下幾個方面：

1.製造行業

機械製造行業是最早應用數控技術的行業，它擔負着為國民經濟各行業提供先進裝備的重任。主要應用有研製開發與生產現代化軍事裝備用的高性能五軸高速立式加工中心、五座標加工中心、大型五座標龍門銑等；汽車行業發動機、變速箱、曲軸柔性加工生產線上用的數控機牀和高速加工中心，以及焊接、裝配、噴漆機器人、板件激光焊接機和激光切割機等；航空、船舶、發電行業加工螺旋槳、發動機、發電機和水輪機葉片零件用的高速五座標加工中心、重型車銑複合加工中心等。

2.信息行業

在信息產業中，從計算機到網絡、移動通信、遙測、遙控等設備，都需要採用基於超精技術、納米技術的製造裝備，如芯片製造的引線鍵合機、晶片光刻機等，這些裝備的控制都需要採用數控技術。

3.醫療設備行業

在醫療行業中，許多現代化的醫療診斷、治療設備都採用了數控技術，如CT診斷儀、全身治療機以及基於視覺引導的微創手術機器人，口腔醫學中的正畸及牙齒修復等方面都需要採用高精度數控機牀對牙齒進行加工生產。

4.軍事裝備

現代的許多軍事裝備大量採用伺服運動控制技術，如火炮的自動瞄準控制、雷達的跟蹤控制和導彈的自動跟蹤控制等。

5.其他行業

在輕工行業，有采用多軸伺服控制的印刷機械、紡織機械、包裝機械以及木工機械等；在建材行業，有用於石材加工的數控水刀切割機，用於玻璃加工的數控玻璃雕花機，用於席夢思加工的數控行縫機和用於服裝加工的數控繡花機；在藝術品行業，越來越多的工藝品、藝術品都會採用高性能的五軸加工中心進行生產 ^[1]  。