計算機數控:計算機應用技術-中文百科頻道

數控的産生

它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和與機械能量流向有關的開關量。數控的産生依賴于數據載體和二進制形式數據運算的出現。1908年，穿孔的金屬薄片互換式數據載體問世；19世紀末，以紙為數據載體并具有輔助功能的控制系統被發明；1938年，香農在美國麻省理工學院進行了數據快速運算和傳輸，奠定了現代計算機，包括計算機數字控制系統的基礎。數控技術是與機床控制密切結合發展起來的。1952年，第一台數控機床問世，成為世界機械工業史上一件劃時代的事件，推動了自動化的發展。

現在，數控技術也叫計算機數控技術（CNC，Computerized Numerical Control），目前它是采用計算機實現數字程序控制的技術。這種技術用計算機按事先存貯的控制程序來執行對設備的運動軌迹和外設的操作時序邏輯控制功能。由于采用計算機替代原先用硬件邏輯電路組成的數控裝置，使輸入操作指令的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現，均可通過計算機軟件來完成，處理生成的微觀指令傳送給伺服驅動裝置驅動電機或液壓執行元件帶動設備運行。

組成

計算機數控系統由硬件和軟件兩部分構成，對CNC系統體系結構的認識應該從硬件和軟件兩個方面來進行。其核心是計算機數字控制裝置。它通過系統控制軟件配合系統硬件，合理地組織、管理數控系統的輸入、數據處理、插補和輸出信息，控制執行部件，使數控機床按照操作者的要求進行自動加工。CNC系統采用了計算機作為控制部件，通常由常住在其内部的數控系統軟件實現部分或全部數控功能，從而對機床運動進行實時控制。隻要改變計算機數控系統的控制軟件就能實現一種全新的控制方式。CNC系統有很多種類型，有車床、銑床、加工中心等CNC系統。各種數控機床的CNC系統一般包括以下幾個部分：中央處理單元CPU、存儲器（ROM/RAM）、輸入輸出設備（I/O）、操作面闆、顯示器和鍵盤、紙帶穿孔機、可編程控制器等。（随着計算機硬件性能價格比的迅速降低和圖形顯示器的推廣應用，現代數控系統已不需要穿孔紙帶，而由計算機直接控制，它是用一台小型通用計算機或個人計算機直接控制一台機床，機床的控制程序存儲在計算機的内存中，容易修改和擴充功能，靈活性好。)

功能

為了充分發揮計算機的潛力，現代CNC系統的功能已遠遠不隻是完成基本的直線和圓弧插補計算，而是配置了不少專用的軟件，可完成多方面的工作，其中一些功能傳統的NC不可能完成或完成很困難。下面介紹現代CNC系統通常具備的主要功能。

(1)坐标軸控制能同時聯動控制3，4和5個坐标軸。能達到較高的切削速度和加工質量。

(2)刀具偏置補償現代數控系統往往具有三維空間直線的刀具半徑補償功能。

(3)編程功能系統提供某些編程功能。通常可以使用系統的彩色圖形顯示終端，人工編制由直線和圓弧組成的平面輪廓件的加工程序，系統配有軟件自動計算輪廓的交點與切點。

(4)平行作業系統可以平行地實現兩種工作模式：機床受控模式和編程模式。

當機床正在受系統控制進行某零件的加工時，操作人員可以同時用鍵盤完成上述手工編程工作，或通過數據傳輸接口進行外部程序的輸入或對已有程序進行編輯修改作業。當機床正在加工時，圖形顯示終端可以同時模拟另一加工程序的執行，以便檢查與編輯。

(5)刀具管理和監控現代數控機床朝加工中心方向發展。通常銑镗類機床帶有幾十把刀具的刀庫，車削中心往往也有刀具庫。數控系統具有控制和管理刀庫的功能。刀具的更換在加工機床上是由數控系統按程序控制換刀機構自動換刀的。

(6)高、低速進給控制系統對機床運動部件的進給速度控制性能是數控系統的一個重要性能指标。現代數控系統能在很短距離内以相當高的進給速度控制機床切削運動。這對曲面加工是十分有利的，可以大大縮短加工時間，尤其對曲率變化較大的過渡區加工，仍可獲得好的加工質量。

(7)電子觸頭找正系統提供三維測量用觸頭(類似測量的測頭)，用它在找正工件時極為方便。

(8)實物測量及自動生成加工程序用上述三維電測頭可對實物(要複制的樣件)進行掃描測量，系統自動采集測量點數據，點的間距與掃描速度有關，掃描點數據經由接口自動生成直線插補NC程序，并可不再作任何後置處理就可執行此程序。

(9)外部編程的執行和DNC作業系統通常配有标準化的數據通信接口，可接受外部傳輸來的程序，例如CAD/CAM系統輸出的加工程序。對于簡短的程序可以存儲入庫；對于加工複雜曲面的長程序可以分塊輸入給本系統，并同步地執行。這就保證系統能适應由别的計算機控制與管理的DNC作業方式。

(10)便攜式電子手動操縱裝置系統通常提供便攜式電子手動操縱器。操作人員用它可以在觀察最清楚與方便的地點靈敏地調整機床運動部件的運動，其控制範圍為0.02～20mm。

應用領域

計算機數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統制造産業和新興制造業的滲透形成的機電一體化産品，即所謂的數字化裝備，如數控機床等。其技術涉及多個領域：(1)機械制造技術；(2)信息處理、加工、傳輸技術；(3)自動控制技術；(4)伺服驅動技術；(5)傳感器技術；(6)軟件技術等。

計算機數控技術及裝備是發展新興高新技術産業和尖端工業的使能技術和最基本的裝備。世界各國信息産業、生物産業、航空、航天等國防工業廣泛采用數控技術，以提高制造能力和水平，提高對市場的适應能力和競争能力。工業發達國家還将數控技術及數控裝備列為國家的戰略物資，不僅大力發展自己的數控技術及其産業，而且在"高精尖"數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。因此大力發展以數控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發達國家加速經濟發展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。

例子；數控車床數控車床又稱為CNC車床，即計算機數字控制車床，是目前國内使用量最大，覆蓋面最廣的一種數控機床，約占數控機床總數的25%。數控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化産品。是機械制造設備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化，加工質量穩定可靠等優點的工作母機。數控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床産量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經濟發展和工業制造整體水平的重要标志之一。數控車床是數控機床的主要品種之一，它在數控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發展。

發展趨勢

數控技術的應用不但給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的象征，而且随着數控技術的不斷發展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業（IT、汽車、輕工、醫療等）的發展起着越來越重要的作用，因為這些行業所需裝備的數字化已是現代發展的大趨勢。從世界上數控技術及其裝備發展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：

1.高速、高精加工技術及裝備的新趨勢

效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高産品的質量和檔次，縮短生産周期和提高市場競争能力。為此日本先端技術研究會将其列為5大現代制造技術之一，國際生産工程學會（CIRP）将其确定為21世紀的中心研究方向之一。

在轎車工業領域，年産30萬輛的生産節拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業領域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，隻有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過衆多的鉚釘、螺釘和其他聯結方式拼裝，使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。

從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右，世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生産線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g，主軸轉速已達60000r/min。加工一薄壁飛機零件，隻用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分别達12*1000r/mm和1g。

在加工精度方面，普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。

在可靠性方面，國外數控裝置的MTBF值已達6 000h以上，伺服系統的MTBF值達到30000h以上，表現出非常高的可靠性。為了實現高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發展，應用領域進一步擴大。

2.五軸聯動加工和複合加工機床快速發展

數控技術采用5軸聯動對三維曲面零件的加工，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5軸聯動機床的效率可以等于2台3軸聯動機床，特别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，5軸聯動加工可比3軸聯動加工發揮更高的效益。但過去因5軸聯動數控系統、主機結構複雜等原因，其價格要比3軸聯動數控機床高出數倍，加之編程技術難度較大，制約了5軸聯動機床的發展。

當前由于電主軸的出現，使得實現5軸聯動加工的複合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數控系統的價格差距縮小。因此促進了複合主軸頭類型5軸聯動機床和複合加工機床（含5面加工機床）的發展。在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用複合主軸頭，可實現4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一台機床上實現，還可實現傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯動加工，可由CNC系統控制或CAD/CAM直接或間接控制。

3.智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統發展的主要趨勢

21世紀的數控裝備将是具有一定智能化的系統，智能化的内容包括在數控系統中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自适應控制，工藝參數自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數的自适應運算、自動識别負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監控方面的内容、方便系統的診斷及維修等。為解決傳統的數控系統封閉性和數控應用軟件的産業化生産存在的問題。許多國家對開放式數控系統進行研究，如美國的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中國的ONC(Open Numerical Control System)等。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，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數控功能），形成系列化，并可方便地将用戶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産品。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。

網絡化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網絡化将極大地滿足生産線、制造系統、制造企業對信息集成的需求，也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛拟企業、全球制造的基礎單元。國内外一些著名數控機床和數控系統制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在EMO2001展中，日本山崎馬紮克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生産控制中心，簡稱CPC)；日本大隈（Okuma）機床公司展出“IT plaza”（信息技術廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（開放制造環境，簡稱OME）等，反映了數控機床加工向網絡化方向發展的趨勢。

4.重視新技術标準、規範的建立

（1）關于數控系統設計開發規範

如前所述，開放式數控系統有更好的通用性、柔性、适應性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰略發展計劃，并進行開放式體系結構數控系統規範(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經濟體在短期内進行了幾乎相同的科學計劃和規範的制定，預示了數控技術的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數控系統的規範框架的研究和制定。

（2）關于數控标準

數控标準是制造業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕生後的50年間的信息交換都是基于ISO6983标準，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現代數控技術高速發展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統标準ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述産品整個生命周期内的統一數據模型，從而實現整個制造過程，乃至各個工業領域産品信息的标準化。STEP-NC的出現可能是數控技術領域的一次革命，對于數控技術的發展乃至整個制造業，将産生深遠的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統的制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新标準下，NC程序可以分散在互聯網上，這正是數控技術開放式、網絡化發展的方向。其次，STEP-NC數控系統還可大大減少加工圖紙（約75%）、加工程序編制時間（約35%）和加工時間（約50%）。

歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1～2001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學術機構。美國的STEP Tools公司是全球範圍内制造業數據交換軟件的開發者，他已經開發了用作數控機床加工信息交換的超級模型(Super Model)，其目标是用統一的規範描述所有加工過程。這種新的數據交換格式已經在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數控系統的原型樣機上進行了驗證。

未來展望

硬件技術發展迅速

随着集成電路及計算機技術的迅猛發展，給數控硬件技術的更新換代注入新的活力，現代數控系統普遍采用超大規模集成電路（VLSI）、專用芯片（ASIC）及數字信号處理（DSP）技術。在電氣裝聯上廣泛采用表面安裝（SMT）、三維高密度（three dimensional high density）技術，極大地提高系統的可靠性。高速高性能存儲技術，比如閃爍存儲（flash memory），移動存儲（PCMCIA card）等極大地方便用戶。薄膜晶體管液晶顯示器（TFTLCD）技術使得顯示裝置趨于平闆化，更便于機電一體化安裝并改善人機界面。作為數控系統核心的處理器廣泛采用“位以上的高速RISC CPU，保證高速、高精度的數控加工。

開放式發展

開放式數控的讨論已有好些年了，但是應該看到，對于開放式結構至今沒有一緻性的定義。某些用戶認為開放式表示能夠接受當地使用的通信協議；而另一些用戶認為開放式意味着所有控制器操作界面完全一緻;對機床應用工程師而言，開放式意味着對刀架移動、傳感器和邏輯控制有标準的輸入/輸出接口；對大公司和大學的研究工程師來說，開放式意味着以上這些均來自随即拿來就用的積木塊。由于來自最終用戶和集成商（機床廠）的壓力，開放式結構的開發工作正在向前發展并将持續下去。目前的一個積極成果即是基于PC的CNC，即PC-based。

實時操作系統進入CNC

嚴格意義上說，數控控制軟件中包含着實時操作系統的思想，例如任務調度、存儲器管理、中斷處理等，但這種技術是隐含的，是和數控應用程序比如插補，伺服、譯碼等混合的。每一個數控系統都是獨特的，不透明的。這種情況對于最終用戶和系統集成商而言帶來諸多不便。在開放式數控呼聲日益高漲的今天，研究實時操作系統在CNC軟件中的應用是順理成章的事。特别是最近嵌入式實時操作系統的技術發展迅猛，這對于數控控制軟件的開發将産生革命性的影響。選擇一個合适的商用嵌入式實時操作系統，将插補、伺服、譯碼、數據處理等數控應用軟件往上“挂”，最終移植到一個硬件環境中去，形成最終使用戶滿意的數控系統，也就是個性化的CNC系統，這将是開放式數控的主要方向。

程序編制

數控編程是指從零件圖紙到獲得數控加工程序的全部工作過程。如圖1所示，編程工作主要包括：

（1）分析零件圖樣和制定工藝方案

這項工作的内容包括：對零件圖樣進行分析，明确加工的内容和要求；确定加工方案；選擇适合的數控機床；選擇或設計刀具和夾具；确定合理的走刀路線及選擇合理的切削用量等。這一工作要求編程人員能夠對零件圖樣的技術特性、幾何形狀、尺寸及工藝要求進行分析，并結合數控機床使用的基礎知識，如數控機床的規格、性能、數控系統的功能等，确定加工方法和加工路線。

（2）數學處理

在确定了工藝方案後，就需要根據零件的幾何尺寸、加工路線等，計算刀具中心運動軌迹，以獲得刀位數據。數控系統一般均具有直線插補與圓弧插補功能，對于加工由圓弧和直線組成的較簡單的平面零件，隻需要計算出零件輪廓上相鄰幾何元素交點或切點的坐标值，得出各幾何元素的起點、終點、圓弧的圓心坐标值等，就能滿足編程要求。當零件的幾何形狀與控制系統的插補功能不一緻時，就需要進行較複雜的數值計算，一般需要使用計算機輔助計算，否則難以完成。

（3）編寫零件加工程序

在完成上述工藝處理及數值計算工作後，即可編寫零件加工程序。程序編制人員使用數控系統的程序指令，按照規定的程序格式，逐段編寫加工程序。程序編制人員應對數控機床的功能、程序指令及代碼十分熟悉，才能編寫出正确的加工程序。

（4）程序檢驗

将編寫好的加工程序輸入數控系統，就可控制數控機床的加工工作。一般在正式加工之前，要對程序進行檢驗。通常可采用機床空運轉的方式，來檢查機床動作和運動軌迹的正确性，以檢驗程序。在具有圖形模拟顯示功能的數控機床上，可通過顯示走刀軌迹或模拟刀具對工件的切削過程，對程序進行檢查。對于形狀複雜和要求高的零件，也可采用鋁件、塑料或石蠟等易切材料進行試切來檢驗程序。通過檢查試件，不僅可确認程序是否正确，還可知道加工精度是否符合要求。若能采用與被加工零件材料相同的材料進行試切，則更能反映實際加工效果，當發現加工的零件不符合加工技術要求時，可修改程序或采取尺寸補償等措施。

專業要求

機械制圖、公差配合與技術測量基礎、金屬材料與熱處理、機械設計基礎、工程力學、液壓與氣動技術、機床夾具、金屬切削原理與刀具、機械制造工藝學、電工電子基礎及操作技能、鉗工技能培訓數控車床加工技術、數控銑床加工中心加工技術、電火花加工技術、AutoCAD、PRO/E三維造型與設計、UG三維設計與數控編程、MASTERCAM三維設計與數控編程、數控機床結構與維護。

主要院校

開設數控專業的相關重點院校：大連交通大學、重慶交通大學、福州大學、山東理工大學、蘭州交通大學，集美大學、廣東工業大學，南昌大學，遼甯工業大學、成都工業學院、黑龍江工程學院、南陽理工學院，南陽職業學院，淮陰工學院、西華大學、沈陽理工大學、河北工業大學、華南農業大學、青島理工大學、浙江師範大學、山東科技大學、西安技師學院、重慶工學院、長沙理工大學、長沙航空職業技術學院（軍隊校名空軍航空維修技術學院），河南科技大學、湖南信息職業技術學院、福建電力職業技術學院、湖北汽車工業學院,四川工程職業技術學院、北華航天工業學院、長沙南方職業技術學院、湖北輕工職業技術學院、沈陽北軟信息職業技術學院、上海科學技術職業學院（上海科技學院）、蕪湖職業技術學、黑龍江工程學院、河北機電職業技術學院、湖南機電職業技術學院、廣西機電職業技術學院。

計算機數控

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