[科普中国]-数控技术

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，它是集传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、网络通信技术和光机电技术等于一体的现代制造业的基础技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化和智能化起着举足轻重的作用1。

基本概念（1）数字控制。数字控制（Numerical Control，NC）是一种用数字化信号对控制对象（如机床的运动及其加工过程）进行自动控制的技术，简称为数控。

（2）数控技术。数控技术是指用数字、字母和符号对某一工作过程进行可编程的自动控制技术。

（3）数控系统。数控系统是指实现数控技术相关功能的软、硬件模块的有机集成系统，它是数控技术的载体。

（4）计算机数控系统。计算机数控系统（Computer Numerical Control，CNC）是指以计算机为核心的数控系统。

（5）数控机床。数控机床（NC Machine）是指应用数控技术对加工过程进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床2。

发展概况1、发达国家的数控技术概况

数控技术随着现代科技，特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。发达国家普遍重视机床工业，不断研究机床的发展方向和提出科研任务，并为此网罗世界性人才和提供充足的经费。美、德、日三国是当今世界上在数控机床科研、设计、制造、使用方面技术比较先进和经验比较丰富的国家。

美国由于其汽车等制造业发达，电子、计算机技术又处于世界领先地位，因此发展了大量大批量生产自动化所需的自动线。其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国既生产用于宇航产品加工的高性能数控机床，也为中小企业生产廉价实用的数控机床。

德国重视机床工业的重要战略地位。德国的数控机床，尤其是大型、重型、精密数控机床.由于质量及性能良好、先进实用，在世界上享有盛誉。德国特别重视数控机床主机及配套件的先进和优质，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统和各种功能部件在质量、性能上居世界前列。如西门子公司的数控系统和Heidenhain公司的精密光栅均世界闻名。

日本也和美、德两国相似，充分发展大批量生产自动线，继而全力发展中小批量柔性生产自动化的数控机床。在中档数控机床方面，日本的出口量居世界第一位。日本从20世纪80年代开始进一步加强科研，发展高性能数控机床。日本突出发展数控系统，日本FANUC公司生产的数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。

2、我国数按技术概况

我国生产数控机床的厂约占机床厂总数的1/3.数控机床产量不断增长，但数控机床的需求量增长得更快，国产数控机床产量还满足不了社会发展的需求，大量的数控机床需要进口。

我国从1958年研制出第一台数控机床到如今数控机床的发展大致可分为两大阶段；

**1958-1979年为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。**第一阶段由于数控系统的稳定性、可靠性尚未很好地解决，限制了国产数控机床的发展。而数控线切割机床由于结构简单，得到了较快的发展。在第二阶段，通过引进先进的数控技术和合作生产等方式，解决了数控机床的可靠性、稳定性等问题，数控机床开始批量生产和使用。经过第二阶段的发展，我国数控机床的设计和制造技术有了较大提高，开发了立式加工中心、卧式加工中心，以及数控车床、数控铣床等多种数控机床；培训了一些数控机床设计、制造、使用维护方面的人才；通过利用国外的先进元器件及数控系统配套，能自行设计系统配套，能自行设计及制造高速、高性能、多面、多轴联动的数控机床。在加工中心的基础上，研制了柔性制造单元，建造了柔性制造系统。到20世纪80年代末，我国在一定范围内探索实施了CIMS（计算机集成制造系统），取得了宝贵的经验，掌握了一定的技术。

虽然我国的数控技术有了一定的发展，但是和其他先进国家的相比，差距还很大。目前，我国数控机床的数量和品种尚不能完全满足国内市场需求，出口量少；设计制造水平还处于学习、仿造走向自行开发阶段；严重缺乏各方面专家人才和熟练的技术工人；重要功能部件、自动化刀具、数控系统需要国外技术的支撑；还需要提高关键技术的试验、消化、掌握及创新能力。

随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制造业现代化的关键设备，是国防军工装备发展的战略物资。我国航天航空、国防军工制造业需要大型、高速、精密、多轴、高效数控机床；汽车、摩托车、家电制造业需要高效、高可靠性、高自动化的数控机床和成套柔性生产线；电站设备、冶金石化设备、轨道交通设备、造船业、制造业需要以高精度、重型为特征的数控机床；IT、生物工程等高技术产业需要纳米级和亚微米超级精密加工数控机床；产业升级的工程机械、农业机械等传统制造行业，特别是蓬勃发展的民营企业，需要大量数控机床进行装备。因此，加快发展数控机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求3。

技术组成数控技术由机床本体、数控系统及外围技术三部分组成。

机床本体主要由床身、立柱、导轨、工作台等基础件和刀架、刀库等配套件组成。

数控系统由输入/输出设备、计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）装置、可编程控制器（Programmable Logic Control，PLC）及主轴伺服驱动装置、进给伺服驱动装置以及测量装置等组成。其中，计算机数控装置是数控系统的核心。

外围技术主要包括工具技术（主要指刀具系统）、编程技术和管理技术4。

特点1.提高加工精度

数控机床是高度综合的机电一体化产品，是由精密机械和自动控制系统组成的，其本身具有很高的定位精度和重复定位精度，机床的传动系统与机床的结构具有很高的刚度及热稳定性；在设计传动结构时采取了减少误差的措施，并由数控系统自动进行补偿，所以，数控机床有较高的加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定，合格率高，这一点是普通机床无法与之相比的。

2.提高生产效率

数控机床可以采用较大的切削用量，有效地节省了加工时间。数控机床或加工中心还有自动换速、自动换刀和其他自动化操作功能，使辅助时间大大缩短，且一旦形成稳定加工过程，无须进行工序间的检验与测量。所以，采用数控加工比普通机床的生产率高3-4倍，甚至更多。

3.提高适应性

数控机床按照被加工零件的数控程序来进行自动化加工，当加工对象改变时，只要改变数控程序，不必用靠模、样板等专用工艺装备，这有利于缩短生产准备周期，促进产品的更新换代。

4.提高零件的可加工性

一些由复杂曲线、曲面形成的机械零件，用常规工艺方法和手工操作难以加工，甚至无法完成，而由数控机床采用多坐标轴联动即可轻松实现。

5.提高经济效益

数控机床（特别是加工中心）大多采用工序集中，一机多用，在一次装夹的情况下，可以完成零件的大部分工序的加工，一台数控机床或加工中心可以代替数台普通机床。这样既可以减少装夹误差，节约工序间的运输、测量、装夹等辅助时间，又可以减少机床种类，节省机床占地面积，带来较高的经济效益5。

发展趋势数控技术不仅给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。尽管十多年前就出现了高精度、高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的，高精度、高速度的内涵也在不断变化，目前正在向着精度和速度的极限发展。

从目前世界上数控技术发展的趋势来看，主要有如下几个方面：

1.机床的高速化、精密化、智能化、微型化发展
随着汽车、航空航天等工业轻合金材料的广泛应用，高速加工已成为制造技术的重要发展趋势。高速加工具有缩短加工时间、提高加工精度和表面质量等优点，在模具制造等领域的应用也日益广泛。机床的高速化需要新的数控系统、高速电主轴和高速伺服进给驱动，以及机床结构的优化和轻量化。高速加工不仅是设备本身，而且是机床、刀具、刀柄、夹具和数控编程技术，以及人员素质的集成。高速化的最终目的是高效化，机床仅是实现高效的关键之一，绝非全部，生产效率和效益在“刀尖”上。

2.五轴联动加工和复合加工机床快速发展

采用五轴联动对三维曲面零件进行加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台五轴联动机床的效率可以等于2台三轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，五轴联动加工可比三轴联动加工发挥更高的效益。但过去因五轴联动数控系统主机结构复杂等原因，其价格要比三轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了五轴联动机床的发展。当前数控技术的发展，使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此五轴联动技术促进了复合主轴头类型五轴联动机床和复合加工机床的发展。

3.新结构、新材料及新设计方法的发展

机床的高速化和精密化要求机床的结构简化和轻量化，以减少机床部件运动惯量对加工精度的负面影响，大幅度提高机床的动态性能。例如，借助有限元分析对机床构件进行拓扑优化，设计箱中箱结构以及采用空心焊接结构和使用铅合金材料等已经开始从实验室走向实用。

我国机床设计和开发手段要尽快从二维CAD向三维CAD过渡。三维建模和仿真是现代设计的基础，是企业技术优势的源泉。在此三维设计基础上进行CAD/CAM/CAE/PDM的集成，加快新产品的开发速度，保证新产品的顺利投产，并逐步实现产品生命周期管理。

4.开放式数控系统的发展

目前许多国家对开放式数控系统进行了研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统，就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统有三种形式：

（1）全开放系统，即基于微机的数控系统，以微机作为平台，采用实时操作系统，开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传送数据，控制坐标轴电动机的运动。

（2）嵌入系统，即CNC+PC，CNC控制坐标轴电动机的运动，PC作为人机界面和网络通信。

（3）融合系统，在CNC的基础上增加PC主板，提供键盘操作，提高人机界面功能。

开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

5.可重组制造系统的发展

随着产品更新换代速度的加快，专用机床的可重构性和制造系统的可重组性日益重要。通过数控加工单元和功能部件的模块化，可以对制造系统进行快速重组和配置，以适应变型产品的生产需要。机械、电气和电子、液体和气体，以及控制软件的接口规范化和标准化是实现可重组性的关键。

6.虚拟机床和虚拟制造的发展

为了加快新机床的开发速度和质量，在设计阶段借助虚拟现实技术，可以在机床还没有制造出来以前，就能够评价机床设计的正确性和使用性能，在早期发现设计过程的各种失误，减少损失，提高新机床开发的质量1。

应用从目前世界上数控技术及其装备应用来看，其主要应用领域有以下几个方面：

1.制造行业

机械制造行业是最早应用数控技术的行业，它担负着为国民经济各行业提供先进装备的重任。目前主要应用有研制开发与生产现代化军事装备用的高性能五轴高速立式加工中心、五坐标加工中心、大型五坐标龙门铣等；汽车行业发动机、变速箱、曲轴柔性加工生产线上用的数控机床和高速加工中心，以及焊接、装配、喷漆机器人、板件激光焊接机和激光切割机等；航空、船舶、发电行业加工螺旋桨、发动机、发电机和水轮机叶片零件用的高速五坐标加工中心、重型车铣复合加工中心等。

2.信息行业

在信息产业中，从计算机到网络、移动通信、遥测、遥控等设备，都需要采用基于超精技术、纳米技术的制造装备，如芯片制造的引线键合机、晶片光刻机等，这些装备的控制都需要采用数控技术。

3.医疗设备行业

在医疗行业中，许多现代化的医疗诊断、治疗设备都采用了数控技术，如CT诊断仪、全身治疗机以及基于视觉引导的微创手术机器人，口腔医学中的正畸及牙齿修复等方面都需要采用高精度数控机床对牙齿进行加工生产。

4.军事装备

现代的许多军事装备大量采用伺服运动控制技术，如火炮的自动瞄准控制、雷达的跟踪控制和导弹的自动跟踪控制等。

5.其他行业

在轻工行业，有采用多轴伺服控制的印刷机械、纺织机械、包装机械以及木工机械等；在建材行业，有用于石材加工的数控水刀切割机，用于玻璃加工的数控玻璃雕花机，用于席梦思加工的数控行缝机和用于服装加工的数控绣花机；在艺术品行业，目前越来越多的工艺品、艺术品都会采用高性能的五轴加工中心进行生产1。

本词条内容贡献者为:

孙锐 - 教授 - 合肥工业大学