數控技術

1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升飛機螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的加工設備。由于樣板形狀復雜多樣，精度要求高，一般加工設備難以適應，于是提出采用數字脈沖控制機床的設想。

1949年，該公司與美國麻省理工學院(MIT)開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺三坐標數控銑床，當時的數控裝置采用電子管元件。

1959年，數控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現帶自動換刀裝置的數控機床，稱為加工中心( MC Machining Center)，使數控裝置進入了第二代。

1965年，出現了第三代的集成電路數控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進一步下降，促進了數控機床品種和產量的發展。

60年代末，先后出現了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數控系統(簡稱 DNC)，又稱群控系統；采用小型計算機控制的計算機數控系統(簡稱 CNC)，使數控裝置進入了以小型計算機化為特征的第四代。

1974年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數控裝置(簡稱 MNC)，這是第五代數控系統。

20世紀80年代初，隨著計算機軟、硬件技術的發展，出現了能進行人機對話式自動編制程序的數控裝置；數控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監控刀具破損和自動檢測工件等功能。

20世紀90年代后期，出現了PC+CNC智能數控系統，即以PC機為控制系統的硬件部分，在PC機上安裝NC軟件系統，此種方式系統維護方便，易于實現網絡化制造。

數控技術也叫計算機數控技術（Computerized Numerical Control 簡稱：CNC），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，使輸入數據的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現，均可以通過計算機軟件來完成。數控技術是制造業信息化的重要組成部分。

數控技術和數控裝備是制造工業現代化的重要基礎。這個基礎是否牢固直接影響到一個國家的經濟發展和綜合國力，關系到一個國家的戰略地位。因此，世界上各工業發達國家均采取重大措施來發展自己的數控技術及其產業。^[1]

在我國，數控技術與裝備的發展亦得到了高度重視，取得了相當大的進步。特別是在通用微機數控領域，以PC平臺為基礎的國產數控系統，已經走在了世界前列。但是，我國在數控技術研究和產業發展方面亦存在不少問題，特別是在技術創新能力、商品化進程、市場占有率等方面情況尤為突出。在新世紀到來時，如何有效解決這些問題，使我國數控領域沿著可持續發展的道路，從整體上全面邁入世界先進行列，使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位，將是數控研究開發部門和生產廠家所面臨的重要任務。

為完成此任務，首先必須確立符合中國國情的發展道路。為此，本文從總體戰略和技術路線兩個層次及數控系統、功能部件、數控整機等幾個具體方面探討了新世紀的發展途徑。

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，而且隨著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）的發展起著越來越重要的作用，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：

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，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現代制造技術之一，國際生產工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。

在轎車工業領域，年產30萬輛的生產節拍是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，只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眾多的鉚釘、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產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，只用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別達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。

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臺5軸聯動機床的效率可以等于2臺3軸聯動機床，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，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、主機結構復雜等原因，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軸聯動加工的復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。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯動機床和復合加工機床（含5面加工機床）的發展。在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭，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軸加工可在同一臺機床上實現，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。

21世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統，智能化的內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，如加工過程的自適應控制，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、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、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、智能監控方面的內容、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產業化生產存在的問題。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臺上，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，并可方便地將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產品。開放式數控系統的體系結構規范、通信規范、配置規范、運行平臺、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。數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、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、虛擬企業、全球制造的基礎單元。國內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，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生產控制中心，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.重視新技術標準、規范的建立

（1）關于數控系統設計開發規范

如前所述，開放式數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、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范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經濟體在短期內進行了幾乎相同的科學計劃和規范的制定，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數控系統的規范框架的研究和制定。

（2）關于數控標準

數控標準是制造業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準，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系統標準ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統一數據模型，從而實現整個制造過程，乃至各個工業領域產品信息的標準化。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，將產生深遠的影響。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。而在新標準下，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公司是全球范圍內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)，其目標是用統一的規范描述所有加工過程。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。

數控機床程序編制的方法有三種：即手工編程、自動編程和 CAD/CAM 。

1、手工編程

由人工完成零件圖樣分析、工藝處理、數值計算、書寫程序清單直到程序的輸入和檢驗。適用于點位加工或幾何形狀不太復雜的零件，但是，非常費時，且編制復雜零件時，容易出錯。

2、自動編程

使用計算機或程編機，完成零件程序的編制的過程，對于復雜的零件很方便。

3、CAD/CAM

利用CAD/CAM軟件，實現造型及圖象自動編程。最為典型的軟件是Master CAM，其可以完成銑削二坐標、三坐標、四坐標和五坐標、車削、線切割的編程，此類軟件雖然功能單一，但簡單易學，價格較低，仍是中小企業的選擇。

1、數控機床編程的主要內容

分析零件圖樣、確定加工工藝過程、進行數學處理、編寫程序清單、制作控制介質、進行程序檢查、輸入程序以及工件試切。

2、數控機床的步驟

（1）分析零件圖樣和工藝處理

根據圖樣對零件的幾何形狀尺寸，技術要求進行分析，明確加工的內容及要求，決定加工方案、確定加工順序、設計夾具、選擇刀具、確定合理的走刀路線及選擇合理的切削用量等。

同時還應發揮數控系統的功能和數控機床本身的能力，正確選擇對刀點，切入方式，盡量減少諸如換刀、轉位等輔助時間。

（2）數學處理

編程前，根據零件的幾何特征，先建立一個工件坐標系， 根據零件圖紙的要求，制定加工路線，在建立的工件坐標系上，首先計算出刀具的運動軌跡。對于形狀比較簡單的零件（如直線和圓弧組成的零件），只需計算出幾何元素的起點、終點、圓弧的圓心、兩幾何元素的交點或切點的坐標值。

（3）編寫零件程序清單

加工路線和工藝參數確定以后，根據數控系統規定的指定代碼及程序段格式，編寫零件程序清單。

（4）程序輸入

（5）程序校驗與首件試切

三、數控加工程序的結構

1、程序的構成：由多個程序段組成。

O0001；O（FANUC-O,AB8400-P,SINUMERIK8M-%）機能指定程序號，每個程序號對應一個加工零件。

N010 G92 X0 Y0；分號表示程序段結束

N020 G90 G00 X50 Y60...；可以調用子程序。

N150 M05

N160 M02

2、程序段格式：

（1）字地址格式：如N020 G90 G00 X50 Y60

最常用的格式，現代數控機床都采用它。地址N為程序段號，地址G和數字90構成字地址為準備功能。

（2）可變程序段格式：如B2000 B3000 B B6000

使用分割符B各開各個字，若沒有數據，分割符不能省去。常見于數控線切割機床，另外，還有3B編程等格式。

（3）固定順序程序段格式：如00701+0

比較少見。其中的數據嚴格按照順序和長度排列，不得有 誤，上面程序段的意思是：N007 G01 X+02500 Y-13400 F15 S30 M02

四、零件圖的數學處理

零件圖的數學處理主要是計算零件加工軌跡的尺寸，即計算零件加工輪廓的基點和節點的坐標，或刀具中心輪廓的基點和節點的坐標，以便編制加工程序。

1、基點坐標的計算

一般數控機床只有直線和圓弧插補功能。對于由直線和圓弧組成的平面輪廓，編程時數值計算的主要任務是求各基點的坐標。

（1）基點的含義

構成零件輪廓的不同幾何素線的交點或切點稱為基點。基點可以直接作為其運動軌跡的起點或終點。

（2）直接計算的內容

根據填寫加工程序單的要求，基點直接計算的內容有：每條運動軌跡的起點和終點在選定坐標系中的坐標，圓弧運動軌跡的圓心坐標值。

基點直接計算的方法比較簡單，一般可根據零件圖樣所給的已知條件用人工完成。即依據零件圖樣上給定的尺寸運用代數、三角、幾何或解析幾何的有關知識，直接計算出數值。在計算時，要注意小數點后的位數要留夠，以保證足夠的精度。

2、節點坐標的計算

對于一些平面輪廓是非圓方程曲線Y=F（X）組成，如漸開線、阿基米德螺線等，只能用能夠加工的直線和圓弧去逼近它們。這時數值計算的任務就是計算節點的坐標。

（1）節點的定義

當采用不具備非圓曲線插補功能的數控機床加工非圓曲線輪廓的零件時，在加工程序的編制工作中，常用多個直線段或圓弧去近似代替非圓曲線，這稱為擬合處理。擬合線段的交點或切點稱為節點。

（2）節點坐標的計算

節點坐標的計算難度和工作量都較大，故常通過計算機完成，必要時也可由人工計算，常用的有直線逼近法（等間距法、等步長法、和等誤差法）和圓弧逼近法。

有人用AutoCAD繪圖，然后捕獲坐標點，在精度允許的范圍內，也是一個簡易而有效的方法。

長期以來，國產數控機床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進展緩慢，高檔依靠進口的局面，特別是國家重點工程需要的關鍵設備主要依靠進口，技術受制于人。究其原因，國內本土數控機床企業大多處于“粗放型”階段，在產品設計水平、質量、精度、性能等方面與國外先進水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技術方面的差距則達到了10-15年。同時中國在應用技術及技術集成方面的能力也還比較低，相關的技術規范和標準的研究制定相對滯后，國產的數控機床還沒有形成品牌效應。同時，中國的數控機床產業還缺少完善的技術培訓、服務網絡等支撐體系，市場營銷能力和經營管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創新能力，完全擁有自主知識產權的數控系統少之又少，制約了數控機床產業的發展。

國外公司在中國數控系統銷量中的80%以上是普及型數控系統。如果我們能在普及型數控系統產品快速產業化上取得突破，中國數控系統產業就有望從根本上實現戰略反擊。同時，還要建立起比較完備的高檔數控系統的自主創新體系，提高中國的自主設計、開發和成套生產能力，創建國產自主品牌產品，提高中國高檔數控系統總體技術水平。

數控技術

580103

三年

專科

普通高等教育全日制專科

機械設計與制造

培養掌握數控原理、數控編程和數控加工等方面的專業知識及操作技能，從事數控程序編制、數控設備的操作、調試、維修和技術管理的高級技術應用性專門人才。

本專業是為培養學生從事數控加工、機械產品設計與制造、生產技術管理等方面的高等工程技術應用型人才，是具有實用技能特點的特色專業。要求學生能在生產現場從事產品制造、開發工作，或在技術部門從事工藝、管理工作。主要培養學生數控編程、加工及數控車床、數控銑床、數控加工中心及其它數控設備的操作維修、維護方面的理論知識和專業知識。

專業核心課程與主要實踐環節：機械制圖、機械設計基礎、數控加工技術、數控加工編程與操作、數控原理與系統、CAD/CAM應用、數控機床使用及維修、數控機床電氣控制、工業企業管理 、制圖測繪、PLC實訓、機加工實習、CAM實訓、數控機床操作技能實訓、專業課程的課程設計、畢業實習（設計）等，以及各校的主要特色課程和實踐環節。

機械制圖，機械設計基礎，機械制造基礎，機械專業英語，液壓與氣壓傳動，電工電子技術，數控原理與系統，高等數學，數控加工工藝與編程，機械加工工藝與裝備，機床故障診斷與維修，Mastercam，UG設計與制造，proe，鉗工、仿真實訓，質量管理。

^[2]數控主要面向機械、模具、電子、電氣、輕工等行業，可從事產品設計與加工、數控編程、數控機床操作、數控常用CAM軟件多軸加工、數控設備調試與維修等相關工作。

數控技術應用專業湖南信息職業技術學院的畢業生分配單位的性質分布如下：三資企業占58%，國有企業占26%，民營企業占9%，其他占5%。

數控技術應用專業的畢業生所從事的工作性質分布如下：操作占55.7%，編程占13.4%，維修占9.4%，工藝占8.0%，生產管理占7.1%，質量檢測占4.5%，綜合占1.2%，營銷占1.7%，行政管理占1.4%，其他占5.5%。

主要面向機械、模具、電子、電氣、輕工等行業，從事設計、制造、工藝、設備維護、銷售等相關工作。社會對本專業的人才需求旺盛，湖南信息職業技術學院與三一重工、中聯重科、比亞迪、山河智能、中航集團等企業建立了實習、就業基地。

可設置的專業方向：數控機床控制技術、數控編程和數控加工技術、機械CAD/CAM。

就業面向：在工業企業，從事數控程序編制、數控設備的使用、維護與技術管理，數控設備銷售與售后服務等工作。

其他：本專業可獲取勞動部組合機床操作工中級職業技術證書、勞動部（數控）加工中心操作工中級職業技術證書。

對于數控人才，有以下三個需求層次，所需掌握的知識結構也各不同 　數控操作技工：精通機械加工和數控加工工藝知識，熟練掌握數控機床的操作和手工編程，了解自動編程和數控機床的簡單維護維修。適合中職學校組織培養。此類人員市場需求量大，適合作為車間的數控機床操作技工。但由于其知識較單一，其工資待遇不會大高。

數控編程員：掌握數控加工工藝知識和數控機床的操作，掌握復雜模具的設計和制造專業知識，熟練掌握三維CAD/CAM軟件，如UG、ProE等；熟練掌握數控手工和自動編程技術；適合高職院校組織培養。適合作為工廠設計處和工藝處的數控編程員。此類人員需求量大，尤其在模具行業非常受歡迎，待遇也較高。

數控機床維護、維修人員：掌握數控機床的機械結構和機電聯調，掌握數控機床的操作與編程，熟悉各種數控系統的特點、軟硬件結構、PLC和參數設置。精通數控機床的機械和電氣的調試和維修。適合高職院校組織培養。適合作為工廠設備處工程技術人員。此類人員需求量相對少一些，但培養此類人員非常不易，知識結構要求很廣，適應與數控相關的工作能力強，需要大量實際經驗的積累。

數控通才：具備并精通數控操作技工、數控編程員和數控維護、維修人員所需掌握的綜合知識，并在實際工作中積累了大量實際經驗，知識面很廣。精通數控機床的機械結構設計和數控系統的電氣設計，掌握數控機床的機電聯調。能自行完成數控系統的選型、數控機床電氣系統的設計、安裝、調試和維修。能獨立完成機床的數控化改造。是企業(特別是民營企業)的搶手人才，其待遇很高。適合高職院校組織培養。提供特殊的實訓措施和名師指導等手段，促其成才。適合于擔任企業的技術負責人或機床廠數控機床產品開發的機電設計主管。

對于以上各類數控人才，主要的基礎知識基本相同，專業課的內容和重點不同。在課程設置方面應特別加強實訓內容和與企業實習的內容，因材施教，培養企業所需的人才。在學校學習主要獲得數控類職業資格等級證書、全國高校計算機等級證書、AutoCAD中級證書、維修電工/機修鉗工中級證書等。

開設數控專業的相關重點院校：上海科學技術職業學院（上海科技學院）、蕪湖職業技術學院 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，遼寧工業大學、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,浙江師范大學、山東科技大學、重慶工學院、長沙理工大學、河南科技大學、湖北汽車工業學院、河北機電職業技術學院。