數控技術在機械制造業中的應用及發展趨勢

摘  要：隨著我國社會經濟的快速發展，對機械設備的要求不斷增加，在計算機技術及科學技術水平不斷提高的背景下，數控技術也變得越來越成熟。對于機械制造來說，自動化、集成化和柔性化的實現都需要依托于數控技術，將數控技術廣泛應用于制造業中，實現自動化生產效果，是提升企業競爭力的關鍵，也是提高國家工業水平，提升綜合國力的必然要求?；诖?，本文針對數控技術在機械制造中的應用及其現實意義進行了研究。

關鍵詞：數控技術;機械制造業;自動控制系統

中圖分類號：TG659       文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0082-03

Abstract：With the rapid development of social economy in China，the demand for mechanical equipment is increasing. With the continuous improvement of computer technology and science and technology，numerical control technology is becoming more and more mature. For mechanical manufacturing，the realization of automation，integration and flexibility need to rely on numerical control technology，which is widely used in manufacturing industry to achieve automated production effect. It is the key to enhance the competitiveness of enterprises，as well as the inevitable requirement to improve the national industrial level and comprehensive national strength. Based on this，this paper studies the application of NC technology in mechanical manufacturing and its practical significance.

Keywords：numerical control technology;machinery manufacturing industry;automatic control system

0  引  言

數控技術是集計算機、機械制造、電子、自動控制系統于一體的現代化機械制造技術。相比于傳統的機械制造業，它具有柔性程度高、生產效率高、加工制造精度高等優點?，F代數控技術通過計算機程序及軟件來實現對設備數據的監測、分析和判斷，進而進行輸出控制，使設備的工作效率得到極大的提升，由于使用了軟件對設備進行控制，因此具備了靈活多變的特點。

1  數控加工技術的工作原理及特點

1.1  工作原理

在國家標準GB/T8129-1997中，明確定義了機床數字控制概念：用數字控制的裝置（簡稱數控裝置），在運行過程中，不斷地引入數字數據，從而對某一生產過程實現自動控制，叫數字控制（numerical control，NC），簡稱數控。用計算機控制加工功能，稱計算機數控（computerized numerical control，CNC）。

廣義層面上，數控技術就是用數字控制的方法對某一工作過程實現自動控制的技術，所控制的機械量主要包括速度、角度、位置等，除此之外，還對與機械能量流向相關的開關量加以控制。數控技術具有較高的集成性特點，是機械制造、自動控制、計算機、電子相結合的產物，推動了機械制造領域的改革。

1.2  數控技術的發展史

自1952年全球首臺數控機床誕生至今，數控系統的發展可分為兩個階段和六代，其中前三代歸屬為第一發展階段，具體包括電子管、晶體管和集成電路，又稱為硬件連接數控，簡稱NC系統。后三代劃分為第二發展階段，包括小型計算機、微處理器和基于工控PC機的通用CNC系統，又稱為計算機軟件數控，簡稱CNC系統。數控機床具有多方面優點，主要體現在工序集中、高速、高效、高精度、高可靠性和使用便捷等方面。

1.2.1  工序集中

上世紀50年代末，以常規數控機床為基礎，通過設置刀具庫，并引入自動換刀系統，設計開發了數控加工中心，數控機床可進行自動換刀。工件在數控加工中心一次性完成裝夾后，借助機械手可根據生產需求實現刀具的自動更換，達到多種工序連續加工的生產效果?，F階段刀具庫可同時容納的道具數量高達100多把，每次換刀基本可在2秒內完成。利用加工中心機床，可在一臺機床上集中完成多道工序，減少了機床數量和占用空間，并且也不需要因為工序的改變而反復安裝工件，可避免出現重復定位誤差現象，確保了加工精度，還能夠節省產品運輸、存儲所耗費的實踐，使生產效率得到了提升。

1.2.2  高速、高效、高精度、高可靠性

高速、高效、高精度、高可靠性是機械加工的目標，數控機床的使用降低了加工過程中人的作用，利用數字信號實現對設備的一系列操作，在加工過程中全部或者部分實現自動化?，F在的數控技術普遍是由計算機中的CAM軟件生產加工程序，設備在生產產品時，全部按照事先設定好的程序進行，無需人工進行調整，這樣在速度和效率以及精度上無疑比傳統機床提高了很多。同樣由于實現了自動化控制，提高了穩定性和可靠性，很好地保證了產品的質量，可以定制更高的產品質量標準。

1.2.3  使用便捷

在生產制造數控機床時，通過構建人機界面，能夠使數控機床性能及可靠性得到提升，增強制造廠商的競爭力，提高數控機床性能的可靠性，其便捷性具體體現在以下幾個方面。

（1）加工編程方便。手工編程及自動編程方法使用時間較長，已經得到了良好發展。在手工方面，除了基礎的直線插補和圓弧插補指令外，還開發出了多種加工循環指令、參數編程指令。隨著計算機技術的不斷發展進步，在PC上開發出來的CAD/CAM軟件加上優良的計算機硬件的支持，從技術上已經可以完全替代收工編程，只是現在的CAD/CAM軟件種類較多，不像手工編程中的指令已經統一標準化，學習和掌握需要的時間較長，所以對一些簡單的工件來說很不經濟。

近年來，發展出一種圖形交互式編程系統（WOP），又稱面向車間編程，受到部分企業歡迎，這種編程方式不適用G，M代碼，而是直接利用圖形菜單，輸入圖形以及相應的參數作為指令，生產加工程序，與傳統的加工思路比較接近。在定制標準后，有可能成為各種機床的統一編程方法。

（2）掌握使用方法便捷。數控機床普遍采用CRT進行人機對話?，F在的數控機床大多數都已經將使用說明書、編程指南等存入系統中，供使用者查閱。機床于計算機之間大多數采用RS232數據接口進行通信，隨著計算機的高速發展，計算機中的地址通訊模式的可靠性得到了極大的提高，已有部分機床生產商引入計算機的通訊方式，利用計算機的地址數據形式進行機床和計算機的交流。讓使用者更方便快捷地掌握機床的使用方法。

2  數控技術在機械制造中的應用

現階段機械制造領域中數控技術已經得到了廣泛的應用，包括工業生產線、煤礦機械、汽車工業、機床設備、航空和宇航工業等方面。

（1）在現代工業生產線中，數控技術發揮著重要作用，如造紙印刷、食品加工等生產線。當工作環境復雜、惡劣且存在較高危險性時，數控技術也有著較為理想的應用效果，如農藥加工、金屬冶煉等生產活動。借助于數控技術，既能夠提高生產效率，確保生產質量，又可以減輕勞動人員工作壓力，確保其人身安全。

（2）采煤生產活動對采煤機有著較高要求，生產環境、煤炭存儲量等因素都會對采煤機的使用產生影響，生產規模一般較小，大多采用焊接方式處理機殼毛坯，利用傳統機械制造技術容易造成單件下料成本較高。借助于數控技術，下料環節可通過龍骨板程序完成，能夠得到最佳套料選用方案，實現生產成本的最小化。同時，在各類機械中運用數控技術，可精確控制各個生產環節，達到較為理想的生產效果，不僅能夠降低操作的危險性，避免出現安全事故，而且還可以提高采礦效率和經濟效益。

（3）近些年，我國汽車工業取得了良好發展，汽車零部件的加工技術也在快速更新換代，數控技術的引入進一步加快了復雜零部件的快速制造進程。通過將高速加工中心與高速數控機床相結合，能夠形成兼具高柔性和高效率的生產線，可滿足當下汽車零件的制作需求，并且還能實現汽車工業傳統生產模式的轉變，逐漸朝向中小批量、多品種生產方向發展。除此之外，數控技術中的柔性制造技術、虛擬制造技術、集成制造技術等為汽車工業的改革發展提供了技術支持。

（4）機床設備是現代機械制造的關鍵設備，要加快機電一體化發展，必須對數控技術進行有效運用。在機床設備中引入數控技術，可借助計算機控制裝置增強其控制能力，工件和刀具位置、主軸變速、冷卻泵操作等都可以實現良好的控制效果，控制精準性也能夠得到顯著提高，可滿足機床加工日益精細化、復雜化的要求。

（5）在航空和宇航工業生產過程中，所用零部件通常采用質量較強的材料制成，選材以鋁或者鋁合金為主，剛度較差，而且存在許多的薄壁、薄筋需要加工，只有通過小切削力的高速加工，才能滿足宇航工業對機械加工的要求。數控技術的高轉速、低切削量、高進給的加工模式正好符合要求，可提升鋁、鋁合金等材質切削加工速度，并避免造成資源和能源的浪費。

3  數控技術未來的發展趨勢

隨著計算機技術的迅速發展，數控技術的應用日益廣泛，進一步推動了數控系統的發展，國內外開發出多款自動編程軟件（CAM軟件）、計算機數控系統計算機集成制造系統及計算機輔助設計等，可實現產品從設計到制造全部自動化。這是一個以數字化制造技術為核心的時代，數控技術就是其中的代表。數控技術秉承這個時代的鮮明特點，未來必然朝以下幾個方向發展。

3.1  向多軸聯動和復合化方向發展

多軸聯動加工可以利用刀具最佳的幾何形狀進行切削，可以很好地保證零件的精度和表面光潔度，提高產品的加工效率和加工質量。同時隨著數控技術的發展，不止傳統機械加工中的工序將被盡可能地集中在一次裝夾中完成（工序集中），甚至傳統的機加工在不同類型的機床上加工的工序也將被復合到一臺機床上，實現車、銑、鉆、擴孔、鉸孔、攻絲等多種操作工序的復合，極大地提高生產效率。如今的數控機床也正朝著這個多樣化的趨勢發展。

3.2  向高精度化方向發展

精密加工一直是機械加工重要的組成部分，也是一個國家制造業水平的體現?，F代數控機床的加工精度已經普遍由原來的絲級提升至目前的微米級和亞微米級，一些特種加工精度甚至可以達到納米級。

3.3  向高可靠性方向發展

為了提高可靠性，其采用更高集成度的電路芯片，采用大規?；蛘叱笠幠５膶Ｓ眉盎旌鲜郊呻娐?，以減少元器件的數量，提高可靠性。

3.4  向智能化、網絡化方向發展

數控加工的智能化主要體現在數控系統的各個方面，有利于提高驅動性能，使用連接方便變得智能化，可以采用自適應控制加工過程，自動生成工藝參數、前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載、自動選定模型等。有利于實現簡化編程、簡化操作，使其智能化，可以采用CAD/CAM自動編程、智能化的人機交互界面等，還有智能監控、智能診斷等內容，以方便系統地進行診斷和維修。在新形勢下，網絡技術已被應用于各個方面，數控技術亦不例外，這一“新鮮血液”的融入無疑使其更具現代化特征。目前國內的華中數控818系統已經將PC機的總線技術應用到數控機床在PC機的通訊之中，與原來用RS232的專用數據傳輸線進行傳輸程序相比，給用戶帶來了極大的便利。隨著網絡技術的完善，數控系統必將朝著網絡化、開放化的新趨勢發展。

3.5  向綠色化加工方向發展

在習總書記的“金山銀山，不如綠水青山”的號召下，低碳節能已成為我國各個行業未來發展的必然趨勢，數控機床也必然朝著綠色環保的方向發展。

除此以外，中國的數控機床還將向著開放化方向、驅動并聯化方向和標準化方向發展。

4  結  論

綜上所述，數控技術是一門綜合性高的技術，在我國實現現代化的進程中，數控技術是未來制造工業發展的核心環節，是影響機械自動化實現的重要因素，由于信息技術在數控技術中的貢獻越來越大，我們應著重發展開放式、智能化、高速、高效、高精度的數控裝備，乘著“中國制造2025”、“工業4.0”的東風，抓住機遇，認真研究新趨勢、新理論、新技術，采取相應措施，力爭在關鍵技術上取得突破，實現國產數控系統的跨越式發展。跟上并領跑于先進數控制造技術的世界潮流，在激烈的市場競爭中立于不敗之地。同時數控技術的發展將孕育大量的數控專業技術人才，進而推動我國現代機械制造業進一步走向繁榮。

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作者簡介：林鍇（1979.05-），男，漢族，福建福州人，數控實訓指導教師，一級實訓指導教師，機械工程師，研究方向：數控技術。