数控技术在机械制造业中的应用及发展趋势

关键词：数控技术;机械制造业;自动控制系统

中图分类号：TG659       文献标识码：A 文章编号：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

數控技术是集计算机、机械制造、电子、自动控制系统于一体的现代化机械制造技术。相比于传统的机械制造业，它具有柔性程度高、生产效率高、加工制造精度高等优点。现代数控技术通过计算机程序及软件来实现对设备数据的监测、分析和判断，进而进行输出控制，使设备的工作效率得到极大的提升，由于使用了软件对设备进行控制，因此具备了灵活多变的特点。

1  数控加工技术的工作原理及特点

1.1  工作原理

在国家标准GB/T8129-1997中，明确定义了机床数字控制概念：用数字控制的装置（简称数控装置），在运行过程中，不断地引入数字数据，从而对某一生产过程实现自动控制，叫数字控制（numerical control，NC），简称数控。用计算机控制加工功能，称计算机数控（computerized numerical control，CNC）。

广义层面上，数控技术就是用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术，所控制的机械量主要包括速度、角度、位置等，除此之外，还对与机械能量流向相关的开关量加以控制。数控技术具有较高的集成性特点，是机械制造、自动控制、计算机、电子相结合的产物，推动了机械制造领域的改革。

1.2  数控技术的发展史

自1952年全球首台数控机床诞生至今，数控系统的发展可分为两个阶段和六代，其中前三代归属为第一发展阶段，具体包括电子管、晶体管和集成电路，又称为硬件连接数控，简称NC系统。后三代划分为第二发展阶段，包括小型计算机、微处理器和基于工控PC机的通用CNC系统，又称为计算机软件数控，简称CNC系统。数控机床具有多方面优点，主要体现在工序集中、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

上世纪50年代末，以常规数控机床为基础，通过设置刀具库，并引入自动换刀系统，设计开发了数控加工中心，数控机床可进行自动换刀。工件在数控加工中心一次性完成装夹后，借助机械手可根据生产需求实现刀具的自动更换，达到多种工序连续加工的生产效果。现阶段刀具库可同时容纳的道具数量高达100多把，每次换刀基本可在2秒内完成。利用加工中心机床，可在一台机床上集中完成多道工序，减少了机床数量和占用空间，并且也不需要因为工序的改变而反复安装工件，可避免出现重复定位误差现象，确保了加工精度，还能够节省产品运输、存储所耗费的实践，使生产效率得到了提升。

1.2.2  高速、高效、高精度、高可靠性

高速、高效、高精度、高可靠性是机械加工的目标，数控机床的使用降低了加工过程中人的作用，利用数字信号实现对设备的一系列操作，在加工过程中全部或者部分实现自动化。现在的数控技术普遍是由计算机中的CAM软件生产加工程序，设备在生产产品时，全部按照事先设定好的程序进行，无需人工进行调整，这样在速度和效率以及精度上无疑比传统机床提高了很多。同样由于实现了自动化控制，提高了稳定性和可靠性，很好地保证了产品的质量，可以定制更高的产品质量标准。

1.2.3  使用便捷

在生产制造数控机床时，通过构建人机界面，能够使数控机床性能及可靠性得到提升，增强制造厂商的竞争力，提高数控机床性能的可靠性，其便捷性具体体现在以下几个方面。

（1）加工编程方便。手工编程及自动编程方法使用时间较长，已经得到了良好发展。在手工方面，除了基础的直线插补和圆弧插补指令外，还开发出了多种加工循环指令、参数编程指令。随着计算机技术的不断发展进步，在PC上开发出来的CAD/CAM软件加上优良的计算机硬件的支持，从技术上已经可以完全替代收工编程，只是现在的CAD/CAM软件种类较多，不像手工编程中的指令已经统一标准化，学习和掌握需要的时间较长，所以对一些简单的工件来说很不经济。

近年来，发展出一种图形交互式编程系统（WOP），又称面向车间编程，受到部分企业欢迎，这种编程方式不适用G，M代码，而是直接利用图形菜单，输入图形以及相应的参数作为指令，生产加工程序，与传统的加工思路比较接近。在定制标准后，有可能成为各种机床的统一编程方法。

（2）掌握使用方法便捷。数控机床普遍采用CRT进行人机对话。现在的数控机床大多数都已经将使用说明书、编程指南等存入系统中，供使用者查阅。机床于计算机之间大多数采用RS232数据接口进行通信，随着计算机的高速发展，计算机中的地址通讯模式的可靠性得到了极大的提高，已有部分机床生产商引入计算机的通讯方式，利用计算机的地址数据形式进行机床和计算机的交流。让使用者更方便快捷地掌握机床的使用方法。

2  数控技术在机械制造中的应用

现阶段机械制造领域中数控技术已经得到了广泛的应用，包括工业生产线、煤矿机械、汽车工业、机床设备、航空和宇航工业等方面。

（1）在现代工业生产线中，数控技术发挥着重要作用，如造纸印刷、食品加工等生产线。当工作环境复杂、恶劣且存在较高危险性时，数控技术也有着较为理想的应用效果，如农药加工、金属冶炼等生产活动。借助于数控技术，既能够提高生产效率，确保生产质量，又可以减轻劳动人员工作压力，确保其人身安全。

（2）采煤生产活动对采煤机有着较高要求，生产环境、煤炭存储量等因素都会对采煤机的使用产生影响，生产规模一般较小，大多采用焊接方式处理机壳毛坯，利用传统机械制造技术容易造成单件下料成本较高。借助于数控技术，下料环节可通过龙骨板程序完成，能够得到最佳套料选用方案，实现生产成本的最小化。同时，在各类机械中运用数控技术，可精确控制各个生产环节，达到较为理想的生产效果，不仅能够降低操作的危险性，避免出现安全事故，而且还可以提高采矿效率和经济效益。

（3）近些年，我国汽车工业取得了良好发展，汽车零部件的加工技术也在快速更新换代，数控技术的引入进一步加快了复杂零部件的快速制造进程。通过将高速加工中心与高速数控机床相结合，能够形成兼具高柔性和高效率的生产线，可满足当下汽车零件的制作需求，并且还能实现汽车工业传统生产模式的转变，逐渐朝向中小批量、多品种生产方向发展。除此之外，数控技术中的柔性制造技术、虚拟制造技术、集成制造技术等为汽车工业的改革发展提供了技术支持。

（4）机床设备是现代机械制造的关键设备，要加快机电一体化发展，必须对数控技术进行有效运用。在机床设备中引入数控技术，可借助计算机控制装置增强其控制能力，工件和刀具位置、主轴变速、冷却泵操作等都可以实现良好的控制效果，控制精准性也能够得到显著提高，可满足机床加工日益精细化、复杂化的要求。

（5）在航空和宇航工业生产过程中，所用零部件通常采用质量较强的材料制成，选材以铝或者铝合金为主，刚度较差，而且存在许多的薄壁、薄筋需要加工，只有通过小切削力的高速加工，才能满足宇航工业对机械加工的要求。数控技术的高转速、低切削量、高进给的加工模式正好符合要求，可提升铝、铝合金等材质切削加工速度，并避免造成资源和能源的浪费。

3  数控技术未来的发展趋势

随着计算机技术的迅速发展，数控技术的应用日益广泛，进一步推动了数控系统的发展，国内外开发出多款自动编程软件（CAM软件）、计算机数控系统计算机集成制造系统及计算机辅助设计等，可实现产品从设计到制造全部自动化。这是一个以数字化制造技术为核心的时代，数控技术就是其中的代表。数控技术秉承这个时代的鲜明特点，未来必然朝以下几个方向发展。

3.1  向多轴联动和复合化方向发展

多轴联动加工可以利用刀具最佳的几何形状进行切削，可以很好地保证零件的精度和表面光洁度，提高产品的加工效率和加工质量。同时随着数控技术的发展，不止传统机械加工中的工序将被尽可能地集中在一次装夹中完成（工序集中），甚至传统的机加工在不同类型的机床上加工的工序也将被复合到一台机床上，实现车、铣、钻、扩孔、铰孔、攻丝等多种操作工序的复合，极大地提高生产效率。如今的数控机床也正朝着这个多样化的趋势发展。

3.2  向高精度化方向发展

精密加工一直是机械加工重要的组成部分，也是一个国家制造业水平的体现。现代数控機床的加工精度已经普遍由原来的丝级提升至目前的微米级和亚微米级，一些特种加工精度甚至可以达到纳米级。

3.3  向高可靠性方向发展

为了提高可靠性，其采用更高集成度的电路芯片，采用大规模或者超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。

3.4  向智能化、网络化方向发展

数控加工的智能化主要体现在数控系统的各个方面，有利于提高驱动性能，使用连接方便变得智能化，可以采用自适应控制加工过程，自动生成工艺参数、前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型等。有利于实现简化编程、简化操作，使其智能化，可以采用CAD/CAM自动编程、智能化的人机交互界面等，还有智能监控、智能诊断等内容，以方便系统地进行诊断和维修。在新形势下，网络技术已被应用于各个方面，数控技术亦不例外，这一“新鲜血液”的融入无疑使其更具现代化特征。目前国内的华中数控818系统已经将PC机的总线技术应用到数控机床在PC机的通讯之中，与原来用RS232的专用数据传输线进行传输程序相比，给用户带来了极大的便利。随着网络技术的完善，数控系统必将朝着网络化、开放化的新趋势发展。

3.5  向绿色化加工方向发展

在习总书记的“金山银山，不如绿水青山”的号召下，低碳节能已成为我国各个行业未来发展的必然趋势，数控机床也必然朝着绿色环保的方向发展。

除此以外，中国的数控机床还将向着开放化方向、驱动并联化方向和标准化方向发展。

4  结  论

综上所述，数控技术是一门综合性高的技术，在我国实现现代化的进程中，数控技术是未来制造工业发展的核心环节，是影响机械自动化实现的重要因素，由于信息技术在数控技术中的贡献越来越大，我们应着重发展开放式、智能化、高速、高效、高精度的数控装备，乘着“中国制造2025”、“工业4.0”的东风，抓住机遇，认真研究新趋势、新理论、新技术，采取相应措施，力争在关键技术上取得突破，实现国产数控系统的跨越式发展。跟上并领跑于先进数控制造技术的世界潮流，在激烈的市场竞争中立于不败之地。同时数控技术的发展将孕育大量的数控专业技术人才，进而推动我国现代机械制造业进一步走向繁荣。

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作者简介：林锴（1979.05-），男，汉族，福建福州人，数控实训指导教师，一级实训指导教师，机械工程师，研究方向：数控技术。