數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù);機(jī)械制造業(yè);自動(dòng)控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TG659 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shù)控技術(shù)是集計(jì)算機(jī)、機(jī)械制造、電子、自動(dòng)控制系統(tǒng)于一體的現(xiàn)代化機(jī)械制造技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)，它具有柔性程度高、生產(chǎn)效率高、加工制造精度高等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代數(shù)控技術(shù)通過計(jì)算機(jī)程序及軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、分析和判斷，進(jìn)而進(jìn)行輸出控制，使設(shè)備的工作效率得到極大的提升，由于使用了軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，因此具備了靈活多變的特點(diǎn)。

1 ?數(shù)控加工技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)

1.1 ?工作原理

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8129-1997中，明確定義了機(jī)床數(shù)字控制概念：用數(shù)字控制的裝置（簡(jiǎn)稱數(shù)控裝置），在運(yùn)行過程中，不斷地引入數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，從而對(duì)某一生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，叫數(shù)字控制（numerical control，NC），簡(jiǎn)稱數(shù)控。用計(jì)算機(jī)控制加工功能，稱計(jì)算機(jī)數(shù)控（computerized numerical control，CNC）。

廣義層面上，數(shù)控技術(shù)就是用數(shù)字控制的方法對(duì)某一工作過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù)，所控制的機(jī)械量主要包括速度、角度、位置等，除此之外，還對(duì)與機(jī)械能量流向相關(guān)的開關(guān)量加以控制。數(shù)控技術(shù)具有較高的集成性特點(diǎn)，是機(jī)械制造、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、電子相結(jié)合的產(chǎn)物，推動(dòng)了機(jī)械制造領(lǐng)域的改革。

1.2 ?數(shù)控技術(shù)的發(fā)展史

自1952年全球首臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生至今，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展可分為兩個(gè)階段和六代，其中前三代歸屬為第一發(fā)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(shù)控，簡(jiǎn)稱NC系統(tǒng)。后三代劃分為第二發(fā)展階段，包括小型計(jì)算機(jī)、微處理器和基于工控PC機(jī)的通用CNC系統(tǒng)，又稱為計(jì)算機(jī)軟件數(shù)控，簡(jiǎn)稱CNC系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床具有多方面優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)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(jì)50年代末，以常規(guī)數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)，通過設(shè)置刀具庫，并引入自動(dòng)換刀系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了數(shù)控加工中心，數(shù)控機(jī)床可進(jìn)行自動(dòng)換刀。工件在數(shù)控加工中心一次性完成裝夾后，借助機(jī)械手可根據(jù)生產(chǎn)需求實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)更換，達(dá)到多種工序連續(xù)加工的生產(chǎn)效果?，F(xiàn)階段刀具庫可同時(shí)容納的道具數(shù)量高達(dá)100多把，每次換刀基本可在2秒內(nèi)完成。利用加工中心機(jī)床，可在一臺(tái)機(jī)床上集中完成多道工序，減少了機(jī)床數(shù)量和占用空間，并且也不需要因?yàn)楣ば虻母淖兌磸?fù)安裝工件，可避免出現(xiàn)重復(fù)定位誤差現(xiàn)象，確保了加工精度，還能夠節(jié)省產(chǎn)品運(yùn)輸、存儲(chǔ)所耗費(fèi)的實(shí)踐，使生產(chǎn)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(jī)械加工的目標(biāo)，數(shù)控機(jī)床的使用降低了加工過程中人的作用，利用數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的一系列操作，在加工過程中全部或者部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。現(xiàn)在的數(shù)控技術(shù)普遍是由計(jì)算機(jī)中的CAM軟件生產(chǎn)加工程序，設(shè)備在生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，全部按照事先設(shè)定好的程序進(jìn)行，無需人工進(jìn)行調(diào)整，這樣在速度和效率以及精度上無疑比傳統(tǒng)機(jī)床提高了很多。同樣由于實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，提高了穩(wěn)定性和可靠性，很好地保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，可以定制更高的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3 ?使用便捷

在生產(chǎn)制造數(shù)控機(jī)床時(shí)，通過構(gòu)建人機(jī)界面，能夠使數(shù)控機(jī)床性能及可靠性得到提升，增強(qiáng)制造廠商的競(jìng)爭(zhēng)力，提高數(shù)控機(jī)床性能的可靠性，其便捷性具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）加工編程方便。手工編程及自動(dòng)編程方法使用時(shí)間較長(zhǎng)，已經(jīng)得到了良好發(fā)展。在手工方面，除了基礎(chǔ)的直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)指令外，還開發(fā)出了多種加工循環(huán)指令、參數(shù)編程指令。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，在PC上開發(fā)出來的CAD/CAM軟件加上優(yōu)良的計(jì)算機(jī)硬件的支持，從技術(shù)上已經(jīng)可以完全替代收工編程，只是現(xiàn)在的CAD/CAM軟件種類較多，不像手工編程中的指令已經(jīng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，學(xué)習(xí)和掌握需要的時(shí)間較長(zhǎng)，所以對(duì)一些簡(jiǎn)單的工件來說很不經(jīng)濟(jì)。

近年來，發(fā)展出一種圖形交互式編程系統(tǒng)（WOP），又稱面向車間編程，受到部分企業(yè)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(yīng)的參數(shù)作為指令，生產(chǎn)加工程序，與傳統(tǒng)的加工思路比較接近。在定制標(biāo)準(zhǔn)后，有可能成為各種機(jī)床的統(tǒng)一編程方法。

（2）掌握使用方法便捷。數(shù)控機(jī)床普遍采用CRT進(jìn)行人機(jī)對(duì)話?，F(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床大多數(shù)都已經(jīng)將使用說明書、編程指南等存入系統(tǒng)中，供使用者查閱。機(jī)床于計(jì)算機(jī)之間大多數(shù)采用RS232數(shù)據(jù)接口進(jìn)行通信，隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)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(jī)床生產(chǎn)商引入計(jì)算機(jī)的通訊方式，利用計(jì)算機(jī)的地址數(shù)據(jù)形式進(jìn)行機(jī)床和計(jì)算機(jī)的交流。讓使用者更方便快捷地掌握機(jī)床的使用方法。

2 ?數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

現(xiàn)階段機(jī)械制造領(lǐng)域中數(shù)控技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，包括工業(yè)生產(chǎn)線、煤礦機(jī)械、汽車工業(yè)、機(jī)床設(shè)備、航空和宇航工業(yè)等方面。

（1）在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)線中，數(shù)控技術(shù)發(fā)揮著重要作用，如造紙印刷、食品加工等生產(chǎn)線。當(dāng)工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣且存在較高危險(xiǎn)性時(shí)，數(shù)控技術(shù)也有著較為理想的應(yīng)用效果，如農(nóng)藥加工、金屬冶煉等生產(chǎn)活動(dòng)。借助于數(shù)控技術(shù)，既能夠提高生產(chǎn)效率，確保生產(chǎn)質(zhì)量，又可以減輕勞動(dòng)人員工作壓力，確保其人身安全。

（2）采煤生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)采煤機(jī)有著較高要求，生產(chǎn)環(huán)境、煤炭存儲(chǔ)量等因素都會(huì)對(duì)采煤機(jī)的使用產(chǎn)生影響，生產(chǎn)規(guī)模一般較小，大多采用焊接方式處理機(jī)殼毛坯，利用傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)容易造成單件下料成本較高。借助于數(shù)控技術(shù)，下料環(huán)節(jié)可通過龍骨板程序完成，能夠得到最佳套料選用方案，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的最小化。同時(shí)，在各類機(jī)械中運(yùn)用數(shù)控技術(shù)，可精確控制各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，達(dá)到較為理想的生產(chǎn)效果，不僅能夠降低操作的危險(xiǎn)性，避免出現(xiàn)安全事故，而且還可以提高采礦效率和經(jīng)濟(jì)效益。

（3）近些年，我國(guó)汽車工業(yè)取得了良好發(fā)展，汽車零部件的加工技術(shù)也在快速更新?lián)Q代，數(shù)控技術(shù)的引入進(jìn)一步加快了復(fù)雜零部件的快速制造進(jìn)程。通過將高速加工中心與高速數(shù)控機(jī)床相結(jié)合，能夠形成兼具高柔性和高效率的生產(chǎn)線，可滿足當(dāng)下汽車零件的制作需求，并且還能實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變，逐漸朝向中小批量、多品種生產(chǎn)方向發(fā)展。除此之外，數(shù)控技術(shù)中的柔性制造技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、集成制造技術(shù)等為汽車工業(yè)的改革發(fā)展提供了技術(shù)支持。

（4）機(jī)床設(shè)備是現(xiàn)代機(jī)械制造的關(guān)鍵設(shè)備，要加快機(jī)電一體化發(fā)展，必須對(duì)數(shù)控技術(shù)進(jìn)行有效運(yùn)用。在機(jī)床設(shè)備中引入數(shù)控技術(shù)，可借助計(jì)算機(jī)控制裝置增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)良好的控制效果，控制精準(zhǔn)性也能夠得到顯著提高，可滿足機(jī)床加工日益精細(xì)化、復(fù)雜化的要求。

（5）在航空和宇航工業(yè)生產(chǎn)過程中，所用零部件通常采用質(zhì)量較強(qiáng)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(yè)對(duì)機(jī)械加工的要求。數(shù)控技術(shù)的高轉(zhuǎn)速、低切削量、高進(jìn)給的加工模式正好符合要求，可提升鋁、鋁合金等材質(zhì)切削加工速度，并避免造成資源和能源的浪費(fèi)。

3 ?數(shù)控技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外開發(fā)出多款自動(dòng)編程軟件（CAM軟件）、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造全部自動(dòng)化。這是一個(gè)以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的時(shí)代，數(shù)控技術(shù)就是其中的代表。數(shù)控技術(shù)秉承這個(gè)時(shí)代的鮮明特點(diǎn)，未來必然朝以下幾個(gè)方向發(fā)展。

3.1 ?向多軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合化方向發(fā)展

多軸聯(lián)動(dòng)加工可以利用刀具最佳的幾何形狀進(jìn)行切削，可以很好地保證零件的精度和表面光潔度，提高產(chǎn)品的加工效率和加工質(zhì)量。同時(shí)隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，不止傳統(tǒng)機(jī)械加工中的工序?qū)⒈槐M可能地集中在一次裝夾中完成（工序集中），甚至傳統(tǒng)的機(jī)加工在不同類型的機(jī)床上加工的工序也將被復(fù)合到一臺(tái)機(jī)床上，實(shí)現(xiàn)車、銑、鉆、擴(kuò)孔、鉸孔、攻絲等多種操作工序的復(fù)合，極大地提高生產(chǎn)效率。如今的數(shù)控機(jī)床也正朝著這個(gè)多樣化的趨勢(shì)發(fā)展。

3.2 ?向高精度化方向發(fā)展

精密加工一直是機(jī)械加工重要的組成部分，也是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的體現(xiàn)。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的加工精度已經(jīng)普遍由原來的絲級(jí)提升至目前的微米級(jí)和亞微米級(jí)，一些特種加工精度甚至可以達(dá)到納米級(jí)。

3.3 ?向高可靠性方向發(fā)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(guī)?；蛘叱笠?guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，提高可靠性。

3.4 ?向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

數(shù)控加工的智能化主要體現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)方面，有利于提高驅(qū)動(dòng)性能，使用連接方便變得智能化，可以采用自適應(yīng)控制加工過程，自動(dòng)生成工藝參數(shù)、前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載、自動(dòng)選定模型等。有利于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作，使其智能化，可以采用CAD/CAM自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)交互界面等，還有智能監(jiān)控、智能診斷等內(nèi)容，以方便系統(tǒng)地進(jìn)行診斷和維修。在新形勢(shì)下，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已被應(yīng)用于各個(gè)方面，數(shù)控技術(shù)亦不例外，這一“新鮮血液”的融入無疑使其更具現(xiàn)代化特征。目前國(guó)內(nèi)的華中數(shù)控818系統(tǒng)已經(jīng)將PC機(jī)的總線技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床在PC機(jī)的通訊之中，與原來用RS232的專用數(shù)據(jù)傳輸線進(jìn)行傳輸程序相比，給用戶帶來了極大的便利。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的完善，數(shù)控系統(tǒng)必將朝著網(wǎng)絡(luò)化、開放化的新趨勢(shì)發(fā)展。

3.5 ?向綠色化加工方向發(fā)展

在習(xí)總書記的“金山銀山，不如綠水青山”的號(hào)召下，低碳節(jié)能已成為我國(guó)各個(gè)行業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，數(shù)控機(jī)床也必然朝著綠色環(huán)保的方向發(fā)展。

除此以外，中國(guó)的數(shù)控機(jī)床還將向著開放化方向、驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化方向和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

4 ?結(jié) ?論

綜上所述，數(shù)控技術(shù)是一門綜合性高的技術(shù)，在我國(guó)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的進(jìn)程中，數(shù)控技術(shù)是未來制造工業(yè)發(fā)展的核心環(huán)節(jié)，是影響機(jī)械自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的重要因素，由于信息技術(shù)在數(shù)控技術(shù)中的貢獻(xiàn)越來越大，我們應(yīng)著重發(fā)展開放式、智能化、高速、高效、高精度的數(shù)控裝備，乘著“中國(guó)制造2025”、“工業(yè)4.0”的東風(fēng)，抓住機(jī)遇，認(rèn)真研究新趨勢(shì)、新理論、新技術(shù)，采取相應(yīng)措施，力爭(zhēng)在關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的跨越式發(fā)展。跟上并領(lǐng)跑于先進(jìn)數(shù)控制造技術(shù)的世界潮流，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。同時(shí)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展將孕育大量的數(shù)控專業(yè)技術(shù)人才，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)進(jìn)一步走向繁榮。

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作者簡(jiǎn)介：林鍇（1979.05-），男，漢族，福建福州人，數(shù)控實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師，一級(jí)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師，機(jī)械工程師，研究方向：數(shù)控技術(shù)。