數(shù)控技術(shù)在機械加工技術(shù)中的應(yīng)用探析

張志朋，馬春龍

（1.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

數(shù)控技術(shù)是指利用現(xiàn)代化計算機信息技術(shù)和傳統(tǒng)機械技術(shù)，將兩者以特定方式進行融合的生產(chǎn)方式，實現(xiàn)機械設(shè)備制造、加工、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化、智能化。當(dāng)前，隨著以互聯(lián)網(wǎng)云計算大數(shù)據(jù)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)在各個領(lǐng)域的進一步推行，切實提升了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，并助推了行業(yè)的升級轉(zhuǎn)型。現(xiàn)代化數(shù)控技術(shù)依托計算機技術(shù)、智能自動技術(shù)、精密生產(chǎn)技術(shù)和傳統(tǒng)機械技術(shù)，通過對數(shù)控技術(shù)進行合理的應(yīng)用，能夠確保機械設(shè)備的總體生產(chǎn)環(huán)節(jié)得到嚴(yán)密的把控，確保生產(chǎn)出來的機械設(shè)備質(zhì)量、穩(wěn)定性，大大提升了機械設(shè)備的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，同時數(shù)控技術(shù)的深度應(yīng)用，還能夠保障機械生產(chǎn)的安全性、穩(wěn)定性與可靠性，設(shè)備的精準(zhǔn)度會得到大幅度的提升，并且能夠引導(dǎo)傳統(tǒng)的機械生產(chǎn)向著智能化自動化方向轉(zhuǎn)變，促進機械加工行業(yè)的整體革新和升級轉(zhuǎn)型。

1 數(shù)控技術(shù)與機械加工技術(shù)

1.1 數(shù)控技術(shù)的概念界定

數(shù)控技術(shù)（Numerical Control Technology）是一種利用計算機控制數(shù)值化指令來執(zhí)行機械加工、制造和自動化生產(chǎn)過程的技術(shù)。它主要通過將設(shè)計圖紙或模型中的幾何形狀、加工參數(shù)等信息轉(zhuǎn)化為數(shù)值指令，由計算機控制機床、工具和傳感器等裝置的運動和操作，實現(xiàn)精確和高效的加工制造。數(shù)控技術(shù)的基本原理是利用數(shù)字信號控制運動系統(tǒng)，將數(shù)字指令傳輸給伺服控制系統(tǒng)，通過編程和算法控制機械運動，從而實現(xiàn)所需產(chǎn)品的精確加工。數(shù)控技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬加工、木工加工、塑料加工等領(lǐng)域，如車床、銑床、鏜床、鉆床、激光切割機等設(shè)備都可以采用數(shù)控技術(shù)。

1.2 數(shù)控技術(shù)的核心特征

1.2.1 加工效率高

數(shù)控技術(shù)采用計算機控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動化加工操作，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率。數(shù)控機床通過精確的編程和控制，能夠獲得非常高的加工精度，并且能夠重復(fù)執(zhí)行相同的操作，保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性?？梢酝瑫r處理多個加工任務(wù)，提高生產(chǎn)效率。通過優(yōu)化程序和工藝，可以在同一臺機床上完成多種復(fù)雜的加工操作，節(jié)約時間和資源。數(shù)控機床具有快速換刀和換工件的功能，可以實現(xiàn)不同類型的加工操作，節(jié)約了換刀和調(diào)整時間，提高了生產(chǎn)效率。另外，數(shù)控機床可以實時監(jiān)測加工過程中的各項參數(shù)，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行調(diào)整和優(yōu)化，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2.2 靈活性強

數(shù)控技術(shù)的靈活性強是指其在加工過程中可以根據(jù)需要進行快速的調(diào)整和變換，以適應(yīng)多樣化的生產(chǎn)需求。數(shù)控技術(shù)可以通過編寫、修改和調(diào)整加工程序來實現(xiàn)不同形狀和尺寸產(chǎn)品的加工。加工程序可以根據(jù)具體需求進行靈活變換，包括加工路徑、加工參數(shù)、切削速度等。數(shù)控系統(tǒng)通過自動化的控制和調(diào)整，可以根據(jù)加工要求實時改變加工過程中的參數(shù)和動作。例如，通過調(diào)整切削深度、進給速率等參數(shù)，可以快速適應(yīng)不同材料和加工要求。數(shù)控機床通常具備多軸控制功能，可以同時控制多個軸向運動。這使得不僅可以對平面加工進行精確控制，還可以實現(xiàn)立體、曲面和復(fù)雜形狀的加工，增加了加工的靈活性和多樣性。數(shù)控機床開始配備了刀庫和快速換刀系統(tǒng)，能夠快速、準(zhǔn)確地更換工具，以適應(yīng)不同的加工任務(wù)和工件要求。自動換刀系統(tǒng)可通過預(yù)設(shè)程序自動選取和更換適當(dāng)?shù)牡毒?。加工程序通常是通過CAD/CAM 軟件生成的。這種基于計算機輔助設(shè)計與制造的集成軟件可以根據(jù)設(shè)計圖紙或3D 模型快速生成加工程序，實現(xiàn)靈活、高效的產(chǎn)品加工。數(shù)控系統(tǒng)可以通過傳感器和反饋裝置對加工過程進行在線監(jiān)測和調(diào)整。例如，通過測量切削力、溫度、加工表面質(zhì)量等參數(shù)，實時調(diào)整切削參數(shù)和工藝，以確保加工質(zhì)量和穩(wěn)定性。

1.3 數(shù)控技術(shù)在機械加工技術(shù)中應(yīng)用的必要性

數(shù)控技術(shù)在機械加工技術(shù)中應(yīng)用具有重要的必要性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，提高生產(chǎn)效率。數(shù)控技術(shù)可以實現(xiàn)自動化、快速和精確的機械加工過程，相比傳統(tǒng)的手工或半自動加工，大大提高了生產(chǎn)效率。數(shù)控機床能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和參數(shù)進行連續(xù)、高速的加工，減少了人工操作所需的時間和勞動力成本。其次，精確度和穩(wěn)定性。數(shù)控機床使用數(shù)字指令進行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、反復(fù)可靠的加工。通過精確控制運動軸向、切削參數(shù)等，可以保證產(chǎn)品的尺寸精度、形狀一致性以及表面質(zhì)量的穩(wěn)定性。這對于需要高精度和高一致性的工件加工至關(guān)重要，尤其是在航空航天、汽車制造、精密儀器等領(lǐng)域。再次，多樣化和靈活性。數(shù)控技術(shù)可以根據(jù)不同加工需求，通過修改程序和參數(shù)來適應(yīng)多樣化的生產(chǎn)要求。無論是簡單產(chǎn)品還是復(fù)雜零部件，都可以通過更換工具、調(diào)整加工路徑等方式進行靈活加工。這種靈活性使得生產(chǎn)工藝更具適應(yīng)性和變通性，更容易應(yīng)對市場需求的變化。最后，降低人為差錯。傳統(tǒng)機械加工過程中，由于人為操作的差異和錯誤，常常會導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸不符合要求、表面質(zhì)量差等問題。而數(shù)控技術(shù)通過編程控制機床的運動和操作，減少了人為因素對加工過程的干擾，從而降低了由于人為差錯造成的問題，提高了加工的準(zhǔn)確性和一致性。

2 數(shù)控技術(shù)在機械加工技術(shù)中的具體應(yīng)用

2.1 數(shù)控技術(shù)在機床加工方面的應(yīng)用

在機床加工中，使用計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件和計算機輔助制造（CAM）軟件，將產(chǎn)品的設(shè)計圖紙或三維模型轉(zhuǎn)化為數(shù)控機床的加工程序。CAD 軟件可用于產(chǎn)品設(shè)計、繪制幾何形狀和生成加工路徑等，而CAM 軟件可以根據(jù)CAD 數(shù)據(jù)生成數(shù)控機床所需要的G 代碼。通過編寫數(shù)控程序，將產(chǎn)品的幾何形狀和加工參數(shù)轉(zhuǎn)化為機床能夠理解和執(zhí)行的指令。編程方式可以采用手動編程（直接編寫代碼）、自動編程（由CAD/CAM 軟件自動生成）或是圖形化編程（通過拖拉、設(shè)置參數(shù)等進行編程）。編程語言可以是G 代碼、M 代碼等。數(shù)控機床的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)數(shù)控技術(shù)的關(guān)鍵。它包括硬件部分（如伺服電機、編碼器、傳感器等）和軟件部分（如運動控制算法、插補算法等），用于精確控制機床的各個軸向運動、刀具進給和其他操作。數(shù)控技術(shù)需要配備相應(yīng)的機床設(shè)備，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床等。這些設(shè)備應(yīng)具備高精度、穩(wěn)定性好、剛性強等特點，以滿足不同加工需求和要求。將加工程序從CAD/CAM 軟件傳輸?shù)綌?shù)控機床需要采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸方式，如USB、以太網(wǎng)、RS-232 等。另外，對于大批量或連續(xù)加工的場景，可以使用工藝庫存儲和管理加工程序，以提高生產(chǎn)效率。數(shù)控技術(shù)可以通過傳感器和監(jiān)測裝置實時監(jiān)控加工過程中的切削力、溫度、振動等參數(shù)，以及工件表面質(zhì)量。通過數(shù)據(jù)反饋，能夠?qū)崟r調(diào)整刀具進給速度、修正偏差以保證加工的精度和質(zhì)量。

2.2 數(shù)控技術(shù)在高精度機械加工技術(shù)中的應(yīng)用

在高精度機械加工技術(shù)中，要選擇高剛性、高穩(wěn)定性的數(shù)控機床設(shè)備，以滿足高精度加工的需求。例如，采用剛性好、振動小的龍門銑床或精密平面磨床等。對數(shù)控機床進行準(zhǔn)確定位誤差、直線度、圓度、角度等方面的校準(zhǔn)，并進行驗證和檢驗，以確保機床運動精度和穩(wěn)定性。同時，定期維護和保養(yǎng)機床設(shè)備。通過調(diào)整切削速度、切削深度、進給速率等加工參數(shù)，使其適應(yīng)高精度加工的要求。優(yōu)化切削參數(shù)可以提高加工精度，并減少由于切割力引起的振動和變形。選擇適當(dāng)?shù)牡毒卟牧虾蛶缀涡螤?，以利于實現(xiàn)高精度的切削和表面質(zhì)量。實施刀具管理，包括刀具定期更換、刀具磨削、刀具測量等，以保持刀具的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。采取溫度控制措施，包括機床環(huán)境溫度控制、冷卻系統(tǒng)設(shè)計等，以減少熱變形對加工精度的影響。同時，可以使用溫度補償方法來校正由于溫度變化引起的誤差。通過CAD/CAM軟件生成的加工路徑進行優(yōu)化，減少切削干涉和夾持力的影響，以實現(xiàn)更高的加工精度。優(yōu)化加工路徑可以避免重復(fù)切削、減少加工次數(shù)和時間，提高加工效率和質(zhì)量。結(jié)合傳感器和監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測和反饋加工過程中的切削力、振動、表面質(zhì)量等參數(shù)。通過數(shù)據(jù)分析，可以調(diào)整加工參數(shù)和補償，以實現(xiàn)高精度加工的要求。

2.3 數(shù)控技術(shù)在復(fù)合機械加工中的應(yīng)用

在復(fù)合機械加工中，數(shù)控技術(shù)的具體應(yīng)用主要是通過數(shù)控編程和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多軸聯(lián)動操作。例如，同時控制旋轉(zhuǎn)、升降、進給等軸向運動，以實現(xiàn)復(fù)雜的曲線加工、螺紋加工等。采用自動刀庫和切換裝置，實現(xiàn)在同一臺機床上進行不同形式的切削加工。刀具切換系統(tǒng)可以根據(jù)加工需求自動更換不同類型的刀具，提高生產(chǎn)效率和靈活性。配備多種功能的工作臺，如旋轉(zhuǎn)平臺、傾斜工作臺等，可實現(xiàn)多角度、多方向的加工操作。通過數(shù)控編程和控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)工作臺的各種復(fù)雜運動和定位。在復(fù)合機械加工中，還需要進行多個工序的加工操作。通過數(shù)控技術(shù)，可以實現(xiàn)自動化的工序切換、程序切換和參數(shù)調(diào)整，以提高加工效率和精度。并要保證多個工具同時參與加工過程，需要實現(xiàn)協(xié)調(diào)、同步運動和切削。通過數(shù)控編程和控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)復(fù)合加工的協(xié)同控制，確保各個工具的精確位置和運動。復(fù)合機械加工常涉及多個輪廓表面的加工，例如，模具加工、曲面零件加工等。通過數(shù)控軟件和編程，提供多輪廓表面加工的路徑規(guī)劃、插補算法等功能，以實現(xiàn)復(fù)雜輪廓的高精度加工。此外，在復(fù)合機械加工過程中，可以通過傳感器和檢測裝置實時監(jiān)測加工過程中的參數(shù)和表面質(zhì)量。通過數(shù)據(jù)反饋和控制系統(tǒng)修正，可以實現(xiàn)加工過程的實時調(diào)整和補償，以提高加工精度和一致性。

3 數(shù)控技術(shù)在機械加工技術(shù)中應(yīng)用的發(fā)展趨勢

數(shù)控技術(shù)在機械加工技術(shù)中的發(fā)展趨勢是高速高效、智能化制造、高精度高穩(wěn)定性、多軸聯(lián)動和復(fù)雜加工、柔性制造和定制化生產(chǎn)、聯(lián)網(wǎng)與云端技術(shù)以及環(huán)境友好和節(jié)能減排。這些趨勢將不斷推動數(shù)控技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的應(yīng)用和創(chuàng)新。

3.1 高速、高效、高精度

隨著電子元器件和傳感器技術(shù)的進步，數(shù)控機床的驅(qū)動系統(tǒng)和控制算法能夠更快速地實現(xiàn)運動控制和切削操作。高速加工可以提高生產(chǎn)效率，并減少加工時間。制造業(yè)對產(chǎn)品精度和表面質(zhì)量的要求越來越高，數(shù)控技術(shù)在加工精度和穩(wěn)定性方面將繼續(xù)改進。例如，采用更精密的傳感器、控制算法和校準(zhǔn)方法，以實現(xiàn)更高的加工精度和更低的誤差。

3.2 智能化

數(shù)控技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)機械加工的智能化制造。通過智能化的監(jiān)測和自動化的反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)加工過程的實時監(jiān)控、優(yōu)化和調(diào)整。數(shù)控機床將與互聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)、加工過程和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、分析和遠程控制。利用云端技術(shù)，可以實現(xiàn)設(shè)備的遠程維護和升級，提高設(shè)備的可靠性和利用率。

4 結(jié)語

綜上所述，數(shù)控技術(shù)在加工機械方面的應(yīng)用能夠顯著提高機械制造企業(yè)的整體生產(chǎn)效率和經(jīng)營效率，同時，在社會層面也能夠形成創(chuàng)新、革新和現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型發(fā)展的良好風(fēng)氣。我們始終相信，在今后的機械加工過程中，隨著專業(yè)技術(shù)人員和相關(guān)機構(gòu)的不斷努力，數(shù)控技術(shù)將會進一步發(fā)揮其應(yīng)有的加工效率，并進一步助推機械加工技術(shù)的智能化和自動化發(fā)展，確保生產(chǎn)出來的設(shè)備更加精確、更加高效，最終支持相關(guān)行業(yè)的發(fā)展和社會的進步。