计算机数控 相关概念总结 数控的产生 计算机应用技术

相关概念总结

计算机数控

计算机数控一般也称为数控，要了解计算机数控应该从理解数控开始。

数控是数字控制的简称,数控技术是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。

早期时有两个版本:

NC(Numerical Control):代表旧版的、最初的数控技术。

CNC(Computerized Numerical Control):计算机数控技术--新版，数控的首选缩写形式。

NC可能是CNC，但CNC绝不是指老的数控技术。

早期的数控系统是由硬件电路构成的称为硬件数控(Hard NC)，1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替而称为计算机数控系统，一般是采用专用计算机并配有接口电路，可实现多台数控设备动作的控制。因此现在的数控一般都是CNC(计算机数控)，很少再用NC这个概念了.

什么是CNC

传统的机械加工都是用手工操作普通机床作业的，加工时用手摇动机械刀具切削金属，靠眼睛用卡尺等工具测量产品的精度的。现代工业早已使用电脑数字化控制的机床进行作业了，数控机床可以按照技术人员事先编好的程序自动对任何产品和零部件直接进行加工了。这就是我们说的“数控加工”。数控加工广泛应用在所有机械加工的任何领域，更是模具加工的发展趋势和重要和必要的技术手段。

计算机数控

“CNC”是英文Computerized Numerical Control（计算机数字化控制）的缩写。数控机床是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工。我们把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数(主轴转数、进给量、背吃刀量等)以及辅助功能(换刀、主轴正转、反转、切削液开、关等)，按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上(如穿孔纸带、磁带、磁盘、磁泡存储器)，然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。

这种从零件图的分析到制成控制介质的全部过程叫数控程序的编制。数控机床与普通机床加工零件的区别在于数控机床是按照程序自动加工零件，而普通机床要由人来操作，我们只要改变控制机床动作的程序就可以达到加工不同零件的目的。因此，数控机床特别适用于加工小批量且形状复杂要求精度高的零件

由于数控机床要按照程序来加工零件，编程人员编制好程序以后，输入到数控装置中来指挥机床工作。程序的输入是通过控制介质来的。

数控的产生

它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

现在，数控技术也叫计算机数控技术（CNC，Computerized Numerical Control），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的运动轨迹和外设的操作时序逻辑控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入操作指令的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成，处理生成的微观指令传送给伺服驱动装置驱动电机或液压执行元件带动设备运行。

组成

计算机数控系统由硬件和软件两部分构成，对CNC系统体系结构的认识应该从硬件和软件两个方面来进行。其核心是计算机数字控制装置。它通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。CNC系统采用了计算机作为控制部件，通常由常住在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。CNC系统有很多种类型，有车床、铣床、加工中心等CNC系统。各种数控机床的CNC系统一般包括以下几个部分：中央处理单元CPU、存储器（ROM/RAM）、输入输出设备（I/O）、操作面板、显示器和键盘、纸带穿孔机、可编程控制器等。（随着计算机硬件性能价格比的迅速降低和图形显示器的推广应用，现代数控系统已不需要穿孔纸带，而由计算机直接控制，它是用一台小型通用计算机或个人计算机直接控制一台机床，机床的控制程序存储在计算机的内存中，容易修改和扩充功能，灵活性好。)

功能

为了充分发挥计算机的潜力，现代CNC系统的功能已远远不只是完成基本的直线和圆弧插补计算，而是配置了不少专用的软件，可完成多方面的工作，其中一些功能传统的NC不可能完成或完成很困难。下面介绍现代CNC系统通常具备的主要功能。

(1)坐标轴控制能同时联动控制3，4和5个坐标轴。能达到较高的切削速度和加工质量。

(2)刀具偏置补偿现代数控系统往往具有三维空间直线的刀具半径补偿功能。

(3)编程功能系统提供某些编程功能。通常可以使用系统的彩色图形显示终端，人工编制由直线和圆弧组成的平面轮廓件的加工程序，系统配有软件自动计算轮廓的交点与切点。

(4)平行作业系统可以平行地实现两种工作模式：机床受控模式和编程模式。

当机床正在受系统控制进行某零件的加工时，操作人员可以同时用键盘完成上述手工编程工作，或通过数据传输接口进行外部程序的输入或对已有程序进行编辑修改作业。当机床正在加工时，图形显示终端可以同时模拟另一加工程序的执行，以便检查与编辑。

(5)刀具管理和监控现代数控机床朝加工中心方向发展。通常铣镗类机床带有几十把刀具的刀库，车削中心往往也有刀具库。数控系统具有控制和管理刀库的功能。刀具的更换在加工机床上是由数控系统按程序控制换刀机构自动换刀的。

(6)高、低速进给控制系统对机床运动部件的进给速度控制性能是数控系统的一个重要性能指标。现代数控系统能在很短距离内以相当高的进给速度控制机床切削运动。这对曲面加工是十分有利的，可以大大缩短加工时间，尤其对曲率变化较大的过渡区加工，仍可获得好的加工质量。

(7)电子触头找正系统提供三维测量用触头(类似测量的测头)，用它在找正工件时极为方便。

(8)实物测量及自动生成加工程序用上述三维电测头可对实物(要复制的样件)进行扫描测量，系统自动采集测量点数据，点的间距与扫描速度有关，扫描点数据经由接口自动生成直线插补NC程序，并可不再作任何后置处理就可执行此程序。

(9)外部编程的执行和DNC作业系统通常配有标准化的数据通信接口，可接受外部传输来的程序，例如CAD/CAM系统输出的加工程序。对于简短的程序可以存储入库；对于加工复杂曲面的长程序可以分块输入给本系统，并同步地执行。这就保证系统能适应由别的计算机控制与管理的DNC作业方式。

(10)便携式电子手动操纵装置系统通常提供便携式电子手动操纵器。操作人员用它可以在观察最清楚与方便的地点灵敏地调整机床运动部件的运动，其控制范围为0.02～20mm。

应用领域

计算机数控

计算机数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，如数控机床等。其技术涉及多个领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。

计算机数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在"高精尖"数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

例子；数控车床数控车床又称为CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化，加工质量稳定可靠等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。

发展趋势

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：

1.高速、高精加工技术及装备的新趋势

效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。

从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右，世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*1000r/mm和1g。

在加工精度方面，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。

在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。

2.五轴联动加工和复合加工机床快速发展

数控技术采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。

当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。

3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

4.重视新技术标准、规范的建立

（1）关于数控系统设计开发规范

如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。

（2）关于数控标准

数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75%）、加工程序编制时间（约35%）和加工时间（约50%）。

欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.1～2001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。

未来展望

硬件技术发展迅速

随着集成电路及计算机技术的迅猛发展，给数控硬件技术的更新换代注入新的活力，现代数控系统普遍采用超大规模集成电路（VLSI）、专用芯片（ASIC）及数字信号处理（DSP）技术。在电气装联上广泛采用表面安装（SMT）、三维高密度（three dimensional high density）技术，极大地提高系统的可靠性。高速高性能存储技术，比如闪烁存储（flash memory），移动存储（PCMCIA card）等极大地方便用户。薄膜晶体管液晶显示器（TFTLCD）技术使得显示装置趋于平板化，更便于机电一体化安装并改善人机界面。作为数控系统核心的处理器广泛采用“位以上的高速RISC CPU，保证高速、高精度的数控加工。

开放式发展

开放式数控的讨论已有好些年了，但是应该看到，对于开放式结构至今没有一致性的定义。某些用户认为开放式表示能够接受当地使用的通信协议；而另一些用户认为开放式意味着所有控制器操作界面完全一致;对机床应用工程师而言，开放式意味着对刀架移动、传感器和逻辑控制有标准的输入/输出接口；对大公司和大学的研究工程师来说，开放式意味着以上这些均来自随即拿来就用的积木块。由于来自最终用户和集成商（机床厂）的压力，开放式结构的开发工作正在向前发展并将持续下去。目前的一个积极成果即是基于PC的CNC，即PC-based。

实时操作系统进入CNC

严格意义上说，数控控制软件中包含着实时操作系统的思想，例如任务调度、存储器管理、中断处理等，但这种技术是隐含的，是和数控应用程序比如插补，伺服、译码等混合的。每一个数控系统都是独特的，不透明的。这种情况对于最终用户和系统集成商而言带来诸多不便。在开放式数控呼声日益高涨的今天，研究实时操作系统在CNC软件中的应用是顺理成章的事。特别是最近嵌入式实时操作系统的技术发展迅猛，这对于数控控制软件的开发将产生革命性的影响。选择一个合适的商用嵌入式实时操作系统，将插补、伺服、译码、数据处理等数控应用软件往上“挂”，最终移植到一个硬件环境中去，形成最终使用户满意的数控系统，也就是个性化的CNC系统，这将是开放式数控的主要方向。

程序编制

数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。如图1所示，编程工作主要包括：

（1）分析零件图样和制定工艺方案

这项工作的内容包括：对零件图样进行分析，明确加工的内容和要求；确定加工方案；选择适合的数控机床；选择或设计刀具和夹具；确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。这一工作要求编程人员能够对零件图样的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，并结合数控机床使用的基础知识，如数控机床的规格、性能、数控系统的功能等，确定加工方法和加工路线。

（2）数学处理

在确定了工艺方案后，就需要根据零件的几何尺寸、加工路线等，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。数控系统一般均具有直线插补与圆弧插补功能，对于加工由圆弧和直线组成的较简单的平面零件，只需要计算出零件轮廓上相邻几何元素交点或切点的坐标值，得出各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等，就能满足编程要求。当零件的几何形状与控制系统的插补功能不一致时，就需要进行较复杂的数值计算，一般需要使用计算机辅助计算，否则难以完成。

（3）编写零件加工程序

在完成上述工艺处理及数值计算工作后，即可编写零件加工程序。程序编制人员使用数控系统的程序指令，按照规定的程序格式，逐段编写加工程序。程序编制人员应对数控机床的功能、程序指令及代码十分熟悉，才能编写出正确的加工程序。

（4）程序检验

将编写好的加工程序输入数控系统，就可控制数控机床的加工工作。一般在正式加工之前，要对程序进行检验。通常可采用机床空运转的方式，来检查机床动作和运动轨迹的正确性，以检验程序。在具有图形模拟显示功能的数控机床上，可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进行检查。对于形状复杂和要求高的零件，也可采用铝件、塑料或石蜡等易切材料进行试切来检验程序。通过检查试件，不仅可确认程序是否正确，还可知道加工精度是否符合要求。若能采用与被加工零件材料相同的材料进行试切，则更能反映实际加工效果，当发现加工的零件不符合加工技术要求时，可修改程序或采取尺寸补偿等措施。

专业要求

机械制图、公差配合与技术测量基础、金属材料与热处理、机械设计基础、工程力学、液压与气动技术、机床夹具、金属切削原理与刀具、机械制造工艺学、电工电子基础及操作技能、钳工技能培训数控车床加工技术、数控铣床加工中心加工技术、电火花加工技术、AutoCAD、PRO/E三维造型与设计、UG三维设计与数控编程、MASTERCAM三维设计与数控编程、数控机床结构与维护。

主要院校

开设数控专业的相关重点院校：大连交通大学、重庆交通大学、福州大学、山东理工大学、兰州交通大学，集美大学、广东工业大学，南昌大学，辽宁工业大学、成都工业学院、黑龙江工程学院、南阳理工学院，南阳职业学院，淮阴工学院、西华大学、沈阳理工大学、河北工业大学、华南农业大学、青岛理工大学、浙江师范大学、山东科技大学、西安技师学院、重庆工学院、长沙理工大学、长沙航空职业技术学院（军队校名空军航空维修技术学院），河南科技大学、湖南信息职业技术学院、福建电力职业技术学院、湖北汽车工业学院,四川工程职业技术学院、北华航天工业学院、长沙南方职业技术学院、湖北轻工职业技术学院、沈阳北软信息职业技术学院、上海科学技术职业学院（上海科技学院）、芜湖职业技术学、黑龙江工程学院、河北机电职业技术学院、湖南机电职业技术学院、广西机电职业技术学院。