数控技术

数控技术简称数控(Numerical control   controller)，数控技术是通过符号、由字符和数字组成的数字信息用于控制多个或一个机械设备的动作和处理过程。工作原理是根据被加工零件的图纸进行工艺分析，编制加工程序，将加工程序输入数控装置完成轨迹插补运算，控制伺服系统机床本体执行机构的运动轨迹，加工出符合零件图纸要求的工件。

数控产业的发展技术是数控机床，数控机床是制造业实现现代化技术的关键基石。机床数控技术被认为是现代机械自动化的基础技术。1952年，第一台数控机床诞生1955年，美国本迪克斯公司生产出第一台工业数控机床1960年后，其他工业国家，如德国，、日本都陆续开发、数控机床的生产和使用。之后经历了两个阶段，六次迭代，数控机床从早期的NC(硬件数控)该系统已经发展到现在广泛使用的数控系统(硬件+软件数控)系统。

数控技术的结构是机床本体、数控系统及外围技术。机床主体主要由床身组成、立柱、导轨、工作台及其他基本部件和刀架、刀库和其他配套零件。数控系统由输入介质控制介质伺服系统数控装置测量反馈装置和执行部件组成。周边技术主要包括工具技术（主要指刀具系统）编程技术和管理技术。数控技术按数控装置分为硬连线控制系统和计算机控制系统；根据控制方式，它分为开环、半闭环、闭环复合控制系统；按运动方式可分为点对点直线控制系统点对点控制系统和轮廓控制系统；按功能等级可分为低档中档和高档数控技术。

数控技术的优点是精度和可靠性高自动化管理现代化通讯功能强，缺点是数控设备成本高投资大数控技术操作困难。数控技术主要应用于制造业信息产业医疗设备军事装备等行业。

数控技术简称数控，通过数字信息控制数控机床加工的技术称为数控技术 。工作步骤一般通过输入介质控制介质伺服系统数控装置测量反馈装置和执行部件来进行。

数控的基本原理包括以下步骤：分析零件图纸，确定工艺方案和数值计算。根据加工程序单的内容，制作控制介质，通过光电阅读器输入数控装置。数控装置向伺服系统发送指令信号，驱动电机输出角位移和角速度。电机的角位移和角速度通过执行部分的传动系统转化为工作台的直线位移，实现进给运动。数控装置通过可编程逻辑控制器实现其他必要动作，配合进给运动完成零件的自动加工。

数控技术的基本组成部分包括机床本体、数控系统及外围技术。

机床本体

机床主体主要由床身组成、立柱、导轨、工作台及其他基本部件和刀架、刀库和其他配套零件。它还包括主轴箱、进给机构等机械部件。

床身

床身是机床的主体，是整个机床的基本支撑部件，一般用来支撑机床的导轨、立柱、主轴箱、升降台等零件，并保证这些零件在加工过程中的准确位置。

数控车床

数控车床的床身结构有一个平床身、斜床身、平板床倾斜滑板和垂直床等。斜床结构便于排屑，操作方便，且机床占地面积小它可以设计成床身刚度高的封闭型腔结构，因此被中小型数控车床广泛采用。

数控铣床和加工中心

数控铣床和加工中心的床身结构有固定柱式和移动柱式两种。在固定立柱床身结构中，立柱是固定的，通过滑板和工作台移动两个坐标轴，因此床身结构相对简单。固定柱床一般适用于中学、小型立式或卧式数控铣床和加工中心，由于床身尺寸不大，大多采用整体式结构。

活动柱床通常采用T形设计，由横向的前床和纵向的后床组成。这种床结构可分为两种类型整体式和分离式。整体式床身具有较高的刚性和长期精度，但由于铸造和加工的困难，特别是在制造大型数控机床的整体式床身时，需要大型专用设备。对分离式T型床身的铸造和加工工艺进行了改进。前床身和后床身的连接处需要刮磨，用专用定位销和键定位，然后用大螺栓固定在断面周围。这种分离式T型床身在刚性和精度保持方面基本能满足使用要求。大、中型卧式加工中心通常采用分离式T型床身。

立柱

立柱是数控机床的重要组成部分，支撑着主轴系统，影响着加工精度。

卧式数控机床的立柱通常采用双柱结构，主轴箱安装在双柱中间并可沿立柱导轨上下移动。小型卧式数控机床的立柱直接固定在床身上，但体积较大、中型卧式数控机床的活动立柱固定在滑动座上。卧式机床采用双柱结构的优点如下：1)刚性好，大型对称形状的立柱增强刚性(2)良好的热对称性，减少了热变形的影响(3)稳定性好，提高了立柱的刚度和固有频率。双柱结构的缺点是制造工艺和装配差、调试不方便。

立式数控机床的立柱采用封闭式箱体结构，内壁设有加强筋，通常呈米字形、斜双壁和对角交叉肋具有较高的抗扭刚度和抗弯刚度，以及较高的单位重量刚度，但铸造困难，有些仍然使用井字形肋。

导轨

机床的工作部件通过控制轴在指定的导轨上移动。导轨的作用是支撑和引导零件在机床上沿着特定的轨迹精确地移动或夹紧和定位。导轨的精度和运动精度直接影响机床的加工精度。目前导轨的应用包括滚动导轨、滑动导轨和静压导轨等。机床导轨是机床基本结构的重要组成部分，起着导向和支撑作用，对机床的加工精度和使用寿命有很大影响。

滚动导轨

滚动导轨是在导轨的工作面上布置滚动体实现滚动摩擦。它的摩擦系数很小、动摩擦系数和静摩擦系数之间的差异很小、无爬行现象等，适用于脂润滑。因为数控机床导轨的行程通常很长，所以滚动体必须循环。滚动导轨轻便，运动灵活、所需功率小、摩擦发热小、磨损小、精度保持性好、低速运动平稳、移动精度和定位精度都很高，并且不受移动变化的影响。然而，滚动导轨结构复杂，制造成本高，抗震性能差。现代数控机床常用的滚动导轨包括滚动导向块和直线滚动导向副，其中直线滚动导向副通常采用滚珠作为滚动体，而滚动导向块采用滚子作为滚动体。

静压导轨 

静压导轨是在两个相对运动的导轨面之间引入一定压力的润滑油形成油膜，从而保证导轨面在液体摩擦下工作。静压导轨摩擦系数小、驱动功率低、承载能力大、刚度好、机械效率高、精度保持性好、吸振性好、运行平稳等优点。但结构复杂，制造成本高，因此多用于重型数控机床。静压导轨分为液体静压导轨和气体静压导轨。静压导轨可分为两类开式和闭式。

滑动导轨

该滑动导轨结构简单、制造方便、接触刚度大，但传统滑动导轨摩擦阻力大、磨损快、动静摩擦系数相差较大，低速行驶时容易发生爬行。数控机床上常用的是带耐磨胶涂层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。其中，塑料导轨具有摩擦性能好使用寿命长的优点。常用的塑料导轨包括聚四氟乙烯导轨软带和环氧耐磨树脂导轨涂层。

工作台

工作台主要用于在加工过程中安装工件，是数控机床的重要组成部分、尺寸通常代表数控机床的规格和性能。工作台主要是长方形的、回转式、摇摆式和各种角度倾斜的通用工作台等。此外，由数控机床组成的柔性加工单元（FMC)在柔性制造系统中，还有一个连接到数控机床的交换工作台（FMS）中有工件缓冲台、工件上下料台、工件运输台等。

刀架

数控刀架是数控车床最常见的辅助装置，它可以使数控车床在一次装夹工件中完成各种甚至全部加工工序，从而缩短加工的辅助时间，减少加工过程中多次安装工件造成的误差，从而提高机床的加工效率和精度。数控机床的刀架是放置刀具的重要部件刀架不仅放置刀具，还直接参与切削工作。

根据换刀方式的不同，主要分为旋转式刀架、排刀架和带刀库的自动换刀装置等。

排式刀架：一般用于小型数控车床，主要用于加工条形或圆盘形零件。

回转刀架：是数控车床最常用的换刀装置机床的自动换刀装置一般是通过液压系统或电气系统来实现的，可以根据加工要求设计成方形、六角刀架或圆盘刀架。

带刀库的自动换刀装置：当需要大量刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。它由刀库和换刀机构组成。此外，根据刀架驱动方式的不同，带刀库的自动换刀装置还可分为电动刀架、液压刀架、三种液压伺服刀架。

刀库

刀库是存放加工工具和辅助工具的地方它必须有一个能使刀具移动和定位的机构，以确保换刀的可靠性。刀库按容量和取刀方式可分为盘式刀库、链式刀库和点阵式刀库盘式刀库和链式刀库是常用的刀库。

主轴箱

主轴箱是组合机床中一个重要的特殊零件根据被加工零件上孔的具体位置布置主轴，完成钻孔、扩、攻、较、端面等各种粗、精加工工序。

车头是专门为特定零件设计的，但其中一些已经通用化和系列化，标准车头基本上不需要设计特殊零件。主轴箱采用整体结构，刚性好，主轴轴承大多采用圆锥滚子轴承，一般情况下“反置式”配置，提高主轴的刚性；结构简单，适用范围广，可根据不同的加工工艺要求选择主轴结构和轴承结构。缺点是箱体内同轴安装轴承的孔需要刮端面，工艺性差。

有几种类型的主轴箱：

通用主轴箱：大量的钻、主轴箱，其部件基本上是通用的，也称为标准主轴箱。

刚性主轴箱：加工时主轴不导向，主轴结构特殊。其特点是主轴前后支承距离长，主轴本身刚性好，轴承的形式和配置多种多样，也称为特种主轴箱。

铣削主轴箱：主要用于铣削，结构也比较特殊，轴承结构类似刚性主轴箱。

带有附加机构的主轴箱：用行程控制机构实现螺纹加工，称为攻丝主轴箱；配有主轴定位限速机构，实现主轴精确定位。

可调主轴箱：其主轴位置可以调整和改变，以适应多品种和中小批量生产，但缺点是主轴刚性较差。

进给结构

数控机床的进给机构是将电机的旋转运动转化为工作台或刀架的纵向和横向进给运动。进给运动的灵敏度和稳定性会影响被加工工件的轮廓精度和加工精度。为了保证数控机床进给传动系统的性能，要求传动系统具有较高的传动精度、良好的系统稳定性和快速的动态响应特性。

数控系统由输入介质控制介质伺服系统数控装置测量反馈装置和执行部件组成。

输入介质

输入介质将数控装置不能直接识别的程序代码转换成可识别的电脉冲信号并存储在数控装置中。目前大多数数控机床通过 MDI 用自带键盘输入 。

控制介质

控制介质是连接操作员和机械设备的介质。在数控系统中，操作信息存储在控制介质中，控制介质将控制和指示设备进行加工运动的指令传送给数控装置。控制介质又称信息载体，是将零件的加工信息传递给数控装置的信息载体。一些数控机床使用数字刻度盘、数字插头或通过键盘直接输入程序和数据。随着计算机自动编程的发展和应用，一些设备使用计算机与数控系统进行通信，并将程序和数据直接传输到数控设备。

数控装置

输入介质传递的脉冲信号经数控装置编译计算后，将信息指令传递给伺服机构，设备按照指令规范有序地工作。控制工件速度方向的命令 ；选择更换刀具等。数控装置是数控设备的核心，各种指令都是通过它来完成的5999689999999996。

伺服系统

伺服系统（automatic control device）被加工工件的位移由数控装置发出的脉冲信号精确控制、方向、速度等参数。

测量反馈装置

测量反馈装置应该精确地检测移动工件的位移、速度、温度等参数，并将测得的数据转换成电信号传输给数控装置。数控装置计算误差，反馈误差指令，修正误差，提高工件的加工精度。

执行组件

伺服系统传递的指令会通过执行部件转换能量的形式，进而按要求控制部件的机械运动状态。执行部件应具有良好的刚性和精度。

周边技术主要包括工具技术（主要指刀具系统）编程技术和管理技术。

工具技术

（主要指刀具系统）

数控设备的多样性，特别是加工中心，需要各种刀具和夹紧工具，并要求快速更换刀具。因此，刀具配件的标准化和系列化非常重要。刀具和配套夹具采用系列化，通用性强、标准化形成了通常所说的工具系统。

编程技术

数控编程是数控加工的编程过程，包括从零件绘图到获得数控加工程序的整个过程。

数控编程过程的主要内容包括：分析零件的图样、确定零件的加工工艺、电脑床的刀具轨迹、得出刀位数据、编写数控加工程序、程序验证和首件试加工。

工艺处理：分析图纸和技术要求，明确加工内容和要求，选择合适的加工刀具和合理的切削参数，保证工艺方案的合理性和经济性。

数值计算：根据零件的几何形状、加工路线和数控系统轨迹计算。

准备零件加工程序表：根据加工内容和计算结果，按照规定的程序指令和格式，编写加工程序单。

输入数控程序：通过键盘输入、磁盘读入或RS-232C接口将数控加工程序输入数控系统。

程序校验：在正式用于生产加工之前，必须检查编译程序的运行情况和零件的试加工情况。根据检查结果，对程序进行修改和调整，直到完全满足加工要求。

数控加工程序的编程方法包括手工编程和计算机辅助编程。计算机辅助数控加工编程适用于复杂零件，包括自动编程和CAD/编译CAM软件系统。

管理技术

编程技术：数控机床编程技术是指能够根据被加工零件的图纸和工艺要求，控制数控机床完成加工的编程。

操作技术：数控机床的操作技术是指通过操作面板等设备控制数控机床的运动和加工过程。

修理技术：数控机床维修技术是指数控机床的故障排除和维修技术。对于简单的故障，需要进行形式逻辑推理。对于复杂的故障，需要遵循故障发生的规律，一步一步检查外部元件，然后深入系统查找故障。

维护技术：数控机床的维护技术是指数控机床的定期检查、清洗、润滑等维护工作，确保数控机床的正常使用和高效运行。预防性维护的内容包括有计划地制定相应的规章制度，进行日常检查和维护，及时发现隐患并排除，避免停机维修。

优点

高效性：与以往的手工制造相比，数控技术在机器制造中的应用不仅可以提高制造质量，还可以增产增效，节约成本。

可靠性：数控技术具有包容性，可以输入更多更复杂的科技内容，使实际操作过程更加可靠。

准确性：在精密制造中，有许多零件和琐碎的数据。数控技术可以准确科学地使用数据，全面管理数据，精确控制整机数据。

实用性：机械制造的各个环节和领域都可以渗透数控技术，具有实用性。

自动化：自动化程度高，劳动强度低，加工过程无需人工干预。

现代化管理：使用数字信息和标准代码处理、计算机辅助设计的信息传递、制造和管理的一体化奠定了基础。

很强的通信功能：可以与CAD/CAM软件的设计和制作可以与地图相结合(制造自动化协议)与工厂的通信网络连接，以适应FMS(柔性制造系统)的应用要求。

缺点

设备费用较高：因为数控技术使用的硬件设备通常包括计算机、数控装置、伺服驱动器等，价格昂贵。

操作复杂：由于数控技术的操作程序复杂，需要较高的技术水平才能正确操作，因此使用数控技术存在一定的困难。

根据数控设备分类

数控技术可分为硬连线控制系统(NC系统)和计算机控制系统(CNC系统)

硬线控制系统：硬件逻辑数控系统是早期的数控系统，也称为硬连线数控系统。在该系统的数控装置中，控制功能全部由分立元件的硬连线逻辑电路实现。这种数控系统通用性和灵活性差，维护成本高。

计算机控制系统：该装置采用小型计算机或微型计算机作为控制单元，主要功能由软件实现，硬件几乎可以通用，有利于批量生产。计算机数控装置广泛应用于现代数控系统中。

数控系统的硬件结构，多微处理器结构数控系统通过一组公共地址和数据总线连接，每个微处理器共享系统公共存储器和I/o接口，并完成系统中指令的部分功能。这种结构将单微处理器系统的集中控制分时处理模式改变为多微处理器的多任务并行处理模式，从而大大提高了整个系统的处理速度。数控装置典型的多微处理器结构有两种类型共享总线结构和共享存储器结构。数控系统的软件结构由主控模块和功能模块组成。

根据控制模式分类

分为开环、半闭环、闭环复合控制系统。

开环控制系统:精度低，但运行稳定，成本低、易于使用和维护。经常用在一些精度要求不高的经济型数控机床上。

闭环控制系统:精度很高，但结构复杂，工作不稳定，安装调试复杂，价格也比其他两种贵。

半闭环控制系统:它是对其他两者的综合考虑，在日常生产中应用最广泛。

复合控制系统:选择上述三种控制系统组成复合控制系统。复合控制系统用于补充开环和闭环系统的优缺点，以满足某些机床，特别是大型数控机床的需要。在复合控制系统中，通常使用以下两种方法一种是开环补偿式，在系统的基本驱动中增加一个校正伺服电路，通过在工作台上加载位置检测装置的反馈信号来校正机械系统的误差。第二种是半闭环补偿式，其特点是在半闭环系统的基础驱动上增加工作台上的位置检测装置，实现全闭环。

根据运动方式分类

分为点对点线性控制系统、点控制系统和轮廓控制系统等。

点位控制系统：诸如钻头或焊枪的切割工具的电极被定位在指定位置，并且根据加工程序在这些位置执行加工任务。点控制主要用于钻床点焊或冲床。

直线控制系统：每个轴单独控制，适用于简单加工机床或装配机械。传统加工机床的升级改造一般采用简单的线性控制系统。

轮廓控制系统:可以实现任何行程运动，需要顺序控制多轴驱动。这种控制系统也是车床和铣床的标准配置。

根据功能级别分类

分为低档数控机床、中档数控机床和高端数控机床。

数控机床等级划分的主要指标是机床进给分辨率、进给速度、伺服系统类型、联动轴数、通信能力、显示功能和CPU 能力等。

根据用途分类

普通数控机床:与一般机床相似，但普通数控机床具有高度的自动化、高精度，包括数控车、铣、钻、镗及磨床等工艺。

数控加工中心:带有刀库和自动换刀装置的数控机床，包括铣削中心和车削中心，可以进行各种加工、工序的集中、连续加工减少了机床数量，提高了工作效率。

多轴数控机床:有4、5、六轴联动多轴数控机床。

数控特种加工机床:包括数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光切割机床等。

数控机床的主要性能指标包括规格、精度指标、运动指数和可靠性指数。

规格指标：反映了数控机床的基本功能，主要包括行程范围、摆角范围、主轴功率和进给轴扭矩、控制轴数和联动轴数以及工具系统。

精度指标：包括分辨率和脉冲当量、定位精度重复定位精度和分度精度。

数控技术

分辨率：分辨率指的是两个相邻的分散细节之间可以区分的最小间隔。

脉冲当量：脉冲等效是指数控系统每发出一个脉冲信号，机床的机械运动机构就产生一个相应的位移。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，它决定着数控机床的加工精度和表面质量。

定位精度：定位精度是指数控机床工作台等运动部件所达到的实际位置的精度，定位误差直接影响零件加工的尺寸精度。重复定位的精度是指在相同条件下重复相同动作时所得结果的一致性，受伺服系统特性的影响、间隙刚度和摩擦特性对进给系统的影响。

分度精度：分度精度是指分度台分度时理论转角与实际转角之间的差值，影响零件在空间中的角位置和孔系加工的同轴度。

运动指标：数控机床的运动指标主要包括主轴转速和进给速度。数控机床的主轴通常由DC或交流主轴电机驱动，并由高速精密轴承支撑，具有较宽的转速范围和足够高的回转精度、刚度及抗震性。数控机床的进给速度影响零件的加工质量、影响生产效率和刀具寿命的主要因素是数控装置的运行速度、机床动态特性的局限性与过程系统的刚度。

可靠性指标：它反映了数控机床的稳定性和使用寿命，包括平均故障间隔时间、平均修复时间、平均有效度。平均无故障时间(The average time is   Between  ,   failures, MTBF)时间越长越好，平均修复时间(MTTR takes an average of 33,356 hours to repair)时间越短越好平均效能反映了设备提供正常使用的能力，是衡量设备可靠性的重要指标。

制造行业

机械制造业是最早应用数控技术的行业。目前主要应用于现代军事装备研发和生产的高性能五轴高速立式加工中心、五坐标加工中心、大型五轴龙门铣等；汽车行业发动机、变速箱、数控机床和高速加工中心用于曲轴柔性加工生产线以及焊接、装配、喷漆机器人、板材激光焊接机和激光切割机等；航空、船舶、发电行业加工螺旋桨、发动机、发电机和汽轮机叶片零件的高速五轴加工和铣削复合加工中心等

煤矿开采：采煤设备对不同的技术和作业条件有不同的要求。数控技术可以远程切割工件， 可以有效解决内燃采煤机上刀片和滚筒的切割问题， 可以优化整个切割过程。了解切削工件的加工余量，提高采煤机的加工效率，有效提高制造效率。

信息产业

数控技术在网络中的应用、移动通信设备，如引线键合机、晶片光刻机等。机器人制造：数控加工具有加工灵活生产效率高的优点，适用于家用电器、机器人制造业的外壳、五金零件的加工和生产。

医疗设备

数控技术在医学诊断中的应用、治疗设备，如CT诊断设备、全身治疗机口腔医学中的牙齿矫正和牙齿修复等。

军事装备

数控技术用于伺服运动控制技术，如火炮的自动瞄准控制、雷达跟踪控制和导弹自动跟踪控制等。

其他行业

结合计算机辅助设计的数控技术/工艺规划/制造（CAD/CAPP/CAM）FMS、CIMS和其他技术被应用于轻工业、建筑材料和艺术品，如木工机械、数控水刀切割机、数控玻璃雕花机、数控缝纫机和数控绣花机等。