数控技术（计算机科学技术）
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更新时间：2023-05-20
数控技术
本词条是多义词，共13个义项
计算机科学技术
数控技术，英文名称：Numerical Control(简称NC)，即采用电脑程序控制机器的方法，按工作人员事先编好的程式对机械零件进行加工的过程。
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，它是集传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、网络通信技术和光机电技术等于一体的现代制造业的基础技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化和智能化起着举足轻重的作用。
基本概念
发展概况
1、发达国家的数控技术概况
数控技术随着现代科技，特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。发达国家普遍重视机床工业，不断研究机床的发展方向和提出科研任务，并为此网罗世界性人才和提供充足的经费。美、德、日三国是当今世界上在数控机床科研、设计、制造、使用方面技术比较先进和经验比较丰富的国家。
美国由于其汽车等制造业发达，电子、计算机技术又处于世界领先地位，因此发展了大量大批量生产自动化所需的自动线。其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国既生产用于宇航产品加工的高性能数控机床，也为中小企业生产廉价实用的数控机床。
德国重视机床工业的重要战略地位。德国的数控机床，尤其是大型、重型、精密数控机床。由于质量及性能良好、先进实用，在世界上享有盛誉。德国特别重视数控机床主机及配套件的先进和优质，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统和各种功能部件在质量、性能上居世界前列。如西门子公司的数控系统和Heidenhain公司的精密光栅均世界闻名。
日本也和美、德两国相似，充分发展大批量生产自动线，继而全力发展中小批量柔性生产自动化的数控机床。在中档数控机床方面，日本的出口量居世界第一位。日本从20世纪80年代开始进一步加强科研，发展高性能数控机床。日本突出发展数控系统，日本FANUC公司生产的数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。
2、我国数控技术概况
我国生产数控机床的厂约占机床厂总数的1/3.数控机床产量不断增长，但数控机床的需求量增长得更快，国产数控机床产量还满足不了社会发展的需求，大量的数控机床需要进口。
我国从1958年研制出第一台数控机床到如今数控机床的发展大致可分为两大阶段；
1958-1979年为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段由于数控系统的稳定性、可靠性尚未很好地解决，限制了国产数控机床的发展。而数控线切割机床由于结构简单，得到了较快的发展。在第二阶段，通过引进先进的数控技术和合作生产等方式，解决了数控机床的可靠性、稳定性等问题，数控机床开始批量生产和使用。经过第二阶段的发展，我国数控机床的设计和制造技术有了较大提高，开发了立式加工中心、卧式加工中心，以及数控车床、数控铣床等多种数控机床；培训了一些数控机床设计、制造、使用维护方面的人才；通过利用国外的先进元器件及数控系统配套，能自行设计系统配套，能自行设计及制造高速、高性能、多面、多轴联动的数控机床。在加工中心的基础上，研制了柔性制造单元，建造了柔性制造系统。到20世纪80年代末，我国在一定范围内探索实施了CIMS（计算机集成制造系统），取得了宝贵的经验，掌握了一定的技术。
虽然我国的数控技术有了一定的发展，但是和其他先进国家的相比，差距还很大。我国数控机床的数量和品种尚不能完全满足国内市场需求，出口量少；设计制造水平还处于学习、仿造走向自行开发阶段；严重缺乏各方面专家人才和熟练的技术工人；重要功能部件、自动化刀具、数控系统需要国外技术的支撑；还需要提高关键技术的试验、消化、掌握及创新能力。
技术组成
特点
1.提高加工精度
数控机床是高度综合的机电一体化产品，是由精密机械和自动控制系统组成的，其本身具有很高的定位精度和重复定位精度，机床的传动系统与机床的结构具有很高的刚度及热稳定性；在设计传动结构时采取了减少误差的措施，并由数控系统自动进行补偿，所以，数控机床有较高的加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定，合格率高，这一点是普通机床无法与之相比的。
2.提高生产效率
数控机床可以采用较大的切削用量，有效地节省了加工时间。数控机床或加工中心还有自动换速、自动换刀和其他自动化操作功能，使辅助时间大大缩短，且一旦形成稳定加工过程，无须进行工序间的检验与测量。所以，采用数控加工比普通机床的生产率高3-4倍，甚至更多。
3.提高适应性
数控机床按照被加工零件的数控程序来进行自动化加工，当加工对象改变时，只要改变数控程序，不必用靠模、样板等专用工艺装备，这有利于缩短生产准备周期，促进产品的更新换代。
4.提高零件的可加工性
5.提高经济效益
数控机床（特别是加工中心）大多采用工序集中，一机多用，在一次装夹的情况下，可以完成零件的大部分工序的加工，一台数控机床或加工中心可以代替数台普通机床。这样既可以减少装夹误差，节约工序间的运输、测量、装夹等辅助时间，又可以减少机床种类，节省机床占地面积，带来较高的经济效益。
发展历史
1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。
1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心(MC Machining Center)，使数控装置进入了第二代。
1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。
60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称CNC)，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。
1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC)，这是第五代数控系统。
20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。
20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。
数控技术也叫计算机数控技术（Computerized Numerical Control简称：CNC），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，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。数控技术是制造业信息化的重要组成部分。
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），承德石油高等专科学校，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）、芜湖职业技术学院、安徽机电职业技术学院、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。
发展途径
数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。
在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。
为完成此任务，首先必须确立符合中国国情的发展道路。为此，本文从总体战略和技术路线两个层次及数控系统、功能部件、数控整机等几个具体方面探讨了新世纪的发展途径。
发展趋势
数控技术
从世界上数控技术发展的趋势来看，主要有如下几个方面：
1.机床的高速化、精密化、智能化、微型化发展
随着汽车、航空航天等工业轻合金材料的广泛应用，高速加工已成为制造技术的重要发展趋势。高速加工具有缩短加工时间、提高加工精度和表面质量等优点，在模具制造等领域的应用也日益广泛。机床的高速化需要新的数控系统、高速电主轴和高速伺服进给驱动，以及机床结构的优化和轻量化。高速加工不仅是设备本身，而且是机床、刀具、刀柄、夹具和数控编程技术，以及人员素质的集成。高速化的最终目的是高效化，机床仅是实现高效的关键之一，绝非全部，生产效率和效益在“刀尖”上。
2.五轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用五轴联动对三维曲面零件进行加工，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台五轴联动机床的效率可以等于2台三轴联动机床，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，五轴联动加工可比三轴联动加工发挥更高的效益。但过去因五轴联动数控系统主机结构复杂等原因，其价格要比三轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了五轴联动机床的发展。当前数控技术的发展，使得实现五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。因此五轴联动技术促进了复合主轴头类型五轴联动机床和复合加工机床的发展。
3.新结构、新材料及新设计方法的发展
机床的高速化和精密化要求机床的结构简化和轻量化，以减少机床部件运动惯量对加工精度的负面影响，大幅度提高机床的动态性能。例如，借助有限元分析对机床构件进行拓扑优化，设计箱中箱结构以及采用空心焊接结构和使用铅合金材料等已经开始从实验室走向实用。
我国机床设计和开发手段要尽快从二维CAD向三维CAD过渡。三维建模和仿真是现代设计的基础，是企业技术优势的源泉。在此三维设计基础上进行CAD/CAM/CAE/PDM的集成，加快新产品的开发速度，保证新产品的顺利投产，并逐步实现产品生命周期管理。
许多国家对开放式数控系统进行了研究，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。开放式数控系统有三种形式：
（2）嵌入系统，即CNC+PC，CNC控制坐标轴电动机的运动，PC作为人机界面和网络通信。
（3）融合系统，在CNC的基础上增加PC主板，提供键盘操作，提高人机界面功能。
5.可重组制造系统的发展
随着产品更新换代速度的加快，专用机床的可重构性和制造系统的可重组性日益重要。通过数控加工单元和功能部件的模块化，可以对制造系统进行快速重组和配置，以适应变型产品的生产需要。机械、电气和电子、液体和气体，以及控制软件的接口规范化和标准化是实现可重组性的关键。
数控技术
为了加快新机床的开发速度和质量，在设计阶段借助虚拟现实技术，可以在机床还没有制造出来以前，就能够评价机床设计的正确性和使用性能，在早期发现设计过程的各种失误，减少损失，提高新机床开发的质量。
程序编制
一、数控机床编程的方法
1、手工编程
由人工完成零件图样分析、工艺处理、数值计算、书写程序清单直到程序的输入和检验。适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件，但是，非常费时，且编制复杂零件时，容易出错。
2、自动编程
使用计算机或程编机，完成零件程序的编制的过程，对于复杂的零件很方便。
3、CAD/CAM
利用CAD/CAM软件，实现造型及图象自动编程。最为典型的软件是Master CAM，其可以完成铣削二坐标、三坐标、四坐标和五坐标、车削、线切割的编程，此类软件虽然功能单一，但简单易学，价格较低，仍是中小企业的选择。
1、数控机床编程的主要内容
分析零件图样、确定加工工艺过程、进行数学处理、编写程序清单、制作控制介质、进行程序检查、输入程序以及工件试切。
2、数控机床的步骤
（1）分析零件图样和工艺处理
根据图样对零件的几何形状尺寸，技术要求进行分析，明确加工的内容及要求，决定加工方案、确定加工顺序、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。
同时还应发挥数控系统的功能和数控机床本身的能力，正确选择对刀点，切入方式，尽量减少诸如换刀、转位等辅助时间。
（2）数学处理
编程前，根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系，根据零件图纸的要求，制定加工路线，在建立的工件坐标系上，首先计算出刀具的运动轨迹。对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件），只需计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值。
（3）编写零件程序清单
（4）程序输入
（5）程序校验与首件试切
三、数控加工程序的结构
数控程序编辑
N020 G90 G00 X50 Y60...；可以调用子程序。
N150 M05
N160 M02
2、程序段格式：
（1）字地址格式：如N020 G90 G00 X50 Y60
最常用的格式，现代数控机床都采用它。地址N为程序段号，地址G和数字90构成字地址为准备功能。
（2）可变程序段格式：如B2000 B3000 B B6000
使用分割符B各开各个字，若没有数据，分割符不能省去。常见于数控线切割机床，另外，还有3B编程等格式。
（3）固定顺序程序段格式：如00701+0
比较少见。其中的数据严格按照顺序和长度排列，不得有误，上面程序段的意思是：N007 G01 X+02500 Y-13400 F15 S30 M02
四、零件图的数学处理
数控铣床
1、基点坐标的计算
一般数控机床只有直线和圆弧插补功能。对于由直线和圆弧组成的平面轮廓，编程时数值计算的主要任务是求各基点的坐标。
（1）基点的含义
构成零件轮廓的不同几何素线的交点或切点称为基点。基点可以直接作为其运动轨迹的起点或终点。
（2）直接计算的内容
根据填写加工程序单的要求，基点直接计算的内容有：每条运动轨迹的起点和终点在选定坐标系中的坐标，圆弧运动轨迹的圆心坐标值。
基点直接计算的方法比较简单，一般可根据零件图样所给的已知条件用人工完成。即依据零件图样上给定的尺寸运用代数、三角、几何或解析几何的有关知识，直接计算出数值。在计算时，要注意小数点后的位数要留够，以保证足够的精度。
2、节点坐标的计算
（1）节点的定义
当采用不具备非圆曲线插补功能的数控机床加工非圆曲线轮廓的零件时，在加工程序的编制工作中，常用多个直线段或圆弧去近似代替非圆曲线，这称为拟合处理。拟合线段的交点或切点称为节点。
（2）节点坐标的计算
节点坐标的计算难度和工作量都较大，故常通过计算机完成，必要时也可由人工计算，常用的有直线逼近法（等间距法、等步长法、和等误差法）和圆弧逼近法。
有人用AutoCAD绘图，然后捕获坐标点，在精度允许的范围内，也是一个简易而有效的方法。
缺点不足
数控镗床
国外公司在中国数控系统销量中的80%以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。
高校专业设置
专业名称
数控技术
专业代码
580103
修业年限
三年
学业层次
专科
学业性质
普通高等教育全日制专科
学科门类
培养目标
培养要求
数控磨床
课程体系
专业核心课程与主要实践环节：机械制图、机械设计基础、数控加工技术、数控加工编程与操作、数控原理与系统、CAD/CAM应用、数控机床使用及维修、数控机床电气控制、工业企业管理、制图测绘、PLC实训、机加工实习、CAM实训、数控机床操作技能实训、专业课程的课程设计、毕业实习（设计）等，以及各校的主要特色课程和实践环节。
课程设置
数控切割机
就业情况
数控技术应用专业湖南信息职业技术学院的毕业生分配单位的性质分布如下：三资企业占58%，国有企业占26%，民营企业占9%，其他占5%。
数控技术应用专业的毕业生所从事的工作性质分布如下：操作占55.7%，编程占13.4%，维修占9.4%，工艺占8.0%，生产管理占7.1%，质量检测占4.5%，综合占1.2%，营销占1.7%，行政管理占1.4%，其他占5.5%。
就业优势
深造领域
可设置的专业方向：数控机床控制技术、数控编程和数控加工技术、机械CAD/CAM。
从业方向
就业面向：在工业企业，从事数控程序编制、数控设备的使用、维护与技术管理，数控设备销售与售后服务等工作。
资格证书
蓝领层
对于数控人才，有以下三个需求层次，所需掌握的知识结构也各不同数控操作技工：精通机械加工和数控加工工艺知识，熟练掌握数控机床的操作和手工编程，了解自动编程和数控机床的简单维护维修。适合中职学校组织培养。此类人员市场需求量大，适合作为车间的数控机床操作技工。但由于其知识较单一，其工资待遇不会大高。
灰领层
数控编程员：掌握数控加工工艺知识和数控机床的操作，掌握复杂模具的设计和制造专业知识，熟练掌握三维CAD/CAM软件，如UG、ProE等；熟练掌握数控手工和自动编程技术；适合高职院校组织培养。适合作为工厂设计处和工艺处的数控编程员。此类人员需求量大，尤其在模具行业非常受欢迎，待遇也较高。
数控机床维护、维修人员：掌握数控机床的机械结构和机电联调，掌握数控机床的操作与编程，熟悉各种数控系统的特点、软硬件结构、PLC和参数设置。精通数控机床的机械和电气的调试和维修。适合高职院校组织培养。适合作为工厂设备处工程技术人员。此类人员需求量相对少一些，但培养此类人员非常不易，知识结构要求很广，适应与数控相关的工作能力强，需要大量实际经验的积累。
金领层
数控通才：具备并精通数控操作技工、数控编程员和数控维护、维修人员所需掌握的综合知识，并在实际工作中积累了大量实际经验，知识面很广。精通数控机床的机械结构设计和数控系统的电气设计，掌握数控机床的机电联调。能自行完成数控系统的选型、数控机床电气系统的设计、安装、调试和维修。能独立完成机床的数控化改造。是企业(特别是民营企业)的抢手人才，其待遇很高。适合高职院校组织培养。提供特殊的实训措施和名师指导等手段，促其成才。适合于担任企业的技术负责人或机床厂数控机床产品开发的机电设计主管。
应用
从世界上数控技术及其装备应用来看，其主要应用领域有以下几个方面：
1.制造行业
机械制造行业是最早应用数控技术的行业，它担负着为国民经济各行业提供先进装备的重任。主要应用有研制开发与生产现代化军事装备用的高性能五轴高速立式加工中心、五坐标加工中心、大型五坐标龙门铣等；汽车行业发动机、变速箱、曲轴柔性加工生产线上用的数控机床和高速加工中心，以及焊接、装配、喷漆机器人、板件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、发电机和水轮机叶片零件用的高速五坐标加工中心、重型车铣复合加工中心等。
2.信息行业
3.医疗设备行业
在医疗行业中，许多现代化的医疗诊断、治疗设备都采用了数控技术，如CT诊断仪、全身治疗机以及基于视觉引导的微创手术机器人，口腔医学中的正畸及牙齿修复等方面都需要采用高精度数控机床对牙齿进行加工生产。
4.军事装备
现代的许多军事装备大量采用伺服运动控制技术，如火炮的自动瞄准控制、雷达的跟踪控制和导弹的自动跟踪控制等。
5.其他行业
参考资料
[1]
数控技术与产业发展途径 · 电工论坛[引用日期2013-04-11]
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