数值控制

电脑数值控制（numerical control, computer numerical control (CNC)，简称数控）是指通过计算机自动控制机械加工工具和3D打印机的行为。一台使用CNC的机器会根据写好的程序，将一块原材料（金属、木头、塑料、陶瓷、复合材料均可），在无需人类干预的情况下完成制造过程。采用数值控制的机床叫做数控机床。

在现代的电脑数值控制系统中，工件的设计高度依赖电脑辅助设计及电脑辅助制造等软件。电脑辅助制造软件解析设计模型并计算加工过程中的移动指令，透过后处理器将移动指令及其他加工过程中需使用到的辅助指令转换成数值控制系统可以读取的格式，之后将后处理器产生的档案载入电脑数值控制机床中进行工件加工。

将程式指令输入数控系统之内存后，经由电脑编译计算，透过位移控制系统，将资讯传至驱动器以驱动马达之过程，来切削加工所设计之零件。

## 历史发展

### 数控与电脑数控的历史

数值控制工作母机的概念起源于1940年代美国。生产直升机螺旋桨时，需要大量的精密加工。当时美国空军委托机械工程师，满足此一需求。1947年，John T. Parsons开始使用电脑计算机床的切削路径。1949年麻省理工学院接受美国空军委托，开始根据Parsons公司的概念研究数值控制。

1950年代，第一台数值控制工作母机问世；机械厂为了美国空军的需求在数位控制系统投入大量努力，特别集中在轮廓切削铣床方面。Parsons公司与麻省理工学院合作，结合数值控制系统与辛辛那提公司的铣床，研发出第一台数控工作母机。1958年，Kearney & Trecker公司成功开发出具自动刀具交换装置的加工中心机。麻省理工学院也开发出自动编程工具。1959年，日本富士通公司为数值控制做出两大突破：发明油压脉冲马达与代数演算方式脉冲补间回路。这加快了数值控制的进步。

从1960年到2000年之间，数值控制系统扩展应用到其他金属加工机，数值控制工作母机也被应用到其他行业。微处理器被应用到数值控制上，大幅提升功能，此类系统即称为电脑数值控制。这段期间也出现了快速、多轴的新式机床。日本成功打破传统机床主轴形式，以类似蜘蛛脚的装置移动机床主轴，并且以高速控制器控制，是为快速、多轴的机床。

日本在世界电脑数控机床发展中完成许多成果。1958年，牧野与富士通两大公司合作出日本第一部铣床。1959年，富士通公司做出两大突破：发明油压脉冲马达（电液伺服马达）与代数演算方式脉冲补间（插补）回路。这加快了数值控制的进步。1961年，日立工业完成其第一台加工中心机，并于1964年附加自动刀具交换装置。1975年开始，Fanuc（中译：发那科，由富士通公司数控部门独立）公司量产销售的电脑数控机床占下了相当国际市场。近年来日本则成功研发出快速、多轴的机床。2012年，日本以90亿欧元的成绩继续保持机床出口冠军位置，德国机床以81亿欧元，位居第二。第三、第四和第五分别为意大利，台湾和瑞士。中国位于韩国和美国之后，名列第八，出口额15亿欧元。

值得注意的是，美国虽然机床产业的规模与德、日、台、瑞、意相较并不大，甚至也无具代表性的机床品牌，但此主因是美国多数机床为供应美国本土使用，且多是军火相关，故出口方面，无论是数量还是技术上，都具有严格管制。

### 中国大陆

中国大陆电脑数控发展开始自1958年。1958年2月第一台数控机床在沈阳第一机床厂试制成功。这是一台2轴的车床，由程序配电器控制，由哈尔滨工业大学研制。同年9月第一台真正意义上的数控铣床由清华大学和铣床研究所合作研发完成并在北京第一机床厂试制成功。

2009年武重集团三台数控超重型机床（XK2645型数控龙门移动镗铣床、FB260型数控落地铣镗床和CKX5280型数控双柱立式铣车床）出口英国。

中国目前为世界最大机床生产国，2012年产值为147亿欧元，占全球产值的22%。

### 台湾

台湾的电脑数控发展始自1974年杨铁机械开始研究数控车床。

1978至1979，杨铁机械、大兴机械、永进机械、大立机器、联邦电子等公司都开始销售数控机床。至此都是以孔带指令操作为主。

1980年代初杨铁机械再推出电脑化数值控制车床、综合切削中心机等。台湾丽伟电脑股份有限公司成为全台湾唯一的专业生产数控铣床与车床的专业公司.硕诚公司、新讯公司、工研院等机构则成功研制出台湾自制各种数值控制器。

至2001年为止，台湾已能跟进“PC Based”控制器。但无法自制机床系统中的另外两大部分：主轴马达与伺服马达，多向日本大厂购买。此二部分各占机床价格三分之一。

至2011年，台湾“PC Based”控制器厂商，已有代表性的三家以上厂商，智研科技，捷准、宝元数控、与新代，台湾的机床产业已逐渐朝向自主研发走向，关键性的组件不再受日本的限制。

2013年，研华科技集团买下宝元数控。

至2015年为止，新代及研华宝元已经成为亚太地区第一的华人数位控制器品牌，除了经营中国大陆及台湾市场外，也积极拓展欧洲、北美及东南亚地区。

## 构成

现代的电脑数值控制铣床在概念上和1952年由麻省理工学院建造的原始型号差别不大，铣床一般包含一个在X、Y方向上移动的工作台和一个在Z方向上移动的主轴，加工使用的刀具固定在主轴上，工作台和主轴经由马达驱动以移动刀具的位置。

## 数值控制

### 加工流程

- 计算机辅助设计。2D或3D的工件或立体图设计
- 计算机辅助制造。使用计算机辅助制造软件生成G代码
- 数控机床控制器，读入G代码开始加工

### 加工程式

NC程式是数控机床能解读的纯文字编程语言。产生的档案是电脑辅助制造保存制造步骤所用的一种数值程式文件。熟悉数值程式的编辑者可直接使用Windows 操作系统内建的记事本进行编辑，编辑完后可另存新档并改成合适的副档名即可。

目前可由许多CAM软件将2D工作图面直接或间接地转换为NC档案，比手写编程更有效率。

电脑数控程式可分为主程序及副程序（子程序），凡是重复加工的部分，可用副程序编写，以简化主程序的设计。

字元（数值资料）→字语→单节→加工程序。

只要打开Windows操作系统里的记事本就可编辑电脑数控码，写好的电脑数控程式则可用模拟软件来模拟刀具路径的正确性。

以下是常用的NC语言格式：

- Fanuc(.nc)
- Heidenhain TNC(.hnc)
- Standard G-code(.nc)
- Unigraphics files(.cls)
- APT CLDATA(ASCII)files(.cl)

### 基本机能指令

所谓机能指令是由位址码（英文字母）及两个数字所组成，具有某种意义的动作或功能，可分为七大类，即G机能（准备机能）

M机能（辅助机能）

T机能（刀具机能）

S机能（主轴转速机能）

F机能（进给率机能）

N机能（单节编号机能）

H/D机能（刀具补正机能）

### FANUC系统指令

G代码（数车指令）：

G00-快速进给

G01-直线切削

G02-顺时针圆弧切削

G03-逆时针圆弧切削

G04-暂停

G10-资料设定

G20-英制输入

G21-公制输入

G32-螺纹加工

G40-取消刀尖半径补正

G41-刀尖半径左补正

G42-刀尖半径右补正

G50-设置工件座标系或主轴最高转速

G70-精切削复合循环

G71-轴向粗切削复合循环

G72-径向粗切削复合循环

G73-轮廓粗切削复合循环

G74-轴向切槽／钻孔复合循环

G75-径向切槽复合循环

G76-螺纹切削复合循环

G90-轴向单一循环

G92-螺纹单一循环

G94-径向单一循环

G96-设定圆周线速度

G97-设定主轴转速

G98-分进给方式(mm/min)

G99-转进给方式(mm/r)

### 参考点

通常在数控机床程式编写时，至少须选用一个参考座标点来计算工作图上各点之座标值，这些参考点我们称之为零点或原点，常用之参考点有机械原点、回归参考点、工作原点、程式原点。

- 机械参考点：机械参考点或称为机械原点，它是机械上的一个固定的参考点
- 回归参考点：在机器的各轴上都有一回归参考点，这些回归参考点的位置，以行程监测装置极限开关预先精确设定，作为工作台及主轴的回归点。
- 工作参考点：工作参考点或称工作原点，它是工作座标系统之原点，该点是浮动的，由程式设计者依需要而设定，一般被设定于工作台上（工作上）任一位置。
- 程式参考点：程式参考点或称程式原点，它是工作上所有转折点座标值之基准点，此点必须在编写程式时加以选定，所以程式设计者选定时须选择一个方便的点，以利程式之写作。

### 座标系设定

座标系设定就是决定机械原点与程式原点间X,Y,Z轴向间之距离。

## 机床数控系统可靠性

### 可靠性定义

数控系统是机床的大脑，数控系统市场产品竞争已由单一的性能价格比转变到性能、可靠性、价格，服务等产品品质要素的竞争，而首要是可靠性的竞争，是用户关注的焦点。

数控系统可靠性是指在规定的条件下和规定的时间内，数控系统产品完成规定功能的能力。或指“在规定的条件下和规定时间内数控系统产品所允许的故障数”，这是狭义的可靠性定义。如果考虑产品在整个寿命周期内完成规定功能的能力，即包含了产品的可维修性，则称为广义可靠性（＝狭义可靠性＋维修性），在一般场合，人们所说的可靠性是指广义可靠性。

### 影响因素

1）设计因素：在进行系统设计和选择零部件材料过程中，分析、试验不够，缺乏预测，顶防措施也不够完整、系统初期故障较多。

2）制造因素：数控系统生产过程检测手段薄弱，缺乏严格控制措施。

上述二项是影响系统可靠性固有的、关键的因素。

3）环境因素

影响产品性能的环境因素为：

- 电和电磁环境：包括电场、磁场、传输导线的干扰等。
- 机械环境：包括冲击在内的非稳态振动、稳态振动、自由跌落、碰撞、摇摆和倾斜等。
- 气候环境：主要包括高低温度、湿度、降水、辐射等。
- 化学环境：包括油和腐蚀等化学作用物质、机械作用微粒等。

4）动力因素

影响产品性能的动力因素为：

- 电源：电源电压、频率的变化、电流的波动等。
- 流体源（包括气源和液体源）：压力、流量变化等。

### 可靠性评价指标

可靠性评价指标是对可靠性量化的尺度，是进行可靠性分析的依据。1

数控系统常用的可靠性指标有：

可靠度（R（t））、失效率（故障率λ（t））、平均故障间隔时间、平均维修时间，它们一般都是时间的函数。

- 可靠度：数控系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率
- 失效率：产品工作到某一时刻t，单位时间内失效数与尚存的有效产品数的比称为失效率，失效率的单位是1/h，也可以表示为“菲特”或Fit（是Failure Unit的缩写）
- 平均故障间隔：单位为“小时”。表示相邻两次故障之间的平均工作时间。它反映了产品的时间品质，是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。数控系统属可修复产品，所以用MTBF来评定，其方法是：从产品中随机抽取个样品，通过试验室或现场试验，记录各样品发生故障的次数及相关发生的时间，然后按下式进行计算：

$$MTBS=\frac{\sum_{i=1}^n t[i]}{\sum_{i=1}^n r[i]}$$

式中：n—样品数,ti—使用期内第台数控系统实际工作时间,ri—使用期内第台数控系统出现的故障次数

- 平均修复时间：记为MTTR，是描述产品由故障状态转为工作状态时修理时间的分布，它衡量产品的维修性。

运算式：$MTTR=\frac{\sum_{i=1}^n t[ri]}{\sum_{i=1}^n r[i]}$ 式中：tri—使用期内第台受试产品出现故障后修复时间ri—使用期内第台受试产品出现故障的次数

### 提高可靠性的措施

必须在系统生命周期的各个阶段都采取措施：

- 数控系统的设计阶段：通过设计奠定系统的可靠性基础，在设计阶段必须研究如何预测和顶防各种可能发生的故障和隐患，以及确保系统产品可维修性的措施。
- 数控系统样机试制：研究在有限的样品、时间和使用费用下，通过试验测定和验证，找出产品薄弱环节，提出改进措施。
- 数控系统生产；研究生产过程中系统缺陷的处理和早期故障的排除，通过各种控制措施，保证可靠性设计目标的实现。
- 数控系统使用：研究系统在运行过程中的可靠性监控、诊断、预测，以及采用的售后服务和维修策略，防止系统可靠性劣化。
- 数控系统的可靠性管理。研究可靠性目标的实施计划和资料回馈系统，组织实施以较少的费用、时间实现系统的可靠性目标。

## 参考文献

- Glossary of Lancaster Product Development Unit