數值控制

電腦數值控制（numerical control, computer numerical control (CNC)，簡稱數控）是指通過電腦自動控制機械加工工具和3D印表機的行為。一台使用CNC的機器會根據寫好的程序，將一塊原材料（金屬、木頭、塑料、陶瓷、複合材料均可），在無需人類干預的情況下完成製造過程。採用數值控制的工具機叫做數控工具機。

在現代的電腦數值控制系統中，工件的設計高度依賴電腦輔助設計及電腦輔助製造等軟體。電腦輔助製造軟體解析設計模型並計算加工過程中的移動指令，透過後處理器將移動指令及其他加工過程中需使用到的輔助指令轉換成數值控制系統可以讀取的格式，之後將後處理器產生的檔案載入電腦數值控制工具機中進行工件加工。

將程式指令輸入數控系統之記憶體後，經由電腦編譯計算，透過位移控制系統，將資訊傳至驅動器以驅動馬達之過程，來切削加工所設計之零件。

## 歷史發展

### 數控與電腦數控的歷史

數值控制工作母機的概念起源於1940年代美國。生產直升機螺旋槳時，需要大量的精密加工。當時美國空軍委託機械工程師，滿足此一需求。1947年，John T. Parsons開始使用電腦計算工具機的切削路徑。1949年麻省理工學院接受美國空軍委託，開始根據Parsons公司的概念研究數值控制。

1950年代，第一台數值控制工作母機問世；機械廠為了美國空軍的需求在數位控制系統投入大量努力，特別集中在輪廓切削銑床方面。Parsons公司與麻省理工學院合作，結合數值控制系統與辛辛那提公司的銑床，研發出第一台數控工作母機。1958年，Kearney & Trecker公司成功開發出具自動刀具交換裝置的加工中心機。麻省理工學院也開發出自動編程工具。1959年，日本富士通公司為數值控制做出兩大突破：發明油壓脈衝馬達與代數演算方式脈衝補間迴路。這加快了數值控制的進步。

從1960年到2000年之間，數值控制系統擴展應用到其他金屬加工機，數值控制工作母機也被應用到其他行業。微處理器被應用到數值控制上，大幅提昇功能，此類系統即稱為電腦數值控制。這段期間也出現了快速、多軸的新式工具機。日本成功打破傳統工具機主軸形式，以類似蜘蛛腳的裝置移動工具機主軸，並且以高速控制器控制，是為快速、多軸的工具機。

日本在世界電腦數控工具機發展中完成許多成果。1958年，牧野與富士通兩大公司合作出日本第一部銑床。1959年，富士通公司做出兩大突破：發明油壓脈衝馬達（電液伺服馬達）與代數演算方式脈衝補間（插補）迴路。這加快了數值控制的進步。1961年，日立工業完成其第一台加工中心機，並於1964年附加自動刀具交換裝置。1975年開始，Fanuc（中譯：發那科，由富士通公司數控部門獨立）公司量產銷售的電腦數控工具機佔下了相當國際市場。近年來日本則成功研發出快速、多軸的工具機。2012年，日本以90億歐元的成績繼續保持工具機出口冠軍位置，德國工具機以81億歐元，位居第二。第三、第四和第五分別為義大利，台灣和瑞士。中國位於韓國和美國之後，名列第八，出口額15億歐元。

值得注意的是，美國雖然工具機產業的規模與德、日、台、瑞、意相較並不大，甚至也無具代表性的工具機品牌，但此主因是美國多數工具機為供應美國本土使用，且多是軍火相關，故出口方面，無論是數量還是技術上，都具有嚴格管制。

### 中國大陸

中國大陸電腦數控發展開始自1958年。1958年2月第一台數控工具機在瀋陽第一工具機廠試製成功。這是一台2軸的車床，由程序配電器控制，由哈爾濱工業大學研製。同年9月第一台真正意義上的數控銑床由清華大學和銑床研究所合作研發完成並在北京第一工具機廠試製成功。

2009年武重集團三台數控超重型工具機（XK2645型數控龍門移動鏜銑床、FB260型數控落地銑鏜床和CKX5280型數控雙柱立式銑車床）出口英國。

中國目前為世界最大工具機生產國，2012年產值為147億歐元，占全球產值的22%。

### 台灣

台灣的電腦數控發展始自1974年楊鐵機械開始研究數控車床。

1978至1979，楊鐵機械、大興機械、永進機械、大立機器、聯邦電子等公司都開始銷售數控工具機。至此都是以孔帶指令操作為主。

1980年代初楊鐵機械再推出電腦化數值控制車床、綜合切削中心機等。台灣麗偉電腦股份有限公司成為全台灣唯一的專業生產數控銑床與車床的專業公司.碩誠公司、新訊公司、工研院等機構則成功研製出台灣自製各種數值控制器。

至2001年為止，台灣已能跟進「PC Based」控制器。但無法自製工具機系統中的另外兩大部分：主軸馬達與伺服馬達，多向日本大廠購買。此二部份各佔工具機價格三分之一。

至2011年，台灣「PC Based」控制器廠商，已有代表性的三家以上廠商，智研科技，捷準、寶元數控、與新代，台灣的工具機產業已逐漸朝向自主研發走向，關鍵性的組件不再受日本的限制。

2013年，研華科技集團買下寶元數控。

至2015年為止，新代及研華寶元已經成為亞太地區第一的華人數位控制器品牌，除了經營中國大陸及台灣市場外，也積極拓展歐洲、北美及東南亞地區。

## 構成

現代的電腦數值控制銑床在概念上和1952年由麻省理工學院建造的原始型號差別不大，銑床一般包含一個在X、Y方向上移動的工作檯和一個在Z方向上移動的主軸，加工使用的刀具固定在主軸上，工作檯和主軸經由馬達驅動以移動刀具的位置。

## 數值控制

### 加工流程

- 電腦輔助設計。2D或3D的工件或立體圖設計
- 電腦輔助製造。使用電腦輔助製造軟體生成G代碼
- 數控工具機控制器，讀入G代碼開始加工

### 加工程式

NC程式是數控工具機能解讀的純文字編程語言。產生的檔案是電腦輔助製造保存製造步驟所用的一種數值程式文件。熟悉數值程式的編輯者可直接使用Windows 作業系統內建的記事本進行編輯，編輯完後可另存新檔並改成合適的副檔名即可。

目前可由許多CAM軟體將2D工作圖面直接或間接地轉換為NC檔案，比手寫編程更有效率。

電腦數控程式可分為主程序及副程序（子程序），凡是重覆加工的部份，可用副程序編寫，以簡化主程序的設計。

字元（數值資料）→字語→單節→加工程序。

只要打開Windows作業系統裡的記事本就可編輯電腦數控碼，寫好的電腦數控程式則可用模擬軟體來模擬刀具路徑的正確性。

以下是常用的NC語言格式：

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

### 基本機能指令

所謂機能指令是由位址碼（英文字母）及兩個數字所組成，具有某種意義的動作或功能，可分為七大類，即G機能（準備機能）

M機能（輔助機能）

T機能（刀具機能）

S機能（主軸轉速機能）

F機能（進給率機能）

N機能（單節編號機能）

H/D機能（刀具補正機能）

### FANUC系統指令

G代碼（數車指令）：

G00-快速進給

G01-直線切削

G02-順時針圓弧切削

G03-逆時針圓弧切削

G04-暫停

G10-資料設定

G20-英制輸入

G21-公制輸入

G32-螺紋加工

G40-取消刀尖半徑補正

G41-刀尖半徑左補正

G42-刀尖半徑右補正

G50-設置工件座標系或主軸最高轉速

G70-精切削複合循環

G71-軸向粗切削複合循環

G72-徑向粗切削複合循環

G73-輪廓粗切削複合循環

G74-軸向切槽／鑽孔複合循環

G75-徑向切槽複合循環

G76-螺紋切削複合循環

G90-軸向單一循環

G92-螺紋單一循環

G94-徑向單一循環

G96-設定圓周線速度

G97-設定主軸轉速

G98-分進給方式(mm/min)

G99-轉進給方式(mm/r)

### 參考點

通常在數控工具機程式編寫時，至少須選用一個參考座標點來計算工作圖上各點之座標值，這些參考點我們稱之為零點或原點，常用之參考點有機械原點、回歸參考點、工作原點、程式原點。

- 機械參考點：機械參考點或稱為機械原點，它是機械上的一個固定的參考點
- 回歸參考點：在機器的各軸上都有一回歸參考點，這些回歸參考點的位置，以行程監測裝置極限開關預先精確設定，作為工作檯及主軸的回歸點。
- 工作參考點：工作參考點或稱工作原點，它是工作座標系統之原點，該點是浮動的，由程式設計者依需要而設定，一般被設定於工作檯上（工作上）任一位置。
- 程式參考點：程式參考點或稱程式原點，它是工作上所有轉折點座標值之基準點，此點必須在編寫程式時加以選定，所以程式設計者選定時須選擇一個方便的點，以利程式之寫作。

### 座標系設定

座標系設定就是決定機械原點與程式原點間X,Y,Z軸向間之距離。

## 工具機數控系統可靠性

### 可靠性定義

數控系統是工具機的大腦，數控系統市場產品競爭已由單一的性能價格比轉變到性能、可靠性、價格，服務等產品品質要素的競爭，而首要是可靠性的競爭，是使用者關注的焦點。

數控系統可靠性是指在規定的條件下和規定的時間內，數控系統產品完成規定功能的能力。或指「在規定的條件下和規定時間內數控系統產品所允許的故障數」，這是狹義的可靠性定義。如果考慮產品在整個壽命週期內完成規定功能的能力，即包含了產品的可維修性，則稱為廣義可靠性（＝狹義可靠性＋維修性），在一般場合，人們所說的可靠性是指廣義可靠性。

### 影響因素

1）設計因素：在進行系統設計和選擇零部件材料過程中，分析、試驗不夠，缺乏預測，頂防措施也不夠完整、系統初期故障較多。

2）製造因素：數控系統生產過程檢測手段薄弱，缺乏嚴格控制措施。

上述二項是影響系統可靠性固有的、關鍵的因素。

3）環境因素

影響產品性能的環境因素為：

- 電和電磁環境：包括電場、磁場、傳輸導線的干擾等。
- 機械環境：包括衝擊在內的非穩態振動、穩態振動、自由跌落、碰撞、搖擺和傾斜等。
- 氣候環境：主要包括高低溫度、濕度、降水、輻射等。
- 化學環境：包括油和腐蝕等化學作用物質、機械作用微粒等。

4）動力因素

影響產品性能的動力因素為：

- 電源：電源電壓、頻率的變化、電流的波動等。
- 流體源（包括氣源和液體源）：壓力、流量變化等。

### 可靠性評價指標

可靠性評價指標是對可靠性量化的尺度，是進行可靠性分析的依據。1

數控系統常用的可靠性指標有：

可靠度（R（t））、失效率（故障率λ（t））、平均故障間隔時間、平均維修時間，它們一般都是時間的函數。

- 可靠度：數控系統在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的機率
- 失效率：產品工作到某一時刻t，單位時間內失效數與尚存的有效產品數的比稱為失效率，失效率的單位是1/h，也可以表示為「菲特」或Fit（是Failure Unit的縮寫）
- 平均故障間隔：單位為「小時」。表示相鄰兩次故障之間的平均工作時間。它反映了產品的時間品質，是體現產品在規定時間內保持功能的一種能力。數控系統屬可修復產品，所以用MTBF來評定，其方法是：從產品中隨機抽取個樣品，通過試驗室或現場試驗，記錄各樣品發生故障的次數及相關發生的時間，然後按下式進行計算：

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

式中：n—樣品數,ti—使用期內第台數控系統實際工作時間,ri—使用期內第台數控系統出現的故障次數

- 平均修復時間：記為MTTR，是描述產品由故障狀態轉為工作狀態時修理時間的分佈，它衡量產品的維修性。

運算式：$MTTR=\frac{\sum_{i=1}^n t[ri]}{\sum_{i=1}^n r[i]}$ 式中：tri—使用期內第台受試產品出現故障後修復時間ri—使用期內第台受試產品出現故障的次數

### 提高可靠性的措施

必須在系統生命週期的各個階段都採取措施：

- 數控系統的設計階段：通過設計奠定系統的可靠性基礎，在設計階段必須研究如何預測和頂防各種可能發生的故障和隱患，以及確保系統產品可維修性的措施。
- 數控系統樣機試製：研究在有限的樣品、時間和使用費用下，通過試驗測定和驗證，找出產品薄弱環節，提出改進措施。
- 數控系統生產；研究生產過程中系統缺陷的處理和早期故障的排除，通過各種控制措施，保證可靠性設計目標的實現。
- 數控系統使用：研究系統在運行過程中的可靠性監控、診斷、預測，以及採用的售後服務和維修策略，防止系統可靠性劣化。
- 數控系統的可靠性管理。研究可靠性目標的實施計畫和資料回饋系統，組織實施以較少的費用、時間實現系統的可靠性目標。

## 參考文獻

- Glossary of Lancaster Product Development Unit