數控技術在機械加工技術中的應用探析

張志朋，馬春龍

（1.哈爾濱職業技術學院；2.哈爾濱職業技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

數控技術是指利用現代化計算機信息技術和傳統機械技術，將兩者以特定方式進行融合的生產方式，實現機械設備制造、加工、生產環節的自動化、智能化。當前，隨著以互聯網云計算大數據為代表的現代信息技術在各個領域的進一步推行，切實提升了生產效率和生產質量，并助推了行業的升級轉型。現代化數控技術依托計算機技術、智能自動技術、精密生產技術和傳統機械技術，通過對數控技術進行合理的應用，能夠確保機械設備的總體生產環節得到嚴密的把控，確保生產出來的機械設備質量、穩定性，大大提升了機械設備的生產效率和生產質量，同時數控技術的深度應用，還能夠保障機械生產的安全性、穩定性與可靠性，設備的精準度會得到大幅度的提升，并且能夠引導傳統的機械生產向著智能化自動化方向轉變，促進機械加工行業的整體革新和升級轉型。

1 數控技術與機械加工技術

1.1 數控技術的概念界定

數控技術（Numerical Control Technology）是一種利用計算機控制數值化指令來執行機械加工、制造和自動化生產過程的技術。它主要通過將設計圖紙或模型中的幾何形狀、加工參數等信息轉化為數值指令，由計算機控制機床、工具和傳感器等裝置的運動和操作，實現精確和高效的加工制造。數控技術的基本原理是利用數字信號控制運動系統，將數字指令傳輸給伺服控制系統，通過編程和算法控制機械運動，從而實現所需產品的精確加工。數控技術廣泛應用于金屬加工、木工加工、塑料加工等領域，如車床、銑床、鏜床、鉆床、激光切割機等設備都可以采用數控技術。

1.2 數控技術的核心特征

1.2.1 加工效率高

數控技術采用計算機控制系統，可以實現自動化加工操作，減少人工干預，提高生產效率。數控機床通過精確的編程和控制，能夠獲得非常高的加工精度，并且能夠重復執行相同的操作，保證產品質量的一致性。可以同時處理多個加工任務，提高生產效率。通過優化程序和工藝，可以在同一臺機床上完成多種復雜的加工操作，節約時間和資源。數控機床具有快速換刀和換工件的功能，可以實現不同類型的加工操作，節約了換刀和調整時間，提高了生產效率。另外，數控機床可以實時監測加工過程中的各項參數，并根據監測結果進行調整和優化，提高加工效率和產品質量。

1.2.2 靈活性強

數控技術的靈活性強是指其在加工過程中可以根據需要進行快速的調整和變換，以適應多樣化的生產需求。數控技術可以通過編寫、修改和調整加工程序來實現不同形狀和尺寸產品的加工。加工程序可以根據具體需求進行靈活變換，包括加工路徑、加工參數、切削速度等。數控系統通過自動化的控制和調整，可以根據加工要求實時改變加工過程中的參數和動作。例如，通過調整切削深度、進給速率等參數，可以快速適應不同材料和加工要求。數控機床通常具備多軸控制功能，可以同時控制多個軸向運動。這使得不僅可以對平面加工進行精確控制，還可以實現立體、曲面和復雜形狀的加工，增加了加工的靈活性和多樣性。數控機床開始配備了刀庫和快速換刀系統，能夠快速、準確地更換工具，以適應不同的加工任務和工件要求。自動換刀系統可通過預設程序自動選取和更換適當的刀具。加工程序通常是通過CAD/CAM 軟件生成的。這種基于計算機輔助設計與制造的集成軟件可以根據設計圖紙或3D 模型快速生成加工程序，實現靈活、高效的產品加工。數控系統可以通過傳感器和反饋裝置對加工過程進行在線監測和調整。例如，通過測量切削力、溫度、加工表面質量等參數，實時調整切削參數和工藝，以確保加工質量和穩定性。

1.3 數控技術在機械加工技術中應用的必要性

數控技術在機械加工技術中應用具有重要的必要性，主要體現在以下幾個方面：首先，提高生產效率。數控技術可以實現自動化、快速和精確的機械加工過程，相比傳統的手工或半自動加工，大大提高了生產效率。數控機床能夠根據預設的程序和參數進行連續、高速的加工，減少了人工操作所需的時間和勞動力成本。其次，精確度和穩定性。數控機床使用數字指令進行控制，能夠實現高精度、反復可靠的加工。通過精確控制運動軸向、切削參數等，可以保證產品的尺寸精度、形狀一致性以及表面質量的穩定性。這對于需要高精度和高一致性的工件加工至關重要，尤其是在航空航天、汽車制造、精密儀器等領域。再次，多樣化和靈活性。數控技術可以根據不同加工需求，通過修改程序和參數來適應多樣化的生產要求。無論是簡單產品還是復雜零部件，都可以通過更換工具、調整加工路徑等方式進行靈活加工。這種靈活性使得生產工藝更具適應性和變通性，更容易應對市場需求的變化。最后，降低人為差錯。傳統機械加工過程中，由于人為操作的差異和錯誤，常常會導致產品尺寸不符合要求、表面質量差等問題。而數控技術通過編程控制機床的運動和操作，減少了人為因素對加工過程的干擾，從而降低了由于人為差錯造成的問題，提高了加工的準確性和一致性。

2 數控技術在機械加工技術中的具體應用

2.1 數控技術在機床加工方面的應用

在機床加工中，使用計算機輔助設計（CAD）軟件和計算機輔助制造（CAM）軟件，將產品的設計圖紙或三維模型轉化為數控機床的加工程序。CAD 軟件可用于產品設計、繪制幾何形狀和生成加工路徑等，而CAM 軟件可以根據CAD 數據生成數控機床所需要的G 代碼。通過編寫數控程序，將產品的幾何形狀和加工參數轉化為機床能夠理解和執行的指令。編程方式可以采用手動編程（直接編寫代碼）、自動編程（由CAD/CAM 軟件自動生成）或是圖形化編程（通過拖拉、設置參數等進行編程）。編程語言可以是G 代碼、M 代碼等。數控機床的控制系統是實現數控技術的關鍵。它包括硬件部分（如伺服電機、編碼器、傳感器等）和軟件部分（如運動控制算法、插補算法等），用于精確控制機床的各個軸向運動、刀具進給和其他操作。數控技術需要配備相應的機床設備，如數控車床、數控銑床、數控磨床等。這些設備應具備高精度、穩定性好、剛性強等特點，以滿足不同加工需求和要求。將加工程序從CAD/CAM 軟件傳輸到數控機床需要采用適當的數據傳輸方式，如USB、以太網、RS-232 等。另外，對于大批量或連續加工的場景，可以使用工藝庫存儲和管理加工程序，以提高生產效率。數控技術可以通過傳感器和監測裝置實時監控加工過程中的切削力、溫度、振動等參數，以及工件表面質量。通過數據反饋，能夠實時調整刀具進給速度、修正偏差以保證加工的精度和質量。

2.2 數控技術在高精度機械加工技術中的應用

在高精度機械加工技術中，要選擇高剛性、高穩定性的數控機床設備，以滿足高精度加工的需求。例如，采用剛性好、振動小的龍門銑床或精密平面磨床等。對數控機床進行準確定位誤差、直線度、圓度、角度等方面的校準，并進行驗證和檢驗，以確保機床運動精度和穩定性。同時，定期維護和保養機床設備。通過調整切削速度、切削深度、進給速率等加工參數，使其適應高精度加工的要求。優化切削參數可以提高加工精度，并減少由于切割力引起的振動和變形。選擇適當的刀具材料和幾何形狀，以利于實現高精度的切削和表面質量。實施刀具管理，包括刀具定期更換、刀具磨削、刀具測量等，以保持刀具的精準度和穩定性。采取溫度控制措施，包括機床環境溫度控制、冷卻系統設計等，以減少熱變形對加工精度的影響。同時，可以使用溫度補償方法來校正由于溫度變化引起的誤差。通過CAD/CAM軟件生成的加工路徑進行優化，減少切削干涉和夾持力的影響，以實現更高的加工精度。優化加工路徑可以避免重復切削、減少加工次數和時間，提高加工效率和質量。結合傳感器和監測裝置，實時監測和反饋加工過程中的切削力、振動、表面質量等參數。通過數據分析，可以調整加工參數和補償，以實現高精度加工的要求。

2.3 數控技術在復合機械加工中的應用

在復合機械加工中，數控技術的具體應用主要是通過數控編程和控制系統，實現多軸聯動操作。例如，同時控制旋轉、升降、進給等軸向運動，以實現復雜的曲線加工、螺紋加工等。采用自動刀庫和切換裝置，實現在同一臺機床上進行不同形式的切削加工。刀具切換系統可以根據加工需求自動更換不同類型的刀具，提高生產效率和靈活性。配備多種功能的工作臺，如旋轉平臺、傾斜工作臺等，可實現多角度、多方向的加工操作。通過數控編程和控制系統，可實現工作臺的各種復雜運動和定位。在復合機械加工中，還需要進行多個工序的加工操作。通過數控技術，可以實現自動化的工序切換、程序切換和參數調整，以提高加工效率和精度。并要保證多個工具同時參與加工過程，需要實現協調、同步運動和切削。通過數控編程和控制系統，可以實現復合加工的協同控制，確保各個工具的精確位置和運動。復合機械加工常涉及多個輪廓表面的加工，例如，模具加工、曲面零件加工等。通過數控軟件和編程，提供多輪廓表面加工的路徑規劃、插補算法等功能，以實現復雜輪廓的高精度加工。此外，在復合機械加工過程中，可以通過傳感器和檢測裝置實時監測加工過程中的參數和表面質量。通過數據反饋和控制系統修正，可以實現加工過程的實時調整和補償，以提高加工精度和一致性。

3 數控技術在機械加工技術中應用的發展趨勢

數控技術在機械加工技術中的發展趨勢是高速高效、智能化制造、高精度高穩定性、多軸聯動和復雜加工、柔性制造和定制化生產、聯網與云端技術以及環境友好和節能減排。這些趨勢將不斷推動數控技術在機械制造領域的應用和創新。

3.1 高速、高效、高精度

隨著電子元器件和傳感器技術的進步，數控機床的驅動系統和控制算法能夠更快速地實現運動控制和切削操作。高速加工可以提高生產效率，并減少加工時間。制造業對產品精度和表面質量的要求越來越高，數控技術在加工精度和穩定性方面將繼續改進。例如，采用更精密的傳感器、控制算法和校準方法，以實現更高的加工精度和更低的誤差。

3.2 智能化

數控技術與人工智能、大數據分析等技術相結合，可以實現機械加工的智能化制造。通過智能化的監測和自動化的反饋系統，實現加工過程的實時監控、優化和調整。數控機床將與互聯網和云計算技術結合，實現對設備狀態、加工過程和生產數據的實時監測、分析和遠程控制。利用云端技術，可以實現設備的遠程維護和升級，提高設備的可靠性和利用率。

4 結語

綜上所述，數控技術在加工機械方面的應用能夠顯著提高機械制造企業的整體生產效率和經營效率，同時，在社會層面也能夠形成創新、革新和現代化轉型發展的良好風氣。我們始終相信，在今后的機械加工過程中，隨著專業技術人員和相關機構的不斷努力，數控技術將會進一步發揮其應有的加工效率，并進一步助推機械加工技術的智能化和自動化發展，確保生產出來的設備更加精確、更加高效，最終支持相關行業的發展和社會的進步。