什么是计算机数控机床

原文标题：《学数控，哪家强？中国…… 中二所这篇文章！》

计算机数控机床（computer numerical control machine，CNC）是一种材料加工工具，可以将整块的原材料切割成零件所需的形状。数控机床使用软件控制磨床、车床、铣床等复杂机械的运动，使用这些机械来切削材料。

这些计算机辅助制造技术可以实现许多复杂而精确的数控加工任务，为汽车、国防和航空航天工业制造标准配件和专门设计的零件。

尽管 3D 打印和其他增材制造工艺在现代柔性器件生产中占主要位置，但大多数日常用品仍然是高度自动化减材加工技术的产物。

塑料水瓶的模具由数控凹模技术制成；汽车的独立驱动系统组件都被数控机床铣削到精确的尺寸，以便于所有的齿轮都能紧密啮合，实现最佳的机械性能。

“很有可能，你在日常生活中接触的所有东西都被机床加工过，”田纳西大学诺克斯维尔分校工程学教授托尼・施密茨（Tony Schmitz）说。“如果你坐过飞机 —— 例如波音 747—— 上面有上百万个由机床加工的零件，它们被组装起来，然后飞机才能飞得起来。”

数控机床如何工作？

数控机床与由它们加工的众多产品一样具有多功能性和动态性。但是，大多数数控机械由下面两种逻辑控制：开环或闭环系统。

在开环数控系统中，操作员将为当前任务开发计算机数控程序，并使用计算机辅助设计（CAD）软件生成 g 代码或工作文件。然后，计算机将正确的步骤传递给控制器及其连接的伺服电机。

这些电机沿着至少两个轴（X 和 Y）操纵切削工具，如车刀或磨具，但是高端数控机床可以通过围绕更多的几个额外的轴移动刀头和其他配件来提高精度、实现更多功能。

闭环数控机床系统向显示器提供反馈数据，以解决数控机器在原材料周围移动切削时不一致的问题。这种电机-显示器通信使闭环系统实时改变车床和其他数控机床的速度、位置和进给速度。

数控机床的 5 个主要功能

下面是数控机械一些最常见的工业应用：

1. 切割

数控机床可以精确高效地切割原材料，它们可以应用两种最先进的切割技术：电火花成型加工（sinker EDM）和电火花线切割（wire EDM）。

电火花成型加工机利用的是两个电极之间相互作用产生的热侵蚀，其中一个电极是与工具接触的铜或石墨电极，另一个连接着浸没有材料的介电液体。（通过放电产生的局部瞬间高温使工件表面的金属融化，产生一个小凹坑。通过不断移动放电位置将工件加工成所需的形状。）令人惊讶的是，刀具和工件在生产过程中从未直接接触过。电火花线切割以相同的方式工作，只是它使用焊丝作为精确切割的工具。

2. 钻孔

数控机床可以精确地打孔，它使用旋转切削工具（通常是钻头或高速水射流）在固定工件上钻出圆孔。这些孔通常用来装配螺钉。

3. 磨削

数控机床通常配备砂轮，可产生几乎完全光滑的表面。这种减材研磨技术的精度大大超过了任何增材制造工艺，可以将缺陷公差减少到人类头发丝宽度的 1/10。

4. 铣削

数控铣床与普通铣床和其他手动铣床类似，使用车床、水射流或车削工具从原料上去除多余的材料。数控铣床可以沿多个轴移动，因此操作人员能够以绝对的精度执行水平、垂直、倾斜和面铣任务。由于操作工人不必多次调整和重新固定原料，因此这些多角度的切削功能提高了制造复杂木材、金属和塑料零件的效率。

5. 车削

这种数控机床工艺的工作方式类似于铣削；但是，它不是将原料固定在机床座上，而是连接到高速旋转的车削机构。然后，工人使用车床或具有类似附件的数控机床去除少量材料，直到将原料毛坯制成零件所需的形状。

什么是计算机辅助制造软件？

计算机辅助制造（CAM）软件是数控加工过程的重要组成部分。它是所有计算机辅助加工操作的中介和解释器，因为它控制加工过程中每个阶段的人工和机械的输入和输出。

例如，设计师在计算机辅助设计（CAD）软件中创建项目的 3D 模型，并将文件传输到 CAM 软件中。然后，CAM 软件将解释模型并生成 m 代码或 g 代码，将项目的加工要求转换为数控编程语言。数控机床在工作时，会将数据发回 CAM 软件，并显示可能影响产品加工结果的所有因素。

数控机床简史

数控加工可以追溯到 19 世纪中叶工业革命期间的技术进步，当时制造工厂开始使用基于凸轮的车床和铣削的工具，用它们来大规模生产枪支、工厂设备和日常用品。到 20 世纪 40 年代和 50 年代，以 m 代码穿孔卡形式进行的原始数控加工开始在特定任务中取代人工手动控制，开始自动化制造。

随着数字计算机和计算机软件在 20 世纪 70 年代和 80 年代的进步，更多的制造工具可以自动化控制，从而提高生产速度和整体效率。

在 21 世纪的今天，CAM 和 CAD 软件以及尖端的数控机床为小工厂提供了一种经济高效的手段来制造大量复杂零件。随着机器学习和人工智能的不断发展，制造业可能会继续优化流程、提高自动化水平。

未来的数控加工会是什么样子？

在我们刚刚进入“人工智能革命”时，很容易幻想一个由机器人完成所有工作的未来世界，然而，加工专业人士和工程学者都明白，数控加工需要熟练的工人来确保一切正常。

“它（计算机数控加工）是一种基础能力，不会很快消失，” 施密茨说。相反，他认为增材制造和减材制造实际上是相辅相成的，以至于“混合制造”将成为未来的主流数控加工工艺。

施密茨还表示，这种混合制造将“首先用增材制造加工出初步的零件母体，然后使用有限的减材加工来产生光滑的表面，这是增材制造无法实现的。”

然而，数控加工在未来面临的最大障碍之一是，目前熟悉数控编程的合格技术工人短缺。随着资深数控专业人员退休，很少有人进入这一行业接替他们的位置，这种短缺只会加剧。

“虽然从历史上看，加工一直被认为是一门手艺 —— 匠人需要多年的培训和实践经验才能创造出他们想要的零件 —— 但我相信我们会从这种状态转向更加自动化的加工环境，”施密茨说。“未来仍然会有手工加工的需求，但它们将与 20 世纪 40 年代和 50 年代数控加工技术开始时的情况大不相同。”

作者：Mitch Ryan

翻译：藏痴

审校：扫地僧

原文链接：What Is CNC Machining?

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Mitch Ryan

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