原創：中科院物理所

計算機數控機床（computer numerical control machine，CNC）是一種材料加工工具，可以將整塊的原材料切割成零件所需的形狀。數控機床使用軟件控制磨床、車床、銑床等復雜機械的運動，使用這些機械來切削材料。

數控機床是工業生產中不可或缺的工具。它們由計算機控制，加工精度和準確性遠高于手動操作 | 里德·艾佛利/SHUTTERSTOCK

(資料圖片僅供參考)

這些計算機輔助制造技術可以實現許多復雜而精確的數控加工任務，為汽車、國防和航空航天工業制造標準配件和專門設計的零件。

盡管3D打印和其他增材制造工藝在現代柔性器件生產中占主要位置，但大多數日常用品仍然是高度自動化減材加工技術的產物。

塑料水瓶的模具由數控凹模技術制成；汽車的獨立驅動系統組件都被數控機床銑削到精確的尺寸，以便于所有的齒輪都能緊密嚙合，實現最佳的機械性能。

“很有可能，你在日常生活中接觸的所有東西都被機床加工過，”田納西大學諾克斯維爾分校工程學教授托尼·施密茨（Tony Schmitz）說。“如果你坐過飛機——例如波音747——上面有上百萬個由機床加工的零件，它們被組裝起來，然后飛機才能飛得起來。”

數控機床如何工作？

數控銑床用于銑削柜門 | 斯坦尼斯拉夫·拉扎列夫/SHUTTERSTOCK

數控機床與由它們加工的眾多產品一樣具有多功能性和動態性。但是，大多數數控機械由下面兩種邏輯控制：開環或閉環系統。

在開環數控系統中，操作員將為當前任務開發計算機數控程序，并使用計算機輔助設計（CAD）軟件生成g代碼或工作文件。然后，計算機將正確的步驟傳遞給控制器及其連接的伺服電機。

這些電機沿著至少兩個軸（X 和 Y）操縱切削工具，如車刀或磨具，但是高端數控機床可以通過圍繞更多的幾個額外的軸移動刀頭和其他配件來提高精度、實現更多功能。

閉環數控機床系統向顯示器提供反饋數據，以解決數控機器在原材料周圍移動切削時不一致的問題。這種電機-顯示器通信使閉環系統實時改變車床和其他數控機床的速度、位置和進給速度。

數控機床的5個主要功能

下面是數控機械一些最常見的工業應用：

1. 切割

數控機床可以精確高效地切割原材料，它們可以應用兩種最先進的切割技術：電火花成型加工（sinker EDM）和電火花線切割（wire EDM）。

電火花成型加工機利用的是兩個電極之間相互作用產生的熱侵蝕，其中一個電極是與工具接觸的銅或石墨電極，另一個連接著浸沒有材料的介電液體。（通過放電產生的局部瞬間高溫使工件表面的金屬融化，產生一個小凹坑。通過不斷移動放電位置將工件加工成所需的形狀。）令人驚訝的是，刀具和工件在生產過程中從未直接接觸過。電火花線切割以相同的方式工作，只是它使用焊絲作為精確切割的工具。

2. 鉆孔

數控機床可以精確地打孔，它使用旋轉切削工具（通常是鉆頭或高速水射流）在固定工件上鉆出圓孔。這些孔通常用來裝配螺釘。

數控機床使用旋轉切削工具在木材等工件上鉆出圓孔，這些孔通常是螺釘孔|IL21/SHUTTERSTOCK

3. 磨削

數控機床通常配備砂輪，可產生幾乎完全光滑的表面。這種減材研磨技術的精度大大超過了任何增材制造工藝，可以將缺陷公差減少到人類頭發絲寬度的1/10。

4. 銑削

數控銑床與普通銑床和其他手動銑床類似，使用車床、水射流或車削工具從原料上去除多余的材料。數控銑床可以沿多個軸移動，因此操作人員能夠以絕對的精度執行水平、垂直、傾斜和面銑任務。由于操作工人不必多次調整和重新固定原料，因此這些多角度的切削功能提高了制造復雜木材、金屬和塑料零件的效率。

5. 車削

這種數控機床工藝的工作方式類似于銑削；但是，它不是將原料固定在機床座上，而是連接到高速旋轉的車削機構。然后，工人使用車床或具有類似附件的數控機床去除少量材料，直到將原料毛坯制成零件所需的形狀。

什么是計算機輔助制造軟件？

CAM 和 CAD 軟件都是數控加工的重要組成部分 | 維基百科

計算機輔助制造（CAM）軟件是數控加工過程的重要組成部分。它是所有計算機輔助加工操作的中介和解釋器，因為它控制加工過程中每個階段的人工和機械的輸入和輸出。

例如，設計師在計算機輔助設計（CAD）軟件中創建項目的3D模型，并將文件傳輸到CAM軟件中。然后，CAM軟件將解釋模型并生成 m 代碼或 g 代碼，將項目的加工要求轉換為數控編程語言。數控機床在工作時，會將數據發回CAM軟件，并顯示可能影響產品加工結果的所有因素。

數控機床簡史

數控加工可以追溯到19世紀中葉工業革命期間的技術進步，當時制造工廠開始使用基于凸輪的車床和銑削的工具，用它們來大規模生產槍支、工廠設備和日常用品。到 20世紀40 年代和 50 年代，以 m 代碼穿孔卡形式進行的原始數控加工開始在特定任務中取代人工手動控制，開始自動化制造。

隨著數字計算機和計算機軟件在 20世紀70年代和 80 年代的進步，更多的制造工具可以自動化控制，從而提高生產速度和整體效率。

在 21 世紀的今天，CAM 和 CAD 軟件以及尖端的數控機床為小工廠提供了一種經濟高效的手段來制造大量復雜零件。隨著機器學習和人工智能的不斷發展，制造業可能會繼續優化流程、提高自動化水平。

未來的數控加工會是什么樣子？

目前，熟悉數控編程的合格技術工人十分緊缺 | 克澤農/SHUTTERSTOCK

在我們剛剛進入“人工智能革命”時，很容易幻想一個由機器人完成所有工作的未來世界，然而，加工專業人士和工程學者都明白，數控加工需要熟練的工人來確保一切正常。

“它（計算機數控加工）是一種基礎能力，不會很快消失，” 施密茨說。相反，他認為增材制造和減材制造實際上是相輔相成的，以至于“混合制造”將成為未來的主流數控加工工藝。

施密茨還表示，這種混合制造將“首先用增材制造加工出初步的零件母體，然后使用有限的減材加工來產生光滑的表面，這是增材制造無法實現的。”

然而，數控加工在未來面臨的最大障礙之一是，目前熟悉數控編程的合格技術工人短缺。隨著資深數控專業人員退休，很少有人進入這一行業接替他們的位置，這種短缺只會加劇。

“雖然從歷史上看，加工一直被認為是一門手藝——匠人需要多年的培訓和實踐經驗才能創造出他們想要的零件——但我相信我們會從這種狀態轉向更加自動化的加工環境，”施密茨說。“未來仍然會有手工加工的需求，但它們將與20世紀40年代和50年代數控加工技術開始時的情況大不相同。”

作者：Mitch Ryan

翻譯：藏癡

審校：掃地僧

原文鏈接：What Is CNC Machining?