原創(chuàng)：中科院物理所
計算機數(shù)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(shù)控機床使用軟件控制磨床、車床、銑床等復(fù)雜機械的運動，使用這些機械來切削材料。
數(shù)控機床是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的工具。它們由計算機控制，加工精度和準(zhǔn)確性遠(yuǎn)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(shù)可以實現(xiàn)許多復(fù)雜而精確的數(shù)控加工任務(wù)，為汽車、國防和航空航天工業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)配件和專門設(shè)計的零件。
盡管3D打印和其他增材制造工藝在現(xiàn)代柔性器件生產(chǎn)中占主要位置，但大多數(shù)日常用品仍然是高度自動化減材加工技術(shù)的產(chǎn)物。
塑料水瓶的模具由數(shù)控凹模技術(shù)制成；汽車的獨立驅(qū)動系統(tǒng)組件都被數(shù)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(xiàn)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(xué)諾克斯維爾分校工程學(xué)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(shù)控機床如何工作？
數(shù)控銑床用于銑削柜門 | 斯坦尼斯拉夫·拉扎列夫/SHUTTERSTOCK
數(shù)控機床與由它們加工的眾多產(chǎn)品一樣具有多功能性和動態(tài)性。但是，大多數(shù)數(shù)控機械由下面兩種邏輯控制：開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。
在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，操作員將為當(dāng)前任務(wù)開發(fā)計算機數(shù)控程序，并使用計算機輔助設(shè)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(shù)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(xiàn)更多功能。
閉環(huán)數(shù)控機床系統(tǒng)向顯示器提供反饋數(shù)據(jù)，以解決數(shù)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(huán)系統(tǒng)實時改變車床和其他數(shù)控機床的速度、位置和進(jìn)給速度。
數(shù)控機床的5個主要功能
下面是數(shù)控機械一些最常見的工業(yè)應(yīng)用：
1. 切割
數(shù)控機床可以精確高效地切割原材料，它們可以應(yīng)用兩種最先進(jìn)的切割技術(shù)：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(chǎn)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(chǎn)生的局部瞬間高溫使工件表面的金屬融化，產(chǎn)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(chǎn)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(shù)控機床可以精確地打孔，它使用旋轉(zhuǎn)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(shù)控機床使用旋轉(zhuǎn)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(shù)控機床通常配備砂輪，可產(chǎn)生幾乎完全光滑的表面。這種減材研磨技術(shù)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(fā)絲寬度的1/10。
4. 銑削
數(shù)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(shù)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(zhí)行水平、垂直、傾斜和面銑任務(wù)。由于操作工人不必多次調(diào)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(fù)雜木材、金屬和塑料零件的效率。
5. 車削
這種數(shù)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(zhuǎn)的車削機構(gòu)。然后，工人使用車床或具有類似附件的數(shù)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(shù)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(shù)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(shè)計師在計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件中創(chuàng)建項目的3D模型，并將文件傳輸?shù)紺AM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(zhuǎn)換為數(shù)控編程語言。數(shù)控機床在工作時，會將數(shù)據(jù)發(fā)回CAM軟件，并顯示可能影響產(chǎn)品加工結(jié)果的所有因素。
數(shù)控機床簡史
數(shù)控加工可以追溯到19世紀(jì)中葉工業(yè)革命期間的技術(shù)進(jìn)步，當(dāng)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(guī)模生產(chǎn)槍支、工廠設(shè)備和日常用品。到 20世紀(jì)40 年代和 50 年代，以 m 代碼穿孔卡形式進(jìn)行的原始數(shù)控加工開始在特定任務(wù)中取代人工手動控制，開始自動化制造。
隨著數(shù)字計算機和計算機軟件在 20世紀(jì)70年代和 80 年代的進(jìn)步，更多的制造工具可以自動化控制，從而提高生產(chǎn)速度和整體效率。
在 21 世紀(jì)的今天，CAM 和 CAD 軟件以及尖端的數(shù)控機床為小工廠提供了一種經(jīng)濟高效的手段來制造大量復(fù)雜零件。隨著機器學(xué)習(xí)和人工智能的不斷發(fā)展，制造業(yè)可能會繼續(xù)優(yōu)化流程、提高自動化水平。
未來的數(shù)控加工會是什么樣子？
目前，熟悉數(shù)控編程的合格技術(shù)工人十分緊缺 | 克澤農(nóng)/SHUTTERSTOCK
在我們剛剛進(jìn)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(yè)人士和工程學(xué)者都明白，數(shù)控加工需要熟練的工人來確保一切正常。
“它（計算機數(shù)控加工）是一種基礎(chǔ)能力，不會很快消失，” 施密茨說。相反，他認(rèn)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(shù)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(chǎn)生光滑的表面，這是增材制造無法實現(xiàn)的。”
然而，數(shù)控加工在未來面臨的最大障礙之一是，目前熟悉數(shù)控編程的合格技術(shù)工人短缺。隨著資深數(shù)控專業(yè)人員退休，很少有人進(jìn)入這一行業(yè)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(rèn)為是一門手藝——匠人需要多年的培訓(xùn)和實踐經(jīng)驗才能創(chuàng)造出他們想要的零件——但我相信我們會從這種狀態(tài)轉(zhuǎn)向更加自動化的加工環(huán)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(jì)40年代和50年代數(shù)控加工技術(shù)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?
