数值控制

典型数控机床外觀，加工區域位於機台體內

CNC車床

數控工具機是指可以透過事先編輯的精確指令進行自動加工的工具機。目前大多數的數控工具機為電腦數值控制工具機（CNC），由電腦扮演整合控制的角色。

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（CAD）及電腦輔助製造（CAM）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。

将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。

历史发展

NC與CNC之歷史

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NC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APT（Automatic Programming tools）。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（CNC）。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。

2012年，日本以90亿欧元的成绩继续保持机床出口冠军位置，德国机床以81亿欧元，位居第二。第三、第四和第五分别为意大利，台湾和瑞士。中国位于韩国和美国之后，名列第八，出口额15亿欧元。

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。

日本的CNC發展

日本在世界CNC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（电液伺服马达）與代數演算方式脈衝補間（插补）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（ATC装置）。

1975年開始，Fanuc（中译：发那科，由富士通公司NC部門獨立）公司量產銷售的CNC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。

中華人民共和國大陸的CNC發展

中华人民共和国大陆CNC发展开始自1958年。1958年2月第一台数控机床在沈阳第一机床厂试制成功。这是一台2轴的车床，由程序配电器控制，由哈尔滨工业大学研制。同年9月第一台真正意义上的数控铣床由清华大学和铣床研究所合作研发完成并在北京第一机床厂试制成功。

2009年武重集团三台数控超重型机床（XK2645型数控龙门移动镗铣床、FB260型数控落地铣镗床和CKX5280型数控双柱立式铣车床）出口英国。

中华人民共和国大陆目前为世界最大机床生产国，2012年产值为147亿欧元，占全球产值的22%，然而中國的數位控制器並沒有具競爭力的品牌，中國國內工具機廠商及科研單位幾乎全面使用德國、日本及台灣的數位控制器。

中華民國臺灣的CNC發展

臺灣的CNC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。碩誠公司、新訊公司、工研院等機構則成功研製出臺灣自製各種數值控制器。

至2001年為止，臺灣已能跟進「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，臺灣PC Based控制器廠商，已有代表性的三家廠商，捷準、寶元數控、與新代，臺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，研華寶元已經成為亞太地區第一的華人數位控制器品牌，除了經營中華人民共和國大陸及中華民國臺灣市場外，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MIT建造的原始型號差別不大，銑床一般包含一個在X、Y方向上移動的工作台和一個在Z方向上移動的主軸，加工使用的刀具固定在主軸上，工作台和主軸經由馬達驅動以移動刀具的位置。

数值控制

主条目：數值控制

加工流程

1. CAD：Computer Aided Design，即计算机辅助设计。2D或3D的工件或立體圖設計
2. CAM：Computer Aided Manufacture，即计算机辅助制造。使用CAM軟體生成G-Code
3. CNC：Computerized Numerical Control，数控机床控制器，讀入G-Code開始加工

加工程式

CNC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CNC碼，寫好的CNC程式則可用模擬軟體來模擬刀具路徑的正確性。

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系统指令

G代码（数车指令）：

G00-快速进给

G01-直线切削

G02-顺时针圆弧切削

G03-逆时针圆弧切削

G04-暂停

G20-英制输入

G21-公制输入

G32-螺纹加工

G40-取消刀尖半径补正

G41-刀尖半径左补正

G42-刀尖半径右补正

G50-设置工件座標系或主轴最高转速

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-设定圆周线速度

G97-設定主軸轉速

G98-分进给方式（mm/min）

G99-转进给方式（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(Machine reference point)：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(Reference points)：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，作為工作台及主軸的回歸點。
• 工作參考點(Work reference points)：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，一般被設定於工作台上（工作上）任一位置。
• 程式參考點(Program reference points)：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。

座标系設定

座标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。

機床數控系統可靠性

可靠性定義

數控系統是機床的大腦，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，是用戶關注的焦點。

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(MTBF)、平均維修時間(MTTR)，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，完成規定功能的概率

• 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）

• 平均故障間隔時間：記為MTBF(Mean Time Between Failures)，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，t[i]—使用期內第台數控系統實際工作時間，r[i]—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：t[ri]—使用期內第台受試產品出現故障後修復時間
r[i]—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。

参见

• Binary Cutter Location
• Computer-aided technologies
  • 计算机辅助工程（CAE）
• 三次元量床（CMM）
• Direct numerical control（DNC）
• Design for Manufacturability for CNC machining
• Domotics
• Gerber
• Multiaxis machining
• EIA RS-274
• EIA RS-494
• G-code
• Part program
• 機器人學
• Wireless DNC

参考文献

• Glossary of Lancaster Product Development Unit