第1章概述
1.1 数控机床加工的基本概念
1.1.1 数控加工与传统加工的比较
首先，让我们来回顾一下在普通机床上加工零件的过程，机床操作者总是根据工序卡的要求，在加工过程根据零件要求，不断改变刀具与工件的相对运动轨迹和加工参数（位置，速度等）等操作，使刀具对工件进行切削加工，从而得到所需要的合格零件。
在CNC 机床上，传统加工过程中的人工操作均被数控系统的自动控制所取代。其工作过程如下：首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹、加工过程中主轴速度和进给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作，都按规定的代码和格式编成加工程序，然后将该程序送入数控系统。数控系统则按照程序的要求，先进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。传统加工与数控加工的比较如图1-1所示。
1.1.2 数控加工的特点
数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点。
（1）能适应不同零件的自动加工
数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行自动加工的，当改变加工零件时，只要改变数控程序，不必更换凸轮、靠模、样板或钻镗模等专用工艺装备。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。
（2）生产效率和加工精度高、加工质量稳定。
数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。还有自动变速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短。所以，比普通机床的生产效率高3～4倍甚至更高，对复杂型面零件的加工，其生产效率则可提高十几倍甚至几十倍。同时由于数控机床本身的精度较高，还可以利用软件进行精度补偿，又因为它是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，使加工质量稳定。
（3）功能复合程度高，一机多用。
数控机床，特别是自动换刀的数控机床，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工，一台数控机床可以代替数台普通机床。这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省机床的占地面积，带来较高的经济效益。
任何事物都有两重性。数控加工虽有上述各种优点，但也存在不足之处，如由于机床价格较高，维护修难度大，加工中的调整又相对复杂，使其单位加工成本较高。
1.1.3 数控加工的应用范围
数控加工的确具有普通机床加工所不具备的许多优点。而且它的应用范围还在不断扩大，但是在目前还不能完全取代普通机床，也就是说，它不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题。根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践，一般可按适应程度将零件分为下列三类：
（1）最适应类
有些零件在普通机床上无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件，此类零件为数控加工的最适应类零件，如：
①形状复杂，用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件，且加工精度要求高；
②具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件；
③必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。
（2）较适应类
这类零件在分析其可加工性以后，还要在提高生产率及经济效益方面作全面衡量，一般可把它们作为数控加工的主要选择对象：
①在普通机床上加工时极易受人为因素（如情绪波动、体力强弱、技术水平高低等）干扰，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大经济损失的零件；
②在普通机床上加工时必须制造复杂专用工艺装备的零件；
③需要多次更改设计后才能定型的零件；
④在普通机床上加工需要作长时间调整的零件；
⑤用普通机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。
（3）不适应类
下述一类零件采用数控加工后，在生产效率与经济性方面一般无明显改善，还可能弄巧成拙或得不偿失，故此类零件一般不应作为数控加工的选择对象：
① 生产批量大的零件（当然不排除其中个别工序用数控机床加工）；
② 装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；
③ 加工余量很不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的；
④ 必须用特定的工艺装备协调加工的零件。
在零件的数控加工适应性分析的基础上，就可以根据所拥有的数控机床来选择加工对象、或根据零件类型来考虑哪些应该先安排数控加工、或从技术改造角度考虑是否要投资添置数控机床。
1.2 数控编程技术的现状与发展趋势
1.2.1 数控编程技术发展历程
为了解决数控加工中的程序编制问题，50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT（Automatically Programmed Tool）。其后，APT几经发展，形成了诸如APTII、APTIII（立体切削用）、APT（算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能）、APT-AC（Advanced contouring）(增加切削数据库管理系统)和APT-/SS （Sculptured Surface）(增加雕塑曲面加工编程功能)等先进版。
采用APT语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素，APT仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。
针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC 加工一体化的系统，称为为CA TIA。随后很快出现了象EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD和CAM向一体化方向发展。到了80年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。目前，为了适应CIMS及CE发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展。
在集成化方面，以开发符合STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。
1.2.2 数控编程技术现状与趋势
数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控
加工程序。下面就刀具轨迹产生方法作一些介绍。
1.2.2.1 基于点、线、面和体的NC刀轨生成方法
CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。这种加工要求操作人员的水平较高，交互复杂。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。实体加工的加工对象是一个实体（一般为CSG和B-REP混合表示的），它由一些基本体素经集合运算（并、交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与开发，是特征加工的基础。实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。实体加工的实现方法为层切法（SLICE），即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为走刀轨迹。本文从系统需要角度出发，在ACIS几何造型平台上实现了这种基于点、线、面和实体的数控加工。
1.2.2.2 基于特征的NC刀轨生成方法
参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。特征加工使数控编程人员不在对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。
W.R.Mail和A.J.Mcleod在他们的研究中给出了一个基于特征的NC代码生成子系统，这个系统的工作原理是：零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行加工的总和。那么对整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成了零件的加工。而每一形状特征或形状特征组的NC代码可自动生成。目前开发的系统只适用于2.5D零件的加工。
Lee and Chang开发了一种用虚拟边界的方法自动产生凸自由曲面特征刀具轨迹的系统。这个系统的工作原理是：在凸自由曲面内嵌入一个最小的长方块，这样凸自由曲面特征就被转换成一个凹特征。最小的长方块与最终产品模型的合并就构成了被称为虚拟模型的一种间接产品模型。刀具轨迹的生成方法分成三步完成：（1）、切削多面体特征；（2）、切削自由曲面特征；（3）、切削相交特征。
Jong-Yun Jung研究了基于特征的非切削刀具轨迹生成问题。文章把基于特征的加工轨迹分成轮廓加工和内区域加工两类，并定义了这两类加工的切削方向，通过减少切削刀具轨迹达到整体优化刀具轨迹的目的。文章主要针对几种基本特征（孔、内凹、台阶、槽），讨论了这些基本特征的典型走刀路径、刀具选择和加工顺序等，并通过IP（Inter Programming）技术避免重复走刀，以优化非切削刀具轨迹。另外，Jong-Yun Jong还在他1991年的博士论文中研究了制造特征提取和基于特征的刀具及刀具路径。特征加工的基础
是实体加工，当然也可认为是更高级的实体加工。但特征加工不同于实体加工，实体加工有它自身的局限性。特征加工与实体加工主要有以下几点不同：
1. 从概念上讲，特征是组成零件的功能要素，符合工程技术人员的操作习惯，为工程技术人员所熟知；实体是低层的几何对象，是经过一系列布尔运算而得到的一个几何体，不带有任何功能语义信息；
2. 实体加工往往是对整个零件（实体）的一次性加工。但实际上一个零件不太可能仅用一把刀一次加工完，往往要经过粗加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不同的部位一般要用不同的刀具进行加工；有时一个零件既要用到车削，也要用到铣削。因此实体加工主要用于零件的粗加工及半精加工。而特征加工则从本质上解决了上述问题；
3. 特征加工具有更多的智能。对于特定的特征可规定某几种固定的加工方法，特别是那些已在STEP标准规定的特征更是如此。如果我们对所有的标准特征都制定了特定的加工方法，那么对那些由标准特征够成的零件的加工其方便性就可想而知了。倘若CAPP系统能提供相应的工艺特征，那么NCP系统就可以大大减少交互输入，具有更多的智能。而这些在实体加工中是无法实现的；
4. 特征加工有利于实现从CAD、CAPP、NCP及CNC系统的全面集成，实现信息的双向流动，为CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的。
1.2.3 现役几个主要CAD/CAM系统中的NC刀轨生成方法分析
1.2.3.1 现役CAM的构成及主要功能
目前比较成熟的CAM系统主要以两种形式实现CAD/CAM系统集成：一体化的CAD/CAM系统（如：UGII、Euclid、Pro/ENGINEER等）和相对独立的CAM系统（如：Mastercam、Surfcam等）。前者以内部统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几何模型，而后者主要通过中性文件从其它CAD系统获取产品几何模型。然而，无论是哪种形式的CAM系统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。下面仅就一些著名的CAD/CAM系统的NC加工方法进行讨论。
（1）UGII加工方法分析
一般认为UGII是业界中最好，最具代表性的数控软件。其最具特点的是其功能强大的刀具轨迹生成方法。包括车削、铣削、线切割等完善的加工方法。其中铣削主要有以下功能：
l Point to Point：完成各种孔加工；
l Panar Mill：平面铣削。包括单向行切，双向行切，环切以及轮廓加工等；
l Fixed Contour：固定多轴投影加工。用投影方法控制刀具在单张曲面上或多张曲面上的移动，控制刀具移动的可以是已生成的刀具轨迹，一系列点或一组曲线；
l V ariable Contour：可变轴投影加工；
l Parameter line：等参数线加工。可对单张曲面或多张曲面连续加工；
l Zig-Zag Surface：裁剪面加工；
l Rough to Depth：粗加工。将毛坯粗加工到指定深度；
l Cavity Mill：多级深度型腔加工。特别适用于凸模和凹模的粗加工；
l Sequential Surface：曲面交加工。按照零件面、导动面和检查面的思路对刀具的移动提供最大程度的控制。
EDS Unigraphics还包括大量的其它方面的功能，这里就不一一列举了。
（2）STRA TA加工方法分析
STRA TA是一个数控编程系统开发环境，它是建立在ACIS几何建模平台上的。
它为用户提供两种编程开发环境，即NC命令语言接口和NC操作C++类库。它可支持三轴铣削，车削和线切割NC加工，并可支持线框、曲面和实体几何建模。其NC刀具轨迹生成方法是基于实体模型。STRA TA基于实体的NC刀具轨迹生成类库提供的加工方法包括：
l Profile Toolpath：轮廓加工；
l AreaClear Toolpath：平面区域加工；
l SolidProfile Toolpath：实体轮廓加工；
l SolidAreaClear Toolpath：实体平面区域加工；
l SolidFace ToolPath：实体表面加工；
l SolidSlice ToolPath：实体截平面加工；
l Language-based Toolpath：基于语言的刀具轨迹生成。
其它的CAD/CAM软件，如Euclid, Cimitron, CV,CA TIA等的NC功能各有千秋，但其基本内容大同小异，没有本质区别。
1.2.3.2 现役CAM系统刀轨生成方法的主要问题
按照传统的CAD/CAM系统和CNC系统的工作方式，CAM系统以直接或间接（通过中性文件）的方式从CAD系统获取产品的几何数据模型。CAM系统以三维几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以NC代码的形式提供给CNC机床，在整个CAD /CAM及CNC系统的运行过程中存在以下几方面的问题：
1.CAM系统只能从CAD系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息。因此，整个CAM过程必须在经验丰富的制造工程师的参与下，通过图形交互来完成。如：制造工程师必须选择加工对象（点、线、面或实体）、约束条件（装夹、干涉和碰撞等）、刀具、加工参数（切削方向、切深、进给量、进给速度等）。整个系统的自动化程度较低。
2.在CAM系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息（直线和圆弧的几
何定位信息），以及少量的过程控制信息（如进给率、主轴转速、换刀等）。因此，下游的CNC系统既无法获取更高层的设计要求（如公差、表面光洁度等），也无法得到与生成刀具轨迹有关的加工工艺参数。CAM系统各个模块之间的产品数据不统一，各模块相对独立。例如刀具定位文件只记录刀具轨迹而不记录相应的加工工艺参数，三维动态仿真只记录刀具轨迹的干涉与碰撞，而不记录与其发生干涉和碰撞的加工对象及相关的加工工艺参数。
3.CAM系统是一个独立的系统。CAD系统与CAM系统之间没有统一的产品数据模型，即使是在一体化的集成CAD/CAM系统中，信息的共享也只是单向的和单一的。
4.CAM系统不能充分理解和利用CAD系统有关产品的全部信息，尤其是与加工有关的特征信息，同样CAD系统也无法获取CAM系统产生的加工数据信息。这就给并行工程的实施带来了困难。
1.3 CAD/CAM技术概述
1.3.1 概述
计算机辅助设计和计算机辅助制造的基本意思是指产品设计和制造技术人员在计算机系统的支持下，根据产品设计和制造流程进行设计和制造的一项技术，也是人类智慧与系统中的硬件和软件功能巧妙的结合。然而，如果用途不同，则CAD/CAM系统中的硬件和软件的配置与组织也是不一样的，这才能有效地用于某类工程或产品的设计与制造的全过程，即包括方案设计、总体设计与零件设计以及加工和装配。由于CAD/CAM技术还在不断发展，而且，不同领域对CAD/CAM技术的应用程度也有不同，所以，目前对CAD/CAM 技术的含义的理解也略有差异。可以预料，随着计算机技术的发展，CAD/CAM技术帮助技术人员完成查品设计和制造的范围将不断扩大和完善，对其含义的理解将会逐渐接近一致。
CAD/CAM技术本身是一项综合性的、技术复杂的系统工程，涉及许多学科领域，如计算机科学和工程，计算数学，几何造型、计算机图形显示、数据结构和数据库、仿真、数控、机器人和人工智能学科和技术以及与产品设计和制造有关的专业知识等。CAD/CAM 技术具有自己的特点和发展规律，而且，随着电子科学技术的发展和不断地向前发展，需要人们不断地去探索和研究，使其更加完善。
当今，CAD/CAM技术的优点已为越来越多的人共识。1985年，一位美国制造业专家W.H.Slatterback曾预言，从1985年到2000年中，美国的制造业面临的变化将比本世纪前75年的变化要大得多，其根本原因是CAD/CAM技术的应用。目前，在工业发达的国家中，不仅将CAD/CAM技术广泛用于宇航、电子和机械制造等工程和产品生产领域，而且逐渐发展到服装、装饰、家具和制鞋等领域。另外，该技术是计算机集成化制造系统——CIMS的技术基础之一，所以，当今世界上许多国家与有关部门都十分重视对该技术的投资。
总之，CAD/CAM技术的普及应用不仅对传统产业的改造、新兴产业的发展、劳动生
产率的提高、材料消耗的降低、国际竞争能力的增强均有巨大的带头作用，而且CAD/CAM 技术及其应用水平正成为衡量一个国家科学技术现代化和工业现代化水平的重要标志之一。
我国大力推广CAD/CAM技术，是科研单位提高自主研究开发能力、企业提高应变能力和提高劳动生产率的重要条件，是促进传统技术发生革命性变化的重要手段，是缩短与发达国家的差距，把国民经济搞上去，实现社会主义现代化建设目标的重要措施，是一项刻不容缓的战略任务。为此，进入90年代后，我国的科学技术和工业部门都先后指定了发展和推广CAD/CAM技术的计划，并对所属部门提出了具体要求。所以，推广应用CAD/CAM技术的范围将不断扩大。
1.3.2 CAD/CAM技术发展简介
不管是产品还是工程设计，最后都要生产符合要求的工程图纸或数控加工信息，而且，在设计过程中的各个阶段要以图形显示出各阶段的设计结果。所以，计算机图形学和图形显示技术是CAD/CAM技术的重要基础之一。也就是说，CAD/CAM技术的发展是与它们的发展密切相关。
40年代计算机问世，直至50年代中期，计算机的使用尚不普遍，而且主要是用于科学计算。当时，尽管在计算机系统中已经开始配置了图形显示器，但由于计算机图形学的理论还没有形成，而且当时显示器的性能较差，所以，尚未具备人—机交互功能。如美国麻省理工学院的旋风号计算机就是这样的系统。但是到了50年代末期，美国麻省理工学院林肯实验室研制的空中防御系统就能将雷达的信号转换为显示器上的图形，操作者可以用光笔指向显示屏幕上的目标来拾取所需的信息，这种功能的出现预示着交互图形生成技术的诞生。
1963年，美国麻省理工学院的I.E.Sutherland在他发表的博士论文中提出了SKETCHPAD系统。在该系统中用的计算机是TX2，可以用光笔在图形显示器上实现选择、定位等交互功能。而且，计算机可根据光笔指定的点画出直线，或者当光笔指定圆心或半径后画出圆等。另外该系统对符号和图案的存储采用分层的数据结构。即一幅完整的较复杂的图形可以通过分层调用各有关子图来合成。尽管该系统还是较原始，但是这些基本理论和技术至今仍是CAD/CAM技术的基础，十分有用。所以，I.E.Sutherland的SKETCHPAD 系统被公认为对交互图形生成和显示技术的发展奠定了基础。
交互图形生成技术的出现，促进了CAD/CAM技术的迅速发展。60年代中期后，美国的一些大公司都十分重视这一技术，并投入相当资金对CAD/CAM技术进行研究和开发，研制了一些CAD系统。如IBM公司的SMS、SLT/MST设计自动化系统和洛克希德公司研制的主要用于二维绘图CADAM系统。美国通用汽车公司为设计汽车车身和外形而开发的CAD—1系统，该系统是在大型计算机上运行的，成为该公司设计小轿车和卡车的比不可少的工具。在此期间，美国的CDC公司也开发了作为商品销售的Digigraphic CAD系统。这一时期CAD/CAM系统的特点是：规模庞大，价格昂贵。所以，只有经济实力雄厚和技
术力量较强的大型企业和研究单位才能研究和应用CAD/CAM技术。
从60年代末期至70年代中期，CAD/CAM技术的发展较快，已有商品化的硬件和软件。由于在这一时期计算机硬件的性能价格比不断完善，主要特点是图形输入板，大容量的磁盘存储器和廉价的存储管显示器等相继出现，以及数据管理系统等软件的开发等。以小型和超级小型计算机为主主机的CAD/CAM系统进入市场并成为主流。接着出现了一批专门经营CAD/CAM系统硬件和软件的公司，如Computer Vision、Intergraph、Calma、Application等。这些CAD/CAM系统的特点是硬件和软件配套齐全，因此人们称它为“交钥匙”系统。与大型计算机CAD/CAM系统相比，其价格相对便宜，使用和维护也相对简单一些，这也是CAD/CAM技术得到进一步发展和扩大应用范围的原因。在这一时期内，CAD/CAM系统的应用领域主要集中在航空、电子和机械工业部门，同时对三维几何造型也开始研究。
70年代末以后，32位工作站和微型计算机的出现对CAD/CAM技术的发展起了极大的推动作用。32位工作站是属单位用的计算机系统，具有较高的响应速度，它特别适用于CAD/CAM系统。而且，32位工作站之间可以联网，以达到共享系统内的资源和发挥各台计算机的特点。因此，可以根据工作需要和经济条件以及CAD/CAM技术的发展等逐步投资，逐步发展和扩大CAD/CAM系统的功能和规模。
80年代中期后，这种以工作站为基础的CAD/CAM系统发展很快，其功能达到甚至超过小型机CAD/CAM系统。可以预见，这种系统将成为CAD/CAM系统的主流。这种系统的制造厂商只提供硬件和系统软件，而应用软件则由其它专门开发软件的公司研制和销售。近年来在我国市场上销售这类产品的公司有IBM公司、HP公司、SUN公司、DEC 公司、SGI公司等，产品的种类很多，各有特点。
由于微型计算机的性能和价格比的提高，目前以PC为主机的CAD/CAM系统不断增加。该系统的特点是容量小，处理速度慢，但价格十分便宜，应用软件丰富，便于学习和维护。另外还可以进入网络系统共享资源，并可以替代工作站完成一部分CAD/CAM作业，很适合中、小型企业和刚开始应用CAD/CAM技术的单位。
我国在CAD/CAM技术方面的研究开始于70年代中期，当时主要是研究开发二维绘图软件，并利用绘图机输出二维图形。主要研究单位是高等学校。航空和造船工业是应用CAD/CAM技术较早的部门。80年代初，有些大型企业和设计院成套引进CAD/CAM系统（主要是Turnkey System）。在此基础上进行开发和应用，取得了一定的成果。随着改革开放和发展商品经济的需要，在80年代中后期，我国的CAD/CAM技术有了较大的发展，而且CAD/CAM技术的优点被越来越多的人所注意。进入90年代后，各工业部门普遍提出了开发CAD/CAM技术的计划，主要表现在以下几个方面：部分单位已较好地应用CAD/CAM技术，提高设计质量，取得了经济效益；CAD/CAM技术的理论和软件开发进行了大量的研究，并取得了成果（如清华大学、浙江大学、西北工业大学、北京航空航天大学、中科院计算所等）。进入90年代后，国家科委、各工业部门都十分重视CAD/CAM 技术的发展，并有计划、有步骤地在全国各地CAD/CAM培训基地，对有关人员CAD/CAM 技术方面的培训，以提高有关人员CAD/CAM素质。与此同时，有些工业部门还对所属单
位提出应用CAD/CAM 技术的具体要求。
1.3.3 CAD/CAM 系统的组成
一般讲，一个CAD/CAM 系统是由一系列必要的硬件和软件组成的，如图1-2所示。根据系统的要求，硬、软件的配置可能有所不同。而最底的硬、软件配置，以满足系统的基本功能为目标。系统软件和硬件的组成，基本如图1-3和图1-4所示，但对某一具体系统可能有些差异。
由于使用要求不同，CAD/CAM 系统的基本配置也有所不同。CAD/CAM 系统的类型可按系统的功能分，也可以按系统的硬件配置分。按系统的功能一般分为通用型CAAD/CAM 系统和专用的CAD/CAM 系统。通用型CAD/CAM 系统功能适用范围很广，其硬件和软件配置也相对比较丰富。而专用CAD/CAM 系统是为了实现某些特殊功能的系统，其硬件和软件的配置相对简单，但要符合特殊功能的要求。 计算机或工作站电视摄像机扫描器文字显示终端彩色图形显示器打印机外接
磁带机
磁盘
绘图机
图形输
入设备电视摄像机C A D /C A M 系统
C A
D /C A M 硬件系统
C A
D /C A M 软件系统计算机外围设备应用软件支撑软件系统软件设计数据库数据库管理模块初步设计模块设计仿真模块浓淡处理模块打印机
三维交互造型模块工程绘图模块文档管理模块动态仿
真模块加工信息处理模块方案论证模块图1-2 CAD/CAM 系统的基本结构 图1-3 CAD/CAM 系统硬件配置 图1-4 CAD/CAM 系统软件配
1.3.4 CAD/CAM 系统应具备的基本功能
1.3.4.1 CAD/CAM 作业过程
CAD/CAM 技术是计算机在工程和产品设
计与制造中的应用。设计过程中的需求分析、
可行性分析、方案论证、总体构思、分析计算
和评价以及设计定型后产品信息传递都可以由
计算机来完成。在设计过程中，利用交互设计
技术，在完成某一设计阶段后，可以把中间结
果以图形方式显示在图形终端的屏幕上以供设
计者直接地分析和判断。设计者判断后认为还
需要进行某些方面的修改，可以立即把要修改
的参数输入计算机，计算机对这一批新数据立
即进行处理，再输出结果，再判断，再修改，
这样的过程可反复多次，直至取得理想的结果
为止。最后用绘图机输出工程图纸或数控加工
纸带和有关信息供制造过程应用。整个设计与
制造过程如图1-5所示。 1.3.4.2 CAD/CAM 系统应具备的基本功能
不同的CAD/CAM 系统，一般有各种不同的功能要求，但就通常用于机—电产品设计制造的CAD/CAM 系统讲，它应具备有以下几个方面的处理能力。
（1）交互图形输入和输出功能
在CAD/CAM 作业过程中，一般都要用交互方法来生成和编辑图形。为了实现上述功能，系统必须具有合适的硬件和软件。
（2）几何造型功能
几何造型功能是CAD/CAM 系统图形处理的核心。因为CAD/CAM 作业的后续处理否市在几何造型的基础上进行的，所以，几何造型功能的强弱，在较大程度上反映了CAD/CAM 系统的功能。通常几何造型又分为曲线、曲面造型与实体造型等。
a 、曲线和曲面造型。这里讲的曲线和曲面是指这样的曲线和曲面，即根据一些给定的离散点和相应的要求构造的曲线和曲面。如Bezier 曲线曲面、B 样条曲线曲面等。用这些方法可以设计出非常复杂的曲线和曲面，同时，也可以用它描述解析曲线和曲面。这些
C A
D M 图1-5 产品设计和制造过程流程图
曲线曲面在航空、造船和汽车制造工业应用很广，在有限元网格划分中也非常有用。
b、实体造型。一个实体造型系统，必须具有基本形体的定义输入功能，由简单体素经过逐步的布尔运算生成复杂物体的功能和形体输出功能，以及一些局部修改操作功能。为了各种操作的需要，在一个实体造型系统中必须具备几种功能较强的表示方法，如构造实体几何表示法（CSG）、边界表示法（B—Rep）等，并且各种表示法之间能相互进行转换。集合运算是实体造型的核心，它的运算能力和可靠性及效率对系统的性能影响较大。在实体造型系统中必须有一个高效、可靠的集合运算功能。另外，为实时地观察、检查设计对象是否正确，并真实地表示出设计对象的形态，造型系统必须具有真实感显示功能，如消除隐藏线（面）、色彩明暗处理能力。还有，为了防止有关零件部件发生相互干涉，系统还必须具有空间布局和干涉检查功能。为了CAD/CAM集成系统的需要，有时还要求造型系统具有更强的造型功能，而且随着集成技术的发展，造型功能将显得更为重要。
在产品总体和结构设计时，为了便于观察和修改，一般都采用三维图形显示表示。而设计结束后，为了加工制造和图纸管理，往往要求输出二维工程图纸，这就要求系统具有从三维图形转变为二维图纸的功能。另外，当事先已有二维图形时，要求通过二维图形生成三维图形的功能。还有，在设计过程中，往往要反复进行修改，为了保持修改的统一性，避免发生混乱，当对三维图形进行修改时，要求系统能自动修改二维图形对应部分。相反，当修改了二维图形后，系统能自动修改三维图形的对应部分。这就是所谓的二、三维联动。
二、三维联动和转换在产品设计过程中是十分有用的，所以，一个好的几何造型系统应具备这方面的功能。
过去，曲线曲面造型和实体造型是分开进行研究和设计的，现在可用非均匀有理B 样条统一表示曲面和平面组成的实体，如果具有这种功能，系统的造型能力将会更强，使用也更方便。
c、物体几何特性计算功能。在产品设计和制造过程中，材料供应部门为了能及时准备各种材料，要求设计者提供产品所需材料的数据，在分析计算时，往往需要知道物体的体积质量、重心以及对某轴的转动惯量等数据，所以，CAD/CAM系统应具有提供这些数据的功能。
（3）有限元分析功能
在产品和工程设计过程中对整个产品（工程）及其中重要受力零部件必须进行静、动力（应力、应变和系统固有频率）的分析计算；对高温下工作的产品除了进行上述分析计算外，还要进行热变形（热应力、应变）分析计算；在电子工程设计中，有时还要进行电磁场的分析计算；在飞行器和水利工程设计中，还要对流场及其流动特性进行分析计算。现在一般都采用有限元法对上述的各种要求进行分析计算。特别是对一些复杂构件用此方法分析计算不仅简单，而且精度较高。一个较好的完善的有限元分析系统应包括前处理、分析计算和后处理三个部分。前处理，就是对被分析的对象进行有限元网格自动划分；分析计算就是计算应力、应变、固有频率等数值；后处理就是对计算的结果用图形（等应力线、等温度线）或用深浅不同的颜色来表示应力、应变、温度值等。这些功能在设计过程中是十分重要的。
（4）优化设计功能
优化设计是现代设计方法学的一个组成部分。一个产品或工程的设计实际上就是寻优的过程，就是在某些条件的限制下使产品和工程的设计指标达到最佳。在CAD/CAM系统中应具有优化求解功能。
（5）处理数控加工信息功能
系统应具有处理二至五坐标数控机床加工零件的处理能力，其中包括自动编程和动态模拟加工过程的功能。
（6）统一的数据管理功能
一个CAD/CAM系统在设计过程中要处理的数据不仅数量大，而且类型也较多，其中包括数值型和非数值型数据，有些数据还是动态的，即随着设计过程不断变化。为了统一管理这批数据，在CAD/CAM系统中必须具有一个工程数据库管理系统（EDBMS）以及在它管理之下的工程数据库。否则，如果用数据文件来存储，就可能产生一些不必要的麻烦。
（7）二维绘图功能
当前，在产品生产过程中，二维工程图纸还是传递产品信息的一种方式。因此，一个CAD/CAM系统应具有适合我国工程图纸绘制要求的二维绘图能力。
1.3.5 当前CAD/CAM系统常用软件
1.3.5.1 Pro/Engineer软件
P r o/E n g i n e e r软件是美国P T C公司于1988年推出的产品,它是一种最典型的基于参数化(p a r a m e t r i c)实体造型的软件。可工作在工作站和U n i x操作环境下，也可以在微机的W i n d o w s环境下运行。P r o/E n g i n e e r包含了从产品的概念设计，详细设计，工程图，工程分析，模具，直至数控加工的产品开发过程。
（1）Pro/Engineer CAD功能
具有简单零件设计，装配设计，设计文档（绘图）和复杂曲面的造型等功能。具有从产品模型生成模具模型的所有功能。可直接从P r o/E实体模型生成全关联的工程视图，包括尺寸标注，公差，注释等。还提供三坐标测量仪的软件接口，可将扫描数据拟合成曲面，完成曲面光顺和修改。
提供图形标准数据库交换接口，包括I G E S、S E T、V D A、C G M、S L A等。还提供Pro/E与CA TIA软件的图形直接交换接口。
（2）Pro/Engineer CAM功能
提供车加工，2～5轴铣加工、电火花线切割，激光切割等功能。加工模块能自动识别工件毛坯和成品的特征。当特征发生修改时，系统能自动修改加工轨迹。
1.3.5.2 UGII 软件
UGII软件是美国Unigraphics Solutions公司的CAD/CAM/CAE产品。其核心parasolid 提供强大的实体建模功能和无缝数据转换能力。UGII提供用户一个灵活的复合建模，包括实体建模，曲面建模，线框建模和基于特征的参数建模。UGII覆盖制造全过程，融合了工业界丰富的产品加工经验，为用户提供了一个功能强劲的、实用的、柔性的CAM软件系统。UGII可以运行在工作站和微机，UNIX或Windows操作环境下。
（1）UGII的CAD功能
提供实体建模、自由曲面建模等造型手段，提供装配建模、标准件库建模等环境。可建立和编辑各种标准的设计特征，例如孔，槽，型腔，凸台，倒角和倒圆等。能从实体模型生成完全相关的二维工程图。提供IGES,STEP等标准图形接口。还提供大量的直接转接器，如与CA TIA，CADDS，I-DEAS，AutoCAD等CAD/CAM系统的直接高效地数据转换。具有有限元分析、机构分析模块，能对二维，三维机构进行复杂的运动学分析和设计仿真。
（2）UGII的CAM功能
提供2～4轴车加工，具有粗车，多次走刀，精车，车沟槽，车螺纹和中心钻孔等功能。2～5轴或更高铣加工，型芯和型腔铣削。提供粗切单个或多个型腔，沿任意形状切去大量毛胚材料以及可加出型芯的全部功能。对加工模具和冷冲模特别有用。线切割加工等。
它还具有固定轴铣削功能、Cut清根切削功能、可变轴铣削功能、顺序铣切削功能、、切削仿真(VERICUT) 功能、EDM线切削功能、机床仿真功能（包含了整个加工环境——机床、刀具、夹具和工件，对数控加工程序进行仿真，检查相互间的碰撞和干涉情况）等。它还提供非均匀B样条轨迹生成器。可从NC处理器中直接生成基于NURBS的刀具轨迹数据。直接从UG的实体模型中产生新的刀具轨迹，其加工程序可比原来程序减少50-70%，特别适用于高速加工。
除上述模块以外，UG还提供注塑分析、钣金设计、排样和制造、管路、快速成型转换等。
1.3.5.3 MasterCAM软件
MasterCAM是美国CNC公司开发的一套适用于机械设计、制造的运行在PC平台上的3D CAD/CAM交互式图形集成系统。它可以完成产品的设计和各种类型数控机床的自动编程，包括数控铣床（3～5轴）、车床（可带C轴）、线切割机（4轴）、激光切割机、加工中心等的编程加工。
产品零件的造型可以由系统本身的CAD模块来建立模型，也可通过三坐标测量仪测得的数据建模，系统提供的DXF、IGES、CADL、VDA、STL，PARASLD等标准图形接口，可实现与其他CAD系统的双向图形传输，也可通过专用DWG图形接口与AutoCAD 进行图形传输。
系统具有很强的加工能力，可实现多曲面连续加工、毛坯粗加工、刀具干涉检查与消除、实体加工模拟、DNC连续加工以及开放式的后置处理功能。
1.3.5.4 “CAXA制造工程师”软件
“C A X A制造工程师”软件是由北京北航海尔软件有限公司开发的全中文C A D/C A M软件。
（1）CAXA的CAD功能：
提供线框造型、曲面造型方法来生成3D图形。采用N U R B S非均匀B样条造型技术，能更精确的描述零件形体。有多种方法来构建复杂曲面。包括扫描、放样、拉伸、导动、等距、边界网格等。对曲面的编辑方法有：任意裁剪、过度、拉伸、变形、相交、拼接等。可生成真实感图形。具有D X F和I G E S图形数据交换接口。
（2）CAXA的CAM功能
支持车加工，具有轮廓粗车、精切、切槽、钻中心孔、车螺纹功能。可以用参数修改功能对轨迹的各种参数进行修改，以生成新的加工轨迹；支持线切割加工，具有快、慢走丝切割功能，可输出3B或G代码的后置格式；2～5轴铣加，提供轮廓，区域，三轴和四到五轴加工功能。区域加工允许区域内有任意形状和数量的岛。可分别指定区域边界和岛的拔模斜度，自动进行分层加工。针对叶轮、叶片类零件提供4～5轴加工功能。可以利用刀具侧刃和端刃加工整体叶轮和大型叶片。还支持带有锥度的刀具进行加工，可任意控制刀轴方向。此外还支持钻加工。
系统还提供丰富的工艺控制参数，多种加工方式（粗加工、参数线加工、限制线加工、复杂曲线加工、曲面区域加工、曲面轮廓加工）、刀具干涉检查、真实感仿真功能模拟加工、数控代码反读、后置处理功能。
1.3.5.5 其他软件
（1）I—DEAS软件
I—DEAS是美国SDRC公司开发的。1991年推出6.0版本，是当前计算机辅助机电产品设计制造软件中功能较强的软件之一。在6.0版本之中增加二和三维联动和变量设计等功能。主要功能和特点：a、三维几何造型程序是三维交互实体造型的工具，其中包括三维造型、零部件装配和机构设计分析三个模块，并可以进行空间干涉检查和机械特性分析；
b、二维图形设计和绘图模块，在三维造型符合要求后，利用此模块可以生成二维零部件
图形，输出二维工程图纸；c、有限元分析模块，其中包括有限元的前处理模块、有限元分析计算模块、以及有限元后处理模块，可以进行静、动力学，电磁场和温度场的分析计算；d、优化分析设计模块，在进行零件设计时，可以使应力、位移和重量等参数在满足一定约束条件下达到最佳结果，实现零件最优化设计；e、系统动力仿真模块，可以对复杂系统进行动力特性模拟，并以图形的形式显示出分析结果，评价设计结果的正确程度；
f、桁架结构分析模块，主要用于桁架的静、动力学分析计算；
g、数据处理模块，是用于实验室试验数据采集分析与显示的功能模块；
h、塑料模具设计流动分析模块；
i、数控加工模块。该软件可以在多种计算机或工作站上运行。
（2）CATIA软件
CA TIA是法国达索公司研究开发的三维几何造型功能较强的交互式的CAD/CAM软件，曲面造型功能更为突出。该软件由四个基本模块组成：a、三维线框几何造型模块，这是CA TIA软件的基础模块，是其它功能模块的基础，包括三维交互线框几何建模、数据库管理和绘图机输出等功能；b、曲面设计和数控加工模块。该模块包括三维复杂曲面设计和输出数控加工信息；c、实体几何造型模块，生成图形速度极快；d、运动学模拟模块等。该软件的特点是：a、CA TIA软件与CADAM软件可以方便地联合使用，数据交换很方便；b、三维曲面造型功能极强；c、能进行二维和三维图形的转换；d、能输出二维工程图纸和数控加工信息；e、能进行机构的动态模拟等。该软件过去主要在中型机（如IBM4300系列）上运行，近年推出可在工作站上运行的CA TIA软件。
（3）EUCLID软件
该软件是法国Matra Datavision公司研究开发的。适用于机械设计和制造。主要功能模块有：a、几何造型模块，能生成三维线框、表面和实体几何模型及二维几何图形；b、实时显示，任何模型可以有正投影和透视投影显示及实时的自动消除隐线；c、自动绘图模块，根据标准能生成有尺寸标注和文字说明的工程图纸；d、分析计算模块，能分析计算几何模型的重量、体积和干涉检查及应力分析计算；e、系统具有统一的数据库管理系统。该软件的特点：a、在三维几何造型中同时使用CSG和B—Rep两种表示方法；b、用户可以自己编写FORTRAN程序与它连接；c、数控加工的功能较强，具有2、3和5轴加工能力；d、可与其它CAD/CAM软件连接，系统具有图形数据交换标准IGES接口，运行环境为IBM4300系列的中型机，DEC的VAX系列小型机。
（4）Auto CAD软件
Auto CAD是用于二维图形设计和绘图的软件，但10.0版本加强了三维功能，能为用户提供良好的二次开发环境。它是国内应用较广的微机CAD软件。
1.4 数控加工技术产生和发展
1.4.1 数控机床产生背景
随着科学技术和社会生产的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，而机械加工过程的自动化是实现上述要求的有效途径。
从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有：自动机床、组合机床和专用自动生产线 。这些设备的使用大大地提高了机械加工自动化的程度，提高了劳动生产率，促进了制造业的发展。但它也存在着初始投资大、准备周期长和柔性差等固有缺点。因此，上述方法仅适用于批量较大的零件生产。然而，随着市场竞争的日趋激烈，产品更新换代周期缩短，批量大的产品越来越少，而小批量产品的生产所占的比重越来越大，约占总加工量的80％以上。在航空、航天、重型机床以及国防部门尤其如此。因此，迫切需要一种精度高，柔性好的加工设备来满足上述需求，这是机床数控技术产生和发展的内在动力。另一方面，电子技术、计算机技术以及控制技术等技术的飞速发展则为N C机床的进步提供了坚实的技术基础，这使机床N C技术产生和发展的可能性。N C技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它极其有效地满足了上述要求，为小批量、精密复杂的零件生产提供了自动化加工手段。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。
1.4.2 发展沿革
1952年，美国帕森斯（Parsons）公司和麻省理工学院（M.I.T）合作研制了世界上第一台三坐标数控机床，它是由电子管组成的控制系统。1955年，在Parsons专利的基础上，第一台工业用NC机床由美国Bendix公司生产出来，这是一台实用化的NC机床。
从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历了如下五代：
第一代1955年，NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。
第二代1959年，NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。
第三代1965年，NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。
第四代1970年，NC系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，首次出现在1970年美国芝加哥国际机床展览会上。它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。
第五代：1974年，NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。现在市场上NC系统都是以微处理器为核心的系统，但NC系统的性能随着CPU的不断升级而不断提高。这一代又可细分为六个发展阶段：
1974年系统以位片微处理器为核心，有字符显示，有自诊断功能。
1979年系统采用CRT显示，VLIC，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。
1981年具有人机对话功能，动态图形显示，实时精度补偿。
1986年数字伺服控制诞生，交、直流电机进入实用阶段。
1998年采用高性能的32位机作为主机的主从结构系统。
1994年基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研究开发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。可以说它是数控技术发展的又一个里程碑。
1.4.3 发展趋势
1.4.3.1 数控系统体系结构的发展
随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地构筑面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求具有网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式。为此，近10年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。就体系结构而言，当今世界上的数控系统大致可分为4种类型：
（1）传统数控系统
这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机界面，但必须使用专门的开发工具（如Siemens的WS800A）耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。如FANUC 0系统、MITSUBISHI M50系统、Siemens 810系统等。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。
（2）“PC嵌入NC”结构的数控系统
如FANUC18i、16i系统、Siemens 840D系统、Num1060系统、AB 9/360等数控系统。这是一种基于利用现有计算机丰富的软硬件资源、而又能继承原有系统技术的体系结构。它具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。
（3）“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统
它由开放体系结构运动控制卡+PC机构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。但成本较高。如美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK 公司用三菱电机的MELDASMAGIC 64构造的MAZA TROL 640 CNC等。
（4）开放式数控系统
这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CD-ROM和相应的驱动程序一样。用户可以在基于Windows、Linux的平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的Open CNC、德国Power Automation公司的PA8000 NT以及华中数控的“华中I型”数控系统。
1.4.3.2 数控机床的发展
进入九十年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化及结构开放化等方向发展。
（1）运行高速化、加工高精化
速度和精度是数控设备的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。运行高速化是指使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘交换速度实现高速化，并且具有高加（减）速率。当今著名品牌数控系统的进给率指标都有了大幅度的提高，目前的最高水平是在分辨率为1 时，最大快速进给速度可达240m/min。在最高进给速度下可获得复杂型面的精确加工，在程序段长度为1mm时，其最大进给速度达80m/min。并且具有1.5G的加减速率。主轴高速化的手段是采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件，从而可将主轴转速大大提高。目前日本的超高速数控立式铣床，主轴最高转速达100000r/min。目前的换刀速度可达0.9秒（刀到刀）和2.8秒（切削到切削），工作台（托盘）交换速度6.3秒。
提高数控设备的加工精度，除提高机械设备的制造精度何装配精度外，当今还可通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来达到。在减少CNC系统控制误差方面，通常采用提高数控系统的分辨率，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，提高位置检测精度以及位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。在采用补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术外，近年来设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术的研究已成为世界范围的研究热点。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～80％。
（2）功能复合化
复合化是指工件在一台设备上一次装夹后，通过自动换刀等各种措施，来完成多工序和多表面的加工。在一台数控设备上能完成多工序切削加工（加车、铣、镗、钻等）的加
工中心，可代替多机床和多装夹的加工，从而打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程。从发展趋势看，加工中心大有取代数控铣床之势，此外现在五面加工中心、车削加工中心以及复合程度更高的加工中心也越来越多。美国的Masterhead是工序集中而实现全部加工的典型代表。这是一种带有主轴库的龙门五面体加工中心（四轴联动），使其加工工艺范围大为扩大。意大利mandell公司的五面加工中心，在其刀库中增加了一个可自动装卸的装在主轴箱上车刀架，利用机床上可高速回转的回转工作台进行车削加工（及作为立车使用）。日本的NTEGEX30车铣中心，备有链式刀库，可选刀具数量较多，使用动力刀具时，可进行较重负荷的铣削，并具有Y轴功能，该机床实质上为车削中心和加工中心的“复合体”。
（3）控制智能化
随着人工智能技术的不断发展，并为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，具体体现在以下几个方面：
①加工过程自适应控制技术
通过监测加工过程中的刀具磨损、破损、切削力、主轴功率等信息并反馈，利用传统的或现代的算法进行调节运算，实时修调加工参数或加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。Mitsubishi Electric 公司的用于数控电火花成型机床的“Miracle Fuzzy”自适应控制器，即利用基于模糊逻辑的自适应控制技术，自动控制和优化加工参数；日本牧野公司在电火花数控系统MAKINO_MCE20中，用专家系统代替操作人员进行加工过程监控。从而降低了对操作者具备专门技能的要求。
②加工参数的智能优化与选择
将加工专家或技工的经验、切削加工的一般规律与特殊规律，按人工智能中知识表达的方式建立知识库存入计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立专家系统，并通过它提供经过优化的切削参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而达到提高编程效率和加工工艺技术水平，缩短生产准备时间的目的。目前已开发出带自学习功能的神经网络电火花加工专家系统。日本大隈公司的7000系列数控系统带有人工智能式自动编程功能。
③故障自诊断功能
故障诊断专家系统是诊断装置发展的最新动向，其为数控设备提供了一个包括二次监测、故障诊断、安全保障和经济策略等方面在内的智能诊断及维护决策信息集成系统。采用智能混合技术，可在故障诊断中实现以下功能：故障分类、信号提取与特征提取、故障诊断专家系统、维护管理。
④智能化交流伺服驱动装置
目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。