​高端精（jīng）密製（zhì）造的CNC數控加工技術

數控（kòng）技術的應用使傳統的製造業發生了質（zhì）的變化，尤其是近年來．微電子技術和計算機技術的發展給數（shù）控技術帶來了新（xīn）的活（huó）力。數控技術和數控裝備是各個國家工業現代化的重要基礎。

數控機床是現代製造業的主流設備，精密加工的必備（bèi）裝備，是體（tǐ）現現代機床技術水平、現代機械製造業工藝（yì）水平的重要標誌，是關係國計民生、國防尖端建設（shè）的戰略物（wù）資。因（yīn）此世界上各工業發（fā）達國（guó）家均采取重大措施來發展自己的數控技（jì）術及其產業。

CNC數控加工

CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計算機數據控（kòng）製”，簡（jiǎn）單地說就是“數控加工”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

數控加工是當今機械製造中的先進加工技術，是一種（zhǒng）具有（yǒu）高效率、高精度與高柔性（xìng）特點的自動化加工方法。它是將要加工（gōng）工件的數控程序輸入給機床，機床在這些數據的控製下自動加工出符合人們意願的工件，以製造出美妙的產品。

數控加工（gōng）技術可有效解決像模具這樣複雜、精密（mì）、小（xiǎo）批多變的加工問題，充（chōng）分（fèn）適應了現代化生產（chǎn）的需要。大力發展數控加工技術已成為我（wǒ）國加速發（fā）展經濟、提高自主創新能力的重要途徑。目前我國數控機床使用越來越普遍，能熟練掌握數控機床（chuáng）編程，是（shì）充（chōng）分發（fā）揮其功能（néng）的重要途（tú）徑。

數控機床是典型的機電一體化產品，它集微電子技術、計算機技術、測量技術、傳感器技（jì）術、自動控製技術及人工智能（néng）技術等多種先進技術（shù）於一體，並與機械加工工藝緊密（mì）結合，是新（xīn）一代的機械製造技術裝備。

CNC數控機床（chuáng）的組成

數控機床集機床、計算機、電動機及拖動、動控製、檢測等技術為一體的自動化設備（bèi）。數控機床的基本組成包括控製（zhì）介質（zhì）、數控裝置、伺服係統、反饋裝置及機床本體，如圖

1、控製介質

控製介質是儲存數控加工所需（xū）要的全部（bù）動作刀具相（xiàng）對於工件位（wèi）置信息（xī）的媒介物（wù），它記載著零件的加工程序，因此，控製介質就是指將零件加工信息（xī）傳送到數控裝置去的信息載（zǎi）體。控製介質有多種形式，它隨著數控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔（kǒng）帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過計算機與數控係統（tǒng）通（tōng）信，將程序和數據直接（jiē）傳送給數控裝置的方法應用越（yuè）來越廣泛。

2、數（shù）控裝置（zhì）

數控裝置（zhì）是數控機床的核心，人們喻為“中樞係統”。現代數控機（jī）床都采用計（jì）算機數控裝置CNC。數控裝置包括輸入裝置及中央處（chù）理器(CPU)和輸出裝置等構成（chéng）數控裝置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製功能。

3、伺服（fú）係統

伺服係統是接收數控裝置的指令、驅動機床執行（háng）機構運動的驅動（dòng）部件。包括主軸（zhóu）驅動單元、進給（gěi）驅動單（dān）元、主軸（zhóu）電機和進給電機等。工作時，伺服係統接受數控係統的（de）指令信息，並按照指令信息的（de）要（yào）求與位置、速度反饋信號相（xiàng）比較後，帶（dài）動（dòng）機床的移動部件（jiàn）或（huò）執行部件（jiàn）動作，加工出符（fú）合圖紙要求的（de）零件。

4、反饋裝置

反饋（kuì）裝置是由測量（liàng）元件和（hé）相應的電路組成，其作（zuò）用是（shì）檢（jiǎn）測速度和位移，並將信息反饋回來，構成閉環控製。一些精度要求不高的數控機床，沒有反饋裝置，則稱為（wéi）開環係統。

5、機床本體

機床本體是數控機床的實體，是完成實際切削加工的機械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝（yì）的特點（diǎn）

CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律，與普通（tōng）機床的加工工藝大體相同。由於它是把計算機控製技術應用於機械加工之（zhī）中的一種自動化加工，因而具有加工效率高、精（jīng）度高等特點，加（jiā）工工藝（yì）有其獨特之處，工序較為複雜（zá），工（gōng）步安排較為詳盡周密。

CNC數控加工工藝包括（kuò）刀具的選（xuǎn）擇（zé）、切削參（cān）數的確定及走刀工藝路線的設計等內容。CNC數控加工工藝是（shì）數控編程的（de）基（jī）礎及核心，隻有工（gōng）藝合理，才能（néng）編出高效率和（hé）高質量的數控程序。衡量數控程序好（hǎo）壞的標準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加（jiā）工出最佳效果的工件。

數控加工工序是（shì）工件整體加工工藝的一部（bù）分，甚至是一道工序。它要與（yǔ）其他前後工序相互配合，才能最終滿足整（zhěng）體機器或模具（jù）的裝配要求，這樣才能加工出合格的（de）零件（jiàn）。

數控加工工序一般分為粗加工、中粗清角加工、半（bàn）精加（jiā）工及精加工等工步。

CNC的數控編程

數控（kòng）編程是從零件圖紙到獲得數控加工程序（xù）的全過程。它的主要任務是計算加工走（zǒu）刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸線（xiàn）與刀具表麵的交點，多軸加（jiā）工中還要給出刀軸矢量。

數控機床是根據工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及各部（bù）件的移動量、速（sù）度和動作先後順序（xù）、主軸轉速、主軸旋轉（zhuǎn）方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及（jí）冷（lěng）卻等操作，以規定的數控代碼（mǎ）形式（shì）編（biān）成程（chéng）序單，輸入到機床專用計算機中。然後，數（shù）控係統（tǒng）根據輸入（rù）的（de）指令進行編譯、運算（suàn）和（hé）邏輯處理後，輸（shū）出各種信號和指令，控製各部分（fèn）根據規定的位移和（hé）有順序的動作，加工出各種不同形狀（zhuàng）的（de）工件。因（yīn）此（cǐ），程序的編製對於（yú）數控機（jī）床效能的發揮影響極大。

數控機床必須把代表各種不同功能的指令代碼以程序（xù）的形式輸入數控裝置，由（yóu）數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信號（hào）來控製數控機床的（de）各個（gè）運動部件的操作，從而完（wán）成零件的切削加工（gōng）。

目（mù）前數控程序有兩個標準：國際標準化組織的ISO和美（měi）國電（diàn）子（zǐ）工業協會的EIA。我國采（cǎi）用ISO代碼（mǎ）。

隨著技術的進步，3D的數控編程一般（bān）很少采用手工編程，而使用商品化的CAD/CAM軟件。

CAD/CAM是計算機輔助編程係統的核心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工（gōng）軌跡（jì）的計（jì）算及編輯、工藝參數設置、加工仿真（zhēn）、數控程序後處理和數據管理等。

目前，在我國深受用戶喜歡（huān）的、數控（kòng）編程功能強大（dà）的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控編程（chéng）的原理、圖形處理方（fāng）法及加工方法（fǎ）都大同小異，但各有特點。

CNC數控加工零件的步驟

1、分析零件圖，了解工件（jiàn）的大（dà）致情況（幾何（hé）形狀，工件材（cái）料，工藝要求等（děng））

2、確定零件的數控加工工藝（加工的內容，加工的路（lù）線）

3、進行必要的數值計算（基點、節點的坐標計（jì）算）

4、編寫程序（xù）單（不同機床會有所不同，遵守使用手冊（cè））

5、程序校驗（將（jiāng）程序輸入機床，並進行圖形模擬，驗證編程的正確）

6、對工件進行加（jiā）工（好的過程控製能很好的節約時間和提（tí）高加（jiā）工質量（liàng））

7、工件驗收和質量誤差分析（xī）（對工件進行檢驗，合格流入下一道。不合格則通過質量（liàng）分析找出產（chǎn）生誤差原因和糾正方法）。

數控機（jī）床的發展曆史

二（èr）戰後，製（zhì）造業的生（shēng）產（chǎn）大部分是依靠（kào）人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作（zuò）機床，加工零件，用這種方式生產產品，成本高，效（xiào）率低，質量也得不到保證。

在20世紀40年代末期，美國有一位（wèi）工程師帕森斯（John Parsons）構（gòu）思了一種方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需要加（jiā）工的零件幾何形狀，利用著一張硬卡來（lái）控製機床的動（dòng）作，在當時，這隻是一種構思。

1948年，帕森斯向美國空（kōng）軍展示了他的這種想法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問（wèn）題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設備難以適應，美國空軍（jun1）立（lì）即委托及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控製的機床（chuáng），終於在1952年，麻省理工學院和帕（pà）森斯公司合作，成功（gōng）的研（yán）製出了第一台示範機，到了1960年（nián）較為簡單和經濟的點位控製鑽床，和直線控製數控銑床得（dé）到了較快的發（fā）展使數控機床在製造業各（gè）部（bù）門逐（zhú）步獲（huò）得推廣。

CNC加工的曆史已經經曆了長達半個多世紀，NC數控係統也（yě）由最早的模擬信（xìn）號電路控製發展為極其複雜的集成加工係統，編程方式（shì）也有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢的，對於國內的大多數車間來說。設備（bèi）比較落後，人員的技術水平和觀念落後表現為加工質量和加工效（xiào）率低下，經常拖延交貨期。

1、第一代NC係統是在1951年引入的，其控（kòng）製單元主要有各種閥門和（hé）模擬電路組成的，1952年第一台數（shù）控機床（chuáng）誕生，已經從（cóng）銑床或（huò）車床發（fā）展到加工（gōng）中心（xīn），成為現代製造業的關鍵設備。

2、第二代NC係統於（yú）1959年產生的，其主要有單個（gè）的（de）晶體管和其他部（bù）件組成。

3、1965年引入（rù）了第三代NC係（xì）統，其首次采用集成電路板。

4、實際上，在1964年（nián）已經研製出來了第四（sì）代NC係（xì）統，即我（wǒ）們（men）非常熟悉的計算機數字控製係統（CNC控製係統）。

5、1975年，NC係統采用了強（qiáng）大的微處理（lǐ）器，這就是第五代NC係統。

6、第六代NC係統采用了現（xiàn）行的集成製造係統（MIS）+DNC+柔（róu）性加工係統（FMS）

數控機床的發展趨勢

1.高速化

隨著汽（qì）車、國防、航空、航天等工業（yè）的高速發展以及鋁合（hé）金等新材料的應用，對（duì）數（shù）控機床加工的高速化要求越來越高（gāo）。

a.主軸轉速：機床采用電主軸(內裝式主軸電機)，主軸最高轉速達（dá）200000r/min；  

b.進給率：在分辨率為0.01μm時，最大進給率達到240m/min且可獲得複雜型的精確加工；  

c.運算速度：微處理器的迅速發（fā）展為數控係統向高速、高精度方向發展提供了（le）保障，開發出CPU已發展到32位以及64位（wèi）的數控係統，頻率提高到幾百兆赫（hè）、上千兆赫。由於運算速度（dù）的極（jí）大提高（gāo），使得（dé）當分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；  

d.換刀速度：目前國外先進（jìn）加工中心的刀具交換時（shí）間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司（sī）將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸（zhóu）心，刀具（jù）在圓周布置，其刀到刀的（de）換刀時間僅0.9s。

2.高精度化

數控機床精度的（de）要求現在已經不局限於靜態的幾何精（jīng）度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的監測和補償越來越獲得重視。

a.提高CNC係統控（kòng）製精度：采用高（gāo）速插補技術，以（yǐ）微小程序段（duàn）實現連續進給，使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位置檢測（cè）裝置，提 高位置（zhì）檢測精度，位（wèi）置（zhì）伺服係統（tǒng）采用前饋控製與 非線性（xìng）控（kòng）製（zhì）等方法；

b.采（cǎi）用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設（shè）備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。

c.采用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度:通過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重複定位精度，使其性能長期穩定，能（néng）夠在不同運行條件下完成多種加工任務，並保證零件的加工質量。

3.功能複合化

複合機（jī）床的含義是指在一台機床上實現或盡可能完成從毛坯至（zhì）成品的多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝（yì）複合型和工（gōng）序複（fù）合型兩類。加工（gōng）中心能夠完（wán）成（chéng）車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削（xuē）、激光熱處理等多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現代機械加工要求（qiú）的不斷提高，大量的多軸聯動數控機床越來越受到（dào）各大企業的歡迎。

4.控製智能（néng）化（huà）

隨著人工智能技術的（de）發展，為了滿足（zú）製造業生產柔性化、製造自動化的發（fā）展需求（qiú），數控機床的智能化程（chéng）度在不（bú）斷提高。具體體現（xiàn）在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b.加工參數的智能（néng）優化與選擇；  

c.智能故障自診斷與自修複（fù）技術（shù）；

d.智能故障回放（fàng）和故障仿（fǎng）真（zhēn）技術；

e.智（zhì）能化交流伺服驅動裝置；  

f.智能4M數控係統：在製造過程中， 將測量（liàng） 、建模、加工、機器（qì）操作四者(即4M)融合在一（yī）個係統中 。

5.體係開放化

a.向未來技術開放：由於軟硬（yìng）件接口都遵循（xún）公認的（de）標準協議，可（kě）采（cǎi）納、吸收（shōu）和兼容新一（yī）代通用軟硬件。  

b.向用（yòng）戶特殊要（yào）求（qiú）開（kāi）放（fàng）：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產（chǎn）品的各種組合以滿足特殊應用要求；  

c.數控標準的建立：標準化的編程語言，既方便用（yòng）戶 使用（yòng），又降（jiàng）低了和操作效率直接有關的勞動消耗。

6.驅動並聯化

可實現多坐標（biāo）聯動數控（kòng）加工、裝（zhuāng）配和測量多種功能，更能滿足複（fù）雜特種零件的加工，並聯機床被認為是“自發明數控技術以來在機床行業中最有意義的進步”和（hé）“21世紀新一（yī）代數控加工（gōng）設備”。

7.  極端化(大型化和微型化)

國防（fáng）、航空、航天事業的發展和能源等基礎（chǔ）產業（yè）裝備的大型化需要（yào）大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精（jīng）密加工技術和（hé）微納米技術是21世（shì）紀（jì）的戰略技 術，需發展能適應微小型尺寸（cùn）和微納米（mǐ）加工精度的新型製造工藝和裝備。

8.  信息交互（hù）網絡化

既可以實現網（wǎng）絡資源共享，又能（néng）實現數控機床的遠程監視、控（kòng）製、遠程診斷（duàn）、維護。

9.加工過程綠色化

近年來不用或少用冷卻液、實現幹切削、半幹切削節能環保（bǎo）的機床不斷出現，綠色製造的（de）大趨勢使各種節能環保機床加速發展。

10.多媒體技術（shù）的應用

多媒體技術集計（jì）算機、聲像和通信技術於一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以做到信息處理綜合化、智能化，應用（yòng）於實時監控係統和生（shēng）產現場設備（bèi）的故障診斷、生產過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

目前，數（shù）控機床的發展日新月（yuè）異，高速化（huà）、高精度化、複合化、智能化、開放（fàng）化、並聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成為（wéi）數控機床發展的趨勢和方向。