​高端精密製造的CNC數控加工技（jì）術

數控技術的應（yīng）用使傳統的製造業發生了質的變（biàn）化，尤其是（shì）近年來．微電子（zǐ）技術和計算機技術的發展給數控技術帶來了新的活力。數控技術和數控（kòng）裝（zhuāng）備是各個國家工業現代化的重（chóng）要基礎。

數控機床是現代製造業的主流（liú）設備，精密加工的必備裝備（bèi），是體現現代機床技術水平、現代機械製造業工藝水平的重要標誌，是（shì）關係國計民生、國防尖端建設的戰略物資。因此世界上各工業發（fā）達國家（jiā）均采取（qǔ）重大措施來發展自己的數控技術（shù）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（jù）控製”，簡單地說就是“數控加工”，在珠江三角洲地區，人們（men）稱為“電腦鑼”。

數控加工是當今機械製造（zào）中的先進加（jiā）工（gōng）技術（shù），是一種具有（yǒu）高效率、高精度與高柔性特點的自動化加工方法。它（tā）是將要加工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（yuàn）的（de）工件（jiàn），以製造出美妙的產品（pǐn）。

數控加工技術可有效解決像（xiàng）模具這樣複雜、精密、小批多變的加工問題，充分適應了現代化（huà）生產的需要。大力發展（zhǎn）數控加工技術已成為我國加（jiā）速發展經濟、提高自主創新能力的重要途徑。目前我國數控機（jī）床使用（yòng）越來越普遍，能熟練掌握數控機床編程，是充（chōng）分發揮（huī）其功能（néng）的重要途徑。

數控機床是典（diǎn）型的（de）機電一體化產品，它集微電子技術、計算機技（jì）術、測量技術、傳（chuán）感器技術、自（zì）動控製技術及人工智能技術等多種先進技（jì）術於一體，並與（yǔ）機械加工工藝緊密結合，是新一代的機械製造技術裝備。

CNC數控機床的組成

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

1、控製（zhì）介質

控製介質（zhì）是儲存數控加工所需要的全（quán）部動作刀具相對於（yú）工件位置信息的媒介物，它記載著零件（jiàn）的加工程序，因此，控製介質就是指（zhǐ）將零件加工信息傳送到（dào）數控裝置去的信息（xī）載體（tǐ）。控製介質有多（duō）種形式，它隨（suí）著數控裝置類型的不同而不同，常用的（de）有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等（děng）。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（zài）計算機編程，然後通過計算機與數控係統通信（xìn），將程序和數據直接傳（chuán）送給數控裝置的方法應（yīng）用越來越廣泛。

2、數控裝置

數控裝置是數控（kòng）機床的核心，人們喻為“中樞係統”。現代數控機床都采用計算機數控裝置CNC。數控裝置（zhì）包括輸入裝置及（jí）中央處（chù）理器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝置能（néng）完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實（shí）現各（gè）種控（kòng）製功能。

3、伺（sì）服係統

伺服係統是接收數控裝置的（de）指令、驅動機床執行（háng）機（jī）構運動（dòng）的驅動部件（jiàn）。包括主軸驅（qū）動單元、進給（gěi）驅動單元、主軸電機（jī）和（hé）進給電機（jī）等。工作（zuò）時，伺服（fú）係統接受數控係統的指令信息，並按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較（jiào）後，帶動機床的移動部件或執行部件動（dòng）作，加工出符合圖紙要求的零件。

4、反（fǎn）饋裝置（zhì）

反饋裝置是由測量元件（jiàn）和相應的電路組成，其作用是檢測速度和位移（yí），並將信息反饋回來，構成閉環控製。一些精度要（yào）求不高的數控機床，沒有（yǒu）反饋裝置，則稱為開環（huán）係統。

5、機床本體

機床本體是數控（kòng）機床的實體，是完成實際切削加工的機械部（bù）分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主（zhǔ）軸等。

CNC加工（gōng）工藝（yì）的特點

CNC數控（kòng）加工工藝也（yě）遵守機械加（jiā）工切削規律，與普通機床的加工工藝大體相同。由（yóu）於它是把計算機（jī）控製技術應用於（yú）機械加工之中的一種自動化加（jiā）工，因（yīn）而具有（yǒu）加工效率高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工序較為複雜，工步（bù）安排較為詳盡周（zhōu）密。

CNC數（shù）控加工工藝包括刀（dāo）具的選擇、切削參數（shù）的確定（dìng）及走刀工（gōng）藝路線的設計等內容。CNC數控（kòng）加工工藝是數控編程的基（jī）礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率（lǜ）和高質（zhì）量（liàng）的（de）數（shù）控程序。衡量（liàng）數控程序好壞（huài）的標準是：最少的加工時間（jiān）、最小的刀（dāo）具損耗及加工出最佳效果的工件。

數控加（jiā）工工序是工（gōng）件整體加工工藝的一部分，甚至是一道工序。它要與其他前後工序（xù）相互配（pèi）合，才能最終滿足整體機（jī）器或模具的（de）裝配要求，這樣才（cái）能加工出合格的（de）零件。

數控加工工序一般（bān）分為粗加工、中粗清角加工（gōng）、半精加工及精加工等工步。

CNC的數控編程

數（shù）控編程是從零（líng）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（jiā）工走刀中（zhōng）的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表麵的交點，多軸加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（chéng），將所用刀具及（jí）各部件的移動量、速度和動作先後順序、主（zhǔ）軸轉（zhuǎn）速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數控代碼形（xíng）式編成程序單，輸入到機床專用計（jì）算機（jī）中。然後，數控係統根據（jù）輸入的指令進行編譯、運（yùn）算和邏輯處理後，輸出各種信號和指令，控製各部分根據規定的位移和有順序的動作，加工出各種不同形狀的工件。因此，程序的編製對於數控機床（chuáng）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的（de）形式（shì）輸（shū）入數控裝置，由數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個運動（dòng）部件的操作，從而完成零件的切削加工。

目前數控程序（xù）有兩個標（biāo）準：國際標（biāo）準化組織的ISO和美國電子（zǐ）工業協會的EIA。我國（guó）采用ISO代碼。

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

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

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

CNC數控（kòng）加工零件的步驟

1、分析零件圖，了解工件的大致（zhì）情況（幾何形狀，工件材料（liào），工藝要求等）

2、確定（dìng）零件的（de）數控加工工藝（加工的內容，加工的路線）

3、進行必要的數值（zhí）計算（基點、節（jiē）點的（de）坐標計算）

4、編寫程序單（不同（tóng）機床會有所不同，遵守使（shǐ）用（yòng）手（shǒu）冊）

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

6、對工件（jiàn）進行加工（好的過程控製能很好的節（jiē）約時間和（hé）提高加工質量（liàng））

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

數控機床的發展曆史

二戰後，製（zhì）造業的生產大部分是依靠人工操作，工人看懂圖（tú）紙後，手（shǒu）工（gōng）操作機床，加工（gōng）零件（jiàn），用這（zhè）種方式生產產品，成本高，效率（lǜ）低，質量也得不到保證。

在（zài）20世紀40年代末期，美國有（yǒu）一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一種（zhǒng）方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需（xū）要加工的零件幾何形狀，利用著一（yī）張硬卡來控（kòng）製機床的動（dòng）作，在當時，這隻是（shì）一種構思。

1948年，帕森斯向（xiàng）美國（guó）空軍展示了他的這種想（xiǎng）法，美國空（kōng）軍（jun1）看後，表示極大的興趣，因為美（měi）國（guó）空（kōng）軍正在尋找一種先進（jìn）的加工方法，希望（wàng）解決飛機外型樣板的加（jiā）工問題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一般（bān）的設備難以適應，美國空軍立（lì）即委托及讚助美國麻省理（lǐ）工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙（zhǐ）來（lái）控製的機床，終於（yú）在（zài）1952年，麻省理（lǐ）工學院和（hé）帕森斯公司合作，成功的（de）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到了較快的發展使數控機床（chuáng）在製造業各部門逐步獲得推廣。

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

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

1、第一代NC係統是在1951年引入的，其控製單元主要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一台（tái）數（shù）控機（jī）床誕生，已經從銑（xǐ）床或車床發展到加工中心，成為現代製造業的關鍵設（shè）備。

2、第二代NC係統於1959年產生的，其主要有單個的晶體管和其他部件組成。

3、1965年引（yǐn）入了第三代NC係統（tǒng），其首次采（cǎi）用集成電（diàn）路板。

4、實際上，在1964年已經研製出來了第四代NC係統，即我們非常熟悉的計算機數（shù）字控製係統（CNC控製係統）。

5、1975年，NC係統采（cǎi）用了強大的微處理器，這就是（shì）第五代NC係統。

6、第六代NC係統（tǒng）采（cǎi）用（yòng）了現行的集成製造係統（MIS）+DNC+柔性加工係統（FMS）

數控機床的發展趨勢

1.高速化

隨著汽車、國防、航空、航天等（děng）工業的高速發展以及（jí）鋁合金等新材料的應用，對數控機床加工的高（gāo）速化要求越來越高（gāo）。

a.主軸（zhóu）轉速：機床采用電主（zhǔ）軸(內（nèi）裝式主（zhǔ）軸電（diàn）機)，主軸最高轉速達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（xíng）的精確加工；  

c.運（yùn）算速度：微處（chù）理器（qì）的迅速發展為數控係統向高速、高精度方向發展提供了保障，開發出CPU已發展到32位以及64位的數控係統，頻率（lǜ）提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；  

d.換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍（biàn）已在1s左右，高的已達0.5s。德國（guó）Chiron公（gōng）司將刀庫設計成籃子（zǐ）樣式（shì），以主軸（zhóu）為軸心，刀（dāo）具在圓周布置，其刀到刀的（de）換刀時間僅0.9s。

2.高精度化

數控機床精度的要求現在已經（jīng）不局（jú）限於靜態的幾（jǐ）何精度，機（jī）床（chuáng）的運動精度（dù）、熱變形以及對振動的監測和補償（cháng）越來越獲得重視。

a.提高CNC係統控製精度：采用高速插補技術，以微小（xiǎo）程序段實現連續進給，使CNC控製單位（wèi）精（jīng）細化，並采用高分辨率位置檢測裝置，提 高位置檢測精度，位置（zhì）伺服係統（tǒng）采用前饋控製與 非線性控製等方法；

b.采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差補償（cháng）等技（jì）術（shù），對設備的熱變形（xíng）誤差和空間誤差進行綜合補償。

c.采用網格解碼器（qì）檢查和提高加工中（zhōng）心的運動軌跡精度:通過仿真預測機床的（de）加工精度，以（yǐ）保證機（jī）床的定位精度和重複定位精度，使（shǐ）其性能長期穩定（dìng），能夠在不同運行條件下（xià）完成多種加工任務，並保證零件的加工質（zhì）量。

3.功能複合化

複合機床的含（hán）義是指在一台機床上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根（gēn）據（jù）其（qí）結構特點可分為工藝複合型和工序複合型兩類（lèi）。加工中心（xīn）能夠完（wán）成車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理（lǐ）等（děng）多（duō）種工序，可完成複雜零（líng）件的（de）全部加工（gōng）。隨著現（xiàn）代機械加工要（yào）求的（de）不斷提高，大量的多軸聯動數控機床越來越受（shòu）到各大企（qǐ）業的歡迎。

4.控製智能化

隨著（zhe）人工智能技術的發展，為了滿足製造業生產（chǎn）柔性化、製造自動化的發展（zhǎn）需求，數（shù）控機床的智（zhì）能化程度在不斷提高。具體體現在以下幾個方麵（miàn）：

a.  加工（gōng）過（guò）程自適應控製（zhì）技術；  

b.加工參數（shù）的智能（néng）優化（huà）與選擇（zé）；  

c.智能故障自診斷與自修複技術；

d.智能故障回放和（hé）故障仿真技術；

e.智能化交流伺服驅動裝置；  

f.智能4M數控係統（tǒng）：在製造（zào）過程中， 將測（cè）量（liàng） 、建（jiàn）模、加工、機器操作（zuò）四者(即4M)融合在一個係統中 。

5.體（tǐ）係開放化

a.向未來技術開放：由於（yú）軟硬件接（jiē）口都遵循公認的標準協議，可采納、吸收和兼容新一代通用軟（ruǎn）硬件。  

b.向用戶特殊要求（qiú）開放：更新產（chǎn）品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合以滿足特殊應用要求（qiú）；  

c.數控標準的建立（lì）：標準化的（de）編程語言，既方便用戶（hù） 使用，又降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（xiàn）多（duō）坐標聯動數控加工（gōng）、裝配（pèi）和測量多種功能，更能（néng）滿足複雜特種零件的加工，並聯機床被認為是“自發明數控技（jì）術以（yǐ）來在機床行（háng）業中最有意義的進步（bù）”和“21世紀新一代數控加工設備”。

7.  極端化(大型化（huà）和微型化)

國防、航空、航天事業的發展和能（néng）源等基礎產業裝備（bèi）的大型化需要大（dà）型且（qiě）性（xìng）能良好的數控機床的支撐。而（ér）超（chāo）精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略技 術，需發（fā）展能適應微（wēi）小型尺寸和微納米加工精度的新型（xíng）製造工藝和裝備。

8.  信息交互網絡化

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

9.加工過（guò）程綠色化

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

10.多媒體技（jì）術的應用（yòng）

多媒體技術集計算機、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，應用於實時監控（kòng）係統和生產現（xiàn）場設（shè）備的故障診斷、生產過程參數（shù）監測等，因此有著重（chóng）大的應用價值。

目前，數控機床的發展日新月異，高速化、高精度（dù）化、複合（hé）化、智能（néng）化、開放化、並聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成為數控機床發展的趨勢和方向。