​高端精密製造（zào）的CNC數控加工技術（shù）

數控技術的應用（yòng）使傳統的製造業發生了（le）質的（de）變化，尤其是近年來．微電子技術和計算機技（jì）術的發展給數控技術帶來了新的活力。數控技術和數控（kòng）裝備（bèi）是各個國家工業現代化的重要基礎（chǔ）。

數控（kòng）機床是現代製造業的主流設（shè）備，精密加工的必備裝備，是體現現代機床技術水（shuǐ）平、現代機械（xiè）製造業工藝水平的重要標誌，是關係國計民（mín）生、國防尖端建設的戰略物資。因此世界上各（gè）工業發達國家均采取重大措施來發展自（zì）己的數控技術及其產業（yè）。

CNC數控加工

CNC是英文Computer Numberical Control的縮（suō）寫，意思是“計算機數據控製”，簡單地說就是“數控加工”，在珠江三（sān）角洲地區，人們（men）稱（chēng）為“電（diàn）腦鑼”。

數控加工是（shì）當今機械製造中的（de）先進加工技術，是一種具有高效率（lǜ）、高精度與高柔性特（tè）點的自動（dòng）化（huà）加工方法。它是將要（yào）加工工件的數控程序輸入給機（jī）床，機床在這些數據的控製下自動加工出符合人們意願（yuàn）的工（gōng）件，以製造出美（měi）妙的產品。

數控加工技術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小批多變的加（jiā）工問題，充分適應了現代化生（shēng）產的需要。大力（lì）發展（zhǎn）數控加工技術已（yǐ）成為我國加速發展經濟、提高自主創新能力的（de）重要途徑。目前我國數控機床使用越（yuè）來越普遍，能熟練掌握數控機床編程，是充分發揮其功能的重要途徑。

數控機床是典型的機電一體化產品，它集微電子技（jì）術、計算機技術、測（cè）量技術、傳（chuán）感器技術、自動控（kòng）製技（jì）術及人工智能（néng）技（jì）術等（děng）多種先進技術於一體，並與（yǔ）機械加工工藝緊密結合，是新（xīn）一代的機（jī）械製造技術裝備。

CNC數（shù）控機床的組成

數控機床（chuáng）集機床（chuáng）、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。數控機床的基本組成包括（kuò）控製介質、數控裝置（zhì）、伺服係統、反饋（kuì）裝置及機床本體，如圖

1、控製介質

控製介質是儲存數控加（jiā）工所需要的（de）全部動作刀具相對於工件位置信息的媒介物，它記（jì）載著零件的加工程序，因此，控製介質就（jiù）是（shì）指將零件加工信息傳送到數（shù）控裝置去（qù）的信息（xī）載體。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（de）有穿孔帶（dài）、穿孔卡、磁（cí）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（lì）用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過計算機與數控係統通信，將程序和數據直接傳送給數控裝置的方法應用越來越（yuè）廣泛。

2、數控裝置（zhì）

數控（kòng）裝置（zhì）是數控（kòng）機（jī）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。數控裝置包括輸入裝置及中（zhōng）央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數（shù）控裝置能（néng）完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製（zhì）功能。

3、伺（sì）服係統

伺服係統是接收數控裝置的指令、驅動機床執行機構運動的驅動部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主（zhǔ）軸（zhóu）電（diàn）機和進給電機等。工作（zuò）時，伺服（fú）係統接受數控係統的指令信息，並（bìng）按（àn）照指令信息的要求與位置、速度反饋信號（hào）相比較後，帶動（dòng）機（jī）床的移動部（bù）件或執行部件動作（zuò），加工出符合圖紙要求的（de）零件。

4、反饋裝置

反饋裝置是由測量元件（jiàn）和相應（yīng）的電路組成，其作用是檢測（cè）速度和位移，並將（jiāng）信息反饋（kuì）回來，構成（chéng）閉環控（kòng）製。一些精（jīng）度要求不高的數控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環係（xì）統（tǒng）。

5、機床本（běn）體

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

CNC加工工藝的特（tè）點

CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律，與普通機床的加工（gōng）工（gōng）藝大體相同。由（yóu）於它是把計算（suàn）機控製技術應用於機械加工之中的一（yī）種自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加工（gōng）工藝有其獨特之（zhī）處，工序較（jiào）為複雜，工步安排較為（wéi）詳盡周密（mì）。

CNC數控加工工藝（yì）包括刀具的選擇、切削參數的確定及走刀工藝路線的設計等內容。CNC數控加工（gōng）工藝是（shì）數控編（biān）程的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量的數控（kòng）程序。衡量數控程序好（hǎo）壞（huài）的標準是（shì）：最少的（de）加工時（shí）間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工件。

數控加工工序是工（gōng）件整體（tǐ）加工工藝的一部分，甚至是一道工序。它要與其他（tā）前後工序相互配合，才能最終滿足（zú）整體機（jī）器（qì）或（huò）模具的裝配要求，這樣才能加（jiā）工出合格的零件。

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

CNC的數控編程（chéng）

數控編（biān）程是從零件圖（tú）紙到獲（huò）得數控加工程序的全過程。它的（de）主要任務是計算加工走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般（bān）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（liàng）。

數控機床是根據（jù）工件圖樣要求及加（jiā）工（gōng）工（gōng）藝過程，將所用刀（dāo）具及各部件的移動量、速度和動作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀（dāo）頭夾緊、刀頭鬆開（kāi）及冷卻等操作，以規定（dìng）的數控代（dài）碼形式編成程序單，輸入到機床專用計算機中（zhōng）。然後，數控係統根據輸入的指（zhǐ）令進行編譯、運算和邏（luó）輯處理（lǐ）後，輸出各種信號和（hé）指令，控製各部分根（gēn）據規定的位移和有順序的動作，加工出各（gè）種不同形（xíng）狀的工件。因此，程序的編製對於（yú）數控機床效能的發揮影響極大。

數控機床必須（xū）把代表各種不同功（gōng）能的指令代（dài）碼（mǎ）以程序的形式輸入數控裝置，由數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信號來（lái）控製數控（kòng）機床的（de）各個運動部件的（de）操作，從而完（wán）成零（líng）件的切削加工。

目前數控程序有兩個（gè）標準：國際標準化組（zǔ）織的ISO和美國電（diàn）子工業（yè）協（xié）會的EIA。我國采用ISO代碼。

隨著技術的（de）進步，3D的數控（kòng）編（biān）程一般很少采用手工編程，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（yào）功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯（jí）、工藝參數（shù）設置、加工仿真、數控程序後處理和數據管理（lǐ）等（děng）。

目前，在我國深受用戶喜歡的、數控編程（chéng）功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等（děng）。各（gè）軟件對於數控編程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小異，但（dàn）各有特點。

CNC數控加工零件的（de）步驟

1、分析零件圖，了解工件的大致情況（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）

2、確定零件（jiàn）的數控加工工藝（加工的內容（róng），加工的路線）

3、進行必要的數值計算（基（jī）點、節點的坐標計算）

4、編寫程序單（dān）（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（háng）圖形（xíng）模擬（nǐ），驗證編程的正確）

6、對工件進行加工（好的過程控製（zhì）能很好的節約（yuē）時間和提高加工質量）

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（tōng）過質量分析找出產生誤差（chà）原因和糾正方法）。

數控機床的發展曆史

二（èr）戰後，製造業的生產大部分（fèn）是（shì）依靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工（gōng）操作機（jī）床，加工零件，用這種方式（shì）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，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了（le）一種方法，在（zài）一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀，利用著一張硬卡來控製機床（chuáng）的動作，在當時，這隻是一種構思。

1948年，帕森斯向美國空軍展示了他的這種想法，美國空（kōng）軍看後，表示極大的興趣（qù），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（yàng）板（bǎn）的加工問題，由於樣板形狀複（fù）雜（zá），精度要求高，一般的設備難以適應（yīng），美國空軍立即委托及讚助美（měi）國（guó）麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻省理工學（xué）院和帕森斯公司合（hé）作，成功的研製出了第一台（tái）示範機，到了1960年較（jiào）為簡單（dān）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（gè）多（duō）世紀，NC數控（kòng）係統（tǒng）也（yě）由最早的模擬信號電路控製發展為極其複雜的集成加工係統，編程方式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（shù）的發展（zhǎn）是比較緩慢的（de），對於國內的大多數車間來說。設備比較落後，人員的技術水平和觀（guān）念落後表現為加工質量（liàng）和加工效率低下，經常拖延交貨期。

1、第一代NC係統是在1951年引入的，其控製單（dān）元主（zhǔ）要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一台數控機床誕（dàn）生，已經從銑床或車床發展到加工中心，成為現（xiàn）代製造業的關鍵（jiàn）設備。

2、第二（èr）代NC係（xì）統於1959年產生的，其主要有單個的（de）晶體管和其他部件組成。

3、1965年引入了第（dì）三代NC係統，其首次采用集成電路板（bǎn）。

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

5、1975年，NC係統采用了強大的微（wēi）處理器，這就是第五代NC係（xì）統。

6、第六代NC係統采用了現行的（de）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（guó）防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等（děng）新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。

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

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

c.運算速度：微處理器（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（chū）CPU已發展到32位以及64位的數控係統，頻率提（tí）高到幾百兆（zhào）赫、上千兆赫。由於運算速度的極大（dà）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（jìn）加（jiā）工中心的刀具交換時間普遍已（yǐ）在1s左右，高的已達0.5s。德國（guó）Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到（dào）刀的換刀時間（jiān）僅（jǐn）0.9s。

2.高精度化（huà）

數控機（jī）床精度的要（yào）求現在已經不局限於靜態（tài）的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對（duì）振動的監測和補償越（yuè）來越獲（huò）得重視。

a.提高CNC係統控製精度：采用高（gāo）速插補技術，以微小程序段實現連續進給，使CNC控製單位精細化，並（bìng）采用高分辨（biàn）率位置檢測裝置，提 高位置檢測精度，位置伺服係統（tǒng）采（cǎi）用前饋控製與 非線性（xìng）控製等方法；

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

c.采用網（wǎng）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（chuáng）的加工精（jīng）度，以保證機床的定位精度和重複定位精度，使其（qí）性能長期穩定，能夠在不同運行條件（jiàn）下完成多種加工任（rèn）務，並保證零件的加工質量。

3.功能複合化

複合機床的含義（yì）是指（zhǐ）在一台機床（chuáng）上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種（zhǒng）要素加工。根據其結構特點可分為工（gōng）藝複合型和工序複合型兩類。加（jiā）工中心能夠完成車（chē）削、銑削、鑽削、滾齒（chǐ）、磨削、激光熱處理等多種工（gōng）序，可完成（chéng）複雜（zá）零件的（de）全部加工。隨（suí）著現代機械加工要求的（de）不斷（duàn）提高，大量的多軸聯動（dòng）數控機床越來越（yuè）受到各大企業的歡迎。

4.控（kòng）製智能化

隨著人工智能技術的發展，為（wéi）了滿足製造業生產柔性化、製造（zào）自動化的發展需求，數控機床的（de）智能化程度（dù）在不斷提高（gāo）。具體體現在以（yǐ）下幾個方（fāng）麵：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b.加工參數的（de）智能優化與選（xuǎn）擇；  

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：在製造過程中， 將測量 、建（jiàn）模、加工、機器操作四者（zhě）(即4M)融合（hé）在一個係統中 。

5.體（tǐ）係開放化

a.向未來技術開放：由於軟硬件（jiàn）接口都遵循公認的標（biāo）準協議，可（kě）采納、吸收和兼容新一代通用軟硬件。  

b.向用戶特殊要求開（kāi）放：更新產品、擴充功能、提供硬（yìng）軟件產品的（de）各種組合以滿足特殊應用要求；  

c.數控標準的建立：標（biāo）準化（huà）的編程語言，既方便用戶 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（lián）化（huà）

可實現多坐標聯（lián）動（dòng）數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿（mǎn）足（zú）複雜特（tè）種（zhǒng）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“21世（shì）紀新一代數控加工設備”。

7.  極端化(大型化和微型化)

國防、航（háng）空、航（háng）天事業的發展和能源（yuán）等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世（shì）紀的（de）戰略技 術，需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精（jīng）度（dù）的新型製造工藝和裝備。

8.  信息交互網絡（luò）化

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

9.加工過程綠色化

近年來（lái）不用或（huò）少（shǎo）用冷（lěng）卻液、實現幹切（qiē）削、半幹（gàn）切削節能環保的機床不斷出現，綠色製造（zào）的大趨勢使各種節能環保機床加速（sù）發展（zhǎn）。

10.多媒體技術的應用

多媒體技（jì）術集計算機、聲（shēng）像和通信技術於一體，使（shǐ）計算機具有（yǒu）綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力（lì）。可以做到信息處理綜合（hé）化、智能化，應用於實時監控係統和生產現場設備的（de）故障診斷、生產過程參數監測等，因（yīn）此有著重大的應用價值。

目前，數控（kòng）機（jī）床的（de）發（fā）展日（rì）新月異，高速化、高（gāo）精度化、複合化、智能化、開放化、並聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化（huà）已成為數控機床發展的趨勢和方向。