高端精密製造的CNC數控加工技術

　　

 

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

 

    數控機床是現（xiàn）代製造業的主流設備，精密加工的必備裝備，是體現現代機床技（jì）術水平、現代機械製造業工（gōng）藝（yì）水（shuǐ）平的重要標誌，是關係國計民生、國防尖端建設的戰略物資。因此世（shì）界上各工（gōng）業發達國家均采取重大措施來發展自己的數（shù）控技術及其產業（yè）。

 

CNC數控加工

 

    CNC是英（yīng）文Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計算機數據控製”，簡單地說就是“數（shù）控加（jiā）工”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電（diàn）腦鑼”。

 

    數控加工是當今機械製造（zào）中的（de）先進加工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點的自動化加工方法。它（tā）是（shì）將要加工工件（jiàn）的數控程序輸入給機床，機床在這些（xiē）數據的控製下自動（dòng）加工出符合人們意願的工件，以製造出（chū）美妙的產品。

 

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

 

    數控機床是典型的機電一體化（huà）產品，它集微電子技（jì）術、計算機技術（shù）、測（cè）量技術、傳感器技術、自動控製技術及人工智能技（jì）術等多種先進技術於一體，並與機械加工工（gōng）藝緊密結合，是新一代的（de）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（kòng）製、檢測等技術（shù）為一體的自動化設備。數控（kòng）機床的基（jī）本組成包括（kuò）控製介質、數控裝置、伺服係（xì）統、反饋裝置及機床本體

 

1、控製介質

 

  控製介質是儲（chǔ）存數（shù）控加工所需要（yào）的（de）全部動作刀具相對於工件位置信息（xī）的媒介物，它記載著（zhe）零件的加工程序，因（yīn）此，控（kòng）製介質就是指將零件加工信息傳送到數控裝置去（qù）的信（xìn）息載體。控製介質有多種（zhǒng）形式（shì），它隨著數控裝置類（lèi）型的不同而不同，常用的有穿孔帶、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（tài），而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過（guò）計算機與數控係統（tǒng）通信（xìn），將程序（xù）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

 

  數控（kòng）裝置是數控機床的核（hé）心，人（rén）們喻為“中樞（shū）係統（tǒng）”。現代數（shù）控機床都（dōu）采用計算機數控裝置CNC。數控裝置（zhì）包括輸入裝（zhuāng）置及中央處（chù）理器（qì）(CPU)和輸出裝置等構成數控裝置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現（xiàn）各種控製功（gōng）能。

 

3、伺服係統

 

    伺（sì）服係統是接收數控裝置的指令、驅動機（jī）床執行機構運動（dòng）的驅動部件。包括主軸驅動單元、進給驅動（dòng）單元、主（zhǔ）軸電機和進給電機（jī）等。工作時，伺服係統接（jiē）受數控係統的指令信（xìn）息，並按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較後，帶動機（jī）床的移動部件或執行部件動（dòng）作，加工出符合圖（tú）紙要求的零件。

 

4、反饋裝置

 

    反（fǎn）饋裝置是（shì）由測量元件（jiàn）和相應的電路組成，其（qí）作用是檢測（cè）速度和位移，並將信息反饋回來，構成閉環（huán）控製。一些精度要求（qiú）不高的數控機床，沒有反饋裝（zhuāng）置，則稱為開環係統。

 

5、機床本體

 

    機床本體是數控機床的實（shí）體，是完成實際切削加工的機械（xiè）部分，它包括床身、底座、工作（zuò）台、床鞍、主軸等。

 

CNC加工工藝（yì）的特點

 

    CNC數控加（jiā）工工藝也遵守機械（xiè）加工切削規（guī）律，與普通機床的（de）加工工藝大體相同。由於它是把計（jì）算機控製技術應用於機械（xiè）加工之中的一種自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工序（xù）較為複雜，工步安排較為詳盡周密。

 

    CNC數控加工工（gōng）藝包括刀具的選擇、切削參數的確（què）定及（jí）走刀（dāo）工藝路線的（de）設（shè）計等內容。CNC數控加工工藝是數控編程的（de）基礎及核心（xīn），隻有工藝合（hé）理，才能編出高效率和高質量（liàng）的數（shù）控（kòng）程序。衡量數控（kòng）程序好（hǎo）壞的（de）標準是（shì）：最少的加工時間、最小的（de）刀具（jù）損耗及加工出最（zuì）佳效果的工件。

 

    數控加工工序是工件整（zhěng）體（tǐ）加（jiā）工工藝的一部分，甚（shèn）至是一道工序。它要與其他前後工序相（xiàng）互配（pèi）合（hé），才能（néng）最終滿足整體機器或模（mó）具的裝配要求，這樣才能加工出合（hé）格的（de）零件。

 

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

 

CNC的數（shù）控編程

 

  數控編程是從零件圖紙（zhǐ）到獲（huò）得數控加工程序（xù）的全（quán）過程。它的主要任務是計（jì）算加工走刀中的刀位點（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，將所用刀具（jù）及各部（bù）件的移動量、速度和動作先後順序、主軸轉（zhuǎn）速（sù）、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀（dāo）頭鬆開（kāi）及冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編成程序單，輸入到機（jī）床專用計算機中。然後，數控係統根據（jù）輸入的指令進行編（biān）譯、運算和邏輯處理後，輸出各（gè）種信號和指令，控製（zhì）各部分根據規定的位（wèi）移和有順序的動作，加工（gōng）出（chū）各種不同形狀的工件。因此，程序的編製對於數控機床效能的（de）發揮影響極大。

 

    數控（kòng）機床必須把代（dài）表（biǎo）各種不同功能的指令代碼以程序的形式輸（shū）入數控裝置，由數控裝（zhuāng）置（zhì）進行運算處理，然後發出脈衝信號（hào）來控製數控機床的各個運動部件的操作（zuò），從（cóng）而完成零件（jiàn）的切削加工（gōng）。

 

  目前數（shù）控程序有兩個標（biāo）準：國際標準化組織的ISO和美國電子工業協會的EIA。我國采用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，而（ér）使用商品（pǐn）化的CAD/CAM軟件。

 

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

 

  目前，在我國深受（shòu）用戶喜歡（huān）的、數控編程（chéng）功（gōng）能強大（dà）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，了解工件的大致情況（幾（jǐ）何形狀，工件材料（liào），工藝要求等（děng））

 

    2、確定零件的數控加工工藝（加工的內容（róng），加工的路線）

 

    3、進行必要的數（shù）值計（jì）算（基點、節點的坐標計算）

 

    4、編寫程序單（不（bú）同機床（chuáng）會有所不同，遵守（shǒu）使用（yòng）手冊）

 

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

 

    6、對工件進行加工（gōng）（好的過程控製能很（hěn）好的節（jiē）約時間和提高加工質量（liàng））

 

    7、工（gōng）件驗收（shōu）和質量誤差分析（對工件進行檢驗，合格流（liú）入下一道。不合格則（zé）通過質量分析找出產（chǎn）生誤差原因和糾正（zhèng）方法）。

 

數控機床的發展曆史

 

    二戰後，製造（zào）業的生產大部分是依靠人工操（cāo）作，工人看懂圖紙後，手工操作機（jī）床（chuáng），加工零（líng）件，用這種方（fāng）式生產產品，成本高，效（xiào）率低（dī），質量也得不到保證。

 

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

 

    1948年，帕森斯向美國空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題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一（yī）般的設備（bèi）難以適應，美國空軍立即委托及讚助美國麻省（shěng）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，麻省理工學院和帕森斯公司合作，成功的研製出了（le）第一台示範機，到了1960年較為簡單和經（jīng）濟的點位控製鑽床，和直線控製數控銑床得（dé）到了較快的發展使數控機床在（zài）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加工係統（tǒng），編（biān）程方式也有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統（tǒng）。

 

    就我國而言，數控技術的發（fā）展是比較緩慢的，對於（yú）國內的大多數車間（jiān）來說。設（shè）備比較落後，人員的技術水平（píng）和觀念落後表現為加工質量和加工效率低下，經常拖延（yán）交貨期。

 

    1、第一代（dài）NC係統是在（zài）1951年引入（rù）的，其控（kòng）製單元主（zhǔ）要有各種閥門和模擬電（diàn）路組成的，1952年第一台數（shù）控機床誕生（shēng），已經從銑床或車床發展到（dào）加工中（zhōng）心（xīn），成為現代製造業的關鍵設備。

 

    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年引入了第三代NC係統，其首次采用集（jí）成電路板。

 

    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字控（kòng）製係統（tǒng）（CNC控製係統）。

 

    5、1975年，NC係統（tǒng）采用（yòng）了強大的（de）微處理器，這就是第五代（dài）NC係統。

 

    6、第六代NC係統采用了現行的集成製造係（xì）統（MIS）+DNC+柔性加工係統（tǒng）（FMS）

 

數控（kòng）機床的發展趨勢（shì）

 

1. 高速化

 

隨著汽車（chē）、國（guó）防、航空、航天等工業的高速發（fā）展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。

 

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

 

b. 進給率：在分辨率為0.01µm時（shí），最（zuì）大進給率達到240m/min且可獲得複（fù）雜型的精確加工；  

 

c. 運算速度：微處理器的迅速發展為數控係統向高速（sù）、高精度方向發展提（tí）供了（le）保障，開發出CPU已發展到32位以（yǐ）及64位的數控係統，頻率提高到幾百兆赫、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（sù）度：目前國（guó）外先進加工中心（xīn）的刀具交（jiāo）換時間普（pǔ）遍已（yǐ）在1s左（zuǒ）右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子（zǐ）樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

 

2. 高精度化

 

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

 

a. 提高CNC係統控製精度：采用（yòng）高速插補技術，以微小（xiǎo）程（chéng）序段實現連續進給，使CNC控製（zhì）單位精細化，並采用高分辨率位置檢測裝置，提（tí） 高位（wèi）置檢測精度，位（wèi）置伺服（fú）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（fǎn）向間隙補償、絲杆螺距誤差補償（cháng）和刀具誤差補償等技術，對設備的熱變形誤差和（hé）空間（jiān）誤差進行綜合補（bǔ）償。

 

c. 采用網格解碼器檢查和提高加（jiā）工中心的運動軌跡精度: 通過仿真預測（cè）機床（chuáng）的加工精度，以保證機床（chuáng）的定位精度和重複定位精度，使其性能長期穩（wěn）定，能夠在不同運行條件下完成多（duō）種加工任務，並保（bǎo）證（zhèng）零件的加工質（zhì）量。

 

3. 功能（néng）複合（hé）化

    

複合機床的含義是（shì）指在一台機床上（shàng）實現（xiàn）或盡可能完成（chéng）從毛坯至成品的多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝複（fù）合型和工序（xù）複合型兩類。 加工中心能夠完（wán）成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激（jī）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（gāo），大量的多軸（zhóu）聯動數控（kòng）機床越來越受到各 大企業的歡迎。  

 

4. 控製（zhì）智能化

 

隨著人工智（zhì）能技術的發展，為了滿足製造業生產柔性化、製造自（zì）動化的發展需（xū）求，數控機床的（de）智能化程度在不斷提高。具體體現在以下幾個方（fāng）麵：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b. 加工參數的智能優化與選擇；  

c. 智能故障自診（zhěn）斷與自修（xiū）複技術；

d. 智能故障回放和故障（zhàng）仿真（zhēn）技術；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智（zhì）能4M數控係統：在製造過程中， 將測量 、建模（mó）、加工、機器操作四者(即4M)融合在一個係統中 。

 

5. 體係開放化

 

a. 向未來技術開放：由於軟硬件接口都遵循公認的標準協（xié）議（yì），可采納、吸（xī）收和兼容新一代通用軟硬件。  

 

b. 向用戶特殊要求開放：更（gèng）新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合（hé）以滿足特殊應用要求；  

 

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

 

6. 驅動（dòng）並聯化

    

可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足複雜特種零件的加工，並聯機（jī）床被（bèi）認為是“自（zì）發（fā）明數控技術以（yǐ）來在（zài）機床行業（yè）中最有意義的進步”和“21世紀新一代數（shù）控加工設備”。

 

7.  極端化(大型化（huà）和（hé）微型化 )

 

國防、航空、航天事業的發展和能源等基礎產（chǎn）業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機（jī）床的支（zhī）撐。而超精密加（jiā）工技術和微納米技術是21世紀的戰略技 術，需發展能（néng）適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型製造工（gōng）藝和裝備。

 

8.  信息交互網絡化

 

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

 

9. 加工過程綠色化

 

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

 

10. 多媒體技術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信（xìn）技術於（yú）一體，使計算機具有綜合處（chù）理聲（shēng）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（jiān）控 係統和生產現場設備（bèi）的故障診斷（duàn）、生產過程參數監測等，因此有著（zhe）重大的應用價（jià）值（zhí）。

 

目前，數控機床的發展日（rì）新月異，高速化、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（huà）、綠色化已成為數控機床發（fā）展的趨勢和方向。