​高端精（jīng）密製造的CNC數（shù）控加（jiā）工技術

    數控技術的應用使傳統的製造業發生（shēng）了（le）質的變化，尤其（qí）是近年來．微電子技術和計算機技術的（de）發展（zhǎn）給數控技術帶來了新的活力。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（shù）控機床是現代製造業的（de）主流設備，精（jīng）密加工的（de）必備裝備，是體現（xiàn）現代機床技（jì）術水平、現代機械製造業工藝水平的重要標誌（zhì），是關係國計民生、國防尖端建設（shè）的（de）戰略物資（zī）。因此世界上各（gè）工業發達國家均采取重大措施來發展自己（jǐ）的數控技（jì）術及其產業。

CNC數控加（jiā）工

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

    數控（kòng）加工是當今機械製造中的先進加工技術，是一種具有高（gāo）效率、高精（jīng）度與高柔性特點的自動化加工方法。它是（shì）將要加工工件的數控程序輸入給機床，機（jī）床在這些數據的控（kòng）製下自動加工出符合人們意願的（de）工件，以製造出美妙的產品。

    數控加工（gōng）技術可有效解決（jué）像（xiàng）模具這樣複雜、精密、小批多變的加工問題，充分適應了現代化生產（chǎn）的需要。大力發展數控（kòng）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。目前我國數控（kòng）機床使用越來越普遍，能熟練掌握數控機床編程，是充（chōng）分發揮其功能的重要途徑。

    數控機床是典型的（de）機電一（yī）體化產品，它集微電子技術、計算機技術、測量技術（shù）、傳感器技術（shù）、自動控（kòng）製技術及人工智能技（jì）術等多種先進技術於一體，並與機械加工工藝（yì）緊密結合，是新一代的機械（xiè）製造技術裝備。

CNC數控機床的組成

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

1、控（kòng）製介質

  控製介質是儲存數控加工所需要的全部動作刀具相對（duì）於工件位置信（xìn）息（xī）的媒介物，它記載著零件的加工程序，因（yīn）此，控製介質就是指（zhǐ）將零件加工信息傳送到數（shù）控裝（zhuāng）置去的信息載體（tǐ）。控製介質有（yǒu）多種形（xíng）式，它隨著數控裝置類型的不同而不同，常用（yòng）的有穿孔帶、穿（chuān）孔卡、磁（cí）帶、磁盤等。隨著數控（kòng）技術的發（fā）展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算（suàn）機編程，然後通過計算機與（yǔ）數控係統通信，將（jiāng）程序和數據直接傳送給數控裝置的方法應用越來越廣泛。

2、數控裝置（zhì）

  數控裝置是（shì）數控機床的核心，人們喻為“中樞係統”。現代數控機床（chuáng）都采用計算機數控裝置CNC。數控（kòng）裝置包括輸入裝（zhuāng）置及中央（yāng）處理器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝置能完（wán）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、伺服係統（tǒng）

    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、主軸電機和進給（gěi）電機等。工作時，伺服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（chuáng）的移動部件或（huò）執行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

    反饋裝置（zhì）是由測量元件和相應的（de）電路組成，其作用是檢測速度和位移，並將信息反饋回來，構成閉環控製。一些精度要求不高的數（shù）控機床，沒有反饋裝置，則稱（chēng）為開環（huán）係統。

5、機床本體

    機床本體是數控機床（chuáng）的實（shí）體，是完（wán）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加工工藝的特點

    CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律（lǜ），與（yǔ）普通（tōng）機（jī）床的加（jiā）工工藝大體相同。由於（yú）它（tā）是（shì）把計算機控製技術應用於機械加（jiā）工之中的一（yī）種自動化加工，因而具有加工效率高（gāo）、精度高等特點，加工工藝有（yǒu）其（qí）獨特之（zhī）處，工序較為複雜（zá），工步安排較為詳盡周密。

    CNC數控加工工藝包括刀具的選擇、切削參數的確定（dìng）及走刀工（gōng）藝路線的設計等內容。CNC數控加工（gōng）工藝是數控編程的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量（liàng）的數控程序。衡量數控程序好壞的標準是：最少的加工時間、最（zuì）小的刀具損耗及加工出最佳效（xiào）果的工件（jiàn）。

    數控加工工序是工件整（zhěng）體加工工藝的一部（bù）分，甚至（zhì）是一道工序。它要與其他前後工（gōng）序（xù）相互配合（hé），才能最終滿足整體機器或模具的裝配要求，這樣才能加工出合（hé）格的（de）零件。

    數控加（jiā）工（gōng）工序一般分為粗加（jiā）工、中粗清角加工（gōng）、半精加（jiā）工（gōng）及精加工等工步（bù）。

CNC的（de）數控編（biān）程

  數控編程是從零件圖紙到獲（huò）得數控（kòng）加工程序的全過程。它的主（zhǔ）要任務是計算加工走（zǒu）刀（dāo）中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀（dāo）位點一般取為刀具軸線（xiàn）與刀具表麵的（de）交點（diǎn），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，將所用刀具及各部件的移動量、速度和動作先（xiān）後順序、主軸轉速（sù）、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀（dāo）頭鬆（sōng）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（zhuān）用（yòng）計算（suàn）機中。然後，數控係（xì）統根據輸入的指令進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信號和指令，控製各部分根據規定的位（wèi）移和有順序的動作，加工出各種不同（tóng）形狀的工件。因此，程序的編製對於數控機床效（xiào）能（néng）的發揮影（yǐng）響極大。

    數（shù）控機床必須把代表各種不同功能的指令代碼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（hòu）發出脈衝信號來控製數控機床的各（gè）個運動（dòng）部（bù）件的操作，從而完成零件的切削加工。

  目前數控程序有兩個標準：國際標準化組織（zhī）的ISO和美國電子工（gōng）業協會的（de）EIA。我國采用ISO代碼。

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

    CAD/CAM是計算機輔助編程係統（tǒng）的核心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工（gōng）藝參數設置、加工仿（fǎng）真、數（shù）控程序後處（chù）理和數據管理等。

  目前，在（zài）我國深受用（yòng）戶喜歡的、數控編程功（gōng）能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控編程（chéng）的原理、圖形處理方法及加（jiā）工方法都大同小異，但（dàn）各有特點。

CNC數控加工零（líng）件（jiàn）的步驟

    1、分析零件圖，了（le）解工件的大致情況（幾何形狀，工件材料，工藝要求（qiú）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（bì）要的數值計算（基（jī）點、節點的坐標計算）

    4、編寫程序單（不同機床會有（yǒu）所不同，遵守使用手冊）

    5、程序校驗（yàn）（將程序輸入機床，並進行圖形模擬，驗證編程的（de）正（zhèng）確）

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

    7、工件驗收和（hé）質量（liàng）誤差分析（對工件（jiàn）進行檢驗，合格流入下（xià）一道。不合格則通過質（zhì）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，製造業的生產大部分是（shì）依靠人工操（cāo）作，工人看懂圖紙後，手工（gōng）操（cāo）作機床，加工零件，用這種方式生產產品，成本高，效率低，質量也得不到保（bǎo）證。

  在20世紀40年代（dài）末期（qī），美國有一位工（gōng）程師帕森斯（John Parsons）構思了一種方法，在一張硬紙卡上打（dǎ）孔來表示需（xū）要加工的零（líng）件幾何形狀，利用著一張硬卡來控製機床的動作（zuò），在當時（shí），這隻是一種構思。

    1948年，帕森（sēn）斯向美國空軍展示了他的這種想（xiǎng）法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因為（wéi）美國空軍正在尋（xún）找一種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣板的（de）加工問題，由於樣（yàng）板形狀（zhuàng）複雜，精度要求高，一（yī）般的設備（bèi）難以（yǐ）適（shì）應，美國空軍立即委托及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研（yán）究，開發這部硬卡紙來控製的機床，終於（yú）在1952年，麻省理工（gōng）學院和帕森斯公司合作，成功的研（yán）製出了第一台示範機，到了1960年較為簡單和經（jīng）濟的點位（wèi）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（zài）製造業各部門逐步獲得推廣。

    CNC加工的曆史已經經（jīng）曆了長達半個多世紀，NC數控係統也由（yóu）最早的模擬信（xìn）號電路（lù）控製發展為極其複雜的（de）集成加（jiā）工係統，編程方式也（yě）有手工發展成為智（zhì）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（guó）內的大（dà）多數（shù）車間來說。設備比較（jiào）落（luò）後，人（rén）員的技術水平和觀念落後表現（xiàn）為加工質量和加工效率低下，經常拖延交貨期。

    1、第一代NC係統是在1951年（nián）引（yǐn）入的，其控製單元主要有各種閥門和模擬電（diàn）路組成的，1952年第一台數控機床誕生（shēng），已經從銑床或車床發展（zhǎn）到加工中（zhōng）心，成（chéng）為（wéi）現代製造業的關鍵設備（bèi）。

    2、第二代NC係統於1959年（nián）產生的，其主要（yào）有（yǒu）單個的晶體管和其他部件（jiàn）組（zǔ）成。

    3、1965年引入了第三（sān）代NC係統（tǒng），其首次采用集成電路板。

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

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

    6、第六代NC係統采用（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（zhǎn）趨勢

1. 高速化

隨著汽（qì）車、國防、航空、航天等工業的（de）高速發展以及鋁（lǚ）合金等新材料的應用，對數控（kòng）機床（chuáng）加工的高速化要求越來越（yuè）高（gāo）。

a.主軸轉速：機床（chuáng）采用電主（zhǔ）軸(內裝式主軸電機)，主軸最高轉速（sù）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、高精度方向發展提供了保障，開發出CPU已發（fā）展到32位以及64位的數控係統，頻率提高到幾百（bǎi）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（guó）外先進加工中（zhōng）心的刀具（jù）交換時間普（pǔ）遍已在1s左右，高的已（yǐ）達（dá）0.5s。德國（guó）Chiron公司將（jiāng）刀庫設（shè）計成籃子樣式（shì），以主軸為軸心，刀具在圓周布置（zhì），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（xiàn）在已經不局限於靜態的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的（de）監測和（hé）補償越來越獲得重視。

a. 提（tí）高CNC係統控製（zhì）精度（dù）：采用高速插補技術，以微小（xiǎo）程（chéng）序段實現連續（xù）進給，使（shǐ）CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位置檢測裝置，提 高位置檢測精度，位置伺服係統（tǒng）采用前饋控製與 非線性控（kòng）製等方法（fǎ）；

b. 采用誤差（chà）補償（cháng）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（hé）提高加工中心（xīn）的運動軌跡精度: 通過仿真預測機床的加（jiā）工精度，以保證機床的定位精度和重複定（dìng）位精度，使其性能長期穩定，能夠在不同運行條件下完成多（duō）種加工任務，並（bìng）保證零件的加工質量。

3. 功能複合（hé）化

複合機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（gēn）據其結構特（tè）點可分為工藝複合型和工序複合（hé）型兩類。 加工中心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱（rè）處理等多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現（xiàn）代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯動數控機床越來越受（shòu）到各 大企業的歡（huān）迎。  

4. 控製智能化

隨著人工智能（néng）技術的發展，為了滿足製造業生產柔性化、製造自動化的發展需（xū）求，數控機（jī）床（chuáng）的智能化程度在不斷提高。具體體（tǐ）現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應（yīng）控製技（jì）術；  

b. 加工參數的智能優化與（yǔ）選擇；  

c. 智能故障自診斷與自（zì）修（xiū）複技術；

d. 智能故（gù）障回放（fàng）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 、建模、加工、機器操作四者(即4M)融合在一個係統中 。

5. 體係開（kāi）放化

a. 向（xiàng）未來技術開放：由於軟硬（yìng）件接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硬件（jiàn）。  

b. 向用戶特殊（shū）要求開放：更新（xīn）產品、擴充功（gōng）能、提供硬軟件產品（pǐn）的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（de）編程語言，既方便用戶 使用，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（kě）實現多（duō）坐標聯動數（shù）控加工、裝配和測量多種（zhǒng）功能，更能滿（mǎn）足複雜特種零件的加工，並聯機床被認為是“自發明數控技術以來在機床行（háng）業中最有意義的進步”和“21世紀新一代（dài）數控（kòng）加工設備”。

7.  極端化(大型（xíng）化（huà）和微型化 )

國防、航空、航天事業的發展和能源等基（jī）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世紀的戰略技 術，需（xū）發展能適應（yīng）微小型（xíng）尺寸和（hé）微納米加工精度的新型（xíng）製造工藝和裝備。

8.  信（xìn）息交互網絡化

既（jì）可以（yǐ）實現網絡資源共享，又能實現（xiàn）數控機床的遠程監視、控製、遠程（chéng）診斷、維護。

9. 加工過程綠色化

 近年來不用（yòng）或少用冷卻液（yè）、實現幹切削、半（bàn）幹（gàn）切削節能環保（bǎo）的機床不斷出現， 綠色製造的大趨勢使各種節能環保機床加速（sù）發展。

10. 多媒體技術的（de）應用

多媒體技術（shù）集計算機、聲（shēng）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（lì）。可以做到信息處理綜合化、智能化，應用於（yú）實時監控 係統和生產現場設備的（de）故（gù）障診斷（duàn）、生產（chǎn）過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

目（mù）前，數控機床的發展日新月異（yì），高速（sù）化、高精（jīng）度化（huà）、複合化、智能化、開放化、並聯驅動（dòng）化、網絡化、極端化、綠色（sè）化已成為數控機床發展的趨（qū）勢和方向。