​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（jì）算機技術的發展給數控技術帶來了新的活力。數控技術（shù）和數控裝備是各個國家工業現代化（huà）的重要（yào）基礎。

    數控機（jī）床是現代製造業的主流設備，精密加工的必備裝備，是體現現代機床技術水平、現代機械製造業工藝水平的重要標誌，是（shì）關係國（guó）計（jì）民（mín）生、國防尖端建設（shè）的戰略物（wù）資。因此世界上各工業發達（dá）國家均采取重大措施來發展自己（jǐ）的數控技術及其（qí）產業。

CNC數控（kòng）加工

    CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計（jì）算機數據控製”，簡（jiǎn）單地說（shuō）就是“數（shù）控加（jiā）工”，在珠江三角洲地區，人們稱為（wéi）“電腦鑼”。

    數控加工（gōng）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、高精度與高柔性特點的自動（dòng）化加工（gōng）方法。它是將要加工工件的（de）數控程（chéng）序輸入給機床，機床在這些數（shù）據的控製下自動加工出符合（hé）人們意願的工（gōng）件，以製造出美妙的產品。

    數控加工技（jì）術可有效解決像模具這樣複雜（zá）、精密（mì）、小批多變的加工問題，充分適應了現代化生產的需要。大力發（fā）展數控加工技術已（yǐ）成為（wéi）我國（guó）加（jiā）速發展經濟、提高自主創新（xīn）能力的重要途徑。目前我國數控機床（chuáng）使用越（yuè）來越普（pǔ）遍，能熟練（liàn）掌握數控機床編程，是充分發揮其功能（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（shù）、計算機技術、測量技術、傳感器技術、自動控（kòng）製技術及（jí）人工智能技術（shù）等多種先進技（jì）術於一體，並與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

    數控機床集（jí）機床、計算機、電（diàn）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（běn）組成包括控製介質、數控裝置、伺服係統、反（fǎn）饋裝置及機床本體

1、控製介質

  控（kòng）製介質是儲存數控加工所需要的全部動作刀具相對於工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程（chéng）序，因此，控製介質就是指將零件加工信息傳送到數控裝置去的信息載體。控製介質有多種形式，它隨著數控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔（kǒng）卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展（zhǎn），穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編（biān）程，然後（hòu）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（yòng）越來越廣泛。

2、數（shù）控裝置

  數控（kòng）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（shù）控裝（zhuāng）置CNC。數控裝置包括輸入裝（zhuāng）置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數控（kòng）裝置能完成信息的輸（shū）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、驅動機床執行機構運動的驅動部（bù）件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機（jī）和進給電機等。工作時，伺服係統接受數控係統的指令（lìng）信息，並按照指令信息的要（yào）求與位置、速度反（fǎn）饋信號相比較後，帶動（dòng）機床的移動部件（jiàn）或執行部件動作，加工出（chū）符合圖紙要（yào）求的零件。

4、反（fǎn）饋裝置

    反饋裝置（zhì）是由測量元件（jiàn）和相應的電路組成，其作用（yòng）是檢（jiǎn）測速度和位移，並將信息反饋回來，構成閉（bì）環控製。一些精度要求不高的數控機床，沒有反饋（kuì）裝置，則稱為開環係統。

5、機床本體

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

CNC加工工藝的特點

    CNC數控加工工藝也遵（zūn）守機械加工切（qiē）削規律，與普通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中的一種自動化加工，因而具有加工效率高、精度（dù）高等特點，加工工藝有其獨特之處，工（gōng）序較為複（fù）雜，工步安排較（jiào）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（què）定及走刀工藝路線的設計等內容。CNC數控加工工藝是數控（kòng）編程的（de）基礎及（jí）核心，隻有工藝合理，才能（néng）編出高（gāo）效率和高質量的數控程序。衡量數（shù）控程序好壞的標準是：最少的（de）加工時間、最小的刀具損耗及加工出最佳效（xiào）果的工件。

    數控加工工序是工件整體加工工藝的一部分，甚至是一道工序。它要與其（qí）他前後工序相互配合（hé），才能最終滿足整（zhěng）體機器或模具的裝配要求，這樣（yàng）才能加工出合格的零件。

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

CNC的數控編程

  數控編程是從零件圖紙到獲得（dé）數控加工程序的全過程。它的（de）主要（yào）任務是計（jì）算加（jiā）工走刀中的刀位（wèi）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（de）交點，多軸加工中還要給（gěi）出刀軸矢量。

    數控機床是根據（jù）工件圖樣要求及加工工藝過（guò）程，將所用刀具及各部件的移動（dòng）量、速（sù）度和動（dòng）作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以（yǐ）規定的數控代碼形式編成程序單，輸入到機床專用計算機中。然後，數控係統根據輸入的指令進（jìn）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（de）位移和有（yǒu）順序的動作，加（jiā）工（gōng）出各種不同形狀的工（gōng）件。因此，程序的編（biān）製對（duì）於數控機床效能的發揮影響極大。

    數控機床必須把代（dài）表各種（zhǒng）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（jìn）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部件的操作（zuò），從而完成零件的切（qiē）削加工。

  目前數控程序有兩個標準：國（guó）際標準（zhǔn）化組織的ISO和美國電（diàn）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，而使用商品化的CAD/CAM軟件。

    CAD/CAM是計算機輔助編程係統的核（hé）心，主要（yào）功能有數據（jù）的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設（shè）置、加工仿真、數控（kòng）程序後處理（lǐ）和數據管理等。

  目前，在我國深受用戶喜歡（huān）的（de）、數控（kòng）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（yuán）理、圖形處理方法（fǎ）及加工方法都大（dà）同小（xiǎo）異，但各有特點（diǎn）。

CNC數控加工零件的步驟

    1、分析零（líng）件（jiàn）圖（tú），了解工件（jiàn）的大（dà）致情況（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）

    2、確定零件的數控加工工藝（加工的內容，加工的路線）

    3、進行必要的數值計算（基點、節點的坐標計算）

    4、編寫程序單（不同機床會有所不同，遵守使用手冊）

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

    6、對（duì）工件進行加工（好的過程（chéng）控製能很好的節（jiē）約時間和提高加工質量）

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

數控機床（chuáng）的發展曆史

    二（èr）戰後，製造業的生產大部分是依靠（kào）人工操作，工人（rén）看懂圖紙後，手工（gōng）操作機床，加（jiā）工零件，用這種方式生產產品，成本（běn）高，效率低，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）構思了一種方法，在一（yī）張硬紙卡上（shàng）打孔來表示需要加工的零件幾（jǐ）何形狀，利用著一張硬卡（kǎ）來控製機床的動作，在當時，這隻是一種構思。

    1948年，帕森斯向美國空軍展（zhǎn）示了他的這種想法（fǎ），美國空軍看後，表示極大的興趣，因為美國空軍正（zhèng）在尋找一種先進（jìn）的加工方法，希望解（jiě）決飛（fēi）機（jī）外型樣板的（de）加（jiā）工問題，由於樣板形狀複雜，精度要（yào）求高，一般的設備難以適應，美國空（kōng）軍立即委托及（jí）讚助美（měi）國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬（yìng）卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻省（shěng）理工學院和帕森斯公司（sī）合作，成功的研製出了（le）第一台示範機，到了1960年較為簡單和經濟的點位控（kòng）製鑽床，和直（zhí）線（xiàn）控製數控銑床得到了較快的發展使數（shù）控機床在製造業各部門逐步（bù）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（zuì）早的模擬信（xìn）號電路控（kòng）製發展（zhǎn）為極其複（fù）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（tǒng）。

    就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢的，對（duì）於國內的大多數車間來（lái）說。設備比較（jiào）落（luò）後，人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年引入的，其控製單元主（zhǔ）要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一台數控（kòng）機床誕生，已經從銑床或車床發展到加工中心，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（dài）NC係統，其首次采用集成（chéng）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（wǒ）們非常熟悉的計算機（jī）數字控製係統（CNC控製係統）。

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

    6、第六代（dài）NC係統采用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（sù）化

隨著汽車（chē）、國防、航（háng）空、航天（tiān）等（děng）工業的高速發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（yuè）來（lái）越高。

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（fèn）辨率為0.01µm時（shí），最大進給率達到240m/min且可（kě）獲得複雜型的（de）精確加工；  

c. 運算速度：微處理器的迅速發展為數控（kòng）係統向（xiàng）高速、高精（jīng）度（dù）方向（xiàng）發展提供了保障，開發出（chū）CPU已發展到32位（wèi）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（suàn）速度的極大提高，使得當分辨率為0.1µm、0.01µm時仍（réng）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（jiā）工中心的刀具交換時間普（pǔ）遍已在1s左右，高的（de）已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計（jì）成籃子樣式，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（yǐ）經不局限於靜態的幾何精度，機床的運動精度、熱變（biàn）形（xíng）以及對振動的監測和補（bǔ）償越來越獲得重視（shì）。

a. 提高CNC係統控製精度（dù）：采用高速（sù）插補技術（shù），以微（wēi）小程序段實現（xiàn）連（lián）續進給，使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位置檢（jiǎn）測裝（zhuāng）置，提 高（gāo）位置檢測精度，位置伺服係統采用前饋控製與 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（jù）誤差補（bǔ）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（cháng）。

c. 采用網（wǎng）格（gé）解碼器（qì）檢查和提高加工中心的運動軌跡（jì）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，能夠在不同（tóng）運行條件下完成多種加工任務，並保證零件的加工（gōng）質量。

3. 功能複合化

複（fù）合機床的含義是指在一台機（jī）床上實現或盡可能完成從毛坯至成品（pǐn）的多種（zhǒng）要素加工。根據其結構特點可分為工藝複合型（xíng）和工序複（fù）合型兩類。 加工中心能夠完（wán）成 車（chē）削、銑（xǐ）削、鑽（zuàn）削、滾（gǔn）齒、磨削、激（jī）光熱處理等多種工序，可完成複雜零件的全（quán）部加工。隨著現代機械加工要（yào）求的不斷提高，大量的多軸聯動數控機床越來越受到各 大企業的歡迎。  

4. 控（kòng）製智能化

隨著人工智能（néng）技術的發展，為了滿足製造（zào）業生產柔性化、製（zhì）造（zào）自動化的發展需求，數控機（jī）床的智能化程度在不斷（duàn）提高。具體（tǐ）體現在以下幾個方麵：

a.  加（jiā）工過程自適應控製技術；  

b. 加工參數的智能優化與（yǔ）選擇；  

c. 智能故障自診斷與自修複技術；

d. 智能故障回放和故（gù）障仿真技（jì）術；

e. 智能化（huà）交流伺服驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係（xì）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（hé）在一（yī）個係統中 。

5. 體係開放化

a. 向（xiàng）未來技術開放：由於軟硬件接口都遵循（xún）公認的（de）標準協議，可采納、吸收和兼容新一代通用軟硬件。  

b. 向用戶特殊要求開放：更新（xīn）產品（pǐn）、擴充功能、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）準化的編程語言，既方便用戶 使用，又降低了和操作效率直接（jiē）有關的勞動消耗。

6. 驅動並聯化

可（kě）實（shí）現多坐標聯動數控加工（gōng）、裝配和測量多（duō）種功（gōng）能，更能滿足複雜特種零件的加工，並聯機床被認為是“自發明（míng）數控技術以來在機床行業中最有意義的進（jìn）步”和“21世紀新一代數控加工設（shè）備”。

7.  極端化(大型化（huà）和微型化 )

國防、航空、航天事業的（de）發展和能源等基礎產業裝備（bèi）的（de）大型化需要大型且性能良好（hǎo）的數控機床的支撐。而超精密加工（gōng）技術（shù）和微納米技（jì）術是21世紀的戰略技 術，需（xū）發展能適應微（wēi）小（xiǎo）型（xíng）尺寸和微納米（mǐ）加工精度的新型製造（zào）工藝和裝備（bèi）。

8.  信息交互網絡（luò）化

既可以實現網（wǎng）絡資源（yuán）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

 近年來不用或（huò）少用冷卻液、實現幹切削、半幹切削節能環（huán）保的機床不（bú）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. 多媒體技術的應用

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

目前，數控機床的發展日新月異，高速化、高精度化、複合化、智能化、開放化（huà）、並（bìng）聯驅動化、網（wǎng）絡化、極端（duān）化、綠色化已成為數控機床發展的趨勢和方向。