​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（shēng）了（le）質（zhì）的變化，尤其是近年來（lái）．微電子技術和計算機技術的發展給數控技術（shù）帶來了新的活力。數控技術和數控（kòng）裝備是各（gè）個國家（jiā）工業現代化的重要基礎。

    數控機床是現代（dài）製（zhì）造業的主流設備，精密加工的必備裝備，是體現現代機床（chuáng）技術水平、現代機械製造（zào）業工藝水平的（de）重要標誌，是關係國計民生（shēng）、國防尖端建設的戰略物資。因此（cǐ）世界上各工業發（fā）達國家均采取重大措施來發展自己的數控技（jì）術及其產業。

CNC數控（kòng）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（gōng）”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

    數（shù）控加工是當今機（jī）械（xiè）製造中的（de）先進加工技術，是一種具有高效率、高（gāo）精度與高柔性特點的自（zì）動化加工（gōng）方法。它是將要加工工件的數控程序輸入給機床，機床在這些數據（jù）的控製下自動加工出符合人們意願的工件，以製造出美妙的產品。

    數（shù）控加工技術可（kě）有效解決像模具這樣複雜、精密、小批（pī）多變的加工問題，充分適應了現代化生產（chǎn）的需要。大（dà）力（lì）發展數控加工技術已成為我國加速發展經濟（jì）、提（tí）高（gāo）自主創新能力的重要途徑。目前我國數控機床（chuáng）使（shǐ）用越來越普遍，能熟（shú）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，它集微電子技術、計算機技術、測量技術、傳感器技術、自動控製技術及人（rén）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（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（dòng）機及拖動、動控製、檢測等（děng）技（jì）術為（wéi）一體的自動（dòng）化（huà）設備。數控機床的基本組成包括控製介質、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（zhì）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序，因此，控製介質就是（shì）指將零件加工信息傳送到數控裝置去的信息載（zǎi）體。控製（zhì）介質有（yǒu）多種形式，它隨（suí）著數控裝置類型（xíng）的不（bú）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（kǒng）帶、穿孔卡趨於淘汰，而利（lì）用CAD/CAM軟件（jiàn）在（zài）計（jì）算機編程，然後通過計算機與數控係統通（tōng）信，將（jiāng）程序和數據直接傳送給數控裝置（zhì）的方法應用越來越廣泛。

2、數控裝置

  數控裝置是數控機床的核心，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。數控裝置包括輸入裝（zhuāng）置及中央處理器（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、插補運算以及實現各種控製功能。

3、伺服係統

    伺（sì）服（fú）係統是接收數控裝置的指令、驅（qū）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、主軸電機和進給電（diàn）機等。工作時，伺服（fú）係統接受數控係統的指令（lìng）信息，並按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比（bǐ）較後，帶動機床的移動（dòng）部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求（qiú）的零件。

4、反饋裝置

    反饋裝置（zhì）是（shì）由（yóu）測量元件和相（xiàng）應的電路組成，其作用是檢測速度（dù）和位移，並將信息（xī）反饋回（huí）來，構成閉環（huán）控製。一些精度要求不高的數控機（jī）床，沒有（yǒu）反饋裝置（zhì），則稱為開環係統。

5、機床本體

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

CNC加工（gōng）工藝的特點

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

    CNC數控加工（gōng）工藝包括（kuò）刀具的選擇、切削參（cān）數的確（què）定及走（zǒu）刀工藝路線（xiàn）的設（shè）計等內（nèi）容。CNC數（shù）控加工工藝是數控編程的基礎及（jí）核心，隻有工藝合理（lǐ），才能編出高效率和高質量的數控程序。衡量數（shù）控程序好壞的標準是：最少的加工（gōng）時間、最（zuì）小的刀具損耗及加工出最佳效果（guǒ）的工件。

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

    數控加工工序一般分為粗加工、中粗（cū）清角（jiǎo）加工、半精加工及精加工等工步。

CNC的（de）數控編程

  數控編程是從零件（jiàn）圖紙到獲得數控加工程序的全過程。它的主要任（rèn）務是計算加工走刀中的（de）刀位點（diǎn）（cutter locations point簡（jiǎn）稱（chēng）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（gōng）中還要給出刀（dāo）軸矢量（liàng）。

    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（hé）動作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向（xiàng）、刀頭夾緊、刀頭鬆（sōng）開及冷卻等操作，以規（guī）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行編（biān）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移和有順序的動作，加工出各種不同形（xíng）狀的工件。因此，程序的編製對於數控機床效能的發揮影響極大。

    數控機（jī）床必（bì）須把代表各種不同功能的指令代碼以程序的形（xíng）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）控製數控機床的各個運動部件的操作，從而完成零件（jiàn）的切（qiē）削加工（gōng）。

  目（mù）前數控程序有兩個標準：國際標準化組織的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（jìn）步，3D的數控編程一般很少采用手工編程，而使用商品化（huà）的CAD/CAM軟件。

    CAD/CAM是計算機輔助（zhù）編（biān）程係統（tǒng）的核（hé）心，主要功能有數據的輸（shū）入/輸出、加工（gōng）軌跡的計算及編輯（jí）、工藝參數設置、加工（gōng）仿真、數控程序後處理和數據管理等。

  目前，在我國深（shēn）受用（yòng）戶喜歡的、數控編（biān）程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對（duì）於數控編程的（de）原理（lǐ）、圖形處理方法及加工方法都大同小（xiǎo）異，但各有特點。

CNC數控加工零件（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，工藝要求等）

    2、確定零件的數控加工（gōng）工藝（加工的內容，加工的路線）

    3、進（jìn）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（huì）有所不同，遵守使用（yòng）手冊）

    5、程序（xù）校驗（將（jiāng）程序輸入機（jī）床，並（bìng）進行圖形模（mó）擬（nǐ），驗證編程的正確（què））

    6、對工件進（jìn）行加工（好的過程控製能很好的節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（hé）格流入下一道。不合格則通過質量分析找（zhǎo）出產生誤差原因和糾正方法）。

數控機床的發展曆史

    二戰後（hòu），製造業的（de）生產大部分是依靠人工操作，工人看（kàn）懂圖紙後，手工操作機床，加工零件，用這（zhè）種（zhǒng）方式生產（chǎn）產品，成本高，效率低（dī），質（zhì）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（zài）一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾（jǐ）何形狀（zhuàng），利用著一張硬卡來控製機床的動作，在當時，這隻是一種構思。

    1948年，帕森斯向美國空（kōng）軍展（zhǎn）示了他的這種（zhǒng）想法，美國空軍看後（hòu），表（biǎo）示極大的興（xìng）趣，因為美國空軍正在尋找一種先（xiān）進的加工方法，希望解決飛機外型樣（yàng）板的加工問（wèn）題，由於樣（yàng）板形狀複雜，精度要求高，一般的設備難以適應，美國空軍立即委托及讚（zàn）助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控製（zhì）的機床，終於在1952年，麻省（shěng）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年較為簡單和經濟（jì）的點位控製鑽（zuàn）床，和直線控製數（shù）控銑床得（dé）到了較快的發展使數控機床在製造業各部門（mén）逐步（bù）獲得推廣。

    CNC加工的曆史已經經曆（lì）了長達半個多世紀，NC數控（kòng）係統也由（yóu）最早的模擬信號電路控製發展為（wéi）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（dà）的CAD/CAM集成係統（tǒng）。

    就我國（guó）而言，數控技術的發展是比較緩慢的，對於國內的（de）大多數車（chē）間來說。設（shè）備比較（jiào）落後，人員的技術水平和觀念落後表現為加工質量和加工（gōng）效率低下（xià），經常拖延交貨（huò）期。

    1、第一代NC係統是在1951年引入的，其控製單（dān）元（yuán）主要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一台（tái）數控機床誕生，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（chéng）。

    3、1965年（nián）引入了第三代NC係（xì）統，其首次采用（yòng）集成電路板。

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

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

    6、第六代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（jī）床的發展趨勢

1. 高速化

隨著（zhe）汽車、國防（fáng）、航空（kōng）、航天等工業的高速發展以及鋁合金等新材（cái）料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。

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

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

c. 運（yùn）算速度：微處（chù）理器的（de）迅速發展為數控係統（tǒng）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，頻率提高到幾百兆赫、上（shàng）千兆赫。由於運算速度的極（jí）大（dà）提高，使得當分辨（biàn）率為0.1µm、0.01µm時仍能獲得高達24～240m/min的（de）進給速度；  

d. 換刀速度：目前國外先（xiān）進加工中心的刀具交換時間普遍已（yǐ）在（zài）1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司（sī）將刀庫設計（jì）成籃子樣式，以主軸（zhóu）為軸心，刀具在圓（yuán）周布置，其刀到刀的換（huàn）刀時間（jiān）僅0.9s。

2. 高精度化

數控（kòng）機床精（jīng）度的要求現在已經不局限於靜態的幾何精度，機床的（de）運動（dòng）精度、熱變形以及對振動的監測和（hé）補償越來（lái）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（wēi）小程序段實現連續進給，使（shǐ）CNC控製單位（wèi）精細（xì）化，並采用高（gāo）分辨（biàn）率位置檢測裝置，提 高位置檢測精度，位置伺服（fú）係統（tǒng）采用前饋（kuì）控製與 非線（xiàn）性控製等方法；

b. 采用誤（wù）差補償技術：采用反向間（jiān）隙補償、絲（sī）杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設備的（de）熱變形誤差和空間誤差（chà）進行綜合補（bǔ）償。

c. 采用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度: 通過（guò）仿真預測機床的（de）加工（gōng）精度，以保證機床的定位精度和（hé）重複定（dìng）位精度，使（shǐ）其性能長期穩定，能夠在不（bú）同運行條件下完成多種加工（gōng）任務（wù），並保證（zhèng）零件（jiàn）的加工質量。

3. 功（gōng）能（néng）複合化

複合機床的含義是指在一台機床上實現或盡可能完成（chéng）從（cóng）毛坯至成品的多（duō）種要素加工。根據其結構特（tè）點可分為工藝（yì）複合（hé）型和工序複合型兩（liǎng）類。 加工中心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處（chù）理等多種工序，可完成複雜零件的全部加（jiā）工。隨著現代機械加工（gōng）要求的不斷（duàn）提高，大量（liàng）的多（duō）軸聯動數控機床越來越受到各 大企業的歡迎。  

4. 控製智能化

隨著人工智能技術的發展（zhǎn），為（wéi）了滿足（zú）製造業（yè）生產柔性化、製造自動化的發展需求，數控機床的智能化程（chéng）度在不斷提高。具（jù）體體現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b. 加工參數的智能優（yōu）化與選擇；  

c. 智（zhì）能故障自診斷與自修複技術；

d. 智能故障回放和（hé）故（gù）障仿真（zhēn）技（jì）術；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智能（néng）4M數控係統（tǒng）：在製（zhì）造過程中， 將測量 、建模、加工、機器操作四（sì）者(即4M)融合在一個係統中 。

5. 體（tǐ）係開（kāi）放化（huà）

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

b. 向用（yòng）戶特殊要求開放：更新產品、擴充功能、提（tí）供硬軟件產品的各種組合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接有關的勞動消耗。

6. 驅動並聯化

可實現多（duō）坐標（biāo）聯動數控加工、裝配和測量多種功能（néng），更能滿足複雜特（tè）種零件的加（jiā）工，並聯（lián）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世紀新（xīn）一代數控加工設（shè）備”。

7.  極（jí）端化(大型化和微型化 )

國防、航空、航天（tiān）事業的發展和能源等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良好（hǎo）的數（shù）控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術（shù）是21世紀的戰略技 術（shù），需發展能適應微小型尺寸和微納米加工（gōng）精（jīng）度的新型製造（zào）工藝（yì）和裝（zhuāng）備。

8.  信息（xī）交互網絡化

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

9. 加工過程綠色（sè）化

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

10. 多媒體技術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一（yī）體，使計算機具有綜合處理聲（shēng）音、文字、圖（tú）像和視（shì）頻信息（xī）的能力。可以（yǐ）做到信息（xī）處理綜合化（huà）、智能化，應（yīng）用於實時（shí）監控 係統和生產現場設（shè）備的（de）故障診斷、生產過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

目前，數控機床的發（fā）展日新月異，高速化、高精度化、複合化、智能化、開（kāi）放化、並聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成（chéng）為（wéi）數控機床發（fā）展的趨勢和方向。