​高端精（jīng）密製造的CNC數控加工技術

    數控技術的應用（yòng）使傳統的製造業發生了質的變化，尤其是（shì）近年來．微（wēi）電子技術和計算機技術的發展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（jiā）工業現（xiàn）代化的重要基礎。

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

CNC數控加工

    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（kòng）加工”，在珠江三（sān）角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

    數控加工是當今機械製造中的先進加工（gōng）技術，是一種具（jù）有高效率、高（gāo）精度與高柔性特點的自動化加工（gōng）方法。它是將要加工（gōng）工件的數控（kòng）程序輸入給機床，機床在這些數據的控製下自動加工出（chū）符合人們意願的工件，以製造出美（měi）妙（miào）的產品。

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

    數控機床是典型的機（jī）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（kòng）製技術及人（rén）工智能技術等多種先進技術於一體，並與機械加工工藝緊密結合，是新一代（dài）的機械製造技術裝備。

CNC數控機床（chuáng）的組成

    數控機床（chuáng）集機床、計算機（jī）、電動機及（jí）拖動（dòng）、動控製、檢測等技術為一體的自動化設備。數控機（jī）床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（jí）機床本體

1、控製介質

  控製介質是儲存數（shù）控加工所需要的全部動作刀（dāo）具相對於工件位置信（xìn）息的媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控製（zhì）介質就是指將零件（jiàn）加工信（xìn）息傳送到（dào）數控（kòng）裝置去的信息載體（tǐ）。控製介質有（yǒu）多種形式，它隨著數控裝置類型（xíng）的不（bú）同而不同，常用的（de）有（yǒu）穿（chuān）孔帶、穿孔卡（kǎ）、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨（qū）於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程（chéng），然後通過計算機與數控係統通信，將程序和（hé）數據直接傳送給數控裝置的方法（fǎ）應（yīng）用越（yuè）來越廣泛（fàn）。

2、數控裝（zhuāng）置

  數控裝置是數控機床的核心，人們喻為“中（zhōng）樞係統”。現代數控機（jī）床都采用（yòng）計算機數控裝置CNC。數控裝置包（bāo）括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝（zhuāng）置能（néng）完成信息（xī）的輸入、存儲、變換、插補運算以及（jí）實現各種控製功能。

3、伺服係統

    伺服（fú）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（yuán）、進給驅（qū）動單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服係統接受數控係統（tǒng）的指令信息，並按照指令信息的要求與位（wèi）置、速（sù）度反饋信號相比較後，帶動機床的（de）移（yí）動部件或（huò）執（zhí）行部件動作，加工出符合圖紙要求（qiú）的零件。

4、反饋裝（zhuāng）置

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

5、機床本體

    機床本體是數控（kòng）機床的實體（tǐ），是完成實際（jì）切削加工的機械部（bù）分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主（zhǔ）軸（zhóu）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（de）加工（gōng）工藝（yì）大體（tǐ）相同。由於它是把計算機控製技術應用於機械加工之（zhī）中（zhōng）的一種自動（dòng）化加工，因（yīn）而具有（yǒu）加工效率高、精度高等特點，加工工藝有（yǒu）其獨特（tè）之處，工（gōng）序較（jiào）為複雜，工步安排較為詳盡周密。

    CNC數控加（jiā）工工藝包括刀具的（de）選擇、切削參數（shù）的確定及走刀工藝路線的設計（jì）等內容。CNC數控加工工藝是數控編（biān）程的（de）基礎及核心（xīn），隻有工藝合理，才能編出高效（xiào）率和高質量的數控程序。衡量數控程序好壞的標準是（shì）：最少的加（jiā）工時間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工件。

    數控（kòng）加工工序是工件整（zhěng）體加（jiā）工工藝的一部分，甚（shèn）至是（shì）一道（dào）工序。它（tā）要與其他前後工（gōng）序相互配合，才能最終滿足整體機器（qì）或模具的裝（zhuāng）配要求，這樣才能加工出合格的零（líng）件。

    數控加工工序一般分為粗加工、中粗清角加工、半精加工及（jí）精加工等工步。

CNC的數（shù）控（kòng）編程

  數控編程是從零件圖紙到獲得數（shù）控加工程序的全過程。它的主要任務是計算加工走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀（dāo）位點一般（bān）取為刀具軸（zhóu）線與刀具表麵（miàn）的交點，多軸（zhóu）加工中還要給出刀軸矢量（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（liàng）、速度和動作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向（xiàng）、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作（zuò），以規定的數控代碼形式編成程序單（dān），輸入（rù）到機床專用計算機中。然（rán）後（hòu），數控係統根據輸入的指令進行編譯（yì）、運算和邏（luó）輯處理後，輸出各種信號和指令，控製各（gè）部分根據規定（dìng）的位移和有順序的動作，加工出各（gè）種不同形狀（zhuàng）的工件。因此，程序的編製對於數（shù）控機床效能的發揮（huī）影響極大。

    數控機床必須把代表各種不（bú）同功能的指令代碼以程序的形式輸入數控裝置（zhì），由數控裝置進行運（yùn）算處（chù）理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個運動（dòng）部件的操作，從而完成零件的切削加工。

  目前數控程序有兩個標準：國際標準化組織的ISO和美國電子工業協會的EIA。我國采用ISO代（dài）碼。

  隨著（zhe）技術的（de）進步，3D的數（shù）控編程一般很少采用手工編程，而使用商（shāng）品化的CAD/CAM軟件。

    CAD/CAM是計算機輔助（zhù）編程（chéng）係統的核心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設置（zhì）、加工仿真、數（shù）控程（chéng）序後處理和數據管（guǎn）理等。

  目前，在我國深受用戶喜歡的、數控（kòng）編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於（yú）數控編程的原理、圖形處理方法及（jí）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（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（yì）（加工的內容，加工的路線）

    3、進行必要的數值（zhí）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（yòng）手冊）

    5、程序校驗（將程序輸入機床，並進行圖形模（mó）擬，驗證編程（chéng）的正確）

    6、對工件進行（háng）加工（好（hǎo）的過程控製能（néng）很好的（de）節約時間和提高加（jiā）工質量）

    7、工件驗收和質量誤差分析（對（duì）工件進行檢驗，合格流（liú）入下一道。不合格則通過質量分析（xī）找出產生誤差原因和糾正方法）。

數控機床的發（fā）展曆史

    二戰（zhàn）後，製造業的生產大（dà）部分是依靠人工操（cāo）作，工人看懂圖紙後，手工操作機床，加工零件（jiàn），用這種（zhǒng）方式生產產品，成本高，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（sēn）斯（sī）（John Parsons）構思了一種方法，在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（kòng）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示了他的（de）這種想法，美國空軍看後，表示極大（dà）的興趣，因為美國空軍正（zhèng）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（gōng）問題，由於樣板形狀複雜，精度要求（qiú）高，一般的設備難以適應，美國空軍立即（jí）委托及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發（fā）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（zuò），成功的研製出了第一（yī）台示範（fàn）機，到了1960年較為（wéi）簡單和經濟（jì）的點位控製鑽床，和直線控製（zhì）數控銑床得到了較快的發展使數控機床（chuáng）在製造業（yè）各部門逐步獲得推廣。

    CNC加（jiā）工的曆史已經經曆了長達半個（gè）多世紀，NC數（shù）控係統也由最早的模擬信號電（diàn）路控製發展為（wéi）極其複雜的集成加工係統，編程方式也有手工發（fā）展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

    就我國而言（yán），數控技（jì）術的發展是比較緩（huǎn）慢的，對（duì）於國（guó）內的大（dà）多數車間來說。設備比（bǐ）較落後，人（rén）員的（de）技術水平和觀（guān）念落（luò）後表現為加工質量和加工效率低（dī）下，經常拖延交貨期。

    1、第一代NC係統（tǒng）是在1951年引入的，其控（kòng）製（zhì）單元主要（yào）有各種閥門和模（mó）擬電路（lù）組成的（de），1952年第一台（tái）數控機床（chuáng）誕生，已經從銑床或車床（chuáng）發展到加工中心，成為現代製造業（yè）的關鍵設備。

    2、第二代NC係統於1959年（nián）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，其首次采用集成電路板。

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

    5、1975年，NC係統采用了強大（dà）的微處理器，這就是第五（wǔ）代NC係統。

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

數控機床（chuáng）的發展趨勢

1. 高速化（huà）

隨著汽車（chē）、國防（fáng）、航空、航（háng）天等工業的高速發（fā）展以及鋁合金等新材料的應用，對數（shù）控（kòng）機床加（jiā）工的高速化要求越來越高。

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（kě）獲得複（fù）雜型（xíng）的精確（què）加工（gōng）；  

c. 運算速（sù）度：微處（chù）理器（qì）的迅（xùn）速發展為數控係統（tǒng）向高速、高精度方向（xiàng）發展提供（gòng）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：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫（kù）設計成籃子樣式，以（yǐ）主軸為軸心，刀（dāo）具（jù）在圓周布置（zhì），其（qí）刀到（dào）刀的換（huàn）刀時間僅0.9s。

2. 高精度化

數控機床精度的要求現在已經（jīng）不局限於靜（jìng）態的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的監測（cè）和補（bǔ）償越來越獲得重視。

a. 提高CNC係統控製精度（dù）：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續進（jìn）給，使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位（wèi）置檢測裝置，提（tí） 高位置檢測精（jīng）度，位置伺（sì）服係統采用前饋（kuì）控製與 非線性控製等方法；

b. 采用誤差補償（cháng）技術：采用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補（bǔ）償和刀（dāo）具誤差補償（cháng）等技術（shù），對設備的熱（rè）變形誤差（chà）和空間（jiān）誤差進行綜合補償。

c. 采（cǎi）用網格解碼器檢查（chá）和提高加（jiā）工中心的運動軌跡精度: 通（tōng）過仿真預測機床（chuáng）的加工（gōng）精度（dù），以保證機（jī）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（bú）同運行條件下完成（chéng）多（duō）種加工任務，並保證（zhèng）零件（jiàn）的加（jiā）工質（zhì）量。

3. 功能複合化

複合機床的（de）含義是指在一台機床上實現或盡可能完（wán）成從毛坯至（zhì）成品的多種要素加工。根據其結構特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（xǐ）削、鑽（zuàn）削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序（xù），可完成複雜零件的全部加工。隨著現代機械加工要求的不（bú）斷提高，大量的多軸聯動數控機床越來（lái）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，為（wéi）了滿足製造業生產柔性化、製造自（zì）動化的發展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高（gāo）。具體體現（xiàn）在以下幾個方麵：

a.  加工過程自（zì）適應控製技術；  

b. 加工參數的（de）智能優化（huà）與選擇；  

c. 智能故障自診斷與自修複技術；

d. 智能故障回放和故障仿真技術；

e. 智能化交流伺服驅動裝（zhuāng）置；  

 f. 智能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（tǒng）中 。

5. 體係開（kāi）放化

a. 向未來（lái）技（jì）術開放：由於（yú）軟（ruǎn）硬件接口都遵循公認（rèn）的標準協議，可采納、吸收和兼容新（xīn）一代通用軟硬（yìng）件。  

b. 向用戶特殊要求開放：更新產品（pǐn）、擴充功能、提供（gòng）硬軟件產品的各種（zhǒng）組合以滿足特（tè）殊應用要求（qiú）；  

c. 數控標準的建（jiàn）立：標（biāo）準化的編（biān）程語言，既方便用戶 使用，又降低了和操作效率（lǜ）直接有（yǒu）關的勞動消耗。

6. 驅動並聯化

可實現多坐標聯動（dòng）數控加工、裝配和測量（liàng）多種功能，更能滿（mǎn）足複雜特種零件的加工，並聯機（jī）床被認為是“自發明數控技術以來在機床（chuáng）行業（yè）中最有意義的進（jìn）步”和“21世紀新一代數控（kòng）加工（gōng）設備”。

7.  極端化(大（dà）型化和微型化 )

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

8.  信息交互網（wǎng）絡化（huà）

既可以實（shí）現（xiàn）網絡資源共享，又（yòu）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

 近年來不用或少用冷卻（què）液、實現幹切削、半幹切削節（jiē）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體，使計算機具有綜合處理（lǐ）聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以（yǐ）做（zuò）到信息處理綜合化、智能化，應用於實時監控 係統和生產現場設備的（de）故障（zhàng）診斷、生（shēng）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（huà）、複合化、智能化、開放（fàng）化、並聯驅動化、網絡（luò）化、極端化、綠色化已成（chéng）為數控機床發展的趨（qū）勢和方向。