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（le）質的變化，尤其是近年（nián）來．微電子技術和計算（suàn）機技術的發展給（gěi）數控技術帶來了新的活力。數控技（jì）術和數控（kòng）裝備是各個國（guó）家（jiā）工業現代（dài）化的重要基礎。

 

    數控機床是現代製造業的主流（liú）設備（bèi），精（jīng）密（mì）加工（gōng）的必備裝備，是體現現代機床技術水平、現代機械製造業（yè）工藝（yì）水（shuǐ）平的重要標誌，是關係（xì）國計民生、國防尖端建設的（de）戰略物資。因此世界上（shàng）各工業發達國家均采取重大措施來發展自己的數控技術及（jí）其產業。

 

CNC數（shù）控加工（gōng）

 

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

 

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

 

    數控加工技術可有效解決像模具這（zhè）樣複雜、精密、小批多變的加工問題，充分適應了現（xiàn）代化生產（chǎn）的需要。大力（lì）發展（zhǎn）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。目前（qián）我國數控機床使用越來越普遍，能（néng）熟練掌（zhǎng）握數控機床編程，是充分（fèn）發揮其功能的重要途徑。

 

    數控（kòng）機床是典（diǎn）型的機電一體化產（chǎn）品，它集微電子技術、計算機技術、測量技術（shù）、傳感器（qì）技術、自動控製技術及人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，是新一代的機械（xiè）製（zhì）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（tuō）動、動控製、檢測等技術為一體的自動化設備。數控機床的基（jī）本組成（chéng）包括控製介質、數控裝置、伺服係統、反饋裝置及機床（chuáng）本體

 

1、控製介質

 

  控製介質是儲存數控加工所（suǒ）需要的全部動（dòng）作刀具相對於（yú）工件位置信（xìn）息（xī）的媒介物，它記載著（zhe）零件的（de）加工程（chéng）序，因（yīn）此（cǐ），控製介質（zhì）就是指將零件加工（gōng）信息傳送到數控裝置去的信息載體。控製介質有（yǒu）多種形式，它隨著數控裝置類型（xíng）的不同而不同，常用的（de）有穿孔（kǒng）帶、穿孔（kǒng）卡、磁（cí）帶、磁盤等。隨著數控技術的（de）發展，穿孔帶（dài）、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計（jì）算機編程，然後通過計算機與數控（kòng）係（xì）統通信，將程序和數據直接傳送給數控（kòng）裝置的方（fāng）法（fǎ）應用越來越廣泛。

 

2、數（shù）控裝（zhuāng）置

 

  數控裝置是數控機床的核心，人們喻為“中樞係統”。現代數（shù）控機床都采用計算機數控裝置CNC。數控裝置包括輸入裝置及中央處（chù）理器（qì）(CPU)和輸出裝置等構成數（shù）控裝置能完成（chéng）信息的輸入、存儲、變換、插補運算（suàn）以及實現各（gè）種控製功能。

 

3、伺服係統

 

    伺服係統（tǒng）是接收數控裝置的指（zhǐ）令、驅動機床（chuáng）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（diàn）機等。工作時，伺服係統（tǒng）接受數控係（xì）統的指令信息，並按照指（zhǐ）令信息的要求與位置、速度反（fǎn）饋信號相比較後，帶動機床的移動部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。

 

4、反饋裝置

 

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

 

5、機床本體

 

    機床本體是數控機床的實體，是（shì）完成實際切（qiē）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（gōng）工藝的特點

 

    CNC數控加（jiā）工工藝也（yě）遵守機（jī）械加工切削規律，與普通機床的加工工（gōng）藝大（dà）體相同。由於它是把計算機控製技術（shù）應用於機械加工之中（zhōng）的一種自動化加工，因而（ér）具有（yǒu）加工效率高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工序較為複雜（zá），工步（bù）安（ān）排較（jiào）為詳盡周密。

 

    CNC數控加工工藝包括刀具的選擇、切削參數的確定及走刀工藝路線的設計等（děng）內容。CNC數控加工工藝是數控編程的基礎及核心（xīn），隻（zhī）有工藝合理，才能編（biān）出（chū）高效率和高質量的數控程序。衡量數控程序好壞的標準是：最少的（de）加工時間、最小（xiǎo）的刀具損耗（hào）及加工出最佳效果的工（gōng）件。

 

    數（shù）控加工工序是（shì）工件整體加工工藝的一部分（fèn），甚至是一道工序。它要與其他前後工序相互（hù）配合，才能最終滿足整體機器（qì）或（huò）模具的裝配（pèi）要求，這樣才能加（jiā）工出合（hé）格的零件。

 

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

 

CNC的數控編程

 

  數控編程是從零件圖紙到獲得數控加工程序（xù）的全過程。它的主要任務是計算加工走（zǒu）刀中的刀（dāo）位點（cutter locations point簡稱CL點（diǎn））。刀位點一（yī）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（jiāng）所用刀具及各部件的移動量、速度和動作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭（tóu）鬆開及冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編成程序單，輸入到機床專用計算機中。然後，數控係統根據輸入（rù）的指令進行編譯、運（yùn）算（suàn）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（shùn）序的動作，加工出（chū）各種不同形狀的工件。因此，程序的編製對於數（shù）控機（jī）床效能（néng）的發揮影響極大。

 

    數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，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個運動部件的（de）操作，從（cóng）而完成零件的（de）切削加工。

 

  目前數控（kòng）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（de）數控編程一般很少采用手工編程（chéng），而使（shǐ）用商品化的CAD/CAM軟件（jiàn）。

 

    CAD/CAM是計算機輔助編程係統的核心，主要功能有數（shù）據的輸（shū）入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、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，在我國深受用戶喜歡的、數控編程功（gōng）能強大的軟（ruǎn）件有（yǒu）Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件（jiàn）對於數控編（biān）程的原理、圖形處理方（fāng）法（fǎ）及加（jiā）工方法都大同小異（yì），但各（gè）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（幾何形狀（zhuàng），工件材料，工藝要求等）

 

    2、確定零件的數控加工工藝（加工（gōng）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（chéng）序（xù）單（不同機床會有所不同，遵守使用手（shǒu）冊）

 

    5、程序校驗（將程序（xù）輸入機（jī）床，並進行圖形模（mó）擬，驗證（zhèng）編（biān）程的正確）

 

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

 

    7、工件驗收和質（zhì）量誤差分析（對工件進行檢驗（yàn），合格流入下一道。不合格（gé）則（zé）通過質量（liàng）分析找出產生誤差原因和（hé）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依靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作機床，加工零件，用這（zhè）種方式生（shēng）產產品，成（chéng）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（yī）種方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需（xū）要加工的零件幾何形狀，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）軍展示了他的這種想法，美國空軍看後，表（biǎo）示極大的興趣，因為美國（guó）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（de）加工問題，由於（yú）樣板形狀複雜，精度要（yào）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（jiū），開發這部硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻（má）省理工學院和帕森斯公（gōng）司合（hé）作，成功的研製出了第一台示範機，到了1960年較（jiào）為簡單和經濟的點位（wèi）控製鑽床（chuáng），和直線控製數控銑床得到了較快的發展使數控機床在製造業各部（bù）門逐（zhú）步獲得（dé）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（kòng）製（zhì）發展為極其複雜的集成加工係統，編程方式（shì）也有手工發展成為（wéi）智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

 

    就我國而言，數控技術的發（fā）展是比較緩慢的，對於國內的大多數車（chē）間來說。設備（bèi）比較落後，人員的技（jì）術水平和觀念落後表現為加工質量和加工效率低下，經常拖延交貨期。

 

    1、第一代（dài）NC係統是在（zài）1951年引入（rù）的，其控製單元（yuán）主要有各（gè）種閥門和模擬電路組（zǔ）成的，1952年第一台數（shù）控機床誕生，已經從銑床或（huò）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（xì）統於1959年產生的，其主要有單個的晶體管和（hé）其他（tā）部件組成。

 

    3、1965年引入了第三代NC係統，其首次采（cǎi）用集成電路板。

 

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

 

    5、1975年，NC係統采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）

 

數控機床的發展趨勢

 

1. 高速化

 

隨著（zhe）汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展（zhǎn）以及鋁（lǚ）合金等新（xīn）材料的應用，對數控機床加工的高速化要（yào）求越來越高。

 

a.主軸轉速（sù）：機（jī）床采用電主軸(內裝式主軸電機（jī）)，主軸最高轉（zhuǎn）速達200000r/min；  

 

b. 進給率：在（zài）分（fèn）辨率為0.01µm時，最大進給率達到240m/min且可獲得複雜型的精（jīng）確加工；  

 

c. 運算速度：微處理器的迅速（sù）發展為數控係統向高速（sù）、高精度方（fāng）向（xiàng）發展提（tí）供了保障，開發出CPU已發展到32位以（yǐ）及64位的數控（kòng）係統，頻率提高（gāo）到幾百兆赫、上千兆赫。由於運（yùn）算（suàn）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（mù）前（qián）國（guó）外（wài）先進加工中（zhōng）心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設（shè）計成籃子樣式，以主軸為軸（zhóu）心，刀具在圓周布置（zhì），其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

 

2. 高（gāo）精度化

 

數控機床精度的要求現在（zài）已經不（bú）局限於靜態的幾何精度，機床的運動（dòng）精度、熱變（biàn）形以及對振動的監測和補（bǔ）償越來越獲得重視。

 

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

 

b. 采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設備的熱（rè）變（biàn）形誤差和空間誤差進行綜合（hé）補償。

 

c. 采用網（wǎng）格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度: 通過仿真預（yù）測機床的加工精度，以保證機床（chuáng）的定位精度和重複定位精度，使其性能長期穩定，能（néng）夠在不同運行條件下完成多種加工任務，並保證零件的加工質量。

 

3. 功能複合化

    

複（fù）合（hé）機床的含義是（shì）指在一台機床上實現或盡可能完成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（yì）複合型和工序複合型兩（liǎng）類。 加工中心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削（xuē）、激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的不斷提（tí）高（gāo），大量的多軸聯動數（shù）控（kòng）機床越來越受（shòu）到各 大企業的歡迎。  

 

4. 控（kòng）製智能化（huà）

 

隨（suí）著人工智能技（jì）術的發展，為了滿足（zú）製造業生產柔（róu）性化、製造自動化的發展需求，數控機床的智能化程（chéng）度（dù）在不斷提高。具體體現在（zài）以下幾個（gè）方麵：

a.  加工過程（chéng）自適應控製技術；  

b. 加工參數的智能優（yōu）化與選擇；  

c. 智能故障自診斷與自修複技（jì）術；

d. 智能故障回放和（hé）故障仿真技術；

e. 智能化（huà）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（jiàn）模、加工、機器操（cāo）作四者(即4M)融（róng）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議，可采納、吸收和兼容新一代通用軟硬件。  

 

b. 向用戶特（tè）殊要求開放：更新產（chǎn）品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合以（yǐ）滿足特殊（shū）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（de）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（cè）量多種功能，更能滿足複雜特種零件的加工，並聯機床被認為是“自發明數控技術以來在機床行業中最有意義的進步”和“21世紀新一代數控加工設備”。

 

7.  極端化(大型化和微型化 )

 

國防、航空、航天事（shì）業（yè）的發展和能源（yuán）等基礎（chǔ）產業裝備的大（dà）型化需要大型且性能良好的數控機床的（de）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，需發展能適（shì）應微小型尺寸和微納米加工精度的新型製造工藝（yì）和裝（zhuāng）備（bèi）。

 

8.  信（xìn）息交互網絡化

 

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

 

9. 加（jiā）工過（guò）程綠色化（huà）

 

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

 

10. 多（duō）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聲音、文字、圖像和視頻信息的能力（lì）。可以做到信息（xī）處理綜合化、智能化，應用於實時監控 係統和生產現（xiàn）場設備（bèi）的故障診斷、生產過（guò）程參數監測等，因此（cǐ）有著重大的應用價值（zhí）。

 

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、並聯驅動化（huà）、網絡化、極端（duān）化、綠色（sè）化已成為數控機床（chuáng）發展的趨勢和方（fāng）向。