​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（zào）業發生了（le）質的變化，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帶來了新的活（huó）力。數控技術和數控裝備（bèi）是各（gè）個國家工業現（xiàn）代化的重要基礎。

    數控機床是現代製造（zào）業的主流設備，精密加工（gōng）的必備裝（zhuāng）備，是體現現代機床技術水（shuǐ）平（píng）、現代機械製造業工藝水平的重要標誌，是關係國計（jì）民生、國防（fáng）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其產業。

CNC數控加工

    CNC是英文Computer Numberical Control的縮（suō）寫，意思是“計（jì）算機數據控製”，簡（jiǎn）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”。

    數控加工是當今機械製造中的先進加工技術，是一種具有高效率、高（gāo）精度與高柔性特（tè）點的自動化加（jiā）工（gōng）方法。它是將要加工工件的（de）數控程序輸入給機床，機床在這些數據的（de）控製下自（zì）動加工（gōng）出符（fú）合人們（men）意願的工（gōng）件，以製（zhì）造出美妙的產品。

    數控加工（gōng）技術可有效解決（jué）像模具這樣複雜、精密、小批多變的（de）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（wéi）我國加速發展經濟、提高自主創新能力的（de）重要途徑。目前我國數控機床使用（yòng）越來越普遍，能熟練掌握（wò）數控機床（chuáng）編程，是充分發揮其（qí）功能的重要途徑。

    數控（kòng）機床（chuáng）是典型的機電一體化產品，它集微電（diàn）子技術、計算機技術、測量技術、傳（chuán）感器技術、自動控製技術及人工智能技術等多種先進技術於一（yī）體，並與機械（xiè）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（chuáng）的組成

    數（shù）控機床集機床、計算（suàn）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。數控機床的基本組成包括（kuò）控製介質、數控裝置（zhì）、伺（sì）服係統、反饋裝（zhuāng）置及機床本體

1、控製介質

  控製介質是儲存數控加工所需要的全（quán）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（de）加工程序，因此，控製（zhì）介質就是指將零件（jiàn）加工信（xìn）息傳送到數（shù）控裝置（zhì）去的信息載體。控製介質有多種形式（shì），它隨著數控裝置類型（xíng）的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的（de）發展，穿（chuān）孔帶、穿（chuān）孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在（zài）計算機編程，然後通過計算（suàn）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（yīng）用越來越廣泛。

2、數控（kòng）裝置

  數控裝置（zhì）是（shì）數控機床的核心，人們喻為“中樞係統（tǒng）”。現（xiàn）代數控機床（chuáng）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理器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝置能（néng）完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各（gè）種控製（zhì）功能。

3、伺服係統

    伺服係統是接收數控裝置（zhì）的指令、驅動（dòng）機床（chuáng）執（zhí）行機構運動的驅（qū）動部件（jiàn）。包括主軸驅動單元（yuán）、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工（gōng）作時，伺服係統接受數控係（xì）統的指（zhǐ）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（shì）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（chéng）閉環控製。一些精度要求不高（gāo）的數控機床，沒有反饋裝置，則（zé）稱為開環係統。

5、機床本體（tǐ）

    機床本體（tǐ）是數控機床的實體，是完成實際切削加工的機械部分，它包括（kuò）床身、底座、工作台、床（chuáng）鞍（ān）、主軸（zhóu）等。

CNC加工工藝的特點

    CNC數（shù）控加工工藝也遵守機（jī）械加工切削規律，與普通機床的加工工藝大體相（xiàng）同。由於它（tā）是把（bǎ）計算機控製技（jì）術應用於機械加（jiā）工之（zhī）中的一種自動化加工，因而（ér）具有加工效率高、精度高（gāo）等特點，加工工藝有其獨特之處，工（gōng）序較（jiào）為（wéi）複雜，工步安排較為（wéi）詳盡周密。

    CNC數控加工工藝包括（kuò）刀具的選擇、切削參數的確定及（jí）走刀工藝路線的設計等內（nèi）容。CNC數控（kòng）加工工藝是數控編（biān）程的基礎及核心，隻有（yǒu）工藝合理，才能編出高效率和高質量（liàng）的（de）數控程序。衡量數控程序好壞的標準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工件。

    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。它要與其他前後工（gōng）序相互配合，才能（néng）最終滿足整（zhěng）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（fèn）為粗加工、中粗清角加（jiā）工、半精加工及精加工（gōng）等工步。

CNC的數控編程

  數控編（biān）程是從零（líng）件圖紙到獲得數控加（jiā）工（gōng）程序的（de）全過程。它的主要任務是（shì）計算加工走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表麵的交點，多軸加工中還（hái）要給出刀軸矢量。

    數控機床是根據工件圖樣（yàng）要（yào）求及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移（yí）動量、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（kāi）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（chuáng）專用計算機（jī）中。然後，數控係統（tǒng）根據輸入的指令（lìng）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，加工出各種不同形狀的工件。因此（cǐ），程序的編製對於數控機床效能的發揮影響極大。

    數控機床必須把（bǎ）代表各種不同功能的指令代碼以程序的形式輸入數（shù）控裝置，由（yóu）數控裝置進行運算處理，然（rán）後發出脈衝信號來控製數控機床的各個運動部（bù）件的操（cāo）作，從而完成（chéng）零件的切削加工。

  目前數（shù）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（de）EIA。我國采用ISO代碼。

  隨著技術的進步，3D的數控編（biān）程一（yī）般很少采用手工編程（chéng），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心，主要功能有數據的輸（shū）入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設置（zhì）、加工仿真、數控程序後處理和數據（jù）管理等。

  目前，在我國深受（shòu）用戶喜歡（huān）的、數控編程功能強大（dà）的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對（duì）於數控編程的原理、圖形處理方法及加工方法（fǎ）都大同小異（yì），但各有特（tè）點。

CNC數（shù）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，工件材料，工藝要（yào）求等）

    2、確定零件的數（shù）控加工工藝（加工的內（nèi）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（yòng）手冊）

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

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

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

數控機床的發展（zhǎn）曆史

    二戰後，製造業的生產（chǎn）大部分是依（yī）靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作機床，加（jiā）工零件，用這種方式生產產品，成本高（gāo），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（zài）一張硬紙卡上打孔來表示（shì）需要（yào）加工的零件幾何形狀，利用著一張硬卡來控製（zhì）機床的動作，在當時，這隻是一種構思。

    1948年，帕森斯向（xiàng）美（měi）國（guó）空軍展示了他的這種（zhǒng）想（xiǎng）法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因為美國空軍正在尋（xún）找（zhǎo）一種先進的加工（gōng）方（fāng）法，希望解決飛機外（wài）型樣板的加工（gōng）問題，由於樣板形狀（zhuàng）複雜，精度要（yào）求高，一般的設備難以適應（yīng），美國空軍立即委（wěi）托及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控製的機床（chuáng），終於在（zài）1952年，麻省理工學院和（hé）帕森斯（sī）公司合作，成功的研製出了第一台示範機，到了1960年較為簡單和經濟的點位控製鑽床（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門逐步獲（huò）得推廣。

    CNC加工的曆史已經經曆了長達（dá）半個多世紀，NC數控係統也由最早的模擬信號電路控製發展為極其複雜（zá）的（de）集成（chéng）加工係（xì）統，編（biān）程方式也有（yǒu）手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

    就我國而言，數控技術的（de）發展是比較緩慢的（de），對於國內的大多數車間來說。設備比（bǐ）較落後，人員的技術（shù）水平和觀念落（luò）後表現為加工質量（liàng）和加工（gōng）效率低下（xià），經常拖延交（jiāo）貨期。

    1、第一代（dài）NC係統（tǒng）是在1951年引入（rù）的（de），其控製單元主要有各種（zhǒng）閥門和模擬電路組成的，1952年第（dì）一台數控機床誕生，已經從銑床或車床發展（zhǎn）到加工中心，成為現代製造業的關鍵設（shè）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（yǐn）入了第三代NC係統，其（qí）首次采用集成電路板（bǎn）。

    4、實際上，在1964年已經（jīng）研製出來了（le）第四代NC係（xì）統，即我（wǒ）們非常熟（shú）悉（xī）的計算（suàn）機數字控（kòng）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（dì）五代NC係統。

    6、第六代NC係統（tǒng）采用了現（xiàn）行的集成製（zhì）造（zào）係統（MIS）+DNC+柔性（xìng）加工係統（FMS）

數控機床的發展趨勢

1. 高速化

隨著汽車、國（guó）防、航空、航天等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（gōng）的高（gāo）速化要求越來越高。

a.主軸轉（zhuǎn）速：機床采用電主軸(內裝式主軸（zhóu）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（lǜ）達到240m/min且（qiě）可獲得（dé）複雜型的精確加工；  

c. 運算速度（dù）：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（kāi）發出（chū）CPU已發展（zhǎn）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（yú）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（dù）；  

d. 換（huàn）刀（dāo）速（sù）度：目前（qián）國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右（yòu），高的（de）已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在（zài）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經（jīng）不局限於靜態的幾何精度，機床的（de）運動精度、熱（rè）變形以及對振動的監測和補償越來越獲得（dé）重視。

a. 提高（gāo）CNC係統（tǒng）控製（zhì）精度（dù）：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續進給，使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位置檢測（cè）裝置，提 高位置檢測精度，位置伺服（fú）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、絲杆螺距誤差補償和刀具誤（wù）差補償等（děng）技術，對設備的熱變形（xíng）誤差和空間誤差進行綜合補（bǔ）償（cháng）。

c. 采用（yòng）網格解（jiě）碼器檢查和提高加工中（zhōng）心的運（yùn）動軌跡精度（dù）: 通過（guò）仿真預測機床的加工精度，以保（bǎo）證機床的定位精度和重（chóng）複定位精度，使其性能長期穩定，能夠在（zài）不同運（yùn）行條件（jiàn）下完成多種（zhǒng）加工任務，並保（bǎo）證零件的加工質量。

3. 功能複合化

複合機床的含義是指在一台機床上實現或盡可能完（wán）成從毛坯至（zhì）成品的多種要素加工。根據其結構特（tè）點可分為工藝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（xuē）、滾齒、磨削、激（jī）光熱處理等多種工序，可完成複雜零件（jiàn）的全部加工。隨著現代機械加工要求的不斷提（tí）高，大量的多軸聯動（dòng）數控（kòng）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，為（wéi）了滿足（zú）製造業生（shēng）產柔性化、製造自動（dòng）化的發展需求，數（shù）控機床的智能（néng）化程度在不斷提高。具體體現在以下幾（jǐ）個方麵：

a.  加工過程自適（shì）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（fàng）和故障仿真技術；

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（cè）量 、建模、加工、機（jī）器（qì）操作四者(即4M)融合在一個係統中 。

5. 體係（xì）開（kāi）放化

a. 向未來（lái）技術開放（fàng）：由於（yú）軟硬件接口都遵循（xún）公（gōng）認的（de）標（biāo）準協（xié）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：更新產品、擴充功能、提供硬（yìng）軟件產（chǎn）品的各種組合以（yǐ）滿足特殊應用（yòng）要求；  

c. 數（shù）控標準（zhǔn）的建立：標準（zhǔn）化的編程語言，既方（fāng）便用戶 使用，又降低了和操作效率直接（jiē）有關的勞動消耗（hào）。

6. 驅動並聯化

可實現多坐標（biāo）聯動數控加（jiā）工、裝配和測量多種功能，更（gèng）能（néng）滿足複雜特（tè）種零件的加工，並聯機床被認（rèn）為是“自發明數控技術以來在機床行業中最有意義（yì）的進步”和“21世紀新一代數控加工設備”。

7.  極（jí）端（duān）化(大型化和微型化 )

國防、航（háng）空（kōng）、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的（de）大型化需（xū）要大型且性能良好的數控機床的支撐。而（ér）超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略技 術，需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型製造工藝和（hé）裝備。

8.  信息交互（hù）網絡化

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

9. 加工過程綠色（sè）化

 近年來（lái）不用或少用冷卻液、實（shí）現幹（gàn）切（qiē）削、半幹切削節能環保的機（jī）床不斷出現， 綠色製造的大趨勢使各種節能環保機床加速發（fā）展。

10. 多媒體技術的應用（yòng）

多媒（méi）體技術集計算機（jī）、聲像（xiàng）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。可以做到信息處理（lǐ）綜合化、智能化，應用於（yú）實時監控 係統和生產現場設備的故障診斷、生產過程（chéng）參數監測等，因此有著（zhe）重大的應用價值。

目前，數控機床的發展日新月異（yì），高速化、高精度化、複合化、智（zhì）能化、開放化、並聯驅動化、網絡化、極端（duān）化、綠色化已成（chéng）為數控機床發展（zhǎn）的趨勢和方向（xiàng）。