高端精密製造的（de）CNC數控加工技術

　　

 

    數（shù）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．微電子技術和計算機技術（shù）的發展給數控技術（shù）帶來了新的活力。數控技（jì）術和（hé）數控裝備是（shì）各個國家（jiā）工業現代化（huà）的重要（yào）基礎。

 

    數控機床是現代製造業的主（zhǔ）流設備，精密加工（gōng）的必備裝備，是體現現代機床技術水平（píng）、現代（dài）機械製造（zào）業工藝水平的重要標（biāo）誌，是關係國計民生、國（guó）防尖端建設的戰略物資。因（yīn）此世界上（shàng）各工業發達國家均采取（qǔ）重大措（cuò）施來發展自己的數控技術及其產業。

 

CNC數（shù）控（kòng）加（jiā）工（gōng）

 

    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”，在珠江三角（jiǎo）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（zhǒng）具有（yǒu）高效率、高精度與（yǔ）高柔（róu）性特點的自動化加（jiā）工方法。它是將要加工工件的數控程序輸入（rù）給機（jī）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（de）工件，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（jīng）密、小批多變的加工問（wèn）題，充分適應了現代化生產的需要。大力發展數（shù）控加工技術已成為我國加速發展經濟、提高自主創新（xīn）能力的重要途（tú）徑。目前我國數控機床使用越來越普遍，能熟練掌握數控機床編（biān）程，是充分發揮其功能的重要途（tú）徑（jìng）。

 

    數控機床是典型的（de）機電一體化產品，它集微電子技術、計算機技（jì）術、測量（liàng）技術、傳感器技術、自動控製技術及人工（gōng）智能技術等多（duō）種先進技術於一體，並與（yǔ）機械加工工藝緊密結合，是新（xīn）一代的機械製造（zào）技術裝備。

 

CNC數控（kòng）機床的組成

 

    數控機床集機床、計算機（jī）、電動機及拖動（dòng）、動控製、檢測等（děng）技術為一（yī）體的自動（dòng）化設備。數控機床的基本組成包括控製介質、數控裝置、伺服係統、反饋裝置及機床本體

 

1、控製介質

 

  控（kòng）製介質是儲存數控加（jiā）工所（suǒ）需要的全部動作刀具（jù）相對於工件位置信（xìn）息的媒介物，它記載著（zhe）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（chuán）送到數控裝置去的信息載體。控製介質有多種（zhǒng）形式，它隨（suí）著數控（kòng）裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展（zhǎn），穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件（jiàn）在計算機編程，然後通（tōng）過（guò）計算機與數控係統通信，將程序和數據直接傳送給（gěi）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（cǎi）用計算機數控裝（zhuāng）置CNC。數控裝置（zhì）包括輸入裝置（zhì）及中央處理器(CPU)和輸出裝置等（děng）構成數控裝置能完成信息的輸入、存儲、變換（huàn）、插補運算以及實現各種（zhǒng）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、進給（gěi）驅動單（dān）元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺（sì）服係統接受數控（kòng）係（xì）統的指令信息，並按照指（zhǐ）令（lìng）信息的（de）要求與位（wèi）置、速度反饋信號相比（bǐ）較後，帶（dài）動機床的移動部件或執行部件動（dòng）作，加工出符合圖紙要求的零（líng）件（jiàn）。

 

4、反饋（kuì）裝置（zhì）

 

    反饋裝置是由測量元件和相應的電路組成，其（qí）作用是（shì）檢測（cè）速度和位移，並將信息（xī）反饋回來（lái），構成閉環（huán）控製。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

 

    機床本體是數控機床的（de）實體，是完（wán）成實際切削加工（gōng）的機械（xiè）部分，它包括床身、底（dǐ）座、工作台、床鞍、主軸等。

 

CNC加工工藝的特點（diǎn）

 

    CNC數控加工（gōng）工藝（yì）也遵守機（jī）械加工切削（xuē）規律，與普通機床的加工工藝大體相同（tóng）。由於它是把計算機控製技術應（yīng）用於機（jī）械加工之中的一種（zhǒng）自動化加（jiā）工（gōng），因而具（jù）有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工序較為複雜，工步安排（pái）較為詳（xiáng）盡周密。

 

    CNC數（shù）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（xiàn）的設（shè）計等（děng）內容。CNC數控加（jiā）工工藝是數控編程的基礎及核（hé）心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量的數控程序。衡量數控程序（xù）好（hǎo）壞（huài）的標準是：最少的加工時間、最小（xiǎo）的刀具損耗及加工（gōng）出最佳效果的工件。

 

    數（shù）控加工工序（xù）是工件整體加工工藝的一部分，甚至是一道（dào）工序。它要與其他前後工序相互配（pèi）合（hé），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（gé）的零件。

 

    數（shù）控加工工序一般（bān）分為粗加工（gōng）、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步。

 

CNC的數控編程

 

  數控編程是從零件圖紙到獲得數控加工（gōng）程序的全過程。它的主要任務是計算加工（gōng）走（zǒu）刀中的刀位點（diǎn）（cutter locations point簡稱CL點）。刀（dāo）位點一般取為刀具（jù）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（yào）求及加工工藝過程，將所用（yòng）刀具及各部件的移（yí）動量、速度和動作先後順序、主軸轉（zhuǎn）速、主軸旋（xuán）轉方（fāng）向、刀頭夾緊、刀（dāo）頭鬆開及冷卻等操作，以規（guī）定的數（shù）控代碼形式編成程序單，輸入到機床專用計（jì）算機中。然後，數控係統根據輸（shū）入的指令進行（háng）編（biān）譯、運算和邏輯處理後，輸出各種（zhǒng）信號和指令，控製各部分根據規定的位移和（hé）有順序的動作，加工（gōng）出各種不同形狀的工（gōng）件。因（yīn）此，程序的編製對（duì）於數控機床效能的發揮影響極大。

 

    數控機床必須把代（dài）表各種不同功能的指令代（dài）碼以程序的形式輸入數控（kòng）裝置，由數控裝置進行運算處理，然（rán）後發出（chū）脈（mò）衝信號來控製數控機床的各個（gè）運動部（bù）件的操作，從而完成零（líng）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（zǐ）工業協會的EIA。我國采用ISO代（dài）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（yòng）商品化（huà）的CAD/CAM軟（ruǎn）件。

 

    CAD/CAM是計算機輔助編程係統的核心，主要功能有數據的（de）輸入/輸出、加工（gōng）軌（guǐ）跡的計算及編輯、工藝參（cān）數設置、加（jiā）工仿真、數控程序後處理（lǐ）和數據管理等。

 

  目前，在我國深受用戶喜歡的、數控編程功（gōng）能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控編程的原理、圖形（xíng）處理方（fāng）法及加工方法都大同小異，但各有特點（diǎn）。

 

CNC數控加工零件的（de）步驟

 

    1、分析（xī）零件圖，了解工件（jiàn）的大致情況（幾何形狀，工件（jiàn）材料，工藝要求等）

 

    2、確定零件的數控加工工藝（加工（gōng）的內（nèi）容，加（jiā）工（gōng）的路（lù）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（tóng）機床（chuáng）會有所不同，遵守使用手冊（cè））

 

    5、程序校驗（將程序輸入機床，並進行圖形模擬，驗證編程的正確）

 

    6、對工件進行加工（好（hǎo）的（de）過（guò）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（zhèng）方（fāng）法）。

 

數控機床的發展曆史

 

    二戰後，製造業的（de）生產大（dà）部分是依靠人工操作，工（gōng）人看懂圖紙後，手工操作機床，加工零件，用這種方式（shì）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斯（John Parsons）構思了一種方（fāng）法，在一（yī）張硬紙（zhǐ）卡上打孔（kǒng）來表示（shì）需要加工的零件（jiàn）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這種（zhǒng）想法，美國空（kōng）軍看後，表示極大的興趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的加（jiā）工方法，希望解（jiě）決飛（fēi）機外型（xíng）樣板的加工問題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設備難以適應，美國空（kōng）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（de）機床，終於在1952年，麻省理工學院和帕森斯公司合作，成功的研製出了（le）第一台（tái）示範機，到了1960年較（jiào）為（wéi）簡單和經濟（jì）的點位控製鑽床，和直線控製數控銑床得到了較快的發（fā）展使數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（jīng）經曆（lì）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製發展為極（jí）其複雜的集成加工係統，編程方式也有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

 

    就我國而言，數控技（jì）術（shù）的發展是比較緩慢的，對於國內的大多數（shù）車間來說。設備（bèi）比較落後（hòu），人員的（de）技術水平和觀念落後表（biǎo）現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年第一台數控機（jī）床誕生，已經從（cóng）銑床（chuáng）或車床發展到加工中心，成為現代製造業的關鍵設（shè）備。

 

    2、第（dì）二代NC係統於1959年產生的，其主要有（yǒu）單（dān）個的晶體管和其他部件組成（chéng）。

 

    3、1965年引入了第三代NC係統，其首次采用集成電路板。

 

    4、實際上，在（zài）1964年已經研（yán）製出來（lái）了第（dì）四代NC係統，即（jí）我們非常熟（shú）悉（xī）的計算機（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（chù）理器，這就（jiù）是第五代NC係統。

 

    6、第六代NC係統采（cǎi）用了現行的集成製造係（xì）統（MIS）+DNC+柔性加工係統（FMS）

 

數控（kòng）機床的發展趨勢

 

1. 高速化（huà）

 

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

 

a.主（zhǔ）軸轉速：機床采用電（diàn）主軸(內裝式主軸電機)，主（zhǔ）軸（zhóu）最（zuì）高轉速達（dá）200000r/min；  

 

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

 

c. 運算速度（dù）：微處理器的迅（xùn）速發展（zhǎn）為數（shù）控係統向高速、高精度方向發（fā）展提供了保障，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（lǜ）為（wéi）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（xiān）進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的（de）已達0.5s。德國Chiron公司（sī）將刀庫設計成籃子樣式，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（de）要（yào）求現在已經不局限（xiàn）於靜態的幾何精度（dù），機（jī）床的運動精度、熱變形以及對（duì）振動的監測和補償越來越（yuè）獲得重視。

 

a. 提高CNC係統控製精度：采用高速插補技術（shù），以微小程序（xù）段實現連續進給（gěi），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（wèi）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（bǔ）償技術：采用反向間隙補償、絲（sī）杆螺距誤差（chà）補償和刀具誤差補償等技（jì）術，對設備的熱變（biàn）形誤（wù）差和空間誤差進行綜合補償。

 

c. 采用網格解碼器檢（jiǎn）查和提高加工中心的運動軌跡精度: 通過仿真預測（cè）機（jī）床的加工精度，以保證（zhèng）機床的定位精度和重複（fù）定（dìng）位精度，使其性能長期穩定，能夠在不（bú）同運行條件下完成多種（zhǒng）加工任務，並保證零件（jiàn）的加工質（zhì）量。

 

3. 功能複合化

    

複合機床的含義是指在（zài）一台機床上實現（xiàn）或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據其（qí）結（jié）構特點可分為工藝複合型和工序複合型兩類。 加工中心能夠完成 車削、銑削、鑽（zuàn）削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工（gōng）序，可（kě）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高，大量的多軸聯動數控（kòng）機床越來越受到（dào）各 大企業的歡（huān）迎。  

 

4. 控（kòng）製智能化

 

隨著人工智能技術的發展，為了滿足製造業生產（chǎn）柔性化、製造自動化（huà）的發（fā）展需求，數控機床的智能化（huà）程度在不斷提高。具體體（tǐ）現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自（zì）適（shì）應控製（zhì）技術；  

b. 加工參數的（de）智能優化與選擇；  

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置；  

 f. 智能4M數控係統：在製造過程中， 將測量 、建（jiàn）模（mó）、加工、機器操作四者(即4M)融合在一（yī）個係統中 。

 

5. 體係開放化（huà）

 

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

 

b. 向用戶特殊要求開放：更新產品、擴充（chōng）功能、提供硬軟件產品（pǐn）的各種組合以（yǐ）滿足特殊（shū）應用要求；  

 

c. 數控標準的建立（lì）：標準化的編程語言，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

    

可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測（cè）量多種功能，更能滿足複雜特種零件的加工（gōng），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（yì）義的進步”和“21世紀（jì）新一代數控加工設備”。

 

7.  極端化(大型化和微（wēi）型化 )

 

國防、航空、航天事業的發展（zhǎn）和能（néng）源等基礎（chǔ）產業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機（jī）床的支撐。而（ér）超精密加（jiā）工技術和（hé）微納米技術是21世紀的戰略技 術，需發展能適應微小型尺（chǐ）寸和微納米（mǐ）加工精度的新型製造工藝和裝備（bèi）。

 

8.  信（xìn）息交互網絡化

 

既可（kě）以實現網絡資源（yuán）共享，又能實現數控機床的遠程監（jiān）視、控（kòng）製、遠程診斷、維護。

 

9. 加工過程綠色（sè）化

 

 近年來不（bú）用或（huò）少用（yòng）冷卻液、實現幹切削、半幹切削節能環保的機床不斷（duàn）出現， 綠色製造的大趨勢使各（gè）種節能環保（bǎo）機床加速發展（zhǎn）。

 

10. 多（duō）媒體技術的（de）應用

多（duō）媒體技術（shù）集計算機、聲像和（hé）通信技術於一體，使（shǐ）計算機具有（yǒu）綜合處理聲音、文字（zì）、圖像和視頻信息的能力。可以做到信息處理綜合化、智能化，應用於實時監（jiān）控 係統和生產（chǎn）現場設備（bèi）的故障診斷、生產過程參數（shù）監測等，因（yīn）此有著重大（dà）的應用價值。

 

目（mù）前，數控機床的發（fā）展日新月異（yì），高速化、高精度化、複合化、智能化（huà）、開放化、並聯驅動化（huà）、網絡化（huà）、極端化、綠色化已成（chéng）為數控機（jī）床發展的趨勢和方向。