​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（fā）生了質的變化（huà），尤（yóu）其是近年來．微電子技術和計算機技術的發展給數控技術（shù）帶來了新（xīn）的活力。數控技術和數控裝（zhuāng）備是（shì）各（gè）個國家工業現代化的重要基礎。

    數控機床是現（xiàn）代製造（zào）業的主流設備，精密（mì）加工的必備裝備，是體現現代機床技術水平、現代機械製造業工（gōng）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（wù）資。因此世界上各工業發達國（guó）家（jiā）均采取重大措施來（lái）發展自己的數控技術（shù）及其產業。

CNC數控加（jiā）工

    CNC是英文（wén）Computer Numberical Control的（de）縮寫，意思是（shì）“計算機數據控製”，簡單地說就是“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（jìn）加工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點的自動化加工方法。它是將要加工工件的數控程序輸入（rù）給機床，機床在這些（xiē）數據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。

    數控加工技術可有效解決（jué）像模具這樣（yàng）複雜、精密、小批多變的加工問題，充分適應了現代化生（shēng）產的需要。大力發展數控加工技術已成為我（wǒ）國加速發展經濟、提高自主創新能力的重（chóng）要途徑。目前我（wǒ）國（guó）數控機床使用越來越普（pǔ）遍，能熟（shú）練掌（zhǎng）握數控機床（chuáng）編程，是充分發揮其功能的重要途徑。

    數控機床是（shì）典型的機電一體化產品，它集微電子技（jì）術、計算機技術、測（cè）量技術、傳感（gǎn）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體，並與機械加工工藝（yì）緊密結合，是新一代的機械製造技術裝備。

CNC數（shù）控機床的組成

    數（shù）控機床集（jí）機床、計算機、電動機及拖動、動控製、檢測等技（jì）術為一體的自動化設備。數控機床的基（jī）本組（zǔ）成包括控（kòng）製（zhì）介質、數控裝置、伺服係統、反饋裝置及機床本體

1、控製介質

  控製介質是儲存數控加工所需要的全部動作刀具相（xiàng）對於工（gōng）件位（wèi）置信息（xī）的媒介物，它記載著零件的加工（gōng）程序（xù），因（yīn）此，控製介質就是指將零件加工信息傳送到數控裝置去的（de）信息載體。控製（zhì）介質有多種形式，它隨著數（shù）控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，穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件（jiàn）在計算機編程，然後通過計算機與數（shù）控係統通信，將程序和數據直（zhí）接傳送給數控裝置的方法應用越來越廣（guǎng）泛。

2、數控裝置

  數控裝置（zhì）是數控機床的（de）核心，人（rén）們喻為“中樞係統”。現代數控機床都采（cǎi）用計算機數控裝置CNC。數控（kòng）裝（zhuāng）置包括輸入裝置及中央處理器（qì）(CPU)和輸出裝置等構成數控（kòng）裝置能完成信息的輸入、存儲、變換、插（chā）補運算以及實現各種控製功能。

3、伺服係（xì）統

    伺服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（kuò）主軸驅動單元、進給驅（qū）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（kòng）係統的指令信息，並按照指令信息的要求與位（wèi）置、速度反饋信號（hào）相（xiàng）比較後，帶動機床的移動部（bù）件或執行部件動作，加工出符合（hé）圖紙（zhǐ）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（cè）速度和（hé）位移，並（bìng）將信息反饋（kuì）回（huí）來，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（chēng）為（wéi）開環係（xì）統。

5、機床本（běn）體

    機床本體是數控機床的實體，是完成實際切削加工的（de）機械部分（fèn），它包括床身、底座、工（gōng）作（zuò）台、床鞍、主軸（zhóu）等。

CNC加工工藝的特點

    CNC數控加工工（gōng）藝也遵守機械加（jiā）工切削規律，與普通（tōng）機床的加工（gōng）工藝大體相同。由於它是把計算機控製技術應用於（yú）機械加工之中的一種（zhǒng）自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點（diǎn），加（jiā）工工藝有其（qí）獨特（tè）之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡周密。

    CNC數控加工工（gōng）藝包括刀（dāo）具的選（xuǎn）擇、切削（xuē）參數的確定及走刀工藝路線的設計等內容。CNC數控加工工藝是數控編程的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量（liàng）的數控程序。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（jí）加工（gōng）出最（zuì）佳效果的工件。

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

    數控加工工序一（yī）般分為粗加工、中粗清角加工、半（bàn）精（jīng）加工及精加（jiā）工等工步。

CNC的數控編程

  數控編（biān）程是從零（líng）件圖紙到獲（huò）得數控加（jiā）工（gōng）程序的全過程。它（tā）的（de）主要任務是計（jì）算加工走刀中的刀位（wèi）點（diǎn）（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（duō）軸加工中還（hái）要給（gěi）出刀（dāo）軸矢量。

    數控機床是根（gēn）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、刀頭夾緊、刀頭（tóu）鬆開及冷卻等操作，以規定的數控代（dài）碼形式編成程序單，輸入到機床專用計算（suàn）機中。然後，數控係統根據輸入的指（zhǐ）令進行（háng）編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信（xìn）號和指令，控（kòng）製各部分根據規定的位移（yí）和有順（shùn）序的動作（zuò），加工出各種不同形狀的工件。因（yīn）此，程序的編製對於（yú）數控（kòng）機床效能（néng）的發（fā）揮影響極大。

    數控機床必須把代表（biǎo）各種不同功能的指（zhǐ）令代（dài）碼以程序的（de）形式輸入數控裝置，由（yóu）數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信號來控製數（shù）控機床的各個運動部件的操作，從而完成零件的切削加工。

  目（mù）前數控程序有兩個標準（zhǔn）：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（suí）著技術的進步，3D的數控編程一般（bān）很少采用手工編程，而使（shǐ）用商品化的CAD/CAM軟件。

    CAD/CAM是計算機輔助編程係統（tǒng）的核心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡（jì）的計（jì）算及編輯、工藝參數（shù）設置、加（jiā）工仿真、數控程序後處理和數據管理等。

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

CNC數控加工零（líng）件的步驟

    1、分析零（líng）件圖，了解工件的大致情況（幾何形狀，工件材料，工藝要求等（děng））

    2、確定零件的數控加（jiā）工工藝（加工的內容，加工的路線）

    3、進行必要的數值（zhí）計算（基（jī）點、節點的坐標計算）

    4、編寫程序單（dān）（不同機床會有所不同，遵守使用手冊）

    5、程序校驗（將（jiāng）程序輸入機床（chuáng），並進行圖形模擬，驗證編程的正（zhèng）確）

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

    7、工件驗收和質量誤差分析（對工件進（jìn）行（háng）檢驗，合格流入下一道。不（bú）合格則通（tōng）過質量（liàng）分析找出產生誤差原因和糾正方法（fǎ））。

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（jiā）工零件，用這（zhè）種方式（shì）生產產品，成本高，效率（lǜ）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，在一（yī）張硬（yìng）紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀，利用著一（yī）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（sī）向美國空軍展示了他的這種想法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因為（wéi）美國空軍（jun1）正在尋找一種先進的加工（gōng）方法（fǎ），希望解決飛機外（wài）型樣（yàng）板的加工問題，由於樣板形狀（zhuàng）複（fù）雜，精度要求高，一般的設備難以適應，美國空（kōng）軍立即委托及讚助（zhù）美國麻省理工（gōng）學（xué）院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻（má）省（shěng）理工學院和帕森斯公司合作，成功的研製出了第一台示（shì）範機，到了1960年較為（wéi）簡單和經濟的點位控製鑽床，和直線控製數控銑床得到（dào）了較快的發展使數控機床（chuáng）在製造業各部門（mén）逐步獲得推廣。

    CNC加工的曆史已經經曆了長（zhǎng）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其複雜的集成加工係統（tǒng），編程方式也有手工發展（zhǎn）成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統（tǒng）。

    就（jiù）我國而（ér）言，數控技術的發（fā）展是比較（jiào）緩慢的，對於國內的大多數車間來說。設備（bèi）比較落後（hòu），人員的技術水平（píng）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NC係統（tǒng）是在1951年引入的，其控製單元（yuán）主要有各種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（xǐ）床或車（chē）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（chǎn）生的，其主要有單個的晶體管和其（qí）他部件組成。

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

    4、實際（jì）上（shàng），在1964年已經研製出來了第四代NC係統，即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（xì）統采用了強大的微處理器，這（zhè）就是第五代NC係統。

    6、第（dì）六代NC係統（tǒng）采用了現行的集成製造係統（tǒng）（MIS）+DNC+柔（róu）性加工係統（tǒng）（FMS）

數控機床的發展趨勢（shì）

1. 高速化

隨（suí）著汽車（chē）、國防、航空、航天等工（gōng）業（yè）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.主軸轉（zhuǎn）速：機（jī）床采用電主軸(內裝式主（zhǔ）軸電機)，主軸最（zuì）高（gāo）轉速達（dá）200000r/min；  

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

c. 運算速度：微處理器的（de）迅速發展為數控係統向高速、高精度方向發展提供了（le）保障，開發出CPU已發展到32位（wèi）以及64位的數控係統，頻率提高到幾（jǐ）百兆赫、上千兆赫。由於運（yùn）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（dù）：目前國外先進（jìn）加工中（zhōng）心的刀具交換時（shí）間普（pǔ）遍已在1s左右，高的已（yǐ）達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子（zǐ）樣式，以主軸為軸心，刀（dāo）具在圓周布置，其（qí）刀到刀的（de）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不局限於靜態的幾何精度，機床的（de）運動精度、熱變形（xíng）以及對振動的監測和補償越來越獲得重視。

a. 提高CNC係統控製（zhì）精度：采用高（gāo）速插補技術，以微小程序（xù）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（zhì）檢測裝置，提（tí） 高位置檢（jiǎn）測精度，位置（zhì）伺服（fú）係統采用前（qián）饋控製與 非線性控製等方法；

b. 采用誤差補償技術：采（cǎi）用反向間隙補償、絲杆螺（luó）距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對（duì）設備的熱變形誤差和（hé）空間誤差進行綜合補償。

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（fǎng）真預測機床的加工精（jīng）度（dù），以保證機床的定位精度（dù）和重複定位（wèi）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（bǎo）證零件的加工質量。

3. 功能複合化

複（fù）合機床的含義是指在一台機床上（shàng）實現（xiàn）或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加（jiā）工（gōng）。根據其結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（xǐ）削、鑽削、滾齒（chǐ）、磨削、激光熱處理等多種工序（xù），可完成（chéng）複雜零件的全部加工。隨著現代機（jī）械加工要求的不斷提高（gāo），大量的多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，為了滿足製造業生產柔性化、製造自動化的發展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體（tǐ）現在以下（xià）幾（jǐ）個方麵：

a.  加工（gōng）過程自適應控製技術；  

b. 加（jiā）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（zhì）能故障回放和故障（zhàng）仿真（zhēn）技術；

e. 智能（néng）化交流伺服（fú）驅動裝（zhuāng）置（zhì）；  

 f. 智能4M數控係統（tǒng）：在（zài）製造過程中， 將測量 、建模、加工（gōng）、機器操作四者(即4M)融合在一（yī）個係統中 。

5. 體係（xì）開放化

a. 向未來技術開放：由（yóu）於軟硬件接口都遵（zūn）循公認的標準（zhǔn）協議，可采（cǎi）納（nà）、吸收和兼容（róng）新一代（dài）通用軟硬件。  

b. 向用（yòng）戶特殊（shū）要（yào）求（qiú）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（qiú）；  

c. 數控標準的（de）建立（lì）：標準化（huà）的編程語言，既方（fāng）便用（yòng）戶 使用，又（yòu）降低（dī）了和操作效率直（zhí）接有（yǒu）關（guān）的（de）勞動消耗。

6. 驅動並聯化

可實（shí）現多（duō）坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足複雜特種零件的加工，並聯機床被（bèi）認為是“自發明數控技術以來在機床行業中最（zuì）有意義的進步”和“21世紀新一代數控加工設備（bèi）”。

7.  極端化(大型化和微型化 )

國防、航空、航天事業（yè）的發展和能源等基礎產業裝（zhuāng）備的大型（xíng）化需要大型且性（xìng）能（néng）良好的數控機（jī）床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略（luè）技 術，需發展能（néng）適應微小型尺（chǐ）寸和微納米加工（gōng）精度（dù）的新型製造工藝和裝備。

8.  信息（xī）交互網絡化

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

9. 加工過程綠色化

 近年來不用或少用冷卻液、實現幹切削、半幹切削節（jiē）能環保的機床不斷出現， 綠色製（zhì）造的大趨勢使各種節能環（huán）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（jī）、聲像和通信技術於一體，使計算機具有（yǒu）綜合處理聲音、文字（zì）、圖像和視頻信息（xī）的能力。可以做到信息處理綜合化、智能化，應用於實時監控 係統和生產（chǎn）現場設備（bèi）的故障（zhàng）診斷、生產過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

目前，數控機床的發展（zhǎn）日新（xīn）月異，高速化、高精度化（huà）、複合化、智能（néng）化、開放化（huà）、並聯驅動（dòng）化、網絡化、極端化、綠色化已成為數控機床發展的趨勢和方向。