​高端精密製造的CNC數控加工技術

數控技術的（de）應用使傳統的製造業（yè）發生了質的變化，尤其（qí）是近年來．微電（diàn）子技術和計算（suàn）機技術的發展給數（shù）控技術帶來了新的活力。數控技術和數控裝備是各個國家工業現代化的重要基（jī）礎。

數控機床是現代製造業的主流設備，精密加工的必備裝備（bèi），是體現現代機床技術水平、現代機械製造業工藝水平的（de）重（chóng）要標（biāo）誌（zhì），是關係國計民生、國防尖端建設的（de）戰略物資。因此世（shì）界上各（gè）工業發達國家均采取重大措施（shī）來發展（zhǎn）自己的數控技（jì）術及其產業。

CNC數控加工

CNC是英文（wén）Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計算機數據控製”，簡單地說就是“數控加（jiā）工”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼（luó）”。

數控（kòng）加工是當今機械製造（zào）中（zhōng）的先進加工技術，是一種具有高效率、高精度與（yǔ）高柔性特點的（de）自動化加工方法。它是（shì）將要加工工件（jiàn）的數控程（chéng）序輸（shū）入給（gěi）機床，機（jī）床在這些數（shù）據的控（kòng）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（kòng）加工技術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小批多變（biàn）的加工問題，充分適應了現代化生產的需要。大（dà）力發展數控加工技術已成為我國加速發展經濟（jì）、提高自主創新能力的重要途徑。目前我國數控機床使（shǐ）用越來越普遍，能熟練掌握數控機床編程，是充（chōng）分發揮其功能的重要途徑。

數控機床是典型（xíng）的機（jī）電一體化產品（pǐn），它（tā）集微電子技術、計算機技術、測量技（jì）術、傳感器技術、自（zì）動控製技術及人工智能技術等多種先進技術於一（yī）體，並與機械加工工藝緊密結合，是（shì）新一代的（de）機械製造技術裝備。

CNC數控機床的組成

數控機（jī）床集機（jī）床、計算機、電動機及拖（tuō）動、動控製、檢測等（děng）技術為一體的自動化設備。數控（kòng）機床（chuáng）的（de）基本組成包括控製介質（zhì）、數控（kòng）裝（zhuāng）置、伺服係統（tǒng）、反饋裝置及機床本體（tǐ），如圖

1、控製介（jiè）質

控製（zhì）介質是儲存（cún）數控加工所需要（yào）的全部動作刀具相對於工件位置信息的媒介物，它記載著（zhe）零（líng）件的加工程序（xù），因此，控製介質就是指將零件加工信息傳送（sòng）到數控裝置去的信（xìn）息載體。控製介質有多種形式，它隨著數控裝置類型的（de）不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔（kǒng）卡、磁帶、磁盤（pán）等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘（táo）汰，而利用CAD/CAM軟件在計（jì）算機（jī）編程，然後通過計算機與數控係統通（tōng）信，將（jiāng）程序和數據直接傳送（sòng）給（gěi）數控裝置的方法應用越來越廣泛。

2、數控裝置

數控裝置是數（shù）控（kòng）機床的核心，人們（men）喻為“中樞係統”。現代數控機床都采用計算機數控裝置CNC。數控裝置包括輸入（rù）裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成（chéng）數（shù）控裝置能（néng）完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及（jí）實現各種控製（zhì）功能。

3、伺服（fú）係統

伺服（fú）係統是接收數控裝置的指（zhǐ）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（jìn）給驅動（dòng）單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服係統接（jiē）受數控係（xì）統的指令（lìng）信（xìn）息，並按照指令信息（xī）的要求與位置（zhì）、速度反饋信號相比較後，帶（dài）動機床的移動部件或執行部件（jiàn）動作（zuò），加工出符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

反饋裝置是由（yóu）測量元（yuán）件（jiàn）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，構成閉環控製。一些精度要求不高（gāo）的數控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環係統。

5、機床本體

機（jī）床（chuáng）本（běn）體是數控機床的實體（tǐ），是完成實（shí）際切削加工的機（jī）械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝的特點

CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律（lǜ），與普（pǔ）通機床的加（jiā）工工藝大體相同。由於它是把計（jì）算機控製技術應用於機械加工之中的一種自動（dòng）化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有其（qí）獨特之處，工序較為複雜，工步安排較（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（què）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（gōng）藝合理，才能（néng）編出高效率和高質量的數控程序。衡（héng）量數控程序好壞的標準是：最（zuì）少的加工時間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工（gōng）件。

數控加工工序（xù）是工件（jiàn）整體（tǐ）加工工藝的一部（bù）分，甚至是一道工序。它要與其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，這樣才能加工出合（hé）格的零件。

數控加工工序一般分為粗加工、中粗清角（jiǎo）加（jiā）工、半（bàn）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程序的全過程。它的主要任務是計算加工走刀中的刀位點（diǎn）（cutter locations point簡稱CL點）。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（zhōng）還要給出刀軸矢量。

數控機床是根據工件圖（tú）樣要求及（jí）加工工藝（yì）過（guò）程（chéng），將所用刀具及各（gè）部件（jiàn）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（dāo）頭鬆（sōng）開及（jí）冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編（biān）成程序單（dān），輸入到機床專用計算機中。然後，數控係（xì）統根據輸入（rù）的指令進行編譯、運算和邏輯處理後（hòu），輸出各種信號（hào）和指令，控製各部分（fèn）根據規（guī）定的位移和有順序的動作，加工出各種不同形狀的工件（jiàn）。因（yīn）此，程序的編製（zhì）對於數控機床效能的發揮影響極大（dà）。

數控機床必須把代表各（gè）種不同功能的指令代（dài）碼以程序的形式輸（shū）入數（shù）控裝置，由數控裝置進行運（yùn）算處理，然後發出脈衝信號來（lái）控製數控機床的各（gè）個運動部件的操作，從而完成零件的（de）切削加工。

目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（yòng）ISO代碼。

隨著技術的進步，3D的數控編程一般很少采用手工編程，而使用商品化的CAD/CAM軟件。

CAD/CAM是計算機（jī）輔助編程係統的核心，主（zhǔ）要功能有數據（jù）的輸入/輸（shū）出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加（jiā）工仿真、數（shù）控程序（xù）後處理和數據管理等。

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

CNC數控加工零件的步驟

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

2、確定零件的（de）數（shù）控加工工藝（加工的內容，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、編寫程序單（不同機床會有所不同，遵守使用手冊）

5、程序校驗（將程序輸入（rù）機床，並進行圖（tú）形模擬，驗證編程的正確）

6、對工件進行（háng）加工（好的（de）過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（jiǎn）驗，合格流入下一道。不合格則通（tōng）過質量分析找出產生誤差原因和糾（jiū）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，用這種方式生產產品，成本高，效（xiào）率低，質量也得不到保證。

在20世紀40年代（dài）末（mò）期，美國有一位工（gōng）程師帕森（sēn）斯（John Parsons）構（gòu）思了一種（zhǒng）方法（fǎ），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（zhe）一張（zhāng）硬卡來控製機床的（de）動（dòng）作，在（zài）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（xiǎng）法，美國（guó）空軍看後（hòu），表示極大的興趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法，希（xī）望解決飛機外型樣（yàng）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，美國空軍立即委托及讚助美國麻省理工學院（yuàn）（MIT）進行研究，開發（fā）這部硬卡（kǎ）紙來控（kòng）製的機床，終於在1952年，麻省理（lǐ）工學院和帕森斯公司合作，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（de）點位控製鑽床，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得推廣。

CNC加工的曆史已經經曆了長達半個多（duō）世紀，NC數控係統也（yě）由最早的模擬信號電路控製發展為極（jí）其（qí）複雜的集成加工係統，編（biān）程方式也有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集（jí）成係統。

就我國（guó）而言，數控（kòng）技術的發展是比較（jiào）緩慢的，對於國內的大多數車間來說。設備比較落後，人員的技術水平（píng）和觀念落後表現（xiàn）為加工質量和加工（gōng）效率低下，經常拖延交貨期。

1、第一代NC係統是在1951年（nián）引入的，其（qí）控製單（dān）元主（zhǔ）要有各種閥（fá）門和模擬電路組成的，1952年第一台數控機床誕（dàn）生，已經（jīng）從銑床或車床發展到加工中心，成為現代製造業的關鍵（jiàn）設備。

2、第二代NC係統於1959年產生的，其（qí）主要有單個的晶體（tǐ）管和其他部件組成。

3、1965年引入了第（dì）三代NC係統，其首次采用集成電路板。

4、實（shí）際上，在1964年已經研製出來了第四代NC係統（tǒng），即我們（men）非常熟悉的計算機數字控製係（xì）統（CNC控製係統）。

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

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

隨著汽車、國防（fáng）、航空（kōng）、航天等工業的高速發展（zhǎn）以及鋁合（hé）金（jīn）等新材料（liào）的應用，對數（shù）控機床加工的高速化要求越來越（yuè）高。

a.主軸轉（zhuǎn）速：機床采用電（diàn）主（zhǔ）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（lǜ）達到240m/min且（qiě）可（kě）獲得複雜型（xíng）的精確加工；  

c.運算速度：微處理（lǐ）器的迅速發展為數（shù）控係統向高速、高精度方向發展提供了保障，開（kāi）發出CPU已發展到32位以及64位的數控係統（tǒng），頻率提（tí）高到幾百兆赫、上千兆（zhào）赫（hè）。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（dù）；  

d.換刀速度：目前國外先進加工（gōng）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公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為（wéi）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）要求現在已（yǐ）經不局限於靜態的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及（jí）對（duì）振動的（de）監測和補償越來越獲得重視。

a.提高CNC係統控製精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續進給，使CNC控製（zhì）單位精細化，並采用高分辨率位置檢測裝置，提 高（gāo）位置檢測精度，位（wèi）置伺服係統采用前饋控製與 非線性控製等方（fāng）法；

b.采用誤差（chà）補償技術：采用反向間隙補償、絲（sī）杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技（jì）術，對設（shè）備的（de）熱變形誤（wù）差和空間誤差進行綜合補償。

c.采用網格（gé）解碼器檢查和提（tí）高（gāo）加工（gōng）中心的運動軌跡精（jīng）度:通過仿真預（yù）測機床的加（jiā）工（gōng）精度，以保證機床（chuáng）的定位精度（dù）和重複定位（wèi）精（jīng）度，使其性能長期穩定，能（néng）夠在不同運行條件下完成多種（zhǒng）加工任務，並保（bǎo）證零件的（de）加工質量。

3.功能複合化

複合（hé）機床的含義是指在一台機床上實現或盡可能完成（chéng）從毛坯至成品的（de）多種要素加工。根（gēn）據其結構（gòu）特點可分為工藝複合型和工序（xù）複合型兩類。加工中心能夠完成車削（xuē）、銑削、鑽削、滾齒、磨（mó）削、激光熱處理等（děng）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，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（huà）

隨著人（rén）工智能技（jì）術的（de）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（de）智能化程度（dù）在不斷提高。具體體現在以下幾個方麵：

a.  加工（gōng）過（guò）程自適應控製技術；  

b.加工參數的智（zhì）能優（yōu）化與選擇；  

c.智能（néng）故障自診斷（duàn）與自修複技術；

d.智能故（gù）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（guò）程（chéng）中， 將測量 、建模、加工、機器操作四（sì）者（zhě）(即4M)融合在一個係統中 。

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（de）標準協議，可采（cǎi）納、吸收和兼容（róng）新一代通用軟硬件（jiàn）。  

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

c.數控標準的建立：標準化的編（biān）程（chéng）語（yǔ）言，既方便用戶 使用，又降低了和（hé）操作效率直接有關的勞動消耗。

6.驅動並聯化

可實現多坐標聯動數（shù）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，並聯機床被認為是“自發明（míng）數控技術以來（lái）在機床行業中最有意義的進步”和“21世紀（jì）新一代數控加工設備”。

7.  極端化(大型化和微型化)

國防、航空（kōng）、航天事業的發展和（hé）能（néng）源等基礎產（chǎn）業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世（shì）紀的戰略技 術，需發展（zhǎn）能適應微（wēi）小（xiǎo）型尺寸和（hé）微納米加工精度的新型製造工藝和裝備。

8.  信息交（jiāo）互（hù）網（wǎng）絡化

既可以實現網絡資源（yuán）共享，又能實現數控（kòng）機床的遠（yuǎn）程監視、控（kòng）製、遠程診斷（duàn）、維護。

9.加工過程綠色化（huà）

近年來不用或少用冷卻液、實現幹切削、半幹切削節能環保的機床不斷出現，綠色製造的大趨勢使各種節（jiē）能環保機床加速（sù）發展。

10.多媒（méi）體（tǐ）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。可以做到信息處理綜（zōng）合化、智能化，應用於實時監控係統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等（děng），因此有（yǒu）著重大的應用價值。

目（mù）前，數控機床的發（fā）展日新（xīn）月（yuè）異，高速（sù）化、高精度化、複合化、智能化、開放化、並聯（lián）驅（qū）動化、網絡化、極（jí）端（duān）化、綠色化已成為（wéi）數控機床發展的趨勢和方向（xiàng）。