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，尤其是近年來．微電（diàn）子技術和計算機技術的發展給數控技術帶來了新的活力。數控技術和數控裝備是（shì）各個國家工業現代化的（de）重要基礎。

 

    數控機（jī）床是現代製造業的主流設備，精密（mì）加工的必備裝備，是體現現代機床技術水平、現（xiàn）代機（jī）械製造業（yè）工藝水平的重要標誌，是關係國計民生、國防尖端建設的戰略物（wù）資。因此世界上（shàng）各工業發達國（guó）家均采取重大措施（shī）來發（fā）展自己的數控技術及（jí）其產業（yè）。

 

CNC數控加工

 

    CNC是英文Computer Numberical Control的縮（suō）寫，意思是“計算機數（shù）據控（kòng）製”，簡單地說就是“數（shù）控加工”，在（zài）珠江三角洲地區，人們稱（chēng）為“電腦鑼”。

 

    數控加工（gōng）是當今機械製造中（zhōng）的先進加工技術，是一種具（jù）有高效率、高精度與高柔性特點的自動（dòng）化加工方法。它是將要加工（gōng）工件的數控程序輸入給機床，機床在這些數據的控製下（xià）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像模具這樣複雜、精密（mì）、小（xiǎo）批（pī）多變的加（jiā）工問題，充分適應了現代化（huà）生產的需要。大力發（fā）展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（tú）徑。目前我國數控機床使用越來越普（pǔ）遍，能熟練掌握數控機（jī）床編程，是（shì）充分發揮其功（gōng）能的重要途徑。

 

    數控機床（chuáng）是典型的機電一體化產品，它集微（wēi）電子技術、計算機技術（shù）、測量技術、傳感器技術、自動控製技術及人工智能技術等多（duō）種先進技（jì）術於一體，並與機械加工工藝緊密結合，是新一（yī）代的機械製造技術裝備。

 

CNC數控機床的組成

 

    數控機床集機床、計算機、電動機及拖動、動控（kòng）製、檢測等技（jì）術為一體的自動化設備。數（shù）控機床的（de）基本組成包括（kuò）控製介質、數控裝置、伺服（fú）係統、反饋裝置及機床（chuáng）本（běn）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對於工件位置信息的（de）媒介物，它記載（zǎi）著零件的加工程序，因此，控製介質就是指將零件加工信息傳送到數控裝置（zhì）去的信息載體。控製介質有多種形式，它隨著數控裝置類型的不（bú）同而不同，常（cháng）用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁（cí）盤（pán）等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿（chuān）孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟（ruǎn）件在（zài）計算機編程，然後通過（guò）計算機與數控係統通信，將程序和數據直接傳送給數控裝置的方（fāng）法應用越來越廣（guǎng）泛。

 

2、數控裝置

 

  數控裝置是數控機床的核心，人們喻（yù）為“中樞係統”。現代數控機床都（dōu）采用計算機數（shù）控裝（zhuāng）置CNC。數控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝（zhuāng）置等構（gòu）成數控裝（zhuāng）置能完成信（xìn）息的輸入、存儲、變（biàn）換、插補運算以及（jí）實現各種控製功（gōng）能。

 

3、伺服係統

 

    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（de）驅動部件。包括主軸驅動單（dān）元、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工作時（shí），伺服係統接受數控係統的指令信息，並按照指令信（xìn）息的要求（qiú）與位置（zhì）、速度反饋信號相比較後，帶動機床的（de）移（yí）動部件或執行部件動作，加工（gōng）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（diàn）路組成，其作用是檢測速（sù）度和（hé）位（wèi）移，並將信（xìn）息反饋回來，構成閉環控製。一些精度要求不（bú）高的數控機（jī）床，沒有反饋裝置，則稱為開環係統。

 

5、機床本體

 

    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，它包括床身、底座、工（gōng）作台、床鞍、主軸（zhóu）等（děng）。

 

CNC加工工藝的特點

 

    CNC數控加工工（gōng）藝也遵守機械加工切削規律，與普通機床（chuáng）的加工工藝大體相同。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（zhǒng）自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加（jiā）工工藝有其獨特之處，工序較（jiào）為複雜，工步安排較為詳盡周密。

 

    CNC數控加工工藝包括刀具的選擇、切（qiē）削參數的確定及走刀工藝路（lù）線的設計等內容。CNC數控加（jiā）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（lǜ）和（hé）高質量的數控程序。衡（héng）量數控程（chéng）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（jiàn）整（zhěng）體加工工藝的一部分，甚至是一道工序。它要與其他前（qián）後工序相互配合，才能最終滿足整體機器或模具的裝配要求，這（zhè）樣才能加工出合格的零件。

 

    數控加工工序一般分為粗加工（gōng）、中粗清角（jiǎo）加工（gōng）、半精加（jiā）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（dé）數控加工程序的全（quán）過程。它（tā）的主要任務是計算加工（gōng）走刀中的（de）刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為（wéi）刀具軸線與刀具表麵的交（jiāo）點，多軸加工中還要給出刀軸矢量。

 

    數控機（jī）床是（shì）根據工（gōng）件圖（tú）樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度和動作先後順序、主軸轉速、主軸旋（xuán）轉方向（xiàng）、刀頭夾緊、刀頭（tóu）鬆開及（jí）冷卻等操作，以規（guī）定的數控代（dài）碼形式編成程序（xù）單，輸入到機床專用計（jì）算機中。然後，數（shù）控係統根（gēn）據輸入的指令進行編譯、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（de）位移和有順序（xù）的動作，加工（gōng）出各種不同形狀的工（gōng）件。因此，程序的編製對於數控機床效能的發揮影響極大。

 

    數（shù）控機床（chuáng）必須把（bǎ）代表各種不同功（gōng）能的指令（lìng）代碼以程序的形式（shì）輸入數控裝置，由（yóu）數控裝置進（jìn）行（háng）運算處（chù）理，然後發（fā）出脈衝信號來控製數控機床的各個運動部件的操作，從而完成（chéng）零件的切削加工。

 

  目前數控（kòng）程（chéng）序有兩個標準：國際標準化（huà）組（zǔ）織的ISO和美國電子工業協會的EIA。我國采用（yòng）ISO代碼。

 

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

 

    CAD/CAM是計算機輔助（zhù）編（biān）程係統的核（hé）心，主要功能（néng）有數據的輸入/輸出、加工（gōng）軌跡的計算及（jí）編輯、工（gōng）藝參數設置、加工仿真、數控程序（xù）後處理和（hé）數據管理等（děng）。

 

  目前，在我國深受用戶喜歡的、數控編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等（děng）。各（gè）軟件對於數控編程的原理、圖形處（chù）理方法及加（jiā）工方法都大同小異（yì），但各有特點（diǎn）。

 

CNC數（shù）控（kòng）加工零件（jiàn）的步驟

 

    1、分析零件圖，了解工件的大致情況（kuàng）（幾何形狀，工件材（cái）料，工藝要（yào）求等）

 

    2、確定零（líng）件的數控加工工藝（加工的內容，加工的路線）

 

    3、進行（háng）必要的數（shù）值計算（基點、節點的坐標計（jì）算）

 

    4、編寫程（chéng）序單（不同機床會有所不同，遵守（shǒu）使用手冊）

 

    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（好的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（zhì）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出產（chǎn）生誤差原因和糾（jiū）正方法）。

 

數控機床的發展曆（lì）史

 

    二戰後，製造業的生（shēng）產大部分是依靠人工操（cāo）作，工人看（kàn）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（dé）不到保證。

 

  在20世紀40年（nián）代末期（qī），美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一種（zhǒng）方法，在一（yī）張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀，利（lì）用著一張硬卡來控製機床的（de）動作，在當時，這（zhè）隻是一（yī）種構思。

 

    1948年，帕森斯向美國空軍展示（shì）了他的這種想法，美國空（kōng）軍看（kàn）後，表示極大的興趣，因（yīn）為美國空軍（jun1）正在（zài）尋找一種先進的加工方法，希望解決飛機（jī）外（wài）型樣板的加工問題，由於樣板（bǎn）形狀複雜，精度要求高，一般的設備（bèi）難以適應，美國（guó）空軍立即委托及讚助（zhù）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，終於在1952年，麻省理工學院和帕森斯（sī）公司合作，成（chéng）功（gōng）的研（yán）製出了第一台示範機，到了1960年較為（wéi）簡單和經濟的點位控製鑽床，和直（zhí）線控製數控銑床得到了較快的發（fā）展使數（shù）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世紀，NC數控係統也由最早的模擬信號電路控（kòng）製發展為極其複雜（zá）的集成加工係統，編程方式也有（yǒu）手工發（fā）展成為智能（néng）化、強大的CAD/CAM集成係統。

 

    就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢的，對（duì）於國內的大（dà）多數車間來（lái）說。設備比（bǐ）較落後，人（rén）員的技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（yī）代NC係統是在1951年引入的，其控製單元主要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一台數控機床誕生，已經從銑床或車床發展到加工中心，成為現代製造業的關鍵設備。

 

    2、第二（èr）代NC係統（tǒng）於1959年產生的，其主要有單個的晶體（tǐ）管和其他部（bù）件（jiàn）組成。

 

    3、1965年引入（rù）了第三代NC係統，其首次采用集成電路板。

 

    4、實際（jì）上，在（zài）1964年已經研（yán）製出來了第四代NC係統（tǒng），即（jí）我們非常熟悉的計算機數字控（kòng）製係統（CNC控製係統（tǒng））。

 

    5、1975年，NC係統采用（yòng）了（le）強大的微處理器，這（zhè）就是第五代NC係統。

 

    6、第六代NC係統采用了（le）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（huà）

 

隨（suí）著汽車、國防、航空、航天等工業的高（gāo）速發展以及鋁合（hé）金等新材料的應（yīng）用，對數控機床加工的（de）高速化要求越來越高。

 

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

 

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

 

c. 運算速度：微處理器的迅速發展為數控係統向高（gāo）速、高精度（dù）方向發展提供了保障，開發出（chū）CPU已發展到32位以及64位的數控係統，頻率提高到幾百兆（zhào）赫、上千（qiān）兆赫。由於運算速度的極大提高，使得當分（fèn）辨（biàn）率為0.1µm、0.01µm時仍（réng）能獲得高達24～240m/min的進給（gěi）速度；  

 

d. 換刀速度：目前國外先進加（jiā）工中心的刀（dāo）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，以主軸為軸心，刀具在圓周（zhōu）布置，其刀到刀的換刀（dāo）時間僅0.9s。

 

2. 高精度化

 

數控機（jī）床精度的要求現在已經不局限於靜（jìng）態的幾何精度，機床的運（yùn）動精度（dù）、熱變形以及對振動的監測和補償越來越獲得重視。

 

a. 提高（gāo）CNC係統控製精度：采用高速插補技術，以微（wēi）小程序段實現連續（xù）進給，使CNC控製單位精細化（huà），並采（cǎi）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（xì）統采用前饋控製與 非線性（xìng）控製等方法；

 

b. 采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲杆（gǎn）螺距誤差（chà）補償和刀具誤差補償等（děng）技術，對設備的熱變形誤差和空間誤差進（jìn）行綜合補償。

 

c. 采用網格解碼器檢查和（hé）提高加工中心的運（yùn）動軌（guǐ）跡精度: 通過（guò）仿真預測機床的（de）加工精度，以保證機床的定位（wèi）精度和重複定位精（jīng）度，使其性能（néng）長期穩定，能夠在（zài）不同運行條（tiáo）件下完成多種加工任務，並保證零件的（de）加工質量。

 

3. 功能複合化

    

複合機床的含義（yì）是（shì）指在一台機床上實現或盡可（kě）能完成從毛坯至成品（pǐn）的多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝複合型和工序複合型兩類。 加（jiā）工中心（xīn）能（néng）夠完（wán）成（chéng） 車（chē）削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光（guāng）熱處理（lǐ）等多種工序，可完成複雜零件的（de）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機床越（yuè）來越受到各 大企業的歡迎。  

 

4. 控製智能化（huà）

 

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

a.  加工過程（chéng）自（zì）適應控製技術；  

b. 加工參數的智能優化（huà）與選（xuǎn）擇；  

c. 智能故障自診斷（duàn）與自修複技術；

d. 智能故障回放和故障仿真技術；

e. 智能（néng）化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係統：在製造（zào）過程中， 將測量 、建模、加工、機器操作四者(即4M)融合在一個（gè）係統中 。

 

5. 體係開放化

 

a. 向未來技術開放：由於軟硬件接口（kǒu）都遵循公認（rèn）的標準協議（yì），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（chǎn）品、擴充功能、提供硬（yìng）軟件產（chǎn）品的各種組合以滿足特殊應用要求；  

 

c. 數控標準的建立：標準化的編程語言，既方便用戶（hù） 使用，又降低了和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控加工、裝配和（hé）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（dài）數控加工設備”。

 

7.  極端化(大型化和（hé）微型（xíng）化 )

 

國防（fáng）、航空、航天（tiān）事業的發展和能源等基礎產業裝備（bèi）的大型化需要大型且性能良好的（de）數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略（luè）技 術，需發展能適應微小型尺寸和微納米加工（gōng）精度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，又能實現數控機床的遠程監視、控製、遠程（chéng）診斷、維護。

 

9. 加工過程綠色（sè）化

 

 近年來不（bú）用或少（shǎo）用冷卻液、實現幹（gàn）切削、半幹切削節能環保的機床（chuáng）不斷出現， 綠色製造的大趨勢（shì）使各種節能（néng）環保機床加速發展。

 

10. 多媒（méi）體技術的應用

多媒體技術集（jí）計算（suàn）機、聲像和通信技術於一體，使計算機具有綜合（hé）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合化、智能化，應用於實時監控 係統和生產現場（chǎng）設備的故障診斷、生（shēng）產過程參數監測等，因此有著重大（dà）的應用價值。

 

目前，數控機床（chuáng）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、網絡化、極端化、綠色化已（yǐ）成為數控機床發展的趨勢和方向。