​高端（duān）精密製造的CNC數控加工技術

    數控技術的應用使傳統的（de）製造業發（fā）生了質的變化，尤（yóu）其是近（jìn）年來．微電子（zǐ）技術和計算（suàn）機技（jì）術的發展給數控技（jì）術帶來了新的活力。數（shù）控技術和數控裝備是各個國（guó）家工業現代化的重要基礎（chǔ）。

    數控機床是（shì）現代製造業的主流設備，精密加工的必備（bèi）裝備，是體現現代機床技術水平、現代機械（xiè）製造業工藝水平的（de）重要標（biāo）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（yè）發達國家均采取（qǔ）重大措施來發展自（zì）己的數控技術及其（qí）產業。

CNC數控（kòng）加工

    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“數控加工”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

    數控（kòng）加工是當今機械製造中的先進加工技術，是一種具有高（gāo）效率、高精度與高柔性（xìng）特點的（de）自動化加工方法。它是將要加（jiā）工工件的數控程序輸入給機床（chuáng），機床在（zài）這些數（shù）據的控製（zhì）下自動加工出符合人們意願的工件，以製造出（chū）美妙的產品。

    數控加（jiā）工技術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小批多（duō）變的加工問題，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我國加（jiā）速發展經濟（jì）、提高（gāo）自主（zhǔ）創新能力的重要途（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（chuáng）編（biān）程，是充分發揮其功（gōng）能的重要途徑。

    數控機床是典型的機電一體化產品，它集微電子技術、計算機技術、測量技術、傳感器技術、自動控製技術及人工智能技術（shù）等多種先進技術於一體，並與機械加（jiā）工工藝緊密結（jié）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（kòng）機床集機床、計算機、電動機及拖動、動控製（zhì）、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、伺服係統、反饋裝置及機床本體

1、控製介質

  控製（zhì）介質是儲存（cún）數控加工所需要的全（quán）部動作刀具相對於工件位置信（xìn）息的媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控製介質就是（shì）指將零件加工（gōng）信息傳送到（dào）數控裝（zhuāng）置去（qù）的信息載體。控製介質有多種形式，它（tā）隨著數（shù）控裝置類型的（de）不同而不同（tóng），常用的（de）有穿孔（kǒng）帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技（jì）術的發展，穿孔帶、穿（chuān）孔（kǒng）卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程（chéng），然後通過計算機與數（shù）控係統通信，將程序（xù）和數據直接（jiē）傳送給數控裝置的方法應用越（yuè）來越廣泛。

2、數控裝置

  數控裝（zhuāng）置是數控機床（chuáng）的核（hé）心，人（rén）們喻為“中樞係統”。現代數控機床都采用計算機數控裝（zhuāng）置CNC。數控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數控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（zhǒng）控（kòng）製功能。

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驅動部件。包（bāo）括主軸（zhóu）驅動單元、進給驅動單元、主軸電（diàn）機和進給電機（jī）等。工作時，伺服係（xì）統接受數控係統的指令信息，並按照指令信息的（de）要求與位置、速度（dù）反饋信號相比較後，帶動機床的移動部件（jiàn）或執行部件（jiàn）動作，加工出符合圖紙要求（qiú）的（de）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，其作用是檢測速度和位移，並將信息反饋回來，構（gòu）成閉環控製。一些精度要求不高的（de）數控機床，沒有反饋裝（zhuāng）置，則稱為開環係統。

5、機床本體

    機床本體是數控機床的實體，是完成實際切（qiē）削加（jiā）工的機械部分，它包括床身、底座、工作台（tái）、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝的特點

    CNC數控加工（gōng）工藝也遵守機械加工（gōng）切削規律，與普通機床的加工工藝大體相同（tóng）。由於它是（shì）把（bǎ）計算機控製技術應用於機械加工之中的一種自（zì）動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工序較（jiào）為（wéi）複雜，工步安排（pái）較（jiào）為詳盡周密。

    CNC數（shù）控加工工藝包（bāo）括刀（dāo）具的選擇（zé）、切削參數的確定及走刀工藝路線的設計（jì）等內容。CNC數（shù）控（kòng）加（jiā）工工藝是數控編程的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量的數控程序。衡量數控程序好（hǎo）壞的（de）標準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加（jiā）工出最佳效（xiào）果（guǒ）的工件。

    數控（kòng）加工工序是工件整體加工工藝的一部分，甚（shèn）至是（shì）一（yī）道工序。它（tā）要與其他前後工序相互配合，才能最終滿足整體機器或模具的裝配要求，這樣才能加工出合格的零件。

    數控加工工序一般分為粗加（jiā）工、中粗清角加工、半精加工及精加工等（děng）工步。

CNC的數控編程

  數（shù）控編（biān）程是從零件圖紙到獲得數控加工程序的（de）全過程。它的主要任務是計算加工走刀中的（de）刀（dāo）位點（diǎn）（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為（wéi）刀具軸（zhóu）線與刀具表麵的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢（shǐ）量。

    數控機床是根據工件圖樣要求及加（jiā）工工藝過程（chéng），將所用刀具及各部件的（de）移（yí）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、刀頭鬆開及冷卻（què）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（zhuān）用計算機中（zhōng）。然後，數控係統根據輸入的指令進（jìn）行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信號和（hé）指令，控製（zhì）各部分根據（jù）規定的位移（yí）和有順序的動作，加工（gōng）出各種不同形狀的工件。因此，程序的編製對（duì）於數（shù）控（kòng）機床效能的發揮影響極大。

    數控機床必須把代表各種不（bú）同功能的指令代碼以程序的形式輸入數控裝置，由數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信（xìn）號（hào）來控製數控機床的各個運動部件的操作，從而完成零件的切削加工。

  目前數控程序有兩個標準：國際標準（zhǔn）化組織的ISO和美國電子工業（yè）協會的（de）EIA。我國采用ISO代碼。

  隨著技術（shù）的（de）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是計算機輔助編程係統的核心，主要（yào）功（gōng）能有數據的輸入/輸出、加工（gōng）軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程序（xù）後處理和數據管理等。

  目（mù）前，在我國深受用戶喜歡的（de）、數控（kòng）編程功能（néng）強大（dà）的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對（duì）於數控（kòng）編程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小（xiǎo）異，但各有特點。

CNC數控（kòng）加工零件的（de）步驟

    1、分（fèn）析零件圖，了解工件的大致情況（幾（jǐ）何形（xíng）狀，工（gōng）件材料，工藝要求等）

    2、確定（dìng）零件的數控加工工藝（yì）（加工的內容，加工的路線）

    3、進（jìn）行必要的數值計算（基點、節點的坐標計算）

    4、編（biān）寫程序單（不同（tóng）機床會有所不同，遵守使用手冊）

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

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

    7、工件驗收和質量誤差分析（對工（gōng）件進行（háng）檢驗，合（hé）格流入（rù）下（xià）一道。不合格則通過質量分析找出產生誤差原因和糾正方法）。

數控機床的發展曆史

    二戰後，製造業的生產大部分（fèn）是依靠人工操作，工人（rén）看懂圖紙後，手工操（cāo）作機床，加工（gōng）零件，用這種方式生產產品，成本高，效率低，質量也得不到保證。

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

    1948年，帕森斯向美（měi）國空軍展示了他（tā）的這種想法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因為美國空軍（jun1）正在尋找一種先進的加工方法，希望解（jiě）決飛機外型樣板的加工問題，由於樣板形狀複雜（zá），精（jīng）度要求高，一般（bān）的設備難以（yǐ）適應（yīng），美國空軍立即委托（tuō）及讚助美國麻省理（lǐ）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公（gōng）司（sī）合作，成功的研製出（chū）了第一台示範機，到了1960年較（jiào）為簡單和經濟的點位（wèi）控製鑽床，和直線控製數控銑床得到了較快的（de）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（shù）控係（xì）統也由最早的模（mó）擬信號電路控製發展為極其複雜（zá）的集成加工係統，編程方式也有手工發展成為（wéi）智能化、強大的CAD/CAM集成係（xì）統。

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

    1、第（dì）一代NC係統是在1951年引（yǐn）入的，其控製單元（yuán）主要有各種閥門和模（mó）擬電路組成的，1952年第一台數控機床誕生（shēng），已經從銑床或車床發展到加工中心，成為現代製造業的關（guān）鍵設（shè）備。

    2、第二代NC係統於1959年（nián）產生的（de），其主要有單個的晶（jīng）體管和其他部件組成。

    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1964年已經研製出來了第四代NC係（xì）統，即（jí）我們非（fēi）常熟悉的（de）計算機數字控製係統（CNC控製係統）。

    5、1975年，NC係統（tǒng）采用了強大的微處理器，這就是第五代NC係統。

    6、第六代（dài）NC係統采用了現行的集成製造係統（MIS）+DNC+柔性（xìng）加工（gōng）係統（FMS）

數控機床的發展趨勢（shì）

1. 高速化

隨著汽車、國防（fáng）、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（shù）控機床（chuáng）加工的高速化要求越來越高。

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

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

c. 運算（suàn）速度：微處理器的迅速（sù）發展為數控係統向高速（sù）、高（gāo）精度方（fāng）向發展提供了（le）保障，開發出CPU已發展到32位以及64位的數控係統，頻率提高到幾百兆赫、上千（qiān）兆赫。由於運算速度的（de）極大提高，使（shǐ）得當（dāng）分辨率為0.1µm、0.01µm時仍能（néng）獲得高達24～240m/min的進給速（sù）度；  

d. 換刀（dāo）速度：目前國外先進加工中心的刀具交換（huàn）時間（jiān）普遍已在1s左（zuǒ）右，高的已達0.5s。德（dé）國Chiron公司將刀庫設（shè）計（jì）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

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

a. 提高CNC係統控製精度：采（cǎi）用高速插補技術，以微小程序段實現連續（xù）進給，使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位置檢測裝置，提（tí） 高位置檢（jiǎn）測精度，位置伺（sì）服係統（tǒng）采用（yòng）前饋控製與 非線（xiàn）性（xìng）控製等方法；

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

c. 采用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡（jì）精度: 通過仿真預測機床的加工精（jīng）度，以保證機床（chuáng）的定（dìng）位精度（dù）和重複定位精度，使其性能（néng）長期穩定，能夠在不同運行條件下完（wán）成多種加（jiā）工任務，並保證零件的加工質量。

3. 功能複合化（huà）

複合機床（chuáng）的含義（yì）是指在一台機床上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種要（yào）素加工。根據其結構特點可分為工藝複合型和工（gōng）序複合型兩類。 加工中（zhōng）心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工（gōng）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（zhì）能化

隨著（zhe）人工智能技術（shù）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（néng）化程度（dù）在不斷提高。具體體現在以下（xià）幾個方麵（miàn）：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b. 加工參數的智能優化與選擇；  

c. 智能故障自診斷與自修複（fù）技術；

d. 智能（néng）故障回放和故障仿真技（jì）術；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係統：在製造（zào）過程（chéng）中， 將測量 、建模、加工（gōng）、機（jī）器操作四者(即4M)融合在一（yī）個（gè）係統中 。

5. 體係開放化

a. 向未來技（jì）術（shù）開放：由於軟硬件接口都遵（zūn）循公認的標準協議，可采納、吸收和兼容（róng）新一代通用軟硬件。  

b. 向用戶特殊要求（qiú）開（kāi）放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產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（yán），既方（fāng）便用戶（hù） 使用，又降低（dī）了（le）和操作效率直接有（yǒu）關的勞動消耗。

6. 驅動並聯化

可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量（liàng）多種功（gōng）能，更能滿足複雜特種零（líng）件（jiàn）的加（jiā）工，並聯機床被（bèi）認為是“自發明數控（kòng）技術以來在機床行業中最有意義的進（jìn）步”和（hé）“21世紀新一代數控加工（gōng）設備”。

7.  極端（duān）化（huà）(大型化和微型化 )

國（guó）防、航空、航天（tiān）事業的發展和（hé）能源等基礎產業裝備的大型化（huà）需要大型（xíng）且性能良好的數控機床（chuáng）的支撐。而超精（jīng）密（mì）加工技術（shù）和微納米技術是（shì）21世紀的戰略技（jì） 術，需（xū）發展能適應微小型尺寸和（hé）微納米加工精度的新型製造工藝和裝備。

8.  信息交（jiāo）互網絡化

既可（kě）以實現網絡資源共享，又能實現數控機床（chuáng）的遠程監視、控製、遠（yuǎn）程診斷、維護。

9. 加（jiā）工過程綠色化

 近年來不用或（huò）少用冷卻（què）液、實現幹（gàn）切（qiē）削、半幹切削節能環保的（de）機床不斷出現， 綠色製造的大趨勢使各種節（jiē）能環保（bǎo）機（jī）床加速發展。

10. 多媒體技術的（de）應（yīng）用（yòng）

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（zì）、圖像和（hé）視（shì）頻信息的（de）能力。可以做到信息處理綜合化、智（zhì）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，因此有著重大的應用價（jià）值。

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