​高端精密（mì）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（biàn）化，尤其是近年來．微電子技術和計算機技術的發展給數控（kòng）技術帶來了新的活力。數控技術（shù）和數（shù）控裝備是各個（gè）國家工業現代化的重要基礎。

數控機床是現代製（zhì）造業的主流設備，精密加工的（de）必備裝備，是體現（xiàn）現代機床技術（shù）水平、現代機械製造業工藝水平的重要標誌（zhì），是關係國計民生、國防（fáng）尖端建設的戰略（luè）物資（zī）。因此世界上各工業發達國家均采取重大措施來（lái）發展自己的數控技術及其產業。

CNC數控加工

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（men）稱為“電腦鑼”。

數控加工是當（dāng）今機（jī）械製造中的先進加工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點的（de）自動化加工方法。它是將（jiāng）要加工工件的（de）數控（kòng）程序輸入（rù）給機床，機床在這些數據的控製下自動加（jiā）工出符合人們意願的工件（jiàn），以製造出美妙的產品。

數控加工技術可有效解決像（xiàng）模具這（zhè）樣複雜、精密、小批多變的加工問題，充（chōng）分適應了現（xiàn）代化生產的需要（yào）。大力發展（zhǎn）數控加工技術已成為（wéi）我國加速發展經濟、提（tí）高自主創新能力的重要途徑（jìng）。目前我國數控機床使用越來越普遍（biàn），能熟練掌握數控機（jī）床編程，是充分發揮其功能的重要途徑。

數控機床是典型的機電一體化產品，它集（jí）微電子技術、計算機技術（shù）、測（cè）量技術、傳感器技術、自動控製技（jì）術及人工智能技（jì）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，是新一代的機械製造技術裝備。

CNC數控機床的（de）組（zǔ）成

數控（kòng）機床集機床、計算機、電動機及拖動、動（dòng）控（kòng）製、檢測等技術為一體的自動化設備。數控機床的基本組成（chéng）包（bāo）括控製介質、數（shù）控裝置、伺服係統、反饋裝置及機床本體，如圖

1、控製介質

控（kòng）製（zhì）介質是儲存數控加工所需要的全部動作刀具相對於工（gōng）件位置信息（xī）的媒（méi）介物，它記載著零件的加工（gōng）程序，因此，控製介質就是指將零件加工信息傳送到數控裝（zhuāng）置去的信息載體。控製介質有多種形式，它隨著數（shù）控裝置類型的不同而不同，常用的有（yǒu）穿孔帶、穿孔卡（kǎ）、磁帶、磁盤等。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軟件在計算機編程，然後通過計（jì）算機（jī）與數控係統通信，將程序和數據直接傳送（sòng）給數控（kòng）裝置的方法應用越來越廣泛。

2、數控裝置

數控裝（zhuāng）置是數控機床的核心，人們喻為“中樞係統”。現代數控機床都采用計算機（jī）數（shù）控裝置CNC。數控裝置包括輸入裝（zhuāng）置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數控（kòng）裝置能完成信息的輸（shū）入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製功能。

3、伺服係統

伺服係統（tǒng）是接收數控裝置的指令、驅動機床執行機構運動的驅（qū）動部件。包括主（zhǔ）軸驅動單元、進給（gěi）驅動單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺（sì）服係統接受數控係統的指令信息，並按照指令信息的要求與位置（zhì）、速度反饋信號相比較後，帶動機床的移動部件或（huò）執行部件動作，加工出（chū）符合圖紙要求的零件。

4、反饋（kuì）裝置

反饋裝置是由測量元件和相應的電路組成，其作用是檢測速度和（hé）位移，並將（jiāng）信息反饋回（huí）來（lái），構成閉環控製。一些精度要求不高的數控機床，沒（méi）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，是完成實（shí）際切削加工的機械（xiè）部分，它包括床身、底座（zuò）、工作（zuò）台、床鞍、主（zhǔ）軸等。

CNC加工工（gōng）藝的特點

CNC數控加（jiā）工工藝也遵守機械（xiè）加（jiā）工切削規律（lǜ），與普通機床（chuáng）的加工工藝大體相同。由於它是把計算機控製技術應用於（yú）機（jī）械加工之（zhī）中的一種自動化加工（gōng），因（yīn）而具有加工效率高（gāo）、精度高等特點，加工工藝有其（qí）獨特之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡（jìn）周（zhōu）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（lù）線的設計等內容。CNC數（shù）控（kòng）加工工藝是（shì）數（shù）控編程的基礎（chǔ）及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質（zhì）量的數控程（chéng）序（xù）。衡量數控程序好壞的標準是：最少的加工時間（jiān）、最小的刀具損耗及加工出最（zuì）佳（jiā）效果的工件（jiàn）。

數控加工工序是工件整體加工工（gōng）藝的一部分，甚至是一道工序。它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（gōng）工序一般分（fèn）為粗加工、中粗清角加工、半精（jīng）加工及精加工等工步。

CNC的數控編程

數控編程是（shì）從零件圖紙到獲得數控加工程序的全過（guò）程。它的主要任務是計算加工走刀中的（de）刀位點（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）軸加工中還要給出刀軸矢量。

數控機床是根據工件圖樣要求及加工工藝過程（chéng），將所用刀具及各（gè）部件的移動量、速度和動作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭（tóu）夾緊、刀頭鬆開（kāi）及冷卻等操作，以規（guī）定的數（shù）控代（dài）碼形（xíng）式編成程序單，輸（shū）入到機床專用計算機中。然後，數控係統根據輸入的指令進行（háng）編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信號（hào）和指令，控製各部分根據規定的位移和有（yǒu）順序的動作，加工出各種不同形（xíng）狀（zhuàng）的（de）工件。因此，程序（xù）的編製對於數控機床（chuáng）效能的發揮影響極大（dà）。

數控機床必須把代表各種不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，然後發出脈衝信號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：國際標準化組織的ISO和美國電子工業協會的EIA。我國采用ISO代碼。

隨著技術的進步，3D的數（shù）控（kòng）編程一般很（hěn）少采用手工編程，而使用（yòng）商品化的CAD/CAM軟件。

CAD/CAM是計算（suàn）機輔（fǔ）助編（biān）程係統（tǒng）的核心，主要功能有數據的輸入（rù）/輸出、加工軌跡（jì）的計算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控（kòng）程（chéng）序後處理和數據管理等。

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

CNC數控加工零件的步驟

1、分析零件圖（tú），了解工件的大致情況（幾何形狀，工件（jiàn）材（cái）料，工藝（yì）要求等）

2、確定零件的數控加工工藝（加工的（de）內容，加工的（de）路線）

3、進行必要的數（shù）值計算（suàn）（基點、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（xù）校驗（將程序輸入機（jī）床，並進行（háng）圖形模擬，驗證編程的（de）正確）

6、對工件進（jìn）行加工（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（hé）質量誤差分析（對工件進（jìn）行檢驗，合格流入下一道。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（zhàn）後，製造業的生產大部分（fèn）是依靠（kào）人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作機（jī）床，加工零件，用這（zhè）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年代末期，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一種方法（fǎ），在一張（zhāng）硬紙卡上打孔來表示需要加工的零（líng）件幾何形狀，利用著一張硬卡來控製機床的動作，在當時，這隻是一（yī）種構思。

1948年，帕（pà）森斯（sī）向美國空（kōng）軍展示了他的這種想法，美國空軍（jun1）看後，表示極（jí）大的興趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問題，由於樣（yàng）板（bǎn）形狀複雜，精度要求高，一般的（de）設備難以適應，美（měi）國空軍立即委托及讚助美國麻省（shěng）理工學院（MIT）進行研究，開發這（zhè）部硬卡紙來（lái）控製的機床，終於在1952年，麻省理工學院和帕森斯公司合作，成功的研製出了第一（yī）台示（shì）範機，到了1960年較為（wéi）簡單和經濟（jì）的點位控製鑽床，和（hé）直線控製數控銑床得到了（le）較快的發展使數控機床在製造業各部門逐步獲得推（tuī）廣。

CNC加（jiā）工的（de）曆史已（yǐ）經經曆了長達（dá）半個多世紀，NC數控係統也由最（zuì）早的模擬信號電（diàn）路控製發展為極其複雜的集成（chéng）加工係統，編程方式也有手工發展成為智能（néng）化、強大的CAD/CAM集成係統。

就我國而言，數控技術的發展（zhǎn）是比較緩（huǎn）慢的，對於國內的大多數車間來說。設備比較落後，人員的（de）技術（shù）水平和觀念（niàn）落後表現為加工（gōng）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（zào）業的關鍵設備。

2、第二代NC係統於1959年產生的，其主要（yào）有單個的晶體管和其他部（bù）件組成。

3、1965年（nián）引入了第（dì）三代NC係統，其首次采用集成電路板。

4、實際上，在1964年（nián）已經研製出來了第四代NC係統，即我們非（fēi）常（cháng）熟悉的計（jì）算機數字（zì）控製係統（CNC控製係統）。

5、1975年，NC係（xì）統采用了強大的微（wēi）處理器，這就是第五代NC係統。

6、第六代NC係統采用了（le）現（xiàn）行的集成製造係統（MIS）+DNC+柔性加工係統（FMS）

數控機床的發展（zhǎn）趨勢（shì）

1.高速化

隨著汽車、國防、航空、航天等（děng）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（jī）床（chuáng）加工的高速化要求越來越高。

a.主軸轉速：機（jī）床采（cǎi）用電主軸(內裝式主軸電機)，主軸最高（gāo）轉速達200000r/min；  

b.進給率：在（zài）分辨率為0.01μm時，最大（dà）進給率達到240m/min且可獲（huò）得複（fù）雜型的（de）精確加工；  

c.運算速度：微處理器的迅速發展為數控係統（tǒng）向高速、高精度方向發展提供（gòng）了保（bǎo）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（zhào）赫、上千兆赫。由於運算速（sù）度的極大提（tí）高，使得當分辨率為0.1μm、0.01μm時（shí）仍能獲得高達24～240m/min的進給（gěi）速度；  

d.換刀速度：目前（qián）國外先進加工中心的刀具交換時（shí）間普遍已在1s左右，高的已達（dá）0.5s。德國Chiron公司（sī）將刀庫設計成籃子樣式，以（yǐ）主軸為軸心，刀具在圓周布置，其（qí）刀到刀的換刀時間僅0.9s。

2.高精度化

數控機床精度的要（yào）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（yǐ）及對振（zhèn）動（dòng）的監測和補（bǔ）償越來越獲得重視。

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

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

c.采用網格（gé）解碼器檢查（chá）和提高加工（gōng）中心的（de）運動軌跡精度:通過（guò）仿真預測機床的加工精度，以保證（zhèng）機床的（de）定位精度和重複定位精度，使其性能長期穩定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任（rèn）務，並保證零件的加工質量。

3.功能（néng）複合化

複合（hé）機床的含義是指在一台（tái）機床上實現或盡可能完成從毛坯（pī）至成品的多種要素加工（gōng）。根據（jù）其結構特點可分為工藝（yì）複合型和工（gōng）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（lǐ）等多種工（gōng）序，可完成複雜零件的全部加工（gōng）。隨著現代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯動（dòng）數控機床越來越（yuè）受到各（gè）大企（qǐ）業的歡迎。

4.控製智能化

隨著人工智能技術（shù）的發展，為了滿足製（zhì）造（zào）業生產柔性（xìng）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（gāo）。具體體現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應控製技術（shù）；  

b.加工參（cān）數的智（zhì）能優（yōu）化與選擇；  

c.智能故（gù）障自診斷與自修複技術；

d.智能故障回放和故（gù）障仿真技術；

e.智能化交流伺服驅動裝置；  

f.智能4M數（shù）控係（xì）統：在製造過程中， 將測量 、建（jiàn）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（jiàn）接口都遵循公認（rèn）的（de）標準協議，可采納、吸收和兼容（róng）新一（yī）代通用軟硬件。  

b.向用戶特殊要求開放：更新產品、擴（kuò）充功能、提供硬軟件產品的各種（zhǒng）組合（hé）以滿足特殊應（yīng）用要求；  

c.數控標準的建立：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有關的勞（láo）動（dòng）消耗。

6.驅動（dòng）並聯化

可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多（duō）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（kòng）技術以來在機床行業中最有意義的（de）進步”和“21世紀（jì）新一代數控（kòng）加（jiā）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（kòng）機床的支（zhī）撐。而超（chāo）精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略技 術，需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型製造工藝和裝（zhuāng）備。

8.  信息交互網絡化

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

9.加工過程綠色化

近年來不用或少（shǎo）用冷（lěng）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（zào）的大趨勢使各種節能環保（bǎo）機床加速發展。

10.多媒（méi）體技術的應用

多媒體技術集（jí）計算機、聲像和通信技（jì）術於（yú）一體，使（shǐ）計算機具（jù）有綜合處（chù）理聲音（yīn）、文字、圖像和視頻信息的（de）能（néng）力。可以（yǐ）做到信息處理綜（zōng）合化、智能化，應用於（yú）實時監控係統和生產現（xiàn）場設備的故障診斷、生產（chǎn）過程參數監測等，因此有著重大的（de）應用價值。

目前，數（shù）控機床（chuáng）的發展日新月（yuè）異，高速（sù）化、高精度化、複合化、智能化、開放化（huà）、並聯驅動化、網絡化、極端（duān）化（huà）、綠色化已成為數控機床發展的趨勢和方向。