​高端精密製（zhì）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質的變化，尤其是（shì）近（jìn）年來．微電子技術和計算機技術的發展（zhǎn）給數（shù）控技術（shù）帶來了新的活力。數控（kòng）技術和數控裝備是各個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（jīng）密加工的必（bì）備裝備，是體（tǐ）現現（xiàn）代機床技術水平、現（xiàn）代機械製造業工（gōng）藝（yì）水平的重要標誌，是關係國計民生、國防尖端（duān）建設的戰略物（wù）資。因此世界上各工（gōng）業發（fā）達國家均采取重大措施（shī）來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（de）縮寫，意思是“計（jì）算機數據控（kòng）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加工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點的自動（dòng）化加工方法。它是將要加工工（gōng）件（jiàn）的（de）數控程序輸入給機床，機床在這些數據的控（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。

    數控加工技術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小批多變的加工問題，充分適應了（le）現代化生產的需要。大力發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（lì）的（de）重（chóng）要途徑。目前（qián）我國數控機（jī）床使用越來越普遍，能熟練掌握（wò）數控機床編程（chéng），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，它集微電子技術、計算機技術、測量技術、傳感器技（jì）術、自動控製技術及人工智能技術等多種（zhǒng）先進技術於一體，並與機械加工工藝緊密結合，是新一代的機械製造技術裝備。

CNC數控機床的組成

    數控機床（chuáng）集機床、計算機、電（diàn）動機及拖（tuō）動、動控（kòng）製、檢測等（děng）技術為一體的自動化設備。數控機（jī）床（chuáng）的基本組成包括控（kòng）製介質、數控裝置、伺服係統、反饋裝（zhuāng）置及（jí）機床（chuáng）本（běn）體

1、控製介質

  控製介質是儲存數控加工（gōng）所需要的全部動作刀具相對於工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控製介質就是指將零件（jiàn）加工信息傳送到數控裝置去的信息載體。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，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿（chuān）孔帶（dài）、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機（jī）編程，然後通過計算機（jī）與數控係統通（tōng）信，將程序和數據直接傳送給數控裝置的方法（fǎ）應用越來越廣泛。

2、數控裝置

  數控裝置是（shì）數控機床的核心，人們喻為“中樞（shū）係統”。現代數（shù）控機床都（dōu）采用計算機數控裝置CNC。數控裝置包括輸入裝（zhuāng）置及中央（yāng）處理器(CPU)和輸出裝置等構成（chéng）數控裝置能完成信息的輸入、存（cún）儲、變換、插補（bǔ）運算（suàn）以及實現各種控製功能。

3、伺服係統

    伺服係統是接收數控（kòng）裝置的（de）指令、驅動（dòng）機床執行機構運動的（de）驅動部件。包括主軸（zhóu）驅動單元（yuán）、進給驅動單元、主軸電（diàn）機和進給電機等。工作時，伺服係統接受數控係統的指令信息，並（bìng）按（àn）照（zhào）指令信息的要（yào）求與位置（zhì）、速度反（fǎn）饋信（xìn）號相比較後，帶動機床的移動部件或執行部（bù）件動作，加（jiā）工出符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

    反饋裝置是由測量（liàng）元件和相應的電路組成（chéng），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（dù）要求不高的數控機床，沒有反（fǎn）饋（kuì）裝（zhuāng）置，則稱為開（kāi）環係統。

5、機床本體

    機床（chuáng）本體是數控（kòng）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、工作台、床（chuáng）鞍（ān）、主軸等。

CNC加工工（gōng）藝的特點

    CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律，與（yǔ）普通機（jī）床的加工工藝大體相同。由（yóu）於（yú）它是把計算機控製技術應用於機械加工之中的一種自動化加工，因而具有加工效率（lǜ）高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之（zhī）處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡周密。

    CNC數控加工工藝包括刀具（jù）的（de）選擇、切削參數的確定及走刀（dāo）工藝路線的設計等內容。CNC數（shù）控加工（gōng）工藝是數控編程的基礎及核心，隻有（yǒu）工藝合理，才能編出（chū）高效率和高質量的數控程序。衡量數（shù）控（kòng）程序好壞的標準是：最少的加工時間、最小（xiǎo）的刀具損耗及加工出最佳效果的工件。

    數控加工工序（xù）是工件整體（tǐ）加工工藝（yì）的一部分，甚至是（shì）一道工序。它要與其（qí）他前後工序相互配合，才能最終滿足整體機器或（huò）模具的裝配要求，這樣才能加工出合格的（de）零件。

    數控加工工序一般分為（wéi）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（biān）程

  數控編程是從零件圖紙到獲得（dé）數（shù）控加工程序的（de）全過程（chéng）。它的主要任務是計算加工走刀中的刀位點（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（yào）求及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的（de）移動量、速度和動（dòng）作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編成程序單，輸入到機床專用計算機中（zhōng）。然後，數控係統根據輸入的指令進行編譯、運算和邏輯（jí）處理後，輸出各種信號和指令，控（kòng）製各部分根據規（guī）定的位移和有順序的動（dòng）作（zuò），加工出（chū）各種不同形狀的工件（jiàn）。因此，程（chéng）序的編製對於數控機床（chuáng）效能（néng）的發揮影響極（jí）大。

    數控機（jī）床必（bì）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（kòng）裝置，由（yóu）數控裝置進（jìn）行運（yùn）算處理，然後發出脈衝信號來控製數控（kòng）機床的各個（gè）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（zǔ）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的數控編（biān）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，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯（jí）、工藝參數設置、加工仿（fǎng）真、數控程序後處理和數據管理等（děng）。

  目前，在我國深受用戶喜歡的、數控編程功能強（qiáng）大的軟（ruǎn）件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數（shù）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（fèn）析零（líng）件圖，了（le）解工件的大致情況（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）

    2、確定零件的數控加工工（gōng）藝（加工的內容，加工的路線）

    3、進行必要（yào）的數值（zhí）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（cè））

    5、程序校驗（將（jiāng）程序輸入（rù）機床，並進行圖形模擬，驗（yàn）證編程的正確）

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

    7、工件驗收和質量誤差分析（xī）（對工件進（jìn）行檢驗，合格流入（rù）下（xià）一道。不合（hé）格則通過質量分析（xī）找出產生誤差原因（yīn）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是依靠（kào）人工操作，工人看懂圖紙後（hòu），手工操作機床，加工零件，用這種方（fāng）式生產產品，成本（běn）高，效（xiào）率低，質量也得不到（dào）保證。

  在20世（shì）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（fāng）法，在（zài）一張硬紙卡上打孔來表示需要（yào）加（jiā）工的零（líng）件幾（jǐ）何形狀，利用著一張（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（měi）國空軍展示了他的這種想法，美國空軍看（kàn）後，表示極大的興（xìng）趣，因為美國空軍正在尋找（zhǎo）一（yī）種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣（yàng）板的加工問題（tí），由於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設備難以（yǐ）適（shì）應，美國（guó）空軍立（lì）即委托及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行（háng）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司合作，成功的（de）研製出了第一台示範機，到了1960年較（jiào）為簡單和經濟的點（diǎn）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（zài）製造業各部門逐步獲得推廣。

    CNC加工的曆史（shǐ）已經經曆了長（zhǎng）達半個多世紀，NC數控（kòng）係統也由最早的模擬信號電路控製發展為極其複（fù）雜的集（jí）成加工（gōng）係統，編程方式也有手工發展成為智能化、強（qiáng）大（dà）的CAD/CAM集成係統。

    就（jiù）我國而言，數控技術的（de）發展（zhǎn）是比較（jiào）緩慢的，對於國內的大多數車間（jiān）來說。設（shè）備比較落後，人員的技（jì）術水平和觀念（niàn）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係統是在1951年引入的，其控（kòng）製單元主（zhǔ）要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一台（tái）數控（kòng）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（bèi）。

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

    3、1965年引入了（le）第三代NC係（xì）統，其首次（cì）采用集成電路板。

    4、實際上，在1964年已經（jīng）研製（zhì）出來了第四代NC係統，即我們非常熟（shú）悉的計算機數字控製（zhì）係（xì）統（CNC控製係統）。

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

    6、第六（liù）代NC係統（tǒng）采用了現行的集成製造係統（MIS）+DNC+柔性加工係（xì）統（FMS）

數控機床的發展趨勢

1. 高（gāo）速化

隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。

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

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

c. 運算速度（dù）：微處理器的迅（xùn）速發展為數控係統（tǒng）向高速、高精（jīng）度方向發展提供了保障，開發出（chū）CPU已（yǐ）發展到32位以及（jí）64位（wèi）的數控係統，頻率提高到幾百兆（zhào）赫、上千兆赫。由於運算（suàn）速度的極大提高，使得當分辨率為0.1µm、0.01µm時仍（réng）能獲得高達24～240m/min的（de）進給速度；  

d. 換刀速度：目前（qián）國外先進加工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（yàng）式，以主軸為軸心，刀具在圓周（zhōu）布置，其刀（dāo）到刀的（de）換刀時間僅0.9s。

2. 高精度化

數控機（jī）床精（jīng）度（dù）的要求現在已經不（bú）局限於靜態的幾何精度，機床的運動精度、熱變形（xíng）以及對振（zhèn）動的監測和補償越來越獲得重視。

a. 提高CNC係統控製精度：采用高速（sù）插補技術，以微小程序段實現（xiàn）連續進給，使CNC控製單（dān）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（dù），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（shù）：采（cǎi）用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補（bǔ）償和（hé）刀具誤差補償等技術，對設備的熱變形誤差和空間誤（wù）差進行綜合補償。

c. 采用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度（dù）: 通過仿真預測機床的加工精度（dù），以保證機床的定位精度和重複定位精度，使其性（xìng）能長期穩定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，並保證零（líng）件的加工質（zhì）量。

3. 功（gōng）能複合化

複合機床的含（hán）義是指在一台機床上實現或盡可能（néng）完成（chéng）從毛坯（pī）至（zhì）成品的多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝複合（hé）型（xíng）和工（gōng）序（xù）複合型兩（liǎng）類。 加工中心能夠完成 車削、銑削、鑽削（xuē）、滾齒、磨削（xuē）、激（jī）光熱處理等多種工序，可完成複雜（zá）零件的全部加工。隨著現代機械加工要求的不（bú）斷（duàn）提高，大量的多軸聯動數控機床越來（lái）越受到各 大（dà）企業的歡迎。  

4. 控製智能化

隨（suí）著（zhe）人工智能技術的發展，為了滿足（zú）製造業生產柔性化、製造自動化的發展需求（qiú），數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b. 加工參（cān）數的智能（néng）優化與選擇；  

c. 智能故障自診斷與（yǔ）自修（xiū）複技術；

d. 智能故障回放和故障仿（fǎng）真技術；

e. 智能化交流伺服驅（qū）動裝置；  

 f. 智能4M數控係統（tǒng）：在製造過程中， 將測量 、建模、加工、機器操（cāo）作四者(即4M)融合在一個係統（tǒng）中 。

5. 體係開（kāi）放化

a. 向未（wèi）來技術開放（fàng）：由於軟硬件接口都遵循公認的標準協議，可采納、吸收和兼容新（xīn）一代通用軟硬件（jiàn）。  

b. 向用戶特殊要求（qiú）開放：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，既方便用戶 使用，又降低了和操作效率直接（jiē）有關的勞（láo）動消耗。

6. 驅動並聯化

可實現多坐標聯動（dòng）數控加工、裝（zhuāng）配和測量（liàng）多種功能，更（gèng）能滿足複雜特種（zhǒng）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（háng）業中最有意義的進步”和（hé）“21世紀（jì）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、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的（de）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備。

8.  信息交互網絡化

既（jì）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、遠程診（zhěn）斷、維護。

9. 加工過程綠色（sè）化

 近年來不用或少用冷卻液、實現幹切削、半幹切削節能（néng）環保的（de）機床不斷出（chū）現， 綠色製造的大趨勢使各種節能環保（bǎo）機床（chuáng）加（jiā）速發展。

10. 多媒體技（jì）術的（de）應用

多媒體技（jì）術集計算機、聲像（xiàng）和通信技術於一體，使計算機具有綜合處理聲音、文（wén）字、圖像（xiàng）和視頻信息的能（néng）力。可以做到信息處理綜（zōng）合化、智能化，應用於（yú）實時監控 係統和生產現場（chǎng）設備的故障（zhàng）診斷、生產過程參數監（jiān）測（cè）等，因此有著重大的應用價（jià）值。

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