​高端精密製造的CNC數控加工技術

數控技術的應用使（shǐ）傳統的製造業發生了質的變化，尤其是近年來．微電子技術和計算機技術的發展給數（shù）控（kòng）技術帶來了新的活力。數控技術和（hé）數控裝備（bèi）是各個國家工業現代化的重要基礎。

數控機（jī）床是現代製造業（yè）的主流設備，精密加（jiā）工的必備裝備（bèi），是體現現代機床技術水平、現（xiàn）代（dài）機械製造業工藝水平的重要標誌，是關係（xì）國計民生（shēng）、國防尖端建設的戰略物資。因（yīn）此（cǐ）世界上各（gè）工業發達國家均采取重大措施來發展自己的數（shù）控技（jì）術及（jí）其產業（yè）。

CNC數控加工

CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計算（suàn）機數據控製”，簡單地說就是“數控加工”，在珠江三（sān）角洲地區，人（rén）們稱為（wéi）“電腦鑼”。

數控加工（gōng）是當今機械製造中（zhōng）的先進加工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點的自動化加工（gōng）方法（fǎ）。它是將要加工工件的數控程序輸入給機床（chuáng），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，以製造出美妙的產品。

數控加工技術可有效解決像模（mó）具這（zhè）樣複雜（zá）、精密、小批多變的加工問題，充分適應了現代化生產的需要。大力發展數控加工技（jì）術已成為我國加速發展經濟、提高自（zì）主創新能力的重要途徑。目前我國數控機床使用越來（lái）越普遍，能熟練掌握數控機床編程，是充分發揮其功能的重要途徑。

數（shù）控機床（chuáng）是典型（xíng）的機電一體化產品，它集微電（diàn）子技術、計算機技術、測量技（jì）術、傳感器技術、自動控製技術及人工智能技術等多種先進技術於一體，並與機械加工工藝緊密結（jié）合，是新（xīn）一代的機械製造技術裝備（bèi）。

CNC數控機床的組成（chéng）

數控機床集機床、計算機、電動機及拖動、動控製（zhì）、檢測等技術為（wéi）一體的自動化設備。數控（kòng）機床的基本組成包括控製介質、數控裝置、伺服係（xì）統、反饋裝置及機床本體，如圖

1、控製介質

控製介質是（shì）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媒（méi）介物，它記載著（zhe）零件（jiàn）的加工程（chéng）序，因此，控（kòng）製介質就是指將零件（jiàn）加（jiā）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（suí）著數控裝置（zhì）類（lèi）型的不同而不同，常用的（de）有穿孔帶、穿孔卡（kǎ）、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿（chuān）孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利（lì）用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過（guò）計算（suàn）機與（yǔ）數控係統通信，將程序和數據直接傳送給數控裝置的方（fāng）法應用越來越廣泛。

2、數控裝置

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

3、伺服係統（tǒng）

伺服（fú）係統是接收數控裝置的指令、驅動機床執行機構運（yùn）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（diàn）機等。工作時（shí），伺服係統（tǒng）接受（shòu）數控係統的指令信息（xī），並按照指令信息的要求（qiú）與位置、速度（dù）反饋信號相比較後（hòu），帶動機床的移動部件或執行部件動作，加工出符（fú）合圖紙（zhǐ）要求的零件（jiàn）。

4、反饋裝置

反饋裝置是由測量元件和相應的電路組（zǔ）成（chéng），其作用是（shì）檢測速度和位移，並將信息反（fǎn）饋回來，構成（chéng）閉環控製。一些精度要求不高的數控機（jī）床，沒有反饋裝置，則稱為開環（huán）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）削加工的機械部（bù）分，它包括床身（shēn）、底座、工作台（tái）、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝的特點

CNC數控加工工藝也（yě）遵守機械加工（gōng）切削（xuē）規律，與普通機床的（de）加工工（gōng）藝大體相同。由於它（tā）是（shì）把計算機控製技術應用於機械加工之中的一種自動化（huà）加（jiā）工，因而具有加工效率高、精（jīng）度高（gāo）等（děng）特點，加工工藝有其獨特（tè）之處，工（gōng）序較為複（fù）雜，工步安排（pái）較為（wéi）詳盡周密。

CNC數（shù）控加工（gōng）工藝包括刀具（jù）的選擇、切削參（cān）數的確定及走刀（dāo）工藝（yì）路線的設計等（děng）內容。CNC數控加工工（gōng）藝是數（shù）控編程的基礎及核心，隻有工（gōng）藝合理，才能編出高效率和高質量的數控程序。衡量數控程序好壞的標準是：最少的加工時間、最（zuì）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整（zhěng）體加工工藝的一部分（fèn），甚至是一道工序。它要與（yǔ）其他前後工序相互配（pèi）合，才能最（zuì）終滿足整體機（jī）器或模具的（de）裝（zhuāng）配要（yào）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工步。

CNC的數控編程

數控編程是從（cóng）零件圖紙到獲得數控加工程序的全過程（chéng）。它的主（zhǔ）要（yào）任務是計算加（jiā）工走（zǒu）刀中（zhōng）的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸（zhóu）線（xiàn）與刀具表（biǎo）麵的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢量。

數（shù）控機床是根據工件圖樣要求及加工（gōng）工藝過程，將所用刀具及（jí）各部件的移（yí）動量、速度和動作先後順序、主軸轉速（sù）、主軸旋轉方向（xiàng）、刀頭夾緊、刀頭鬆開（kāi）及冷卻等操作，以規定的數控（kòng）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（de）指令進行（háng）編譯、運算和邏輯處理後，輸（shū）出各（gè）種信號（hào）和指令，控製各部分（fèn）根據規定的位移和有順序的動作，加工出各（gè）種不同形狀的工件。因此，程（chéng）序的編製對於數控（kòng）機床效能的發揮影（yǐng）響極大。

數控機床必須把代表各種不同功能的指令代碼（mǎ）以程序的形式輸入數控（kòng）裝置，由數控裝置進行運算處理（lǐ），然後發（fā）出脈衝信號來控製數（shù）控機床的各個運動部（bù）件的操作，從而完成零件的切削加（jiā）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（yòng）ISO代碼。

隨（suí）著技術的（de）進步，3D的數控編程一般很少采用手工編程，而使用（yòng）商品化的CAD/CAM軟件（jiàn）。

CAD/CAM是計算機輔助編程係統的核心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌（guǐ）跡的計算及編輯、工（gōng）藝參數設置、加工仿真、數（shù）控程序後（hòu）處理和數據（jù）管理等。

目前，在我國深受用戶喜歡的、數（shù）控（kòng）編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件（jiàn）對（duì）於數控編程的原理、圖（tú）形處（chù）理方法及加工方法都大同小異，但各有（yǒu）特點。

CNC數控加工零件的（de）步驟

1、分析零件圖，了解工件的大致情況（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）

2、確定零件的數控加工工藝（加工的內容，加工的路線）

3、進行必要的數值計（jì）算（基點、節點的坐（zuò）標計算）

4、編寫程（chéng）序單（不（bú）同（tóng）機（jī）床會有所不同，遵守使用手冊）

5、程序校驗（將程序輸（shū）入機床，並進行（háng）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（gōng）質量）

7、工件（jiàn）驗（yàn）收和質量（liàng）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生誤差原因和糾正方法）。

數控機床的發展曆史

二（èr）戰後，製造（zào）業的生產大（dà）部分是依靠人工操作（zuò），工人看懂圖紙後，手（shǒu）工操作機床，加工零件，用這種方式生產（chǎn）產品（pǐn），成本高，效率（lǜ）低，質量也得不到保證。

在（zài）20世紀（jì）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，在一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀（zhuàng），利用著一張硬卡來控製機床的動作（zuò），在當時，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，美國空軍看後，表示極大（dà）的興趣，因（yīn）為美國空軍正（zhèng）在尋找一種先進的加（jiā）工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一（yī）般的設備難以適應，美國空軍立即（jí）委托及讚助美國（guó）麻（má）省理（lǐ）工學院（MIT）進（jìn）行（háng）研究，開發這（zhè）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，成功的研製出了第一台（tái）示（shì）範機，到了1960年較為簡單和經濟的點位控製鑽床（chuáng），和直線控（kòng）製數控銑（xǐ）床得到（dào）了較快（kuài）的發展使數控機床（chuáng）在製造業各部（bù）門逐步獲得（dé）推廣。

CNC加工（gōng）的曆史已經（jīng）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製發（fā）展為極（jí）其複雜的集成加工係統，編程方式也有手工發展成為（wéi）智（zhì）能（néng）化、強大的（de）CAD/CAM集成係統。

就我國（guó）而言，數控技術的發展是比較緩慢（màn）的，對於國內的大多數（shù）車間來說。設備比較（jiào）落後，人員的技（jì）術水平和觀念落後（hòu）表現（xiàn）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，其控製單元（yuán）主要有各種閥門和模擬電路（lù）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（gōng）中心（xīn），成為現代製造業的關鍵設（shè）備。

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

3、1965年（nián）引入了第三代NC係統，其（qí）首次采（cǎi）用集成電路板。

4、實際上，在1964年已經研製出來了第四（sì）代NC係統，即我們非常熟悉的計算機數字控製係統（CNC控製係統）。

5、1975年，NC係（xì）統采用（yòng）了強大的微處理器，這（zhè）就是第（dì）五代NC係統。

6、第六代NC係統采用了現行的集成製（zhì）造係統（tǒng）（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、航空、航天等工業的高速發（fā）展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機床加工（gōng）的（de）高速化要求越來越高。

a.主軸轉速：機床（chuáng）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：在分（fèn）辨（biàn）率為0.01μm時（shí），最大進給（gěi）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、高精度方向發展提供了保障，開發出CPU已發展（zhǎn）到32位以（yǐ）及64位（wèi）的數控係統，頻率提高到幾百兆赫、上（shàng）千兆赫。由於（yú）運算速度（dù）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的進給速（sù）度；  

d.換刀速度：目前國外先進加（jiā）工中心的刀（dāo）具（jù）交換（huàn）時間（jiān）普遍（biàn）已在1s左右（yòu），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，刀具在圓周布置，其刀到刀（dāo）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（de）幾何精度（dù），機床的運動精度、熱（rè）變形以（yǐ）及對振動的監（jiān）測和補償越來越獲（huò）得重視。

a.提高CNC係統控製精度：采用高速插補（bǔ）技術，以（yǐ）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（zhì）檢測裝置，提 高位置檢測（cè）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（wù）差補（bǔ）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術，對設備的熱變形誤差和空（kōng）間誤差進行綜（zōng）合（hé）補償。

c.采用網格解碼器檢查（chá）和提高加工（gōng）中（zhōng）心的運動軌跡精度（dù）:通過仿（fǎng）真預測機床的加工精度，以保證機床的（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（tiáo）件下完成多種加工任務，並保證零件的加工質量。

3.功能複合化

複合（hé）機床的含義是指在（zài）一台機床上實現或盡可能完成從毛坯至成品（pǐn）的多種要素（sù）加（jiā）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（lèi）。加工中心能夠完成車削、銑（xǐ）削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序（xù），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（shòu）到（dào）各大企業的歡迎。

4.控製智（zhì）能化

隨著人工智能技術的發展，為了滿足製造業生產柔性化、製造自動（dòng）化（huà）的（de）發展需求，數控機床的智能化程度（dù）在（zài）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.加工參數的智能優化與選擇；  

c.智能故障自診斷與自修複技術；

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：在製造過程中， 將測量（liàng） 、建模、加工（gōng）、機器操（cāo）作四者(即4M)融合在一（yī）個係統中 。

5.體係開放（fàng）化

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

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

c.數控標準的建立：標準（zhǔn）化的編程語言，既方便用戶 使用，又降低了和操作效（xiào）率直接有（yǒu）關的（de）勞（láo）動消耗。

6.驅（qū）動並聯化

可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿（mǎn）足（zú）複雜特種零（líng）件的加工，並聯（lián）機床被認為是“自（zì）發明數（shù）控技術以來（lái）在機床（chuáng）行業中最有意義的進步”和（hé）“21世紀新一代數控加工設備”。

7.  極端化(大型化和微型化)

國防、航空、航天事業的發展（zhǎn）和能源等基礎產業裝備的（de）大型化需要大型且性能（néng）良好的數（shù）控機床的支撐。而超精密加工技術（shù）和微納米技（jì）術是21世紀的戰（zhàn）略技（jì） 術，需（xū）發展能適應（yīng）微小型尺寸和微納米加工精度的新型（xíng）製造（zào）工（gōng）藝和裝備。

8.  信息交互網絡化

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

9.加工（gōng）過程綠色化

近年（nián）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（qū）勢使各種節能環保機床加（jiā）速發展。

10.多媒體技術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術（shù）於一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息（xī）的能力。可以做到信息（xī）處理綜合化、智能化，應用於（yú）實時監控係統和（hé）生產現（xiàn）場設備（bèi）的故障診斷、生產過程參（cān）數監（jiān）測等（děng），因此有著重大（dà）的應用價值。

目前，數控機床的發展日新月異，高速化（huà）、高精度化、複合化、智（zhì）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（shì）和方向。