高端精密製造的（de）CNC數控加工技術

　　

 

    數控技術（shù）的應用使傳（chuán）統的製造（zào）業發生了質的變化，尤其是近（jìn）年來．微電子技（jì）術和計算機技術的發展給（gěi）數控技術帶來了新的活力。數（shù）控技術和數控（kòng）裝備是各個國家工業現代化的重要基礎。

 

    數控機床是現（xiàn）代製造業的主流設備，精密（mì）加（jiā）工的必備裝備，是體現現代機床技術水平、現代機械製造業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資。因此世界上各（gè）工（gōng）業發達國家均采取重大措施（shī）來發展（zhǎn）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（suō）寫（xiě），意思是“計算機數據控製”，簡單地說就是“數控加工”，在珠（zhū）江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼（luó）”。

 

    數控加工是當（dāng）今機械製造中的（de）先進加工技術，是（shì）一種具有高效率、高精度與（yǔ）高柔性特點的自動化加工方法。它是（shì）將要加工工件（jiàn）的數控程序輸入給機床，機床在這些數據的控製（zhì）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（jīng）密、小（xiǎo）批多變的加工問題，充分適應了現代化生產的需要。大（dà）力發展數控加工技術已成為我國加速發展經濟、提高自主創新能力的重要途徑。目前我國數（shù）控機床使用越來越普遍，能熟練掌握數（shù）控機床編（biān）程，是充分發（fā）揮其（qí）功能的重要途徑。

 

    數控機床是典型的（de）機（jī）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（jì）術等多種先進技術於一體（tǐ），並與機械加工工藝緊密結合，是新一代（dài）的機械製（zhì）造技術裝備。

 

CNC數控機床的組成

 

    數（shù）控機床集機床、計算機、電（diàn）動機及拖動、動（dòng）控製、檢測等技術（shù）為一體（tǐ）的自動化設備。數控機床的基（jī）本組成包括控製介質、數控裝置、伺服係統、反饋裝置及（jí）機床本體

 

1、控製介質

 

  控製介質是儲存數控加（jiā）工所需要（yào）的全（quán）部動作刀具（jù）相對於工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加（jiā）工（gōng）程序，因此（cǐ），控（kòng）製介質就是指將零件加工（gōng）信（xìn）息（xī）傳送（sòng）到數控裝置去的信息（xī）載體。控（kòng）製介質（zhì）有多種形式，它隨（suí）著數控裝置類型的（de）不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數（shù）控技術的發（fā）展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後（hòu）通過計算機與數控係統通信，將程序和數據直接傳送給數控（kòng）裝置的方法應用越來越廣泛（fàn）。

 

2、數控裝置

 

  數控裝置是數控（kòng）機床的（de）核心，人們喻為“中樞係（xì）統”。現代數控機床都采用計算機數控裝置（zhì）CNC。數控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置（zhì）等構成數控裝置能（néng）完成信息（xī）的輸入、存（cún）儲、變（biàn）換、插補運算以（yǐ）及實現各（gè）種控製功能（néng）。

 

3、伺服係統

 

    伺（sì）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（bù）件。包（bāo）括（kuò）主軸驅動單元、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（shòu）數控係統的指令信息，並按（àn）照指令信息的要求（qiú）與位置、速度反饋信（xìn）號（hào）相比較（jiào）後，帶動機床（chuáng）的移動部件（jiàn）或執行部件（jiàn）動作，加工出符合圖（tú）紙要求的零件。

 

4、反饋裝置

 

    反饋裝（zhuāng）置是由測（cè）量元件和相應的電路組成，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。一些精度要求不高的數控機床，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（chéng）實際（jì）切削加工的機械部分，它（tā）包括床身、底座、工作台、床（chuáng）鞍、主軸等。

 

CNC加工工藝的特點（diǎn）

 

    CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律，與普通機床的加工工藝大體（tǐ）相同。由於它是把計算機控製技術應（yīng）用於機械（xiè）加工之中的一種自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等（děng）特點，加工工藝有其獨特之處，工（gōng）序較為複雜，工步安排較為詳盡周密。

 

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

 

    數（shù）控加工工序是工件整體加工工藝的一部分，甚至是一道工序。它要與其他前後工序相互配（pèi）合，才能最終滿足整體機器或模（mó）具的裝配要求，這樣才能加工出合格的零件。

 

    數（shù）控加工工（gōng）序一般分為（wéi）粗加工（gōng）、中粗清角加工、半精加工（gōng）及精加工等工步。

 

CNC的（de）數控編程

 

  數（shù）控（kòng）編程是從零（líng）件（jiàn）圖紙到獲得數控加工程序的全過程（chéng）。它的（de）主要任務是計算加工走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點（diǎn））。刀（dāo）位點（diǎn）一般取為刀具軸線與刀具表麵的（de）交點，多（duō）軸加工中還（hái）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（dāo）具及各部件的移動量、速度（dù）和動（dòng）作先後順序、主軸轉（zhuǎn）速、主軸旋轉（zhuǎn）方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作（zuò），以規定的數控代碼形式編成程（chéng）序單，輸入到機（jī）床專用計算機中。然後，數控係統根據輸入的指令進行編譯、運算（suàn）和邏輯（jí）處理後，輸出（chū）各種信（xìn）號和指令，控製各部分根據規定（dìng）的（de）位移和有順序的動作，加工出各種不同形狀的工件。因此，程序的編製對於數控機床效能（néng）的發揮影響極大。

 

    數（shù）控機床必須把代表（biǎo）各種不同功能的指令（lìng）代碼以（yǐ）程序的形式（shì）輸入數控裝置，由數控裝置進行運算處（chù）理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的（de）各個運動部件（jiàn）的操作（zuò），從而完成（chéng）零（líng）件的切削加工。

 

  目前數控程序有（yǒu）兩個標準：國際標準化組織的ISO和（hé）美國電子工業協會的EIA。我國采（cǎi）用ISO代碼。

 

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

 

    CAD/CAM是計（jì）算機輔助編程係統的核心，主要功能有數據（jù）的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程序後處（chù）理和數據管理等（děng）。

 

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

 

CNC數控加工零件的步驟

 

    1、分析零（líng）件（jiàn）圖，了解工件的大（dà）致情況（幾何形（xíng）狀，工（gōng）件材料，工藝要求等）

 

    2、確（què）定（dìng）零件的數控加工工藝（加工的內容，加工的（de）路線）

 

    3、進行必（bì）要的數值計算（基點、節（jiē）點的（de）坐標計算）

 

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

 

    5、程（chéng）序校（xiào）驗（將程序輸入機床，並進（jìn）行圖形模擬，驗證編程（chéng）的正確）

 

    6、對工件進行加工（好的過程（chéng）控製能很好的節約（yuē）時間和提高加工（gōng）質（zhì）量）

 

    7、工件驗（yàn）收和（hé）質量（liàng）誤差分析（對工件進行檢驗，合格流入下一道（dào）。不合格則通過質量分析找出（chū）產生誤差原因和糾正方（fāng）法）。

 

數控機床的發展曆史

 

    二戰後，製（zhì）造業的生產大部分是依靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作機床，加工零件，用這種方式生產產品，成本高，效率低，質量也得不到保證。

 

  在（zài）20世紀40年代末期，美國有一（yī）位工程師帕森斯（sī）（John Parsons）構思了一種方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零（líng）件幾何（hé）形狀（zhuàng），利用著一張硬卡（kǎ）來控製機床的動作，在當（dāng）時，這（zhè）隻是一種構思（sī）。

 

    1948年，帕森斯向美（měi）國空軍展（zhǎn）示了他的這種想法，美國空軍看後（hòu），表示極大的（de）興趣，因為美國空軍正在（zài）尋找一種（zhǒng）先進的加（jiā）工方法，希望（wàng）解決飛機（jī）外型樣板的加工問題，由於樣板形（xíng）狀複雜，精度要求（qiú）高，一（yī）般的設備難以適應，美國空（kōng）軍立即委（wěi）托及讚助美國（guó）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（yuàn）和（hé）帕森斯公司合作，成功的研製出了第一台示範（fàn）機，到了1960年較為簡單和經濟的（de）點位（wèi）控製鑽床，和直（zhí）線控製數控銑床得到了較快的發展使數控機床在製造業（yè）各部門逐步（bù）獲得推（tuī）廣。

 

    CNC加工的曆（lì）史已經經曆了長達半（bàn）個多世紀，NC數控係統也由最早的模擬（nǐ）信號電路（lù）控製發展為極其複雜的集成加工係統，編程方式也有手工發展成（chéng）為智能化、強（qiáng）大（dà）的CAD/CAM集成係（xì）統。

 

    就我國而言，數控技術的發展（zhǎn）是（shì）比較緩慢的，對於國內的大多數車間來說。設備比較落後，人員的技術水平和（hé）觀念落後表（biǎo）現為加工質量和加工效率低下，經常拖（tuō）延交貨期。

 

    1、第一代NC係統是在1951年引（yǐn）入的，其控（kòng）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（zhǎn）到加工（gōng）中心，成為現代製造業的關鍵設備。

 

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

 

    3、1965年引入了第三代（dài）NC係統，其首（shǒu）次采用集成（chéng）電路板。

 

    4、實際上，在1964年已經研製出來了（le）第四代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係統采（cǎi）用了強大的微處理器，這就是第五代NC係統。

 

    6、第六代NC係統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（qū）勢

 

1. 高速化

 

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

 

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

 

b. 進給率：在分辨率（lǜ）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（gōng）；  

 

c. 運算速度：微處理器（qì）的迅速發展為數控係統向（xiàng）高速（sù）、高精度方向發展提供了保障，開發出CPU已（yǐ）發展到（dào）32位（wèi）以及64位的數控係統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1µm、0.01µm時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；  

 

d. 換刀速度（dù）：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普（pǔ）遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國（guó）Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為（wéi）軸（zhóu）心，刀具在圓周（zhōu）布置，其（qí）刀到刀的換刀時間僅0.9s。

 

2. 高精（jīng）度化

 

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

 

a. 提高CNC係統控製精度：采用（yòng）高速插補技術，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檢測裝置，提 高位置檢測精度，位置伺服係統采用前（qián）饋控（kòng）製與 非線性控製等方法；

 

b. 采用誤差補償技術：采（cǎi）用反向間隙補償、絲杆螺距誤（wù）差補償和刀具（jù）誤差補償等技術，對設備的（de）熱變形誤差和空間誤（wù）差（chà）進行綜合補償。

 

c. 采用網格解碼（mǎ）器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度: 通過仿真預測機床的加工精度，以（yǐ）保證機床的定位精度和重複定位精度，使（shǐ）其性能長期穩定（dìng），能夠在不（bú）同（tóng）運行條件下（xià）完成多種加工任務，並保證零件的加工質量。

 

3. 功（gōng）能複合化

    

複合機床（chuáng）的含義是指在一台機床上實現或盡可（kě）能完成從（cóng）毛坯至（zhì）成品的多種要素加工。根據其（qí）結構特（tè）點可分（fèn）為（wéi）工藝複合型和工序複合型兩（liǎng）類。 加工中心能夠（gòu）完（wán）成 車削（xuē）、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光（guāng）熱處理等多（duō）種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現（xiàn）代（dài）機械加工（gōng）要（yào）求的不斷提高，大量的多軸（zhóu）聯動數控機（jī）床越來越受到各 大企業的歡迎。  

 

4. 控製智能（néng）化

 

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

a.  加工過程（chéng）自適應控製（zhì）技術；  

b. 加工參數的智能優化與選擇；  

c. 智能故障（zhàng）自診斷與自修複技術；

d. 智能故障回放和（hé）故障仿真技術；

e. 智（zhì）能化交流（liú）伺服驅（qū）動裝置；  

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

 

5. 體係開放化

 

a. 向未來技（jì）術開放：由於軟硬件接口都（dōu）遵循公認的標準協議，可（kě）采納、吸收和兼容（róng）新一代通用軟硬件。  

 

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（pǐn）的各種組合以滿足特殊應用（yòng）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（yòng），又降低了和操作效率直接有關的（de）勞動消耗。

 

6. 驅動並聯化

    

可實現多坐標（biāo）聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足複（fù）雜特種零（líng）件（jiàn）的加工，並聯機床被（bèi）認（rèn）為是“自發明數控技術以來在機床（chuáng）行業中最有意義（yì）的進步（bù）”和“21世紀新一代數控加工設備”。

 

7.  極端化(大型化和微型（xíng）化 )

 

國防、航空、航天（tiān）事業的發展和能源等基礎（chǔ）產業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床（chuáng）的（de）支撐。而超精密加工技術和微（wēi）納米技術是21世紀的戰略技 術，需發展能適應微小型尺（chǐ）寸和（hé）微納米加工精度的新型製造（zào）工藝和裝備。

 

8.  信息交互網絡化

 

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

 

9. 加工過程綠色化

 

 近年來不用或少用冷卻液、實現幹切削（xuē）、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能環保（bǎo）機床加速（sù）發展。

 

10. 多媒體技（jì）術的應用

多媒（méi）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）、圖像和視頻信（xìn）息（xī）的能力。可以做到信息處理綜合化（huà）、智能化，應（yīng）用於實時監（jiān）控 係統和生產現（xiàn）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值。

 

目前，數控（kòng）機床（chuáng）的（de）發展日新月異，高速化、高（gāo）精（jīng）度化、複合化、智能化、開放化、並聯驅（qū）動化、網絡化、極端化、綠色化（huà）已（yǐ）成為數控機床發展的趨勢和方向。