​高端精密製造（zào）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（le）質的變化，尤其是近年來．微電（diàn）子技術和計算機技術的發展給數控技術帶來了新的活力。數控技術和數控裝備是各個國家工業（yè）現代化的重要（yào）基（jī）礎。

    數控機床是現代製造業的主流設備，精密加工的必備裝備，是（shì）體現現代機床技術水平、現代機（jī）械製造業工（gōng）藝水平的重要標誌，是關係國計民生、國防（fáng）尖端建設的戰（zhàn）略物資。因此世界上各工業發達國家均（jun1）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（shì）英文Computer Numberical Control的縮（suō）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”。

    數控加工是當今機械製造中的先進加工（gōng）技（jì）術，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點的自動化加工方法。它是將要加工工件的數控（kòng）程序輸入給機床，機（jī）床在這些數據的控製下自動加工（gōng）出符合（hé）人們意（yì）願（yuàn）的工件，以製造出美（měi）妙的產品。

    數控加工技術可有效解決像模具這樣複（fù）雜、精密、小（xiǎo）批多變的（de）加工問題（tí），充分（fèn）適應了現代化生產的需（xū）要。大力發展（zhǎn）數控加工技術（shù）已成為（wéi）我國加速發展經濟、提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，能熟練掌握數控機床編程，是（shì）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、傳感器技術、自（zì）動控製技術及人工智（zhì）能技術等多種先（xiān）進技術於一體，並與機械加工工藝緊密結合，是（shì）新一代的機械製造技術裝備。

CNC數（shù）控機床的組成

    數（shù）控機床集機床、計算機、電動機及拖動、動控製（zhì）、檢測等技術為一體的自動化設備。數控機床的基本組成包括控製介質、數控裝置、伺（sì）服係統、反饋裝（zhuāng）置及機床本體

1、控製介質

  控製（zhì）介質是儲存（cún）數控加（jiā）工所需要的全（quán）部動作刀具相對於工件位置信息的媒介物，它記（jì）載著零件的加工程序，因此，控製介質就是指將零件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（xíng）的不同而不（bú）同，常用的有穿孔帶、穿孔卡（kǎ）、磁帶（dài）、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘（táo）汰（tài），而（ér）利用（yòng）CAD/CAM軟件在計算機（jī）編程，然後（hòu）通（tōng）過（guò）計算機與數控係統通信，將程序和數據直接傳送給數控裝置的方法應用越來越廣泛。

2、數控裝置

  數控裝置是（shì）數控機床的核心，人們喻為“中樞係統”。現代（dài）數控機床都采用計算機數控裝置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（zhuāng）置能完成信息的輸入、存儲、變換、插（chā）補運算以及實現各種控製功能。

3、伺服係統

    伺服係統是（shì）接收數控裝置的指令、驅動機床執行機（jī）構運動的（de）驅動部件。包括主軸驅動單元、進給（gěi）驅動（dòng）單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服係統接受數控係統的指令信息，並按照指令信息的（de）要求與位置、速度反（fǎn）饋信號相比較後，帶動機床的移動部件或（huò）執行部件動作（zuò），加工出符合圖紙要（yào）求的零（líng）件。

4、反饋（kuì）裝置

    反饋裝置（zhì）是由測量元件和相應的電路組成，其（qí）作（zuò）用是檢測速度和位移（yí），並將信息反（fǎn）饋回來，構成閉環控製。一些精（jīng）度要求不高的數控機床，沒（méi）有反饋裝置，則稱（chēng）為開環係統。

5、機床本體

    機床本體（tǐ）是數控機床的實體，是完成實際切削加工（gōng）的機械部（bù）分，它包（bāo）括（kuò）床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝的特點

    CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律，與普通機床的（de）加工工（gōng）藝大體相同。由於它是把計（jì）算機控製（zhì）技術應用於（yú）機械加工之中的一種自動化加工，因而具有加（jiā）工效率（lǜ）高（gāo）、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工序較（jiào）為複雜，工步安排較（jiào）為詳盡周密。

    CNC數控加工工（gōng）藝包括（kuò）刀具的選（xuǎn）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（gōng）工藝是數控編程（chéng）的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出（chū）高效率和高（gāo）質量的數控程（chéng）序。衡量數控程序好壞的標（biāo）準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗（hào）及加工出最佳效果的工件。

    數控加工工序是工件整（zhěng）體（tǐ）加工（gōng）工藝的一部分，甚至是一（yī）道工序。它要與其他前後工（gōng）序相互（hù）配合，才能最終滿足整體機器（qì）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（wéi）粗加工、中粗清角加工（gōng）、半精加工及精加工等工步。

CNC的數控（kòng）編程

  數控編程是從零件圖紙到獲得數控加工程序的全過程。它的主要任務是計（jì）算加工走刀（dāo）中（zhōng）的刀位（wèi）點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點（diǎn）一（yī）般取為刀具軸線與刀具表（biǎo）麵的交點，多軸加工中還要給出刀軸（zhóu）矢量。

    數控機床是根據工件圖樣要求（qiú）及加工（gōng）工藝過程，將所用刀具及（jí）各部件的移動量、速度和動作（zuò）先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾（jiá）緊、刀頭（tóu）鬆開及冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編成程序單（dān），輸入到機床（chuáng）專（zhuān）用計算機中。然後，數控係（xì）統根據輸入（rù）的指令進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信（xìn）號和指令，控製各部分根據規定的位移和有順序的動作，加工出各種不同（tóng）形狀的工件。因此，程序的編製（zhì）對於數控機床效能的發揮影響極大。

    數控機（jī）床必（bì）須把（bǎ）代表各種不同功能的指令代碼（mǎ）以程序的形式輸入數控裝置，由（yóu）數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝（chōng）信號來控製數控機床的各個（gè）運動部（bù）件的操（cāo）作，從而完成零件的切削加工。

  目前數控程序有兩個標準：國（guó）際標準化組（zǔ）織的（de）ISO和（hé）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（de）數控編程一般（bān）很（hěn）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，主要功能有數據的輸（shū）入/輸（shū）出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工（gōng）仿真（zhēn）、數控程序後處理和數據管理（lǐ）等。

  目前，在我國深受用戶喜歡（huān）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（yuán）理、圖形處理方法及加工方法都大同小異，但各有特點。

CNC數控加工零件（jiàn）的步驟

    1、分（fèn）析（xī）零件圖，了解工件的大致情況（幾何形狀，工件（jiàn）材料，工藝要求等）

    2、確（què）定零件的數控（kòng）加工工藝（yì）（加工（gōng）的內容，加工的路線）

    3、進行必要的數值計算（基點、節點的（de）坐標計算）

    4、編寫程序單（不同機床會有所不同（tóng），遵守使用手冊）

    5、程序校驗（將程序輸入機床，並（bìng）進行圖形（xíng）模擬，驗證編程的正確）

    6、對工件進行（háng）加工（好的過程控製（zhì）能很好的（de）節約時間和提（tí）高加工質量）

    7、工件驗收和質量誤差分析（對工件（jiàn）進行檢驗，合格流入下一道。不合格（gé）則通過質量分（fèn）析（xī）找出產（chǎn）生誤差原因和糾（jiū）正方法（fǎ））。

數控機床的發展曆史

    二戰後，製造業的生產大（dà）部分是依靠人工操作，工（gōng）人看（kàn）懂圖紙後，手工操作（zuò）機床，加（jiā）工零件，用這種方式生產產品（pǐn），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（wèi）工程師帕森斯（sī）（John Parsons）構思了一種方（fāng）法，在（zài）一張硬紙卡（kǎ）上打孔來（lái）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動作，在當時，這隻是一種構思。

    1948年，帕森斯向美國空軍展示了他的這種想法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因為美國空（kōng）軍正在尋找一種（zhǒng）先進的加工方法，希望解決飛機外（wài）型（xíng）樣板的加（jiā）工問題，由於（yú）樣板形狀複雜，精（jīng）度要求高，一般的設備難以（yǐ）適應，美國空軍立即（jí）委（wěi）托（tuō）及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部（bù）硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻省理工（gōng）學院和帕森斯公司合（hé）作，成功的研製出了第一台示範機，到了1960年較為簡單和經濟的點位控製鑽床，和直線控製數控銑床得到（dào）了（le）較快的（de）發（fā）展使數控機床在製造業（yè）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（kòng）係統也由最早的模擬信號電路控製發展為極其複雜的集成加工係統，編程（chéng）方式也有手工發（fā）展成為智能化、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，人員的技術水平和觀念落後表現為加工質量和加工效率（lǜ）低（dī）下（xià），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（lù）組成的，1952年第（dì）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，其主要有單個的晶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（yòng）集成電路板。

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

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

    6、第六代NC係（xì）統采用了現行的（de）集成製造係統（MIS）+DNC+柔性加工係統（FMS）

數控機床的發展趨（qū）勢

1. 高速化（huà）

隨著汽車、國防、航空、航天等工業（yè）的高速發展以及鋁合（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（gāo）。

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（lǜ）：在分辨率為0.01µm時，最（zuì）大進給率達到240m/min且（qiě）可獲得複雜型的精確加工；  

c. 運算速度：微處理器的迅速發展為（wéi）數控（kòng）係統（tǒng）向高速（sù）、高精度（dù）方向發展提供了保障，開發出CPU已（yǐ）發展到32位以及64位的數控係統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速度（dù）的極大提高，使得當分辨率（lǜ）為0.1µm、0.01µm時仍能獲得高（gāo）達24～240m/min的（de）進給速度；  

d. 換刀速度（dù）：目前國外先進加工中心的刀（dāo）具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司（sī）將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸（zhóu）心，刀具在（zài）圓周布置，其刀到刀的換（huàn）刀（dāo）時間僅0.9s。

2. 高（gāo）精度化

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

a. 提高CNC係統控製精（jīng）度：采用高速插補技術，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（tí） 高位（wèi）置檢測精度，位置伺服係統采用前（qián）饋控製與 非線性控製等方法；

b. 采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、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（wù）差和空（kōng）間誤差（chà）進行綜合補償。

c. 采（cǎi）用網（wǎng）格解碼器檢查和提（tí）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度，以保證機（jī）床的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（xià）完成多種加工任務，並保證零件（jiàn）的加工質量。

3. 功能複合（hé）化

複合機床的含義（yì）是指在一台機床上實現或（huò）盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據其（qí）結構特（tè）點可分為工（gōng）藝複（fù）合型和工序複合型兩類。 加（jiā）工中（zhōng）心（xīn）能夠完成 車削（xuē）、銑削、鑽削、滾（gǔn）齒、磨削、激光熱處理（lǐ）等多種（zhǒng）工序，可完（wán）成複雜零件（jiàn）的全部加工。隨著現代機（jī）械加工要求的不斷提高，大（dà）量的多軸聯動數控機床越來越受到各 大企業的歡迎。  

4. 控製智能化

隨著人工（gōng）智能技術的發展，為了滿足製造業生產柔性化、製造自動（dòng）化的（de）發（fā）展需求，數控機床（chuáng）的智能化程度在不斷（duàn）提高。具體體現在以下幾（jǐ）個方麵：

a.  加工過（guò）程自適應控製技術；  

b. 加工參數的智能優化與（yǔ）選擇；  

c. 智能故障自（zì）診斷與自修複技術；

d. 智能故障回放和故障仿真技術；

e. 智能（néng）化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係統：在製（zhì）造過程中， 將測量（liàng） 、建模、加工、機器操作四（sì）者（zhě）(即4M)融合在一個係統中 。

5. 體係開放化（huà）

a. 向（xiàng）未（wèi）來技術開放：由於軟硬件接口都遵循公認的標（biāo）準協議，可采納、吸收和兼容新一代通用（yòng）軟硬件。  

b. 向用戶特（tè）殊要求開（kāi）放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件（jiàn）產品的各種組合以（yǐ）滿足特殊應用（yòng）要（yào）求；  

c. 數控標準的建立：標準化的編程語言，既（jì）方便用戶 使用，又降低了（le）和（hé）操作效率直接有關的勞動（dòng）消耗（hào）。

6. 驅動並聯化

可實現多坐標聯（lián）動數控加工（gōng）、裝配（pèi）和（hé）測量多種功能，更能（néng）滿足複雜特種零件（jiàn）的（de）加工，並聯機床被認為是“自發（fā）明數控技術以來在機床（chuáng）行（háng）業中最有意義的進（jìn）步”和“21世（shì）紀新一（yī）代數控加工設備”。

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的大型化需要大型且性能良好的數控（kòng）機床的支撐（chēng）。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（yīng）微（wēi）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（xìn）息交互網絡化（huà）

既可以實現網絡資源共享，又能實現數控機床（chuáng）的遠程監（jiān）視、控（kòng）製、遠程（chéng）診斷、維護。

9. 加工過程綠色化

 近年來不用（yòng）或少用冷卻液、實現（xiàn）幹切削、半幹切削節能環保的機床不斷出現， 綠色製造的大趨勢使各種節能（néng）環保機（jī）床加速（sù）發展。

10. 多媒體技術的應用

多媒體（tǐ）技術集計算機、聲像（xiàng）和通信技術於一體，使計算機具有綜合處理（lǐ）聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以（yǐ）做到信息處理綜合化、智（zhì）能化，應（yīng）用於實時監控 係統（tǒng）和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等，因此有（yǒu）著（zhe）重大的應用價（jià）值。

目前，數控（kòng）機（jī）床的發展（zhǎn）日新月異，高速化、高精度化、複合化（huà）、智能化、開放化、並（bìng）聯驅動化、網絡化、極端化、綠（lǜ）色化已成為數控機床發展的趨勢和方向。