​高端精密（mì）製造的CNC數控加工技術

    數控技術的應用使傳統的製（zhì）造業發生了質的變（biàn）化，尤其是近年來．微（wēi）電子技術和計算機技術的發展給數（shù）控技術帶來（lái）了新的活（huó）力。數控（kòng）技術和數控裝備是各（gè）個國家工業現代化的（de）重要基礎（chǔ）。

    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（xì）國計民生、國防尖端建設的戰略（luè）物資。因此世界上各工業發達（dá）國家均采取重大措施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的縮寫（xiě），意思是“計算機數據控（kòng）製”，簡單地說（shuō）就是“數控加工”，在珠江三（sān）角洲地（dì）區，人們稱為“電腦鑼”。

    數控加工是當今機（jī）械製造中（zhōng）的先進加工技（jì）術，是一種具（jù）有高效率、高精（jīng）度與高柔性特點的自動（dòng）化加工方法。它是將要加工工（gōng）件的數控程序輸入給機床，機床（chuáng）在這（zhè）些數據的控製下自動加（jiā）工出符合（hé）人們（men）意願的工件，以製造（zào）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（de）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術（shù）已成為我（wǒ）國加速發展經（jīng）濟、提高自主創（chuàng）新（xīn）能力的重要途徑。目（mù）前我國數（shù）控機床使用越（yuè）來越普（pǔ）遍，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（tǐ）化產品，它集微（wēi）電子技術、計算機技術、測量（liàng）技術、傳（chuán）感器技術、自動控製技術及人工智能（néng）技術等多種（zhǒng）先進技（jì）術（shù）於一體，並與機（jī）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（chéng）

    數控機床集機床（chuáng）、計算機、電（diàn）動機及拖動、動控製、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（jiè）質、數控裝置、伺（sì）服係統、反饋裝置及機床本體

1、控製（zhì）介（jiè）質

  控製介（jiè）質是儲存數控加工所需要的全部動作刀具相對於工（gōng）件位置信息的媒（méi）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加工信息傳（chuán）送到數控裝置去（qù）的信息載體。控（kòng）製介質有多種（zhǒng）形（xíng）式，它隨著數控裝置（zhì）類型的（de）不同而不（bú）同（tóng），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、穿孔卡趨於（yú）淘汰（tài），而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過計算（suàn）機與數控係統通信，將程（chéng）序（xù）和數據直接傳送給數控裝置的方法應用越來越廣（guǎng）泛。

2、數控裝置

  數控（kòng）裝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數（shù）控（kòng）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置能完成信息（xī）的輸入、存儲、變換（huàn）、插補運算以及實現各種控（kòng）製功能。

3、伺（sì）服係統

    伺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件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機（jī）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）按照（zhào）指令（lìng）信息的要求與位置、速度反饋信號相比較後，帶（dài）動機床的（de）移動部件或執行部件動作，加工出（chū）符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

    反饋裝置是由（yóu）測量元件和相應的電（diàn）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（jī）床，沒有反饋裝置，則稱為開環係統。

5、機床本體（tǐ）

    機床本體是數控機床的實（shí）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、床鞍、主（zhǔ）軸等。

CNC加工（gōng）工藝的特點

    CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削（xuē）規律，與普通機床的加工工（gōng）藝大體相同。由於它是（shì）把計算機控製技術應用於（yú）機械加（jiā）工之中的一（yī）種自動化加工，因而具有加工效率高、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（jiā）工工藝包括刀具的選擇、切削（xuē）參數的確定及走刀工藝路（lù）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，才能編出高（gāo）效率和高質量的數控程序。衡（héng）量數（shù）控程序好壞的標（biāo）準（zhǔn）是：最少的加工時間、最小的（de）刀具損耗及加工出最佳效果的工件。

    數控加工工序是工件（jiàn）整體加工工（gōng）藝的一部分，甚至是一道工序。它（tā）要與其他（tā）前後（hòu）工序相互配合，才能最終滿足整（zhěng）體機器或模具（jù）的裝配要求，這樣才能（néng）加工出合格的零件。

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

CNC的數控編程（chéng）

  數控編程是從零（líng）件圖紙到獲得數控加工程序的全過程。它的主要（yào）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（qǔ）為刀具軸線與刀具表麵的交點（diǎn），多軸加工中還要給出刀軸矢量。

    數控機床是根據工件圖樣（yàng）要求及加工工藝過程，將（jiāng）所用刀具及各部件的移動量、速度和動作先後順序、主軸（zhóu）轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊（jǐn）、刀（dāo）頭鬆開及冷卻等操作，以規定的（de）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（suàn）和邏輯處（chù）理後，輸出各種信號和指令，控製各部分根據規定的（de）位移（yí）和有順序的動作，加工出（chū）各種不同形（xíng）狀的工件。因此，程序的編製對於數控機床效能的發揮影響極大。

    數（shù）控機床必須（xū）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，由數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信號來控製數（shù）控機床的各個運動部件的操作，從（cóng）而完成零件的切削加工。

  目前數控程（chéng）序有兩個標準：國際（jì）標準化組織的ISO和美國（guó）電子工業協會的EIA。我國采用ISO代（dài）碼。

  隨著技術的進步，3D的（de）數控（kòng）編程一般很少采用手工編程，而使用商品化的CAD/CAM軟件。

    CAD/CAM是計算機輔助編程係統的核心，主要功能有數據（jù）的輸入/輸出（chū）、加工軌（guǐ）跡的（de）計算及（jí）編（biān）輯、工藝參數設（shè）置、加工仿真、數控程序後處（chù）理和數據管理等。

  目前（qián），在我國深受用戶喜歡的、數控編程（chéng）功（gōng）能強大的軟件有（yǒu）Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控編程的原（yuán）理、圖（tú）形處理方法及加工方法都（dōu）大同小異，但各有特點。

CNC數控加工零件的步驟

    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（jiā）工工（gōng）藝（加工的內容，加工的路線）

    3、進行必要的數值（zhí）計（jì）算（基點、節點的（de）坐（zuò）標計（jì）算）

    4、編寫程序單（不（bú）同（tóng）機床會（huì）有所不同，遵守使用手冊）

    5、程序校驗（將程序輸入機床，並進行圖形模擬，驗證編程的正確（què））

    6、對工件進行加工（好的過程控製能很好的節約時間和提高加工質量）

    7、工件驗收（shōu）和（hé）質量誤差分（fèn）析（xī）（對工件進行檢驗，合格流入下一道。不合格則通過（guò）質量分析找（zhǎo）出產生（shēng）誤差原因和糾正方法）。

數控機床的發展曆史

    二戰後，製造業的生產大部分是依（yī）靠人工操作，工人看懂（dǒng）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（yě）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（yī）種方法，在一張硬紙卡上打孔來表（biǎo）示需（xū）要加工的零件幾何形狀，利用著（zhe）一（yī）張硬卡來（lái）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（biǎo）示極大的興趣（qù），因為美國空軍正在尋找一種先（xiān）進的（de）加工方法，希望解決（jué）飛機外型樣板的加工問題，由於樣（yàng）板形狀複雜，精度要求高，一般的設備難（nán）以適應，美國空軍立即委托及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研（yán）究，開發這（zhè）部硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻省理（lǐ）工學院和（hé）帕森斯公司（sī）合（hé）作，成功的研製出了第一台示範機，到了1960年較為簡（jiǎn）單和經濟的點位控製鑽床，和直線控製數控銑床（chuáng）得到了較快的發展使數控機床在製造業各（gè）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）控係統也由最早的模擬（nǐ）信號電路控（kòng）製發展為極其複雜的集成（chéng）加（jiā）工係統，編程方式也有手工發展成為智能化、強大的（de）CAD/CAM集成係統。

    就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢（màn）的，對於國內的大多數車間來說。設備比較落後，人員（yuán）的技術水平和觀念落後表現為（wéi）加工質量和加工效率低下，經常拖延交（jiāo）貨期。

    1、第一代NC係（xì）統是在1951年引入的，其控（kòng）製單元主要有各種閥門和模擬電（diàn）路組成的，1952年第一台數控機床誕生，已經從銑床或車床（chuáng）發展（zhǎn）到加工中心，成為現代製造業的（de）關（guān）鍵設備。

    2、第二代NC係統於1959年產生（shēng）的，其主要有單（dān）個的晶（jīng）體管和其他部件組成。

    3、1965年引入了第三代NC係（xì）統，其首次采用集成電（diàn）路板。

    4、實際上，在（zài）1964年已經研（yán）製出來了第四代NC係統，即我們非常熟悉的計算機數字（zì）控製係統（CNC控製係統）。

    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係統采用了現行的集（jí）成製（zhì）造係統（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（fáng）、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合（hé）金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。

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

b. 進給率：在（zài）分辨率為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：微處理器的迅速發展為（wéi）數控係統向高速、高精度方向發展提供了保障，開發（fā）出CPU已發展到32位以及（jí）64位的數（shù）控係統，頻率提高（gāo）到幾百兆赫、上千兆赫（hè）。由於運算速度的極大（dà）提高，使得當分辨率為（wéi）0.1µm、0.01µm時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；  

d. 換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍（biàn）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式，以主軸為軸心，刀具（jù）在圓周布置，其刀到刀的換刀時間（jiān）僅0.9s。

2. 高精度化

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

a. 提高CNC係統控製精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續（xù）進給，使CNC控製單位精細化（huà），並采用高分（fèn）辨率位（wèi）置檢測裝置，提 高位置檢測精度，位置伺服係統采用前饋控製與（yǔ） 非線性控製等（děng）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（chà）補償等技術，對設備的（de）熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。

c. 采用網格（gé）解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精（jīng）度: 通過仿真預測機床的加工精（jīng）度，以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，能夠在不同運行條件下完成（chéng）多（duō）種加工任務，並保證零（líng）件的加工質量。

3. 功能複合化

複合機床的含義是指在一台機床上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加（jiā）工。根（gēn）據其結構（gòu）特點可分為（wéi）工藝複合（hé）型和工序複合型兩類。 加工中心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成複雜零（líng）件的全部加工。隨著現代（dài）機械加工（gōng）要（yào）求的不斷提高，大量的多（duō）軸（zhóu）聯動數控機床越來越受到各（gè） 大（dà）企業的歡迎。  

4. 控製智（zhì）能化

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

a.  加工過程自適（shì）應控製技術；  

b. 加工參數的智能優化與選（xuǎn）擇；  

c. 智能故障自診斷與自修複技（jì）術；

d. 智能故障回放和故障仿真技術；

e. 智能化交流伺服（fú）驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係統：在製造過程中， 將測（cè）量 、建模、加工、機器操作四（sì）者(即4M)融（róng）合在一個係統中 。

5. 體係開放（fàng）化

a. 向未來技術開放：由於軟硬件接口都遵循公認的標準（zhǔn）協議，可（kě）采納、吸（xī）收（shōu）和兼容新一代通用軟（ruǎn）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殊應用要求；  

c. 數控標準的建立：標準化（huà）的編程語言，既（jì）方便用戶 使（shǐ）用，又降低了和操作效率直接有關的勞動消（xiāo）耗。

6. 驅動並聯化

可實（shí）現多坐標聯動數控加工、裝配和測量（liàng）多種功能，更能滿足複雜特種零件的加工，並聯機床被認為是“自發明數控技術以來在機床行業中最有意義的進步”和“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、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良好的（de）數控機（jī）床的支撐。而超精密加工（gōng）技（jì）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（xíng）尺寸和微納米加工（gōng）精（jīng）度的新型製造工藝和裝備。

8.  信息交互網絡化

既可以實現網絡（luò）資源共享，又能實現（xiàn）數（shù）控機床的遠程監視、控製、遠程診斷、維（wéi）護。

9. 加工（gōng）過程（chéng）綠（lǜ）色化

 近年來不用或（huò）少（shǎo）用冷卻液、實現幹切削、半（bàn）幹切削節能環保的機床不斷出現， 綠色製（zhì）造（zào）的大（dà）趨勢（shì）使各（gè）種節（jiē）能環保機床加速發展。

10. 多媒體技術的應用

多媒體（tǐ）技術集（jí）計算機、聲像和通信技術於一體，使計算機具有綜合處（chù）理聲音、文字、圖像和視頻信息（xī）的能（néng）力。可以做到（dào）信息處理（lǐ）綜合化（huà）、智能化，應用於實（shí）時監（jiān）控 係統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

目前，數控機床的發展日新（xīn）月異，高速化、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。