​高端精密（mì）製造的（de）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，尤其是近年來．微電子技術和計算機技術的發展給數控技術帶來了新的（de）活（huó）力。數（shù）控（kòng）技術（shù）和（hé）數控裝備是各個國家工業現代化的（de）重要基礎。

    數控機床是現代製造業的（de）主流設備，精密加工（gōng）的必備裝備，是（shì）體現（xiàn）現代機床技術水平、現代機械製造業工藝（yì）水平的重要標誌，是關係國計民生、國防尖端建設的（de）戰略（luè）物資。因此世界上各工業（yè）發達國家均采取重大措施來發展自己的數（shù）控（kòng）技術及其產（chǎn）業。

CNC數控加工

    CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫，意（yì）思是（shì）“計算機數據控製”，簡單（dān）地說就是“數控加工”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電（diàn）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化加工（gōng）方（fāng）法。它是（shì）將要加工工件的數控程序輸入給機床（chuáng），機床在（zài）這（zhè）些數據的控製下自動加工出符合人們意（yì）願的工件，以製造出美（měi）妙的產（chǎn）品（pǐn）。

    數控加工技術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小（xiǎo）批多變的加工問題，充分適（shì）應了現（xiàn）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（zhǎn）經（jīng）濟、提高自主創新能力的重要途徑。目前我（wǒ）國數（shù）控機床使用越來越普遍，能熟練掌握數控機床編程，是充分發揮其（qí）功能的重要途徑。

    數控機床是典型的機電一體化產（chǎn）品，它集微電子技術、計算機技術、測量技術、傳感器技術、自動（dòng）控製技術及人工智能技術等多種先進技（jì）術於一體，並（bìng）與（yǔ）機械加工工藝（yì）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

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

1、控製介質

  控製介質是儲存數控加工所需要的全部動作刀具相對於工件（jiàn）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加工信息傳送到數控裝置去的（de）信（xìn）息（xī）載體（tǐ）。控製（zhì）介質有（yǒu）多（duō）種形式，它隨著數控（kòng）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。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿（chuān）孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通（tōng）過計算機與數控係統通信，將程序（xù）和數據直接傳（chuán）送給數控裝置的方法應用越（yuè）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（xiàn）代數控機床都（dōu）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（děng）構成數控裝置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及（jí）實現各種控製功能。

3、伺服係統

    伺服係統是接收數控裝置的指令、驅動機床執行機構（gòu）運動的驅動部件。包括主軸驅動單（dān）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，並按照指（zhǐ）令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較後，帶動機床的（de）移動部件或執行部件動（dòng）作（zuò），加工（gōng）出（chū）符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

    反饋裝置是由測量元件和相（xiàng）應的電路組成，其作用是檢測速度和位移，並將信息反饋回（huí）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（jī）床本（běn）體

    機（jī）床（chuáng）本體是數控機（jī）床的實體，是完成實際（jì）切削（xuē）加工的機械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、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（lǜ），與普通機床的加工工藝大體相同。由於它是（shì）把計算機控（kòng）製（zhì）技術應（yīng）用於機械加工之中的一種自動化加（jiā）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處，工（gōng）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（de）選擇、切削參數的確定及走刀工藝（yì）路線的設計等內容。CNC數控加工（gōng）工藝是（shì）數控編程的基礎（chǔ）及核心，隻有（yǒu）工（gōng）藝合理，才能編（biān）出高效率和高質量（liàng）的數控程序。衡量數控程序（xù）好壞的標準是：最少的加工時間、最（zuì）小的刀具損耗（hào）及加（jiā）工出最佳效果的（de）工件。

    數控加（jiā）工（gōng）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合（hé），才能最終滿（mǎn）足整（zhěng）體機器或模具的裝配要求，這樣才能加工出合格的零件。

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

CNC的（de）數控編程

  數（shù）控編程是從零件圖紙到獲得數控加工程序（xù）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（bān）取（qǔ）為刀具軸線與刀具表麵的交點，多軸加工中還要（yào）給出刀軸矢量。

    數控機床是根據工件圖樣要求及加（jiā）工工藝過程，將所用刀具及各（gè）部件的移動量、速度和動作先後順序、主（zhǔ）軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾（jiá）緊、刀頭鬆開及（jí）冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編成程序單，輸入到機（jī）床專用計算機中。然後，數控係統根據輸（shū）入的指令進行編（biān）譯、運算（suàn）和邏輯處理後，輸出各種信號（hào）和指令，控製（zhì）各部分根據規定的位移和有順序的動作，加工出各種不同形狀的工（gōng）件。因此，程序的編（biān）製對於數（shù）控機床效能的發揮影響極大。

    數控機床必（bì）須把代表各種不同功能的指令代碼以程序的形（xíng）式輸入數（shù）控裝置（zhì），由數控裝置進行運算處理，然後（hòu）發出（chū）脈衝信號來控製數控機床的各（gè）個運動（dòng）部件（jiàn）的（de）操（cāo）作，從而完成零件的切削加工（gōng）。

  目前數（shù）控程序有兩個（gè）標（biāo）準：國際標準化組織的ISO和美（měi）國電子工業協會的EIA。我國采用ISO代碼。

  隨著（zhe）技術的進步，3D的數控編程一般很（hěn）少采用（yòng）手工編程，而使用（yòng）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（néng）有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計（jì）算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程序後處理（lǐ）和數（shù）據管理等。

  目前，在我（wǒ）國深受用戶喜歡的、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（kòng）編程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小異（yì），但各有特點。

CNC數控加工零件的步驟（zhòu）

    1、分析零件圖，了解工件的大（dà）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（jìn）行必要（yào）的數值計算（基點、節點的坐標計算）

    4、編寫程序單（不同機床會有（yǒu）所（suǒ）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（chéng）的正確）

    6、對工（gōng）件進行加工（好的過程控製能很（hěn）好的節約時間和（hé）提（tí）高加工質量）

    7、工（gōng）件驗收和質量誤差分析（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（wù）差（chà）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（zhǒng）方（fāng）式生產產品（pǐn），成本高（gāo），效率低，質量也得不到保證。

  在20世（shì）紀40年代末期，美國有一（yī）位工（gōng）程師帕森斯（John Parsons）構（gòu）思了一種（zhǒng）方法，在一張硬（yìng）紙卡上打孔（kǒng）來表（biǎo）示需要（yào）加工的零件幾何形狀，利用著一（yī）張硬卡來控製機床的動作，在當時，這隻是一種構思。

    1948年，帕（pà）森斯向美國空軍（jun1）展示了他的（de）這種想法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因為美（měi）國空軍正在尋（xún）找一種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問題，由於樣板（bǎn）形狀複雜，精度要求高（gāo），一（yī）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）進行研究，開發這部硬卡紙來控製（zhì）的機床，終於在（zài）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（chuáng）得到（dào）了較快（kuài）的發（fā）展使數控機（jī）床在（zài）製造業各部門逐步獲得推廣。

    CNC加工的曆史已經經曆（lì）了長達半個多世紀，NC數控係統也由最早的模擬信號（hào）電路控製發展（zhǎn）為極其複雜的集成加（jiā）工係統，編程方式（shì）也有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

    就我（wǒ）國而言，數控技術的發展是（shì）比較緩慢的，對於國內的大多數車間（jiān）來說。設備比較落後，人（rén）員（yuán）的技術水平（píng）和觀念落後表現為加工質量和加工效率低下，經常拖延交（jiāo）貨期（qī）。

    1、第一代NC係（xì）統是在1951年（nián）引（yǐn）入的，其控製單元主要（yào）有各（gè）種（zhǒng）閥門和（hé）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到加（jiā）工中心，成為現代製造業的關鍵設備。

    2、第二代NC係（xì）統於1959年產生的，其主要有單個的晶體管和（hé）其他部件組成。

    3、1965年引入了第（dì）三（sān）代NC係統，其首次采用集成電路板。

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

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

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

數控機（jī）床的發（fā）展趨勢

1. 高（gāo）速化（huà）

隨（suí）著汽車（chē）、國（guó）防、航空（kōng）、航天等（děng）工業（yè）的高速發展以及鋁合金（jīn）等新材料的應用，對數（shù）控機床加工的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（zhǔ）軸電機)，主軸最高轉（zhuǎn）速達200000r/min；  

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

c. 運算速度（dù）：微處理（lǐ）器的迅速發展為數控係（xì）統向高速、高精度方向發展（zhǎn）提供了保障，開發（fā）出CPU已發展到32位以及64位的數控係統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速度的極（jí）大提高，使（shǐ）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已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公（gōng）司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置（zhì），其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

2. 高精度化

數控機床精度的要求（qiú）現在已經不局限於靜態的幾（jǐ）何精度，機床的（de）運動精（jīng）度、熱變形以（yǐ）及對振動的監測（cè）和補償越來越獲得（dé）重視。

a. 提高CNC係統控製精度：采用高（gāo）速插補技術，以微小程序段實現連續進給（gěi），使CNC控（kòng）製單位（wèi）精細化，並（bìng）采用高（gāo）分辨率位置檢測裝置，提 高位（wèi）置檢測精度，位置伺服係統采用前饋控製與 非線性（xìng）控製等方法；

b. 采（cǎi）用誤差補償（cháng）技術：采用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補償和刀（dāo）具誤差補償等技術，對設備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。

c. 采用網格（gé）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，以保證機床的定位精度和重複定位精度，使其性能長（zhǎng）期穩定，能夠在（zài）不同運行條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

複合機床的含義是指在一台機床上實現或盡可能完（wán）成（chéng）從毛坯至成品的多種（zhǒng）要素加工。根據其（qí）結構特點可（kě）分為工藝複合型和工序複合（hé）型兩類。 加（jiā）工中心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒（chǐ）、磨削、激光熱處理等多種工序，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（zhóu）聯動數控機床越來（lái）越受到各 大企業的歡（huān）迎。  

4. 控製智（zhì）能化

隨著人工智能技術的發（fā）展，為（wéi）了滿足製造業生產柔性化（huà）、製造自動化的發展需求，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（duàn）與自修複技術；

d. 智（zhì）能故障回放和故障（zhàng）仿真技術；

e. 智能化交流伺（sì）服（fú）驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係統：在製（zhì）造過程中（zhōng）， 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. 向未來技術開放：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（tí）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（le）和操作效率直接有關的勞動消耗。

6. 驅動並聯化

可實現多坐標聯動數控加工（gōng）、裝配和測量多種功（gōng）能，更能滿足複雜特種零（líng）件的加（jiā）工，並聯機（jī）床被認為是“自發（fā）明數控（kòng）技術（shù）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（dà）型化和微型化 )

國防、航空、航天事（shì）業的發展和能（néng）源等基礎產業（yè）裝備的大型化需（xū）要大（dà）型（xíng）且性能良好（hǎo）的數控機床的（de）支撐。而超精密加工技（jì）術和微納米技術是21世紀的戰略技（jì） 術，需發展能（néng）適應微小型尺寸和微納米加工精度的（de）新型製造工藝和裝備。

8.  信息交互（hù）網絡化

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

9. 加工過程綠色化

 近年（nián）來不用或少用冷卻液、實現幹切削、半幹切削節能（néng）環保的機床不斷出現， 綠色（sè）製造的大趨（qū）勢使（shǐ）各種節能環保機床加速發展。

10. 多媒體技術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一體，使計算機（jī）具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以做到（dào）信息處理綜合化、智能化，應用於實時監控 係統和生產現場設備的故障（zhàng）診（zhěn）斷、生產（chǎn）過（guò）程參數監測等，因此（cǐ）有著重大的應用（yòng）價值。

目（mù）前，數控機床（chuáng）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（lián）驅動化、網（wǎng）絡化、極端（duān）化、綠色化已成為數控機床發展（zhǎn）的趨勢和方向。