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（shēng）了質的變（biàn）化，尤其是（shì）近年來．微電子技術和計算機技術的（de）發展給數控技術帶來了新（xīn）的活力。數控技術（shù）和數控裝備是各（gè）個國家工業（yè）現代化的重要基礎。

 

    數控機床是現代製造業的主流設備，精（jīng）密加工的必備裝備，是體現現（xiàn）代機床技術水平、現代機械製造業工（gōng）藝水平（píng）的重要標誌，是關係國計民生、國防尖（jiān）端建（jiàn）設的戰略（luè）物資（zī）。因此世界上各工業發達國家均采取重大措施來發展自己的數控技術及（jí）其產業。

 

CNC數控加工

 

    CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計算機數據控製（zhì）”，簡單地說（shuō）就是“數控加工”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

 

    數控加（jiā）工（gōng）是當（dāng）今機械製造（zào）中的先進加工技術，是一種具有高效率、高精度（dù）與高柔性特點的自動化加工方（fāng）法。它是將要加工工件的數控程序輸入給（gěi）機床，機床在這些數據的控製下（xià）自動加工出符合（hé）人們意願的工件，以製造出美妙的產品。

 

    數控加工（gōng）技術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小批（pī）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術已成為我國（guó）加（jiā）速（sù）發展經濟、提高自主創新能力的重要途徑。目前我國數控機床使用越來越普遍，能熟練掌握（wò）數控機床編程（chéng），是充分發揮其功能的重要途徑（jìng）。

 

    數控機床是典型（xíng）的機電一體化產品（pǐn），它集微電子技術、計算機技術、測量技術、傳感（gǎn）器技術、自動控製技術及人工智能技術等多種先（xiān）進（jìn）技（jì）術於一體，並與機械加工工藝緊密結合，是新一代的機（jī）械製造技術裝備。

 

CNC數控機床的組成

 

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

 

1、控製介質

 

  控製介質是儲存數控加工所（suǒ）需要（yào）的全部動作刀（dāo）具相對於（yú）工件位置信息的（de）媒（méi）介物，它記載著零件的加工程序，因此（cǐ），控製介質就是指將零件加工（gōng）信息傳送到數控裝置（zhì）去（qù）的（de）信息載體。控製介質有多（duō）種形式，它隨著數控裝置類型的不同而不同，常（cháng）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、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過（guò）計算機與數控係統（tǒng）通信，將程序和數據（jù）直接傳送給數控裝置的方法應用越來越廣泛。

 

2、數控裝置

 

  數控裝置是數（shù）控機床的核心，人們喻為“中樞係統”。現（xiàn）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（qì）(CPU)和輸出裝置等構成（chéng）數控裝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

 

    伺服係統是接收數控裝置（zhì）的指令、驅動機床執行機構運動的驅動部（bù）件。包括主軸驅動單元、進給驅（qū）動單元、主軸電機和進給電（diàn）機等。工作時，伺服係統接受數控係統的指令信（xìn）息，並按照指令信息（xī）的要求與位置、速度反饋信號相比較（jiào）後，帶（dài）動機床的移動部件或（huò）執行部件動作，加工出符合圖（tú）紙要求的零件。

 

4、反（fǎn）饋裝置

 

    反（fǎn）饋裝置是由測量元件和相應的電路組成，其作（zuò）用（yòng）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（yǒu）反饋裝置，則稱為開（kāi）環係統（tǒng）。

 

5、機床本體

 

    機床本體是數控機（jī）床的實體，是完成實際（jì）切削加工的機械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

 

CNC加（jiā）工（gōng）工藝的特（tè）點

 

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

 

    CNC數控加工工藝包括刀具的選擇、切削（xuē）參數的確定及走刀工藝路線的設計等內容。CNC數控加工工（gōng）藝是數控編程的基礎（chǔ）及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率和（hé）高（gāo）質量的數控程序。衡量數控程序好壞的（de）標準是：最少的加工時（shí）間、最小的刀具（jù）損耗及加工出最佳（jiā）效果的工件。

 

    數控（kòng）加（jiā）工工序是工件整（zhěng）體加工工藝的一部分，甚至是一道（dào）工（gōng）序。它要與其（qí）他（tā）前後工序相互配合，才能最終滿（mǎn）足整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（cū）加工、中粗清（qīng）角加工、半精加工及精加（jiā）工等工步。

 

CNC的數控編程

 

  數（shù）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）算加工走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一（yī）般取為刀具軸線與刀具表麵的交點，多軸加工中還（hái）要給出刀軸矢（shǐ）量。

 

    數控機床是根據工件圖（tú）樣要求及加工工藝過程，將（jiāng）所用刀具及各部件（jiàn）的（de）移動量、速度和（hé）動作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定（dìng）的數控代碼（mǎ）形式編成（chéng）程序單，輸入到機床專（zhuān）用計算機中。然後，數控係統根據輸入的指令進行（háng）編譯、運算和（hé）邏（luó）輯處理（lǐ）後，輸出各種信號和指令，控製各部（bù）分根據規定的位移和有順序的動作，加工出各種不（bú）同形狀的工（gōng）件。因此，程（chéng）序的編製（zhì）對於數控機床效能（néng）的發揮影響極（jí）大。

 

    數（shù）控機床必須把代表各種不同功能的（de）指令代碼（mǎ）以程序的形式輸（shū）入數（shù）控裝置，由數（shù）控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個（gè）運動部件的操作，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（de）ISO和美國電子工業協會的EIA。我國采（cǎi）用ISO代碼。

 

  隨著（zhe）技術的進步，3D的數控（kòng）編程一般很（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（hé）心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡（jì）的計算及編輯、工藝（yì）參數（shù）設置、加（jiā）工仿真、數控程序後處理和數據管理等。

 

  目前，在我國深受用戶喜歡的、數控（kòng）編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等（děng）。各軟（ruǎn）件對於數（shù）控編程的（de）原理、圖形（xíng）處理（lǐ）方法（fǎ）及加工（gōng）方法都大同小異，但各有特點。

 

CNC數控（kòng）加工零（líng）件的（de）步驟

 

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

 

    2、確定零件的（de）數控加工工藝（加工的內容，加工的路線）

 

    3、進行必要的數值計算（基點、節點（diǎn）的坐標計算）

 

    4、編寫程序單（不同機床會有所不同，遵守使用手冊）

 

    5、程序校驗（將程序輸入機床（chuáng），並進（jìn）行（háng）圖形模擬，驗證編程的正確）

 

    6、對工件進行加工（gōng）（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

 

    二戰後，製造業的生產大部分是依（yī）靠（kào）人工操（cāo）作，工人看懂圖紙後，手工操作機床，加工零件，用這種方（fāng）式生產產品，成本高，效率低，質量也得（dé）不到保證。

 

  在20世紀40年代末期，美國有一位工程師帕森（sēn）斯（John Parsons）構思了一種方法，在一張（zhāng）硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀，利用著一張（zhāng）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（qù），因為美國空軍正在尋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，由於樣板形狀複（fù）雜，精度要求（qiú）高，一般的設備難以適（shì）應，美國空（kōng）軍（jun1）立即委托及讚助（zhù）美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻省理工學院和帕森斯公司合作，成功的研製出了第一台示範機，到（dào）了1960年較為簡單和經濟的點位控製鑽床，和直線控製（zhì）數控銑床得到了較快的發展使數控機床在（zài）製造業各（gè）部門逐步獲得（dé）推廣。

 

    CNC加工（gōng）的曆史已經（jīng）經（jīng）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展為極其複雜的集成加工係統，編程方式也（yě）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，數控技術的發展是比較緩慢（màn）的，對（duì）於國內的（de）大多數車間來說。設備比較落後，人（rén）員的技術水平和觀（guān）念落（luò）後表現為加工質量和加工效率低下（xià），經（jīng）常拖延交（jiāo）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（nǐ）電路組成的，1952年第一台數控機床誕生，已經從銑床或（huò）車床發展到加工中心，成（chéng）為現代（dài）製造業的關鍵設（shè）備。

 

    2、第二（èr）代NC係統於1959年產生的，其（qí）主要有單個（gè）的晶體管和其他部（bù）件組成。

 

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

 

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

 

    5、1975年，NC係統采用了強大的微處理器（qì），這（zhè）就（jiù）是第五代NC係統。

 

    6、第六代NC係（xì）統采用了（le）現行的集成（chéng）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

 

隨著汽車、國（guó）防、航空、航天等工業（yè）的高速發展以及鋁合金等新材料的（de）應用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。

 

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

 

b. 進給率：在（zài）分（fèn）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（yùn）算速度：微處理器的迅速發展為數控係統向高速、高精度方向（xiàng）發展提供了保障，開發出CPU已發展到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（tí）高，使得當分辨率為（wéi）0.1µm、0.01µm時仍能獲（huò）得高（gāo）達24～240m/min的進給速（sù）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公司將刀庫設（shè）計成籃子樣式（shì），以主軸為軸心，刀具在（zài）圓周布置，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現在已（yǐ）經不局限於靜態（tài）的幾何精度，機床的（de）運動精度、熱變（biàn）形以及對振動的監測和補償越（yuè）來越獲得重視。

 

a. 提高CNC係統控製精度：采用高速插補技（jì）術，以微小程序段（duàn）實現連續進給（gěi），使CNC控製單（dān）位精細化（huà），並采用高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（yǔ） 非線性控製等方法（fǎ）；

 

b. 采用誤差（chà）補償技術：采用反向間隙補（bǔ）償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設備的熱變形誤差和空間誤差進（jìn）行（háng）綜合補償。

 

c. 采用網格解碼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（dìng）位精度（dù），使其性能長期穩定，能夠在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（yī）台機床上實現（xiàn）或盡可能完成從（cóng）毛坯至成品的多種要素加（jiā）工（gōng）。根據其結構（gòu）特點可分為工藝複合型和工序（xù）複合型兩類。 加工中心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削（xuē）、激光（guāng）熱處理等多種工序，可完成（chéng）複雜零件的（de）全部加工（gōng）。隨著現（xiàn）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）到各 大企業的歡迎。  

 

4. 控製智能化

 

隨著人工智能技術的（de）發展（zhǎn），為了滿足製造業生產柔（róu）性化、製造自動化的發展需求，數控機床的（de）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（yōu）化與選擇；  

c. 智能故障自診斷與自修複技術；

d. 智能故障回放和故（gù）障仿真（zhēn）技術；

e. 智能化交流伺（sì）服驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係統：在（zài）製造（zào）過程中， 將測量 、建模、加（jiā）工、機器操作四者(即4M)融合在一（yī）個係統中（zhōng） 。

 

5. 體係開放化

 

a. 向未來技術（shù）開（kāi）放：由於軟硬件（jiàn）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（ruǎn）硬件。  

 

b. 向（xiàng）用戶特殊要求開放：更新產品、擴充功能、提（tí）供硬（yìng）軟（ruǎn）件產品的（de）各種（zhǒng）組合以滿足特殊應（yīng）用（yòng）要求；  

 

c. 數控標準的建立（lì）：標準化的編程（chéng）語言，既方便用戶（hù） 使用，又降低了和操作效率直接有關的勞（láo）動消耗（hào）。

 

6. 驅動並聯化

    

可實現多坐標聯（lián）動數控加工、裝配和（hé）測量多種功能，更能滿（mǎn）足複雜特種零件（jiàn）的加工（gōng），並聯機床被認（rèn）為是“自發明數控技術以來在（zài）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（tiān）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機床的支（zhī）撐。而超精密加工技術和（hé）微納米技術是21世紀的戰略（luè）技 術，需發展能適應微小型尺寸和微納（nà）米加工精度的新型製造工藝和裝備（bèi）。

 

8.  信息交互網絡化

 

既可以實現網絡資（zī）源共享，又能實現數控機床的遠程監視、控製（zhì）、遠程診（zhěn）斷、維護。

 

9. 加（jiā）工過程綠色化（huà）

 

 近（jìn）年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（duàn）出現， 綠色製造的大趨勢使各種（zhǒng）節能環保機床加速發展。

 

10. 多媒體技術的應（yīng）用

多媒體（tǐ）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、圖（tú）像和視頻信息的（de）能力。可以做到信息處（chù）理綜合化、智能化，應用於（yú）實時監控 係統（tǒng）和生產現場設備的故障診斷、生（shēng）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月異，高速化、高精（jīng）度化、複（fù）合化、智能化、開放化（huà）、並聯驅動化、網絡化、極端化（huà）、綠色化（huà）已成為數控（kòng）機床發展的趨勢和方向。