​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（tǒng）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（jī）技術的發展給數控技術帶（dài）來了新的活力。數控技術和數控裝備是各個國（guó）家（jiā）工業現代化的重要基礎。

    數控機（jī）床是現代製（zhì）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（píng）、現（xiàn）代機（jī）械製（zhì）造業工（gōng）藝水（shuǐ）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（jiè）上各工業發達國家均采取（qǔ）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，意思是（shì）“計算機數據（jù）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技術，是（shì）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（gōng）件的數（shù）控程序輸入給機床，機床在這些數據的控製下自動加工出符合（hé）人們意願的工件（jiàn），以製造出美妙的產品。

    數控加工技（jì）術（shù）可有效解決像模具這樣複雜、精密、小批多變（biàn）的加工問題，充分適（shì）應了現代化（huà）生產（chǎn）的需要。大（dà）力發展數控加工技術（shù）已成為我國加速發展經濟、提高自主創新能力的重要途徑。目前我國數控機床（chuáng）使用越來（lái）越普遍，能熟練掌握數控機床編程（chéng），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化（huà）產品，它集微電子（zǐ）技術、計算機技術（shù）、測量技術、傳感器技術、自動控製技術（shù）及人工智能技術等多種先進技術於一體，並（bìng）與機械加工工藝緊（jǐn）密結合，是新一代的（de）機（jī）械製造技術裝備（bèi）。

CNC數控機床的組成（chéng）

    數控機床集機床、計（jì）算機、電（diàn）動機及拖動、動控製、檢測等技術（shù）為一（yī）體的自動化設備。數控機床的基（jī）本組成包括（kuò）控製介質（zhì）、數控裝置、伺服係統、反饋（kuì）裝置及機床本體

1、控製介質

  控製介質是儲存數控加工所需要的全（quán）部動作刀具相對於（yú）工件位置信息的媒介物，它記載著零（líng）件的加工程（chéng）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（xī）載體。控製介質有多種形式，它（tā）隨著數（shù）控裝置類型（xíng）的不同而不（bú）同（tóng），常用（yòng）的有（yǒu）穿孔帶（dài）、穿孔卡、磁帶、磁盤等（děng）。隨著（zhe）數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘（táo）汰，而利用（yòng）CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過計算機與數（shù）控係統通信，將程序和數據直接傳送給數（shù）控裝置的方法應用越來越廣泛。

2、數（shù）控裝置

  數控裝置是數控機床的核心，人（rén）們喻為“中樞係統”。現代數控機床（chuáng）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（chù）理器(CPU)和（hé）輸出（chū）裝置等構成數控裝置能完成信息的輸入、存儲（chǔ）、變換、插補運算以及實現各種控製功能（néng）。

3、伺服係統

    伺服係統是接收數控裝置的指令、驅動機床（chuáng）執行機構（gòu）運動的驅動部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工作（zuò）時，伺服係（xì）統接受數控係統的指令信息，並（bìng）按照指令信息的要求與位置（zhì）、速（sù）度反饋信號相比較後，帶動（dòng）機床的移動（dòng）部（bù）件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

    反饋裝置是由測（cè）量元件和相應的（de）電路（lù）組（zǔ）成，其作用是（shì）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（gāo）的數（shù）控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環係統。

5、機床本體

    機床本體是數控機床的實體（tǐ），是完成實際切削加（jiā）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（tōng）機床的加工工（gōng）藝（yì）大體相同。由於它是把計算機控製技術應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，加工工藝有其（qí）獨特之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡周密（mì）。

    CNC數控加工（gōng）工藝包括刀（dāo）具的選擇、切削參數的確定（dìng）及走刀工（gōng）藝路線的設計（jì）等內容。CNC數控加（jiā）工工藝是數控編程的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出（chū）高效率和（hé）高質量的數控程序（xù）。衡量數（shù）控程序好壞的標準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工件。

    數控加工工序是工件整體加（jiā）工工藝的一部分，甚至是一道工序。它要與其他前後（hòu）工序相互配（pèi）合，才能最終滿（mǎn）足整體機器或模具的（de）裝（zhuāng）配要求，這樣才能加工出合格的零件。

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

CNC的（de）數控編程

  數控編程是從（cóng）零件圖紙到（dào）獲得（dé）數控加（jiā）工程序的全過程。它的主（zhǔ）要任務是計算加工走刀中的刀位（wèi）點（cutter locations point簡稱CL點）。刀（dāo）位點（diǎn）一般取為刀具軸線與刀具表麵的交點，多軸加工中還要給出（chū）刀軸矢量。

    數控機床是根據工件圖樣要求（qiú）及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度和動作先後順序、主軸轉（zhuǎn）速、主（zhǔ）軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規（guī）定的（de）數控代碼形式編成程序單，輸（shū）入到機床專（zhuān）用計算機（jī）中。然後，數控（kòng）係統根據輸（shū）入的指令進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信號和指令，控製各部分根據（jù）規定的（de）位移和有順序的動作，加工出各種不同形狀的工（gōng）件。因此，程序的編製對於數（shù）控（kòng）機床效能的發揮影響極大。

    數控機床必須把代表各種不同功能的指令（lìng）代碼以程序的形式輸入數控裝置，由數（shù）控裝（zhuāng）置進行運（yùn）算處理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個運動部件的操作，從而完成零件的切削加工。

  目前數控程序有兩個標準：國際標準化（huà）組織的ISO和美（měi）國電（diàn）子工業協會的EIA。我（wǒ）國采用ISO代碼（mǎ）。

  隨著技術（shù）的進步，3D的數控編程一般很（hěn）少采用手工編程（chéng），而使（shǐ）用（yòng）商品化的CAD/CAM軟件。

    CAD/CAM是計（jì）算機輔助編程係統的核心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編（biān）輯、工藝（yì）參數設置、加工（gōng）仿真、數控（kòng）程序（xù）後處理和數據（jù）管理等。

  目（mù）前，在我國深受用戶喜歡的、數控編程功能強大的軟件有（yǒu）Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等（děng）。各軟件對於數控編程的原理、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、分析零件圖，了解工（gōng）件的大致情況（幾何（hé）形狀，工件材料，工（gōng）藝要求等）

    2、確定零（líng）件的數控加工工藝（加工的內（nèi）容，加工的路線）

    3、進行（háng）必（bì）要的數值計算（基點（diǎn）、節點的坐標計算）

    4、編寫程序（xù）單（不（bú）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，並進（jìn）行圖形模擬，驗證編程的正確）

    6、對工件（jiàn）進行加工（好的過程控製（zhì）能（néng）很（hěn）好的節約（yuē）時間和提高加工質量）

    7、工件驗收（shōu）和質量誤（wù）差分析（對工件進行檢（jiǎn）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（zhèng）方法）。

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（chuáng），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20世紀40年代末期，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思（sī）了一種方法，在一張硬紙卡上打孔來（lái）表示需要（yào）加工的零件幾何形狀，利用著一張硬（yìng）卡來控製機床的動作，在當（dāng）時，這隻是一種構（gòu）思。

    1948年，帕森斯向美國空軍展示了他的這（zhè）種想法，美國空軍看後，表示極大的興（xìng）趣，因為美國空軍（jun1）正在尋找（zhǎo）一種（zhǒng）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（xíng）狀複雜，精度要求高，一般的設備難以適應（yīng），美國空軍立即委托及讚助美國麻（má）省（shěng）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（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點（diǎn）位控製鑽床，和直（zhí）線（xiàn）控製（zhì）數控銑床得（dé）到了較快的發展使數控機床在製造業各部門逐步獲得推（tuī）廣。

    CNC加工的曆史已經經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（gōng）係（xì）統，編程方式也有手工發展成為智能化、強大（dà）的CAD/CAM集成係統（tǒng）。

    就我國而言，數控技術的發展是（shì）比較緩慢的（de），對於國內的大多數車間來說。設備比較落後，人員的技術水（shuǐ）平（píng）和觀念落後（hòu）表現為加工質量和加工效（xiào）率低下，經常拖延交貨期。

    1、第一代NC係統是在1951年引入的（de），其控（kòng）製單元（yuán）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（chuáng）或車床發（fā）展到加（jiā）工中（zhōng）心，成為現代製造業的（de）關鍵設備。

    2、第（dì）二代NC係統（tǒng）於1959年產生的，其主要有單個的晶體管和其他部（bù）件組成（chéng）。

    3、1965年引入了第三代NC係（xì）統，其（qí）首次采（cǎi）用集成電路板。

    4、實際上，在1964年已經研製出來了（le）第四代NC係統，即我（wǒ）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（le）強大的微處理器，這（zhè）就是第五代NC係統。

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

數控機床的（de）發展趨勢

1. 高速（sù）化

隨著（zhe）汽車、國防、航空、航天等工業的高速（sù）發展以及（jí）鋁合金等（děng）新材料的應用（yòng），對數控機床加（jiā）工的高速化要求越來（lái）越（yuè）高。

a.主軸轉速（sù）：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：在分辨率為0.01µm時，最大（dà）進給率達到240m/min且（qiě）可獲得複雜型的（de）精確加工；  

c. 運算速度：微處理器的迅速發展為數控係統向高（gāo）速、高精度方向發展提（tí）供了保障，開（kāi）發出CPU已發展到32位以（yǐ）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（de）進給速度；  

d. 換刀速度：目（mù）前國外先進加工中（zhōng）心的刀（dāo）具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國（guó）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，其（qí）刀到刀（dāo）的換刀時間僅0.9s。

2. 高精度化

數控機床精度（dù）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（yǐ）及對振動的監測和補償越來越獲得重視。

a. 提高CNC係統控製精度（dù）：采用高速插補技術，以微小程序（xù）段實現連續進給，使CNC控製單位精細化（huà），並采用（yòng）高分辨率位置檢（jiǎn）測（cè）裝置，提 高位置檢（jiǎn）測精度，位置伺服係（xì）統（tǒng）采用前饋（kuì）控製與 非線性控製等（děng）方（fāng）法；

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

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（jīng）度，以保證機床的定位精度和重複定位（wèi）精度，使其性（xìng）能長期穩定，能夠在不同運行條件（jiàn）下完（wán）成多種加工任務，並保證零（líng）件的加（jiā）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（néng）完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝複合型和工序複合型兩類。 加工中心能（néng）夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處（chù）理等多種工（gōng）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，大量的多軸聯動數控（kòng）機床越來越受到各 大企業的歡迎。  

4. 控製智能化

隨著人工智能技術的發展（zhǎn），為了滿（mǎn）足製造（zào）業生產柔性化、製造自動化的發展需求，數控機床的智能（néng）化程度在不（bú）斷提高。具體體現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自（zì）適應控製技術；  

b. 加工參（cān）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. 智能故障回放（fàng）和故障仿真技術；

e. 智（zhì）能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 、建模（mó）、加工、機器操作四者(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（fàng）：由於軟硬（yìng）件接口都遵循（xún）公認的標準協議，可采（cǎi）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（xīn）產品（pǐn）、擴充功能、提供（gòng）硬軟件產品的各種組合以滿足特（tè）殊應用要求（qiú）；  

c. 數控標準（zhǔn）的建立：標準化的編程語言，既方便用戶 使用，又（yòu）降低了和操（cāo）作效（xiào）率（lǜ）直接有（yǒu）關的勞動消（xiāo）耗。

6. 驅動並聯化

可實現多（duō）坐標聯動數控加工、裝（zhuāng）配和測量多種功能，更能滿足複雜特種零件的（de）加工，並聯機床被認為是“自發明數控技（jì）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（liáng）好的數控機床（chuáng）的支撐。而超精密（mì）加工技術和（hé）微納（nà）米技術是21世紀的戰（zhàn）略技 術，需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的（de）新型製（zhì）造工藝和裝備。

8.  信息交互網絡化

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

9. 加工（gōng）過程綠色化

 近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出現， 綠色製造（zào）的大趨勢使（shǐ）各種節（jiē）能環保（bǎo）機床加速（sù）發展。

10. 多媒體技術的應用

多媒體技術集（jí）計算機、聲像和通信（xìn）技術於一（yī）體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像（xiàng）和視頻信息的能力（lì）。可以做到信（xìn）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診斷、生產過程參數監測等，因此（cǐ）有（yǒu）著重大的應用（yòng）價值。

目前，數控機床的發（fā）展日新月（yuè）異，高速化、高（gāo）精度化、複合（hé）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（shù）控機床發展的趨勢和方向。