高端精密製造的CNC數控加工技術

　　

 

    數控技術的應用使（shǐ）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（suàn）機技術的發展（zhǎn）給數控技術（shù）帶（dài）來了新的（de）活（huó）力。數控技術和數控裝備是各個國家工業現代化的重（chóng）要基（jī）礎（chǔ）。

 

    數控機床（chuáng）是現代製造業（yè）的主流（liú）設備（bèi），精密加工的必備裝備（bèi），是體現現代機床技術（shù）水平、現代機械製造（zào）業工藝水平的重要標誌，是關係國計民生、國防尖端建設的戰略物資（zī）。因此世界上各工業發達國家均采取重大（dà）措施來發展自己的數控技術及其（qí）產業。

 

CNC數控加（jiā）工

 

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

 

    數控加工是當今機械製造中的先進（jìn）加工技術，是一種具有高效率、高（gāo）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（gěi）機床，機床在這些數據的控製下自（zì）動加工出符合人（rén）們意願的工件，以製造出美妙的產品。

 

    數控加工技術可有效解決像模具這樣複（fù）雜、精密、小批多變（biàn）的（de）加工問題，充分適應了（le）現代化生產（chǎn）的需（xū）要。大力（lì）發展（zhǎn）數控（kòng）加工技術已成為（wéi）我（wǒ）國加速發展經濟、提高自主創新能力的重要途徑。目前我國數控機床使用越來越普遍，能（néng）熟練掌握數控機床編程，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化產品，它集微電子技術、計算機技術、測量技術、傳感器（qì）技術、自動控製技術及人工智能技術等多種先進技術於一體，並與機械加（jiā）工工藝緊密結合，是新一代的機械製造（zào）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（jī）及拖動、動控製、檢測等技術為一體（tǐ）的自動化設備。數控機床的基（jī）本組成包括（kuò）控製介質、數控裝置、伺服係統、反饋裝置（zhì）及機（jī）床本（běn）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（xiàng）對於工件位置信息的媒介物，它記載著零件的（de）加工程序，因此，控製介質就是指將零（líng）件加工信息傳送到數（shù）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的不（bú）同而不（bú）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、穿孔卡趨於（yú）淘汰，而（ér）利用CAD/CAM軟（ruǎn）件在計算機編程，然後（hòu）通過計算機與數控係統通信，將程序和（hé）數據直（zhí）接傳送給數（shù）控裝置的方法應用（yòng）越來越廣泛。

 

2、數控裝置

 

  數控裝置是數（shù）控機床（chuáng）的核心，人們喻為“中樞係統”。現代數控機床都（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)和輸出裝置等構成數控裝置能完成信（xìn）息的輸（shū）入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製功（gōng）能（néng）。

 

3、伺服係統

 

    伺服係（xì）統是接收數控（kòng）裝置的指令、驅動機床執行機構運動的驅動（dòng）部件（jiàn）。包括主軸（zhóu）驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服係統（tǒng）接受數控係統的指令信息，並按照指令（lìng）信（xìn）息的要（yào）求與位置、速度反饋信號相比較後，帶（dài）動機床的移動部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求（qiú）的零件。

 

4、反饋裝置

 

    反（fǎn）饋裝（zhuāng）置是由測量元（yuán）件和相應的電路組成，其作用是檢測速度和位移，並將信（xìn）息（xī）反饋回來，構成（chéng）閉環控製。一些精度要（yào）求不高的數控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環係（xì）統。

 

5、機（jī）床本體

 

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

 

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規律，與普（pǔ）通機床的加工工藝大體相同（tóng）。由於它是把計算機控製技術應用（yòng）於機械加工之中的一種自動化加工，因而具有加（jiā）工（gōng）效率高、精度高等特點（diǎn），加工工藝有其獨特之處，工序較（jiào）為複雜（zá），工步安排較為詳盡周密。

 

    CNC數控加工工藝包括刀具的選擇、切削參數的確定及走刀工藝路線的設計等內（nèi）容。CNC數控加工工藝是數（shù）控編程的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量的數控程序。衡量數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（xù）是工件整體加工工藝的一部分，甚至是（shì）一道（dào）工（gōng）序。它要與其他前（qián）後工序相互配（pèi）合，才能最終滿足整（zhěng）體機器或模（mó）具的（de）裝配要求（qiú），這樣才能加工（gōng）出合格的零件。

 

    數控加工工序一般分為粗加工、中（zhōng）粗清角加工（gōng）、半（bàn）精加（jiā）工及精（jīng）加工等（děng）工步。

 

CNC的數控編（biān）程

 

  數控（kòng）編程是（shì）從零件圖紙到獲得數控加工程序的全過程。它的主要任（rèn）務是計算加工走刀中的刀位點（diǎn）（cutter locations point簡稱CL點）。刀（dāo）位點一般（bān）取為刀具（jù）軸線與刀具表麵的（de）交點，多軸加工中還要給出刀軸矢（shǐ）量。

 

    數控機床是根據工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度和（hé）動（dòng）作先（xiān）後順（shùn）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（guī）定的數控代碼形式編成程序單，輸入到機床專用計算（suàn）機中。然後，數控係統根（gēn）據輸入的指令（lìng）進行編譯（yì）、運算和邏輯處理（lǐ）後，輸出各種信號和指令，控製各部分根據規定的位移和有順序的動（dòng）作，加工出各種不同形狀（zhuàng）的工件（jiàn）。因此（cǐ），程序的編製（zhì）對（duì）於數控機床效（xiào）能的發揮影響極大。

 

    數控機（jī）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（rù）數控裝置，由數控裝置進行運算處理（lǐ），然後發出脈（mò）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（chéng）序有兩個標準：國際標準化組織的ISO和（hé）美國電子工業協會的EIA。我國采用ISO代碼。

 

  隨（suí）著技術的（de）進（jìn）步，3D的數控編程一（yī）般很少采（cǎi）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（zhǔ）要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工（gōng）仿（fǎng）真、數控程序後處理和數據管理等。

 

  目前，在我國深受用戶（hù）喜歡的、數控編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件（jiàn）對於（yú）數控編程的原理（lǐ）、圖形（xíng）處理方法及加工方法都大同小異，但各有特點。

 

CNC數控加工零件的步驟

 

    1、分（fèn）析零件圖，了解（jiě）工件（jiàn）的大致情（qíng）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（xiàn））

 

    3、進行必要的數值計算（基點、節點的坐標計算）

 

    4、編寫程序單（不同機床會有所不同，遵守使用手冊）

 

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

 

    6、對工件進行加工（好的過程（chéng）控製能很（hěn）好（hǎo）的節約時間（jiān）和提高加工質量）

 

    7、工件（jiàn）驗收和質量誤差分析（對工件進（jìn）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（shì）依靠人工操作，工人看懂圖紙（zhǐ）後，手工操作機床，加工零件，用這種方式生產產（chǎn）品，成（chéng）本高，效率（lǜ）低，質（zhì）量也得不到（dào）保證。

 

  在20世紀40年代末期，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一種方法，在一張（zhāng）硬紙卡上（shàng）打孔（kǒng）來表示需要加工的零件幾何（hé）形狀，利用著一張硬卡來控（kòng）製機床的動作，在當時，這隻是一種（zhǒng）構思。

 

    1948年，帕森斯向美國空軍展示（shì）了他的這種想法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的（de）加工方（fāng）法（fǎ），希望解決飛機外（wài）型樣板的加工問題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設備（bèi）難以適應，美國空軍立即委托（tuō）及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這（zhè）部硬卡（kǎ）紙來控製的機床，終（zhōng）於在1952年，麻省理（lǐ）工學院（yuàn）和帕森斯公司合（hé）作（zuò），成（chéng）功的研製出了第（dì）一（yī）台示範機，到了1960年較為（wéi）簡單和經濟的點位控（kòng）製鑽床，和直線（xiàn）控製數控銑（xǐ）床得到了較快的發展使數控機床在製造業（yè）各部門逐（zhú）步獲得推廣。

 

    CNC加工的曆（lì）史已經經曆了長（zhǎng）達半個多（duō）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（zá）的集（jí）成加工係統，編程（chéng）方式（shì）也有手工發展成為（wéi）智能化（huà）、強大的CAD/CAM集（jí）成係統。

 

    就我國而言（yán），數控技術的發（fā）展是比較緩慢的，對於國內的大多數車間來說。設備比較（jiào）落後，人員的技術水平和觀念落後表現為加（jiā）工質量（liàng）和加工效率低（dī）下，經常拖延（yán）交貨期。

 

    1、第一代（dài）NC係（xì）統是在（zài）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（de），1952年第一台（tái）數控機床（chuáng）誕生，已經從銑床或車床發展到加工中心，成為現代製造業的關鍵設備。

 

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

 

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

 

    4、實際上，在（zài）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（xì）統）。

 

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

 

    6、第六代NC係統采用（yòng）了現（xiàn）行的集成製造係統（MIS）+DNC+柔性（xìng）加工係統（FMS）

 

數控機床（chuáng）的發展趨勢

 

1. 高速（sù）化

 

隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速（sù）發展以（yǐ）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.主軸轉速：機（jī）床采用電主軸(內裝式主軸電（diàn）機)，主軸最（zuì）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且可獲得複雜型的精確加工；  

 

c. 運（yùn）算速度：微處理器（qì）的迅速（sù）發（fā）展為數控（kòng）係統向高速、高精（jīng）度方向（xiàng）發展提供了保障，開發出CPU已發展到32位以及64位的數控係統，頻（pín）率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速（sù）度的極大（dà）提（tí）高，使得當分辨率為0.1µm、0.01µm時仍能獲得高達24～240m/min的進（jìn）給速度；  

 

d. 換刀速度：目前國外先進加工中心的（de）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（de）換刀時間（jiān）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：采用高速插補技術，以微小程（chéng）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 高位置檢測精度，位置伺（sì）服係統采用前饋控製與 非線（xiàn）性控製（zhì）等方法；

 

b. 采用誤差補償技術：采用（yòng）反向間隙補償、絲（sī）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行綜合補償。

 

c. 采用網格（gé）解碼器檢查和提高（gāo）加工中心的運動軌跡精（jīng）度: 通過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定（dìng）位精度（dù）和重（chóng）複定位精（jīng）度，使其性能長期穩定（dìng），能夠在不同（tóng）運行條件下完成多種加（jiā）工任（rèn）務，並保證零件（jiàn）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工。根據其結構特點可分為工藝複合型和工（gōng）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（chù）理（lǐ）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，大量的多軸聯動數（shù）控機床越來越受到各 大企業的歡迎。  

 

4. 控製智能化

 

隨（suí）著人工智能（néng）技術的發展，為了滿足製造業生產（chǎn）柔性化、製造自動化的（de）發（fā）展需求，數控（kòng）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（guò）程自適（shì）應（yīng）控製技術；  

b. 加工參數的智能（néng）優化與選擇；  

c. 智能故障自（zì）診斷與（yǔ）自修複技術（shù）；

d. 智能故障回（huí）放（fàng）和故障仿真技術；

e. 智能化交流伺服驅動裝（zhuāng）置（zhì）；  

 f. 智能4M數控係（xì）統：在製造過程中， 將（jiāng）測量 、建模、加工、機器操作四者（zhě）(即4M)融合在（zài）一個係統中 。

 

5. 體係（xì）開放（fàng）化

 

a. 向未來技術開放：由於軟硬（yìng）件接口都遵循公認的標準協議，可（kě）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（chǎn）品、擴（kuò）充功能、提供硬軟件產（chǎn）品的各種組合以（yǐ）滿足（zú）特殊應（yīng）用要求；  

 

c. 數控標準的（de）建立（lì）：標準化的編（biān）程語言（yán），既方便用戶 使用，又降低了（le）和操作效（xiào）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、裝配（pèi）和測量多種功能，更能滿足複雜（zá）特種零件的加工，並（bìng）聯機床被認（rèn）為是“自發明數控技術（shù）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（shè）備”。

 

7.  極端化(大型化（huà）和微型化 )

 

國防（fáng）、航空、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的（de）大型化需要大型且性能（néng）良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術（shù）和微納米技術（shù）是21世紀的戰略技 術，需發展能適應微小型尺寸和（hé）微納米加工精度的新型製造工（gōng）藝和裝備。

 

8.  信息交互網絡化

 

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

 

9. 加工過程綠色（sè）化（huà）

 

 近年來不用或（huò）少（shǎo）用冷（lěng）卻液、實現幹切削、半幹切削節能環保的機床不斷出現（xiàn）， 綠（lǜ）色製造（zào）的大趨勢使各種節能（néng）環保機（jī）床加速發展。

 

10. 多媒體技術的（de）應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技（jì）術於一體，使計算（suàn）機具有綜合（hé）處理（lǐ）聲音、文字、圖像和視頻信（xìn）息的能力。可以做到信（xìn）息處理綜合化、智能化，應用（yòng）於實時監控 係統和生產現場設備的故障診斷（duàn）、生產過程參數監測等，因（yīn）此有著重大的應（yīng）用價值。

 

目前，數控機床的發（fā）展（zhǎn）日（rì）新月異，高速化（huà）、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（yǐ）成為數控機床發展的趨勢和方向。