​高端精密製造的CNC數控加工技（jì）術

    數控技術的應用使傳（chuán）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（fā）展給數控技（jì）術帶來（lái）了新的活力。數控技術和數控裝備是各個國家工業現代化的重要基礎。

    數控機床是現代製（zhì）造業的主流設備，精密加工的必備裝備，是體現（xiàn）現（xiàn）代機床技術水平、現代機械製造業工藝水平的重要標誌，是關係國計民生、國防尖端建設的戰略物（wù）資。因（yīn）此世界上（shàng）各工業發達國家均采取重大措施來發展自己的數控技（jì）術及其產業。

CNC數控（kòng）加工（gōng）

    CNC是英文（wén）Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計算機數據控製”，簡單地說就是“數控（kòng）加工”，在（zài）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，是一種具有高效率、高精度與（yǔ）高柔性特點的自動化加工方法。它是將要加工工件的數控程序（xù）輸入給機床，機（jī）床在這些（xiē）數據的控製下自動加工出符合人（rén）們（men）意（yì）願的（de）工件，以製造出美妙的產品。

    數控（kòng）加工技（jì）術可（kě）有（yǒu）效解決像模具這樣複雜（zá）、精密、小批（pī）多（duō）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（shù）已成為我國加速發展經濟、提高自（zì）主創新（xīn）能力的重要途徑。目前我國數控（kòng）機床使用越來越普（pǔ）遍（biàn），能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（zǐ）技術、計算機技術、測量技術、傳感器技術、自動控製技術及人工智能技術等多種先進技術於一（yī）體，並與機械加工工（gōng）藝緊密結合，是新（xīn）一代的機械製造（zào）技術裝備（bèi）。

CNC數控機床的組成

    數控機床集（jí）機床、計算機、電動機及拖動、動控製、檢測等（děng）技術（shù）為一體的自動化設（shè）備。數控機床的基本組成包括控製介質、數控裝置、伺服係統、反饋（kuì）裝置（zhì）及機床本體

1、控製介質

  控（kòng）製介（jiè）質是儲存數控（kòng）加工所需要的全部動作刀具相對於工件位置信（xìn）息的媒介物，它記載著零件（jiàn）的加工程序，因此，控製介質就（jiù）是指（zhǐ）將零件加工信息傳送到數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同而（ér）不同，常用的有（yǒu）穿孔帶、穿孔卡、磁（cí）帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡（kǎ）趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算（suàn）機（jī）編程，然後通過計算機與數控係統通信，將程（chéng）序（xù）和數據直接（jiē）傳送（sòng）給數控裝置的方法應用越來越廣泛。

2、數控（kòng）裝置

  數控裝置是數控（kòng）機床（chuáng）的核心（xīn），人們喻（yù）為“中樞係統”。現代數控機床（chuáng）都采用計算機數控裝（zhuāng）置CNC。數控裝置包括輸入（rù）裝置及中央（yāng）處理器(CPU)和輸出（chū）裝置等構成數控裝置能完成信（xìn）息的輸入、存儲、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、驅動機床執行機構（gòu）運動（dòng）的驅動部件。包括主（zhǔ）軸驅動單元、進給驅動單元、主（zhǔ）軸電機和（hé）進給電機等。工作時，伺服係統接（jiē）受數控係統的指令信息，並按照指（zhǐ）令信息（xī）的要求與位置、速度（dù）反饋信號相比較後，帶動機床的移動部（bù）件或執（zhí）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（shì）由測量元件和相應的電路組成，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（bú）高的數控機床，沒有反饋（kuì）裝（zhuāng）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，是完成實際切削加工的機械部（bù）分，它包括床身、底座、工作台、床鞍（ān）、主軸等（děng）。

CNC加工工藝（yì）的特（tè）點

    CNC數（shù）控加工工藝也遵守機械加工切削規律，與普通機床的加工工藝大體相同。由於它是（shì）把（bǎ）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（wéi）複雜，工步安（ān）排較為詳盡周密。

    CNC數控（kòng）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，才能編出高效率和高質量的數控程序。衡量數控程序好壞的標準是（shì）：最少的加工時間、最小（xiǎo）的刀具損耗及（jí）加工出最佳（jiā）效（xiào）果的工件。

    數控（kòng）加工工序是工件整體（tǐ）加工工（gōng）藝的一部分，甚至是一（yī）道工序（xù）。它要與其他前後工序相互配合，才能最終滿足整體機器或模具的裝配要求，這（zhè）樣（yàng）才能加工出合格的（de）零件。

    數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（děng）工（gōng）步。

CNC的數控編程（chéng）

  數控編程是從零件圖（tú）紙到獲得數控加工程序的全過程。它的主要任務是計算加工走刀中（zhōng）的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表麵（miàn）的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢量。

    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、速度和動作先後順序、主軸轉速、主軸旋（xuán）轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數（shù）控代碼形式編成程序單，輸入到機床專用計（jì）算機中。然後，數（shù）控係統根據輸入的指令進行編譯（yì）、運算和邏輯處理後（hòu），輸出各種信號和指令（lìng），控製各部分根據規定的位移和有（yǒu）順序的動作，加工出各種不同形狀的工件（jiàn）。因（yīn）此，程序的編製對於數控機床效能的發揮（huī）影響極大。

    數控機床必須把代表各種不同功（gōng）能的指令代碼以程序的形（xíng）式（shì）輸入數控裝置（zhì），由（yóu）數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信號來控製數控（kòng）機床的各個運（yùn）動部件的操作，從而完成零件（jiàn）的切削加工。

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

  隨著技術的進步，3D的數控編程一般（bān）很少采（cǎi）用手工編程，而使用商（shāng）品化的CAD/CAM軟件。

    CAD/CAM是計算機輔助編程（chéng）係統的核（hé）心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及（jí）編輯、工（gōng）藝參（cān）數設置、加工仿真、數控程序後處（chù）理和數（shù）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。各軟件對於數控編程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同（tóng）小異，但各（gè）有（yǒu）特點。

CNC數控（kòng）加工零件的步驟

    1、分析零件圖，了（le）解工件的大致情況（kuàng）（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）

    2、確定零件的數控加工工（gōng）藝（yì）（加工（gōng）的（de）內容，加工的路線）

    3、進行必要的數值計算（基點、節點的（de）坐標計算）

    4、編（biān）寫程（chéng）序單（不（bú）同機床（chuáng）會有所不同，遵守使用手冊）

    5、程序校驗（將程序輸入機（jī）床，並進行圖形模擬，驗證（zhèng）編程的正確）

    6、對工件進行加工（好的過程控製（zhì）能很好的（de）節約時間和提高加工質量）

    7、工件驗收和質（zhì）量誤差分析（對工件進行檢驗，合格流（liú）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（kòng）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（gōng）操作機床，加工零件，用這種方式生產產（chǎn）品，成本高，效率低，質量也得不到保證。

  在20世紀40年代末（mò）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表示需要加工的零件幾何形狀，利用著一張硬卡（kǎ）來控製機床的（de）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（zhǒng）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（zhǎo）一種（zhǒng）先進的（de）加工方法，希望解（jiě）決飛機外型樣板的加工問題，由於樣板形狀複雜（zá），精（jīng）度要（yào）求高，一般的設（shè）備（bèi）難以適（shì）應，美（měi）國空軍立即委托及讚助美國麻（má）省理工學院（MIT）進行研（yán）究，開發這部硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻省理（lǐ）工學院和帕森斯公司合作，成功（gōng）的研製出了第一台示範機，到（dào）了1960年（nián）較為簡單和經濟（jì）的點（diǎn）位控製鑽床，和直線控（kòng）製數控（kòng）銑床得到了較快的發展使數控（kòng）機床在製造業各部門逐步獲得推廣。

    CNC加工的曆史（shǐ）已經經曆了長達半（bàn）個多（duō）世紀，NC數控（kòng）係統也由最（zuì）早的模擬信號電路控製發展為極其複雜（zá）的集成加工係統，編（biān）程方式也有手工發（fā）展成為智能化、強（qiáng）大的CAD/CAM集成係統。

    就我（wǒ）國而言（yán），數控技術的發展是比較緩慢的，對於國內（nèi）的大多數車間來說。設備比較落後，人員的技（jì）術水平和（hé）觀念（niàn）落後（hòu）表現為加工質量和加工效率低下，經常拖延交（jiāo）貨（huò）期。

    1、第一代NC係統是在1951年引入的，其控（kòng）製單元主要（yào）有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第（dì）一台數控機（jī）床誕生，已經從（cóng）銑床（chuáng）或車床發（fā）展（zhǎn）到加工中（zhōng）心，成為現代製造業的（de）關（guān）鍵設（shè）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其他部件組成。

    3、1965年引入（rù）了第三代NC係統，其首次采（cǎi）用集成（chéng）電路板。

    4、實際上，在1964年已經研製出來了（le）第四（sì）代NC係統，即我們（men）非常（cháng）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（dà）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）成製造係統（MIS）+DNC+柔性（xìng）加工係統（FMS）

數控機床的發展趨勢

1. 高速化（huà）

隨著汽車、國（guó）防、航空、航（háng）天（tiān）等工（gōng）業的高速發展以及鋁合金等新材料的應（yīng）用，對數控機床加工的高速化要求越來越（yuè）高。

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

b. 進給率：在分辨率（lǜ）為（wéi）0.01µm時，最大進給率達（dá）到240m/min且可獲（huò）得複雜（zá）型（xíng）的精確加（jiā）工；  

c. 運算速度：微處理器的迅速發展（zhǎn）為數控（kòng）係（xì）統向高速、高精度方向發展提供了保障，開發出CPU已發展到32位以及64位的（de）數控係統，頻（pín）率提高（gāo）到幾百兆赫、上千兆（zhào）赫。由於運（yùn）算速度的極大提高，使（shǐ）得當分辨率為0.1µm、0.01µm時（shí）仍能獲得高達24～240m/min的進給（gěi）速度；  

d. 換刀速度：目前國外先（xiān）進加工（gōng）中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德（dé）國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的（de）換刀時間僅0.9s。

2. 高精度（dù）化（huà）

數（shù）控機（jī）床（chuáng）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（rè）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（tǒng）控製（zhì）精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續進給，使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率（lǜ）位置檢測裝置，提 高位（wèi）置檢測精度，位置（zhì）伺服係統采用前饋控製與 非線性控製（zhì）等方法；

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

c. 采用（yòng）網格解碼器檢查和提高加工中心的運動（dòng）軌跡精度（dù）: 通過仿真預測機床的加工精度，以（yǐ）保證（zhèng）機床的定位精度（dù）和重（chóng）複（fù）定（dìng）位精度（dù），使其性能（néng）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（líng）件的（de）加工質量。

3. 功能複合化

複合機床（chuáng）的含義是指在一台機床（chuáng）上實現或盡可能（néng）完成從毛坯至成品（pǐn）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。 加工中心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處（chù）理等多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現代機（jī）械加工要求的不（bú）斷（duàn）提高，大量的多軸聯動數控機床越來（lái）越受到各 大（dà）企業的（de）歡迎。  

4. 控製智能化

隨（suí）著人工智能技術（shù）的發展，為（wéi）了滿（mǎn）足製造業生產柔性化、製造自動化（huà）的發展需（xū）求，數控機床的智能化程度在不斷提高。具體（tǐ）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（de）智能優化與選擇；  

c. 智能故障自診斷與自（zì）修複技（jì）術；

d. 智（zhì）能故（gù）障回放和故障仿真技術；

e. 智能化交流（liú）伺服（fú）驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係統：在製造過程中， 將測量 、建模、加（jiā）工、機器操作四者(即4M)融合在一個係統（tǒng）中 。

5. 體係開（kāi）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（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：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產（chǎn）品的各（gè）種（zhǒng）組合以滿（mǎn）足（zú）特殊（shū）應用要求；  

c. 數（shù）控標準的（de）建立：標準化的編程（chéng）語言，既方便（biàn）用戶 使用，又降低（dī）了和操作效（xiào）率直接（jiē）有關的勞（láo）動消耗。

6. 驅動並聯化

可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足複（fù）雜特種零件的（de）加工，並聯機（jī）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（háng）空、航（háng）天事業的發展和能（néng）源等基礎產業裝備的（de）大型化需要大型且性能良好（hǎo）的數控（kòng）機床的支撐。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（jì） 術，需發展能適（shì）應微小型尺寸和微納米加工（gōng）精度的新型製造工藝（yì）和裝備。

8.  信息交互網絡化（huà）

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

9. 加工過程綠色化

 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， 綠色製造的大趨勢使各種節能環保機床加速（sù）發展（zhǎn）。

10. 多媒體技術的應用（yòng）

多（duō）媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一體（tǐ），使計算機（jī）具有綜（zōng）合處理聲音、文字、圖像和視（shì）頻信息的（de）能力。可以做到信（xìn）息處理綜合化、智（zhì）能化，應用於實時（shí）監控 係統和生產現場（chǎng）設備的（de）故障（zhàng）診斷、生產過程參數監測等（děng），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、高精度化、複合化、智能化、開放化、並聯驅動（dòng）化、網絡化、極端化、綠色化已成為數控機（jī）床發展的趨勢和方向。