​高端精密製造的CNC數控加工技術

數控技術的應用使傳統的（de）製造業發生了（le）質（zhì）的變化，尤其是近年來．微電子技術和計算（suàn）機技術的發展給數控技術帶來了新的活力。數（shù）控（kòng）技（jì）術（shù）和數控裝備是各個國家工業現代化的重要基礎。

數控機床是現代製造業的主流設備，精密加工的必備裝備，是體現現（xiàn）代機床技術（shù）水平、現代機械製造業（yè）工藝水平的重要標誌，是關係國（guó）計民生、國防尖端建設的（de）戰略物資。因此世界上各工（gōng）業發達國家均采取重大措施來發展自己的數控技術（shù）及其產業。

CNC數控加工

CNC是英文（wén）Computer Numberical Control的縮寫，意（yì）思是“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（kòng）加工是（shì）當今機械（xiè）製造中的先進（jìn）加工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔（róu）性特點的自動化加工方法（fǎ）。它是將要加工工件的（de）數控程（chéng）序輸入（rù）給機床（chuáng），機床在這些（xiē）數據的控製下自動加工出（chū）符合人們意願的（de）工件（jiàn），以製造出美妙的產品。

數控加工技術（shù）可有效解決像模具這樣（yàng）複雜、精密、小批多變的加工問題，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加速發展經濟、提高（gāo）自主創新能力的重要（yào）途徑。目前我國數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（suàn）機技術、測量技術、傳感器技術、自動控製技術及人工智能技（jì）術（shù）等多種先進（jìn）技術於一體，並與機械加工工藝緊密結合，是新一代的機械製造技術裝備。

CNC數控（kòng）機（jī）床的組成

數控機床集機床（chuáng）、計算機、電（diàn）動（dòng）機（jī）及拖動、動（dòng）控製、檢測等技術為一體的自動化設備。數控機床（chuáng）的基本組成（chéng）包括控製介質、數控裝置（zhì）、伺服係統（tǒng）、反饋裝置及機床本體，如（rú）圖

1、控製介質

控製介質（zhì）是儲存（cún）數控加工所需要的全部動作刀具相對於工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序（xù），因此，控製（zhì）介質就是指將零件（jiàn）加工信息（xī）傳送到數控裝置（zhì）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）同而不同，常（cháng）用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨（suí）著數控技（jì）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（jī）編程，然後通過計算機與數控係統通信，將程序和數據直接傳送給數控裝置的方法應（yīng）用（yòng）越來越廣（guǎng）泛。

2、數控裝置（zhì）

數控裝置是數控機床的核心，人（rén）們喻為“中樞係統”。現代數控機床都采用計算機數（shù）控裝置CNC。數控裝置包括輸入裝置（zhì）及中央處（chù）理器(CPU)和輸出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（suàn）以及實現各種控製功能。

3、伺服係統

伺服係統（tǒng）是（shì）接收數控裝置的指令、驅動機床執行機構運動的驅動部（bù）件。包括主軸驅動單元（yuán）、進給驅動單元、主軸電機和進（jìn）給電機等。工作時，伺服係統接受（shòu）數控係統的指令信息，並按照指令信息的要求與位置、速度（dù）反饋信號相比較後，帶動機床的移（yí）動部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。

4、反（fǎn）饋裝置

反饋裝置是由測量元件和（hé）相（xiàng）應的電路（lù）組（zǔ）成，其作用是檢（jiǎn）測速度和位移，並將信息反（fǎn）饋回來，構成閉環（huán）控製。一些精度要求不高的數控（kòng）機床，沒有反饋裝置，則（zé）稱為開環係統。

5、機（jī）床本體

機床本體是數控（kòng）機床的實體，是完成實（shí）際切削加工的機械部分，它（tā）包括床身、底座（zuò）、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（yě）遵守機械加工切削規律，與普通機床的加工工（gōng）藝大體相同。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（yīn）而具有加工效率高（gāo）、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡周（zhōu）密。

CNC數（shù）控加工工藝包括刀具（jù）的選擇、切（qiē）削參數的確定及走刀工（gōng）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及核心，隻有工藝合理，才（cái）能編出高效率和高質（zhì）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（jí）加工出最佳效果的工件（jiàn）。

數（shù）控加（jiā）工工序是工件整體加工工藝的一（yī）部分，甚至是一道工序。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（mó）具（jù）的裝配要求，這樣才（cái）能加工出合格的零件（jiàn）。

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

CNC的數控編程

數控編程是從零件圖紙到獲（huò）得數控加工程序的全過程。它的主要（yào）任（rèn）務是（shì）計算（suàn）加工走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀（dāo）位點一般取為刀具軸線與刀具表麵的交點，多（duō）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（liàng）、速度和動作（zuò）先後順序、主軸轉速（sù）、主軸旋轉方向（xiàng）、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編成程序單，輸入到機床（chuáng）專用計算機中。然後，數控係（xì）統（tǒng）根據輸入的指令進（jìn）行編譯、運算（suàn）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件。因（yīn）此，程序的編製對於數控機床效能的發揮影響（xiǎng）極大。

數控機床必須把代表各種不同（tóng）功能的指令代碼以程序的形式輸入數控（kòng）裝置（zhì），由數（shù）控裝置（zhì）進行運算（suàn）處理，然後發出脈衝信號來控製數控（kòng）機床的各個（gè）運動部（bù）件的操作，從而完成零件（jiàn）的切削加工。

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

隨著技（jì）術（shù）的（de）進步，3D的（de）數控編程一般很少采用手工編程，而使用商品化的CAD/CAM軟件。

CAD/CAM是計（jì）算機（jī）輔助編程係統的核心（xīn），主要功能有（yǒu）數據的（de）輸入/輸出（chū）、加工（gōng）軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程序後處理和（hé）數據管理等。

目前，在（zài）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。各軟（ruǎn）件對於數控（kòng）編程（chéng）的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小異，但各有特（tè）點。

CNC數控加工零件的步驟（zhòu）

1、分析零件圖，了解工件的大致情況（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）

2、確定零件的數控加工工藝（加工的內容，加工的路線）

3、進行必要的（de）數值計算（基點、節點的坐標計算）

4、編（biān）寫程序單（不（bú）同機床會有（yǒu）所不同，遵（zūn）守（shǒu）使用手冊）

5、程序校驗（將程序輸入機床，並進行圖形模擬，驗證編程的正確）

6、對工件進（jìn）行（háng）加工（好（hǎo）的過（guò）程控製能很好的節約時間和提高加工質量）

7、工（gōng）件（jiàn）驗收和質（zhì）量誤差分析（對工件進行檢驗，合格流入下（xià）一道。不合格則通過質量分析找出（chū）產生誤差原因和糾正方法）。

數控（kòng）機床的發展曆史（shǐ）

二戰後，製造業的生產大部分是依靠人工操作，工人看（kàn）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（lǜ）低，質量也得不（bú）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）構思了一種方法，在一張硬紙（zhǐ）卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀，利用著一張硬卡來控製機床的動作，在（zài）當時，這隻是一種構思。

1948年，帕森（sēn）斯向美國空軍展示了他的這種想法，美國（guó）空軍看後，表示極大的興趣，因為美國空軍正在尋（xún）找一（yī）種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問題（tí），由（yóu）於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設（shè）備難以適應，美（měi）國空（kōng）軍立即委托及（jí）讚（zàn）助美國麻省理工學院（MIT）進（jìn）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（gōng）學院和帕森斯公司合（hé）作（zuò），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（de）點位控製鑽床，和（hé）直線控製數控銑床得到了較快的發展使數控機床在製造業各部門逐步獲得推廣。

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

就我國而（ér）言，數（shù）控技術的發展是比較緩慢的，對於國內的大多數車間來說。設備比較落後，人員的技術（shù）水（shuǐ）平和觀念落後表現為加工質量和加工效率低下，經常拖延交貨期。

1、第一代（dài）NC係統是（shì）在1951年引入的，其控製單元主要有各種（zhǒng）閥門和模擬電路組成的，1952年第一台數控機床（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（dì）二代NC係統於1959年產生的，其主要有單個的晶體管和其他部件組成。

3、1965年引入了第三代NC係（xì）統，其首次采用集成電路板。

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

5、1975年，NC係（xì）統采用了強大的（de）微處理器（qì），這就（jiù）是第五代NC係（xì）統。

6、第六代NC係統采用了現行的集成製造係統（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、國防、航空、航（háng）天等工業的高（gāo）速發展以及鋁（lǚ）合金等新材料的應用（yòng），對數控機床加工的（de）高速化要求越來越高。

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

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

c.運算速度：微（wēi）處理器的迅速發展（zhǎn）為數控係統向高速、高精度方（fāng）向發展提供（gòng）了保障（zhàng），開發出CPU已（yǐ）發展（zhǎn）到32位以及64位的（de）數控係統，頻率提高到幾（jǐ）百兆赫、上千兆赫。由於運算速度（dù）的極大提高，使得當（dāng）分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能獲得（dé）高達24～240m/min的進給速度（dù）；  

d.換刀速度：目前國（guó）外先進（jìn）加工中心的刀具（jù）交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司（sī）將（jiāng）刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

2.高精（jīng）度化

數控機床（chuáng）精度的要求現在已經不局限於靜（jìng）態的幾何精（jīng）度，機床的運動精度、熱變形以及對（duì）振動的監測和補（bǔ）償越來（lái）越獲得（dé）重視。

a.提高CNC係統控（kòng）製精度：采用高速插補技術，以微小（xiǎo）程序段實現連續進給（gěi），使CNC控（kòng）製單位精細化，並采用高分辨（biàn）率位置（zhì）檢測裝置，提 高位置檢測精度，位置伺服係統采（cǎi）用前饋控製與 非線性控製（zhì）等方法；

b.采用誤差補償技術（shù）：采用反向（xiàng）間隙補償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設（shè）備的熱變形誤差和空（kōng）間誤差（chà）進行綜合補償。

c.采用網格解碼器檢查和（hé）提（tí）高加工中心的運動軌跡精（jīng）度:通過仿真預測機（jī）床（chuáng）的加工精度，以保證機床的定位精（jīng）度和重複定位精（jīng）度（dù），使其性能長期穩定，能夠在不同運行條件（jiàn）下完成多種加工任務，並保（bǎo）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成從毛坯至成品的多種要素加工。根（gēn）據其（qí）結（jié）構特點可分為工藝複合（hé）型和工序複合型兩類（lèi）。加工（gōng）中心能夠完成車削、銑削、鑽削（xuē）、滾齒、磨削（xuē）、激光（guāng）熱處理等多種工序，可完（wán）成複雜零件（jiàn）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（lián）動數控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，為了滿足製（zhì）造業生產柔性化、製造自（zì）動化的發展需求，數控機床的智能化（huà）程度在不斷提高。具體體現在以下幾個方麵：

a.  加（jiā）工過程自適應控製技術；  

b.加工參數的智能（néng）優化與（yǔ）選擇；  

c.智能故障自診（zhěn）斷與自修複技術；

d.智能故障回放和故障仿真技（jì）術；

e.智能（néng）化（huà）交流伺服驅（qū）動裝置；  

f.智能4M數控係統（tǒng）：在製造過程中， 將測量 、建模、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.向未來技術開放：由於軟硬件接（jiē）口都遵循公認的標（biāo）準協議，可采納（nà）、吸（xī）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（gòng）硬軟（ruǎn）件產品的各種組合（hé）以滿足特殊應用要求；  

c.數控標準的建立：標準化（huà）的編（biān）程語言，既（jì）方便用戶 使（shǐ）用，又降低了和操作效（xiào）率直接有關的勞動消耗。

6.驅動並聯（lián）化

可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測（cè）量多種功能，更（gèng）能滿足複雜（zá）特種零件的加工，並（bìng）聯機床被認為是“自（zì）發明數控技術（shù）以來在機床行業中最有意義的進步”和“21世紀新（xīn）一代數控加工設備”。

7.  極（jí）端化(大型化和微型化)

國防、航空、航天事業的發展（zhǎn）和能源（yuán）等（děng）基礎（chǔ）產業裝備的大型化需要（yào）大型且性能良好（hǎo）的數控機床的支撐。而（ér）超（chāo）精密加工技（jì）術和微納米技術是21世紀的（de）戰略技 術，需（xū）發展能適（shì）應微小型尺（chǐ）寸和（hé）微納米加工（gōng）精度的新型製（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享，又能實現數（shù）控機床的遠程監視、控製、遠程診斷、維護。

9.加工過程（chéng）綠色化

近年來不用或少用冷卻液、實（shí）現（xiàn）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（gè）種節能環保機床加速發展。

10.多媒體技術（shù）的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於（yú）一體，使計算機具有綜合處（chù）理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以做到信息處理綜合化、智能化，應用於實時監控係（xì）統和生（shēng）產現場設備的故障（zhàng）診斷、生產過程參數監測等，因此有著（zhe）重大的應用價值。

目前，數控機床的發展日（rì）新月異，高速化、高精度化、複合化、智能化、開放化（huà）、並聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成為數控機床（chuáng）發展的趨（qū）勢和方向。