​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製造業發（fā）生了質的變化，尤（yóu）其是近（jìn）年來．微電子技術和計算（suàn）機技術的發展給數（shù）控技術（shù）帶來了新的活力。數控技術和數控裝備是各個國家工業現代化的重要基礎。

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

CNC數控加工

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“數控加工”，在珠江三角洲（zhōu）地區，人（rén）們稱為“電腦鑼”。

數（shù）控加工是當今機械（xiè）製造中的先進加（jiā）工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點的（de）自動化（huà）加（jiā）工（gōng）方法。它是將要加工工件的數控程序輸入給機床，機床在這些數據（jù）的控製下自動加工出符（fú）合人們意願的工件，以製造（zào）出美妙的產品（pǐn）。

數控加工技術可有效解決（jué）像模具（jù）這樣複雜、精密、小批多變的（de）加工問題，充（chōng）分適應（yīng）了（le）現代化生產（chǎn）的需要。大力發展數控加工技（jì）術已成為我國（guó）加速發展經濟、提高自主創新能力（lì）的（de）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（chéng），是充分發揮（huī）其功（gōng）能的重要途徑。

數控機（jī）床是典型的機電一體化產品，它集微電子技術（shù）、計算（suàn）機（jī）技術、測量技術、傳感器技術、自動控製技術及人工智能技術（shù）等（děng）多種先進技術於一體，並與機械加工工藝緊密結合，是新一代（dài）的機械製造（zào）技術裝備。

CNC數控機床（chuáng）的組成

數控機床集機床、計（jì）算機、電動機及拖動、動控製、檢測等技術（shù）為一體的自動化設備。數控（kòng）機床的基本組成包括控製介質、數控裝（zhuāng）置（zhì）、伺服係統、反饋裝置（zhì）及機床本（běn）體，如圖

1、控製介質

控製介質是儲存數控加（jiā）工所需要的全部動作刀具相對於工（gōng）件位置信息的媒介物，它記載著零件（jiàn）的加工程序，因此，控製介質（zhì）就是指將零件加工信息傳送到數控裝（zhuāng）置去的信（xìn）息載體。控製介質有多種形式，它（tā）隨著數控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔（kǒng）卡、磁帶、磁盤等。隨著（zhe）數控技（jì）術的發展，穿（chuān）孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然（rán）後通過計算機（jī）與數（shù）控係統通信（xìn），將程序和數據直接傳送給數控裝置的方法應用越來越廣泛。

2、數控裝置

數控裝置是數控機床的核心，人們喻為“中（zhōng）樞係（xì）統”。現（xiàn）代數（shù）控機床都采用計算機數控裝置CNC。數（shù）控裝置包括輸入裝置及中央（yāng）處理器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝置能完成信息的輸（shū）入、存儲（chǔ）、變換、插補（bǔ）運（yùn）算以及實現（xiàn）各種控製功能。

3、伺（sì）服係（xì）統

伺服（fú）係統是接收數控裝（zhuāng）置（zhì）的指令、驅動機床執行機構運（yùn）動的驅（qū）動部件。包（bāo）括主軸驅（qū）動單元、進給驅動（dòng）單元、主軸（zhóu）電機（jī）和進給電機等。工作時，伺（sì）服係統接受數控係統的指令信息，並按照（zhào）指令信息的要求與（yǔ）位置、速度反饋信號相比較後，帶動機床的移動部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求的（de）零件。

4、反饋裝置

反饋裝（zhuāng）置（zhì）是由（yóu）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（zhì）。一些精度要（yào）求不高的數控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環係統（tǒng）。

5、機床本體（tǐ）

機床本體是數控機床的實體，是完成（chéng）實際切削（xuē）加工的機械部分，它包（bāo）括床身、底座、工作（zuò）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（guī）律，與普通機（jī）床的加工工藝大體相同。由於它是把計算機控製技術應用於（yú）機械（xiè）加工之中的一種自動化（huà）加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有（yǒu）其（qí）獨（dú）特之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡周密。

CNC數控加（jiā）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（jī）礎及（jí）核心，隻有工藝合理，才能編出（chū）高效率和高質量的數控程（chéng）序。衡量數控程序好（hǎo）壞的標準是：最少（shǎo）的加工（gōng）時間、最小的刀具（jù）損耗及加工出最佳效果的工（gōng）件。

數控加工工序是工件整體加工工藝的一部分，甚至是一道（dào）工序。它（tā）要與（yǔ）其他前後（hòu）工序相互配合，才（cái）能最終滿足整體機器（qì）或模具的裝配要求，這樣才能加工出合格的（de）零件。

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

CNC的數控編程

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

數控機床是根據工件圖樣（yàng）要求及加工工藝過程，將所用（yòng）刀具及各部件的移動量、速度和動作（zuò）先後順序（xù）、主軸轉（zhuǎn）速、主軸旋轉方（fāng）向、刀頭（tóu）夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操（cāo）作，以規定的數控代碼形式編成程序單，輸入到機床專用計算機中。然後，數控係統根據輸入的指令（lìng）進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種（zhǒng）信號和指令，控製各部分根據規定（dìng）的位移和有順序的動（dòng）作，加工出各種不同形狀的工件。因此，程序的編製對於數控機床效能的發揮影響極大。

數控（kòng）機（jī）床必須把（bǎ）代表各種不同功能的指令代碼以程序的形式輸入數控裝置，由數控裝置進行運算處（chù）理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各（gè）個運動部件的操作（zuò），從而完成零件的切削加工。

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

隨著（zhe）技術的進步，3D的數（shù）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是計算機輔助編程係統的核心，主要功能有數據的（de）輸入/輸出、加工軌跡的計算及編（biān）輯（jí）、工藝參（cān）數設置（zhì）、加工（gōng）仿真、數控程序後處理和數據管理等。

目前，在（zài）我國深受（shòu）用戶喜歡的、數控編程（chéng）功能強大的軟件有（yǒu）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（fāng）法都大同小異，但各有（yǒu）特點（diǎn）。

CNC數控加工零件的步驟

1、分析零件圖，了解工件的大致（zhì）情況（幾何形狀，工件材料（liào），工藝要求等）

2、確定零件的數控加工工藝（yì）（加（jiā）工的內容，加工的路線）

3、進行必要的數值計算（基點、節點的坐標計算）

4、編（biān）寫程序單（不同機床會有（yǒu）所不同，遵守使用手冊）

5、程序校驗（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（好的過程控製能很好的節約時間和提高加工（gōng）質量）

7、工件驗收（shōu）和（hé）質量誤差分析（對工件進行檢驗，合格流入下一道。不（bú）合格則通過質量分析找出產生誤差原因和糾（jiū）正方法）。

數控機床的發展（zhǎn）曆史

二戰後，製造業（yè）的生產大（dà）部分是依靠人工操作，工人（rén）看懂圖紙後（hòu），手工操作機床，加工零件，用這種（zhǒng）方式生產產品，成本高，效（xiào）率低，質量也得不到保證。

在20世紀40年代末期，美國有一位（wèi）工（gōng）程師帕森斯（John Parsons）構思了一（yī）種方法，在（zài）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（yìng）卡來控製機床的動作，在當時，這隻是一種構思。

1948年（nián），帕森斯向美國空軍（jun1）展（zhǎn）示了他（tā）的這種想法，美國空軍看後，表示極（jí）大的興趣，因（yīn）為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法（fǎ），希望解決飛機外型樣板的加工問題，由（yóu）於樣板形狀複雜，精（jīng）度要求高，一般的設備難以（yǐ）適應，美國空軍立即委托及讚助美國麻（má）省理工學院（MIT）進行研究，開發這（zhè）部硬（yìng）卡紙來控製的（de）機床，終（zhōng）於在1952年，麻省理工學院（yuàn）和帕森斯（sī）公司合作，成功的研製出了第一台示範機，到了1960年較為簡（jiǎn）單和經濟的點位控製鑽床（chuáng），和直線控製數（shù）控銑床得到了（le）較快的發展使數控機床在製造業各部門（mén）逐步獲得推廣。

CNC加工的曆史已經經（jīng）曆了長達半個多世（shì）紀，NC數控係統（tǒng）也由最早的模擬信號電路控製發展為極其複雜的（de）集（jí）成加工係統，編程方式也有手工（gōng）發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

就我國而言，數控（kòng）技術的發展是比較緩慢的，對於國內的大（dà）多數車間來說。設備比較落後，人（rén）員的技術水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電路組（zǔ）成的，1952年第一台數（shù）控機床誕生，已經從銑（xǐ）床或車床發展到加工中心（xīn），成為現代製造業（yè）的關鍵設備（bèi）。

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

3、1965年引入了第三代NC係統，其首次采用集成電路板。

4、實際上，在1964年已（yǐ）經研製出來了第四代NC係統，即（jí）我（wǒ）們非（fēi）常熟悉的計算機數字控（kòng）製係統（tǒng）（CNC控製係統）。

5、1975年，NC係（xì）統（tǒng）采用了強大的微處理器，這就是第五代NC係統。

6、第六代NC係統采（cǎi）用了現（xiàn）行的集成製造係統（MIS）+DNC+柔性加工係（xì）統（FMS）

數控機床的發展趨勢

1.高速化

隨著汽車（chē）、國（guó）防（fáng）、航（háng）空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等（děng）新材料（liào）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（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.運算速度：微（wēi）處理器的迅速（sù）發展為（wéi）數（shù）控（kòng）係統向高速、高精度（dù）方向發展提供了保障，開發出CPU已發展（zhǎn）到32位以及64位的數控係統，頻率提高到幾（jǐ）百兆赫、上千兆赫。由於（yú）運算速度的極大提高，使得當（dāng）分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；  

d.換刀速度：目前國外先進（jìn）加工中心的刀具（jù）交換時間普遍已在（zài）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，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀（dāo）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（yùn）動精度、熱變形以及對振動（dòng）的監測和補償越來（lái）越獲得重視。

a.提高（gāo）CNC係統控製（zhì）精度：采用高速插（chā）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 高位置檢測精度，位置伺服係統采用前饋控製與 非線性控製（zhì）等方（fāng）法；

b.采用誤差（chà）補償技術：采用（yòng）反（fǎn）向間隙補償、絲杆螺距誤差補（bǔ）償和刀具誤差補償等技術，對設備（bèi）的熱變形誤差（chà）和空間誤差進行綜合補（bǔ）償。

c.采用（yòng）網格解碼器檢查和提高加（jiā）工（gōng）中心（xīn）的運動軌跡精度:通過仿真預測機床的加工精度，以保（bǎo）證機床（chuáng）的定位精度和重複定位精度，使其性能（néng）長期穩定，能夠在不（bú）同運行（háng）條件下完成多種加（jiā）工任務，並保證零（líng）件的加（jiā）工質量（liàng）。

3.功能複（fù）合化

複合機床的（de）含義是指在一台機（jī）床上實現或盡可能完成從毛坯至成（chéng）品的多種要素加工。根（gēn）據其結構特點可分為工藝複合型和工序（xù）複合型兩類。加（jiā）工中心能夠完成車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱（rè）處理等多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨（suí）著現代（dài）機械加工要求的不（bú）斷提高，大量的多軸（zhóu）聯動數控（kòng）機床越來越受到各（gè）大企（qǐ）業的歡迎。

4.控製智能化

隨著人工智能（néng）技術的發展，為（wéi）了滿足製造業（yè）生產柔性化、製造自動化的發展需求，數控機床的（de）智能化程度在不斷（duàn）提高。具體體現在以下（xià）幾個方（fāng）麵：

a.  加工（gōng）過程自（zì）適應控製技術；  

b.加工參數的智（zhì）能優化與選擇；  

c.智能故障（zhàng）自診斷與自修複技術；

d.智能故障回放和故障仿真技術；

e.智能化交流伺服驅動裝置；  

f.智能4M數控係（xì）統：在（zài）製造過程（chéng）中， 將測量（liàng） 、建模、加工、機（jī）器（qì）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：由於軟硬件接口都遵循（xún）公認的標準協議，可（kě）采納、吸收和兼容新一代通用（yòng）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（ruǎn）件（jiàn）產品的（de）各種組合（hé）以滿足特殊應用要求；  

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

6.驅動並聯化

可實（shí）現多坐標聯動（dòng）數控（kòng）加工、裝配和測量多種（zhǒng）功能，更能滿足複雜特種零件的加工，並聯機床被認為是“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（dài）數（shù）控加工設備”。

7.  極端化（huà）(大（dà）型化和微型化)

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

8.  信息交（jiāo）互網絡化

既可以實現網絡資（zī）源共（gòng）享，又能實現數控機床（chuáng）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（jiē）能環保的機床（chuáng）不斷出現，綠色製造的大趨勢使各種節能環保機床（chuáng）加（jiā）速發展。

10.多（duō）媒（méi）體技術的應用

多媒體技術集計算機（jī）、聲像和通信技術（shù）於一體，使（shǐ）計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像（xiàng）和視頻信息的能力。可以做到信息處（chù）理綜合（hé）化、智能化，應（yīng）用於實（shí）時監控係統和生產現（xiàn）場設備的故障診斷、生產過程（chéng）參（cān）數監測等，因此有著（zhe）重大的應用價值。

目前，數控（kòng）機（jī）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（lián）驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成（chéng）為數控機床發展的趨勢和方向（xiàng）。