​高端精密（mì）製造的CNC數控（kòng）加工技術

數控技（jì）術的應用使傳統的製造業發生了質的變化，尤其是近年來．微電子技術（shù）和計算機（jī）技術的（de）發展給數控（kòng）技術帶來了新的活力。數控技術和數控裝備是各個國（guó）家工業（yè）現代（dài）化的重要基礎。

數控機床是現代製造業（yè）的主流設備，精密加工的必備（bèi）裝備，是體現現代機床技術水平（píng）、現代機械製造業工藝水平的重要（yào）標誌（zhì），是關係國計民生、國防尖端建設的戰略物資。因此世界上（shàng）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Computer Numberical Control的縮寫（xiě），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（jiǎo）洲地（dì）區，人們稱為“電腦鑼”。

數（shù）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、高精度與高（gāo）柔性（xìng）特（tè）點的自動化（huà）加工方法。它是將要加工工件的數控（kòng）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合人們意願的工件，以製造出美妙的產品。

數控加工技術可（kě）有效解決像模具這樣（yàng）複雜、精密、小批多變（biàn）的加工問題，充分適（shì）應（yīng）了現代（dài）化生產的需要。大力發展數控加工技術已成（chéng）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（jī）床使用越來越普遍，能（néng）熟（shú）練掌握數控機床編程，是充分發揮其（qí）功能的（de）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、傳感器技術、自動控製技術及人（rén）工智能技術等多種先進技術（shù）於一體，並與機械加工工（gōng）藝緊密結合，是新一代的機械製造技術裝備。

CNC數控機床的組成

數控機床集機床、計算機、電動（dòng）機及（jí）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（de）基本組成包括（kuò）控製介質、數（shù）控裝置、伺服係統、反饋裝置及機床本體，如（rú）圖

1、控（kòng）製介（jiè）質

控製介質是儲存數控加工所需要的全部動作刀具相對於（yú）工件位置信息的媒介物，它（tā）記載著零件的加工程序（xù），因此，控製介質就是（shì）指將零件加工信息傳送到（dào）數控裝置去的信息（xī）載體。控（kòng）製介質（zhì）有多種形式，它隨著（zhe）數控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔（kǒng）帶（dài）、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿（chuān）孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用（yòng）CAD/CAM軟件在計算機編程（chéng），然後通過計算機與數控係統通信，將程序和數（shù）據直接傳送給數控裝置（zhì）的方法應用越來（lái）越廣泛。

2、數控裝（zhuāng）置

數控裝置是數控機床的（de）核心，人們喻為“中樞係統”。現代數控機床都采用計算機數控裝置CNC。數控裝置包括輸入裝置及中（zhōng）央處理器(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（kòng）製功能。

3、伺服（fú）係統

伺服係統是接收數控裝置的指令、驅動（dòng）機床執行（háng）機構運動的驅動（dòng）部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和進給（gěi）電機等。工作時，伺服係統接受數控係統的指令信息，並按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相（xiàng）比較後，帶動機床的（de）移動（dòng）部件或執行部件（jiàn）動作，加工（gōng）出（chū）符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

反饋裝置是由測量元件和相應的電（diàn）路（lù）組成，其作用是檢測速度和（hé）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（shù）控機床，沒有（yǒu）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（shì）完成實際（jì）切削加工的機械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加工工（gōng）藝（yì）的特點

CNC數控加（jiā）工工藝也遵守機械加工切削（xuē）規律（lǜ），與普通機床的加工工藝（yì）大體相（xiàng）同。由於它是把計算機控製（zhì）技術應用於機械加工之中的一種自動化（huà）加工，因而（ér）具有加工效率高、精度高等特點（diǎn），加工工藝有其獨特之處，工序較為複（fù）雜，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（cān）數（shù）的確定（dìng）及走刀（dāo）工藝路線的設計（jì）等內容。CNC數控加（jiā）工工藝是數控編程（chéng）的（de）基礎及核心，隻有工藝合（hé）理，才能編出高效（xiào）率和高質量的數控程序。衡量數控（kòng）程序好壞的標準是：最少的（de）加工時間、最小的刀具損耗及加（jiā）工出最佳效果的工件。

數控（kòng）加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具的裝配要求，這樣（yàng）才能加工出合格的零件。

數控加工（gōng）工序一般（bān）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（kòng）編程是（shì）從零件圖紙到獲得數控加工程（chéng）序的全過程（chéng）。它的主要任（rèn）務是計（jì）算加工（gōng）走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為（wéi）刀具（jù）軸線（xiàn）與刀（dāo）具表（biǎo）麵的交點，多軸加工中還要給出刀軸（zhóu）矢量。

數控機（jī）床是根據工（gōng）件圖（tú）樣要求及加工工藝過程（chéng），將所用刀（dāo）具及各部（bù）件的移動量、速度和動作先後順序、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機中。然後，數控係統根據輸（shū）入的指令進行編（biān）譯、運算和邏輯處理後，輸出各種（zhǒng）信號和指令，控（kòng）製各部（bù）分根據（jù）規定的（de）位（wèi）移（yí）和有順序的動（dòng）作（zuò），加工（gōng）出各種不同形狀的工件。因此，程序的編製對於（yú）數控機床效能的發揮影響極大。

數（shù）控機床必須把代表各種（zhǒng）不同功能的指令代碼以程序的形（xíng）式輸入數（shù）控裝置，由數控裝置進（jìn）行運算處理，然後（hòu）發出脈衝信號來控製數控（kòng）機床的各個運動部件的操作，從而完成（chéng）零件的切削（xuē）加工。

目前數控程（chéng）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（guó）采（cǎi）用ISO代碼。

隨著技（jì）術（shù）的進（jìn）步（bù），3D的數控（kòng）編程一般很少采用（yòng）手工編程，而使用商品化的CAD/CAM軟件。

CAD/CAM是（shì）計算機輔助（zhù）編程係統的核心，主要功能有數（shù）據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程序後處理和數據管理等。

目前（qián），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。各軟件對於數控編程的原理、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（zhòu）

1、分析零件圖，了（le）解（jiě）工件的大致情況（幾何形狀，工件（jiàn）材料（liào），工藝要（yào）求等）

2、確定零件的數控加工工藝（加工（gōng）的內容，加工（gōng）的路線）

3、進行必要（yào）的數值計算（基點、節點的坐標計算）

4、編寫（xiě）程序單（不同機床（chuáng）會有所不同，遵守使用手（shǒu）冊）

5、程序校驗（將程序（xù）輸（shū）入機床，並進行圖（tú）形模擬，驗證編程的正確）

6、對工件進行加工（好的過程控製（zhì）能很好（hǎo）的（de）節（jiē）約時間和提高加工（gōng）質量）

7、工件驗收和質量（liàng）誤差分析（對（duì）工件進行檢驗，合格流入下一道（dào）。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（shǐ）

二戰後（hòu），製造業的生產大部分（fèn）是依靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工（gōng）操作機床，加工零（líng）件（jiàn），用這種方式生產產（chǎn）品，成本高（gāo），效率低，質量（liàng）也得（dé）不到保（bǎo）證。

在20世（shì）紀40年代末期，美（měi）國有一位工（gōng）程（chéng）師帕森斯（John Parsons）構思了（le）一種方法，在一張硬紙（zhǐ）卡上打孔來表示需要加工的（de）零件幾何形狀，利用著一張硬卡來控製機床（chuáng）的動（dòng）作，在當時，這隻是（shì）一種構思。

1948年，帕森斯向美國空軍（jun1）展示了他的這（zhè）種想法（fǎ），美國空軍看（kàn）後，表示極大的興趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法，希（xī）望（wàng）解決飛機外型樣板的加工問題，由於樣板形狀複雜，精（jīng）度要求（qiú）高（gāo），一（yī）般的設備難以適應，美國空（kōng）軍立即委托（tuō）及讚助美國麻省理工學院（MIT）進（jìn）行研究，開發這（zhè）部硬卡紙（zhǐ）來控製的機床，終於在1952年，麻省理工學院和帕森斯公司合作，成功（gōng）的研（yán）製出了第一台示範機，到了（le）1960年較為簡單和（hé）經濟的點位控製鑽床，和直線控製數（shù）控銑床得到了較快的發展（zhǎn）使數控（kòng）機床在（zài）製（zhì）造業各（gè）部門逐步獲（huò）得推廣。

CNC加工的曆史已（yǐ）經經曆了長達（dá）半個（gè）多世紀，NC數控係統也由最早的模擬信（xìn）號電路控製（zhì）發（fā）展為極其複雜的集成加工係統，編程方式（shì）也有手（shǒu）工發展成為智能化、強（qiáng）大的CAD/CAM集成（chéng）係統。

就我（wǒ）國而（ér）言，數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（bǐ）較落後，人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（dì）一代NC係（xì）統是在1951年引入的，其控製單元主要有各種閥門和模（mó）擬電路組成的，1952年第一台數控機床誕生，已經（jīng）從銑床或車床發展到加工中心，成為現代製造業（yè）的關（guān）鍵設備。

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

3、1965年引入了第三代NC係統，其首次（cì）采用集成電路板。

4、實際（jì）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（kòng）製係統（CNC控製係統（tǒng））。

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

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

數控機床（chuáng）的發展趨勢

1.高速化（huà）

隨著汽車、國防、航空（kōng）、航天等工業的高（gāo）速發展以（yǐ）及鋁合金等新材（cái）料（liào）的應用，對數控機床（chuáng）加工的高速化要求越來越高。

a.主軸轉速：機床采用（yòng）電（diàn）主軸(內裝（zhuāng）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（zuì）大進給率達到240m/min且可獲得複雜型（xíng）的精確加工；  

c.運算速度：微處（chù）理（lǐ）器的迅速發展為數控係統向高速、高精（jīng）度方向發展提供了保障，開發出CPU已發展到32位以及64位的數控係統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於（yú）運算速度的（de）極大提高，使得當分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能獲（huò）得高達（dá）24～240m/min的進給（gěi）速度；  

d.換刀速度：目前國外先進加工中心（xīn）的（de）刀（dāo）具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國（guó）Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布（bù）置，其刀到刀的換刀時間僅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（tài）的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的（de）監測和補償越（yuè）來（lái）越獲得重視（shì）。

a.提高CNC係統控製精度：采用高速插補技術，以微小程序段實（shí）現連續進給，使CNC控製單位精細化，並（bìng）采用高分辨率位置檢測裝置，提 高位置檢（jiǎn）測精度，位置（zhì）伺服係統（tǒng）采用前饋控製與 非線性控製等（děng）方法；

b.采用誤差補償（cháng）技術：采用（yòng）反向（xiàng）間隙補償、絲杆螺距誤差（chà）補（bǔ）償和刀（dāo）具誤差（chà）補償等技術，對設備的熱變形誤（wù）差（chà）和空間誤差進行綜合補償。

c.采用網格解（jiě）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度，以保證機床的定位精度和重複定位（wèi）精度（dù），使其（qí）性能長期穩定，能夠（gòu）在不同運行條件下完成多種加工任務，並保證零件的加工質量。

3.功能複合化

複合機床的含義（yì）是指在一台機床上實現或盡（jìn）可能完成從毛坯至成（chéng）品的多種要素加工。根據（jù）其結構（gòu）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（gōng）序（xù），可完成複雜零件的全部加（jiā）工。隨著現代機械加工要求的不斷提（tí）高，大量的多軸聯（lián）動數控機床越來越受到各大企業的歡迎。

4.控製智（zhì）能（néng）化

隨著（zhe）人工智能（néng）技術的發展（zhǎn），為了滿足製造業生產柔性化、製造自動（dòng）化的發展需求，數控機（jī）床的智（zhì）能化程度在不斷（duàn）提高。具（jù）體體（tǐ）現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b.加工參數的智能優化與選擇；  

c.智能（néng）故障（zhàng）自（zì）診斷與自修複技術；

d.智能（néng）故障回放（fàng）和故障仿真技術；

e.智能化交流伺服驅動裝置；  

f.智能（néng）4M數控（kòng）係統：在製（zhì）造過程中， 將（jiāng）測量 、建模、加工、機器操作四者(即4M)融合（hé）在一個係統中 。

5.體係開放（fàng）化

a.向未來技術開放（fàng）：由於軟硬件接口都遵循公認的標準協議，可采納、吸收（shōu）和兼容新一（yī）代通用（yòng）軟硬件。  

b.向用戶特殊要求開放：更（gèng）新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合以（yǐ）滿足（zú）特殊應用要求；  

c.數控標準的建（jiàn）立：標準化的編程語言，既方便用戶 使用，又（yòu）降低了和操作效率直接有關的勞動消耗。

6.驅動並聯化（huà）

可實現多坐標聯動（dòng）數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足複雜（zá）特種零件的加工，並聯機床被（bèi）認為是“自發明數控技術以來在機床行業中最有意（yì）義的進步”和“21世紀新一代（dài）數控加工設（shè）備”。

7.  極端化(大（dà）型化和微型化)

國防、航空、航天（tiān）事業（yè）的（de）發展和能源（yuán）等基礎產業（yè）裝備的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（jiā）工技術和微納米技術是21世紀的戰略技 術，需（xū）發展能適應微小型尺寸和微納米加（jiā）工精度的新型製造工藝和裝備。

8.  信息交互網（wǎng）絡化

既可以實現網絡資源共享，又能（néng）實現數控機（jī）床的遠程監視（shì）、控製、遠（yuǎn）程診斷、維護。

9.加工過（guò）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（chuáng）不斷出現（xiàn），綠色製造的大趨勢使各種節能環保機（jī）床加速發展。

10.多媒體技術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一體，使計算機（jī）具有綜合處理聲音、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（yú）實時監控係統和生產現場（chǎng）設備的故障診斷、生產（chǎn）過（guò）程參數監測等，因此（cǐ）有著重大的應用價值。

目前（qián），數控機床的發展日新（xīn）月（yuè）異，高速化、高精度化、複合化、智能化（huà）、開放化、並聯驅動化、網絡化、極端化、綠色（sè）化已成為數控機床發（fā）展的趨（qū）勢和方向。