高（gāo）端精密（mì）製造的CNC數控加工技術

　　

 

    數控技術的應用使傳統的製造（zào）業發（fā）生了質的變化，尤其是近年來．微電子技術和計算機技術的（de）發（fā）展（zhǎn）給數控技術帶來了（le）新的（de）活力。數控技術和數控裝備是各個國家工業現代化（huà）的重要基礎。

 

    數控機床是現代製造業的主流設備，精密（mì）加（jiā）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（guān）係國計（jì）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自（zì）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，意思是“計算機數據控製”，簡（jiǎn）單地說就是“數控加工”，在珠江三角洲地區，人們稱為（wéi）“電腦鑼”。

 

    數控加工是（shì）當今機械製造中的先進加工技術，是一種具（jù）有高效率（lǜ）、高精度與高柔（róu）性特點的自動化加工方法。它是將要加工工件（jiàn）的（de）數控程序輸入給機床，機床在這些數據的控製下自動加工出符合人們意願的工件（jiàn），以（yǐ）製造出美妙的產品。

 

    數控加工（gōng）技（jì）術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小批多變的加工問題，充分適（shì）應了現代化（huà）生產的需要。大力發展數控加（jiā）工技術已成為我國加（jiā）速發展經（jīng）濟、提高自主創新能力的重要途徑。目前我國數（shù）控機床使用（yòng）越來越普遍，能熟練掌握數控機床（chuáng）編程（chéng），是充（chōng）分發揮（huī）其功能的重要途（tú）徑。

 

    數控機床是典型的機電（diàn）一（yī）體化（huà）產品，它集（jí）微電子技術、計算機技術、測量（liàng）技術、傳感器技術、自（zì）動控製技術及人工智能（néng）技術等多種先進技術於（yú）一體，並與機械（xiè）加工工藝緊密結合，是新一代的機械（xiè）製（zhì）造技術裝備。

 

CNC數控機床的組成

 

    數控機床集機床、計算機（jī）、電動（dòng）機及拖動、動控製、檢測等技術為一體的自動（dòng）化設備。數控機床的基本組成包括控製介質、數控裝置、伺服係（xì）統、反饋裝置及機床本體

 

1、控製介質

 

  控製介質是儲存數控加工所需要的全部（bù）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（gōng）程序，因此，控製介質就是指（zhǐ）將零件加（jiā）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（tā）隨著數控（kòng）裝置類型的不同而不（bú）同，常用的有穿（chuān）孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨（suí）著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨（qū）於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過計算（suàn）機與數控係統通信，將程序和數（shù）據直接傳送給數控（kòng）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（jī）床的核心，人們喻為“中樞係統”。現代（dài）數（shù）控機床都采用計算機數控裝置CNC。數控裝（zhuāng）置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數（shù）控裝置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種（zhǒng）控製功能。

 

3、伺服係（xì）統

 

    伺服係統是接（jiē）收（shōu）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、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（jiē）受（shòu）數控係統的指令（lìng）信息，並（bìng）按（àn）照指令信息的要求與（yǔ）位置、速度反饋信號（hào）相比較後，帶動機床（chuáng）的（de）移（yí）動部件或（huò）執行部（bù）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（bì）環控製（zhì）。一些精度要求不高的（de）數控機床，沒有（yǒu）反饋裝置，則稱為開環係（xì）統。

 

5、機床本體

 

    機床本體（tǐ）是數（shù）控機床的實體，是完成實際切削加工的機械部分，它包括（kuò）床身（shēn）、底座、工作（zuò）台、床鞍、主軸（zhóu）等。

 

CNC加工工藝的特點

 

    CNC數控加工工藝也遵守機械加（jiā）工切削規律，與普通機（jī）床的加工工藝大（dà）體相同。由於它是（shì）把計算機控製（zhì）技術應用於機械（xiè）加工之中的（de）一種自動化加工，因而具有加工效率高、精度（dù）高等特點，加（jiā）工工藝有其獨特（tè）之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡周密。

 

    CNC數控加工工藝包括刀具的選擇、切削參數的確定（dìng）及走刀工藝（yì）路線的設計等內容。CNC數控加工工藝是數控編程的基礎及（jí）核心，隻（zhī）有工藝合理（lǐ），才能編出高效率和高質量的（de）數控程序。衡量（liàng）數控程序好壞（huài）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（guǒ）的工件。

 

    數控加工工序是工件（jiàn）整體（tǐ）加工工藝的（de）一部分，甚至是一道工（gōng）序（xù）。它要與其他前後工序相互配合，才（cái）能最終滿足整體機器或模具的裝配要求，這樣才能加工出合格的零件。

 

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

 

CNC的數控編程

 

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

 

    數控機床是根據工件（jiàn）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（hòu）順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊（jǐn）、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編成（chéng）程序（xù）單，輸入到機床（chuáng）專用計算（suàn）機中。然後，數控（kòng）係（xì）統根據輸入的指令進行編譯、運算和邏（luó）輯處理後（hòu），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作（zuò），加工出各（gè）種不同形狀的（de）工件。因此，程序的編製對於數控機床效能的發揮影響極大。

 

    數控機床必須把代表各種不同功能的指令代碼（mǎ）以程序的形式輸入數控裝置，由數控裝置進行運算處理，然後（hòu）發出脈衝（chōng）信號來控製數控機（jī）床的各個運動部件的操作，從而（ér）完成零（líng）件的切削加（jiā）工（gōng）。

 

  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。

 

  隨著技術的進步，3D的（de）數控編程一般（bān）很少采用手工編程，而（ér）使用（yòng）商品化的CAD/CAM軟件。

 

    CAD/CAM是計算機輔助（zhù）編程係統的核心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工（gōng）軌跡的計（jì）算及編輯、工藝（yì）參數設置、加工仿真、數控（kòng）程（chéng）序後處理和數據管理等。

 

  目前，在我國深受用戶喜（xǐ）歡（huān）的、數控編程功能強大的軟（ruǎn）件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等（děng）。各軟件對於數（shù）控（kòng）編程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小異，但各有特點。

 

CNC數控（kòng）加工零件的（de）步驟

 

    1、分析零件圖，了解工件的大致情況（幾（jǐ）何形狀，工件材料，工藝要求等（děng））

 

    2、確（què）定零件的數控（kòng）加工工藝（yì）（加工的內容，加工的路線）

 

    3、進行必要的數值計算（suàn）（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、程序校驗（將程（chéng）序（xù）輸（shū）入機床，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質量）

 

    7、工件（jiàn）驗收和（hé）質量誤差分析（對工件（jiàn）進（jìn）行檢驗，合格流入下一道。不合格則通過質量分（fèn）析找出產（chǎn）生誤差原因和糾正（zhèng）方法）。

 

數控機床的發展曆史

 

    二戰後，製造業的生產大部分（fèn）是依靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工操（cāo）作機床（chuáng），加工零（líng）件，用這種方式生（shēng）產產品，成本（běn）高（gāo），效率（lǜ）低，質量也得不到保（bǎo）證。

 

  在20世（shì）紀40年代末期，美國（guó）有一位工程師帕森斯（John Parsons）構（gòu）思了一種方法，在一張硬（yìng）紙卡上打孔來表示（shì）需（xū）要加工的零件幾何形（xíng）狀，利用著一張硬卡（kǎ）來控製機床的動作，在當時，這隻是一種構（gòu）思（sī）。

 

    1948年，帕（pà）森斯向美國空軍展（zhǎn）示了他的這種想法，美國空軍看後，表示極大的興（xìng）趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法（fǎ），希望（wàng）解（jiě）決飛機外型樣板的加工問題，由於樣板形狀複雜（zá），精度要求（qiú）高，一般的設（shè）備難以適應，美國空軍立即委托及讚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（yú）在1952年，麻省理工學院和帕森斯公司合作，成功（gōng）的研製（zhì）出了（le）第一台（tái）示範機，到了1960年較為簡（jiǎn）單和經濟的點位控製鑽（zuàn）床，和直線控製數控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（bù）獲得推廣（guǎng）。

 

    CNC加（jiā）工（gōng）的曆史已經（jīng）經（jīng）曆了長達半個多（duō）世紀，NC數控係（xì）統也由最早的模擬信號電路控製發展為極其複雜的集（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（ér）言，數控技術（shù）的發展是比較緩慢（màn）的，對（duì）於國（guó）內的大多數車間來說。設備比較落後，人員的技術水平和觀念落（luò）後表（biǎo）現為加工質量和（hé）加（jiā）工效率低下，經常拖延交貨期。

 

    1、第一（yī）代NC係統是在1951年引入的，其（qí）控製單（dān）元主要有各種閥（fá）門和（hé）模擬電路組成的，1952年第一台數控機床誕生，已（yǐ）經從銑床或車床（chuáng）發展到（dào）加工中心，成為現代製造（zào）業的關鍵設備（bèi）。

 

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

 

    3、1965年引入了第三代NC係統，其（qí）首次采（cǎi）用集（jí）成電路板。

 

    4、實際上，在1964年已經研製出（chū）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控製係統）。

 

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

 

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

 

數控機床的（de）發（fā）展趨勢

 

1. 高速化

 

隨著汽車（chē）、國防、航空（kōng）、航天等工業的高速發展以及鋁（lǚ）合金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來（lái）越高。

 

a.主軸轉速：機床（chuáng）采用電主軸(內裝式主軸電機)，主軸（zhóu）最高轉速達（dá）200000r/min；  

 

b. 進給率：在分辨率為0.01µm時，最大進給（gěi）率達到（dào）240m/min且可獲得複雜型的精確加工；  

 

c. 運（yùn）算（suàn）速度（dù）：微處理器的迅速發展為數（shù）控係統（tǒng）向高速、高精度方向發展（zhǎn）提供了保障，開發（fā）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（qiān）兆赫。由於運算速度的極大提高，使得當分辨率為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（mù）前國外先進加工中（zhōng）心（xīn）的刀具交（jiāo）換時間普遍已在（zài）1s左右，高（gāo）的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以（yǐ）主軸（zhóu）為軸心（xīn），刀具在圓周布（bù）置，其刀到刀（dāo）的（de）換刀時間僅0.9s。

 

2. 高精度化

 

數控機床精度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（dù）、熱變形以及對振動的監測（cè）和補償越來越獲得重視。

 

a. 提高CNC係統控製精度（dù）：采（cǎi）用高速插補技術，以微小程序（xù）段實現連續進給，使CNC控製單位精（jīng）細化（huà），並采用高分辨率（lǜ）位置檢測裝置，提 高位置（zhì）檢測精度，位置伺服（fú）係（xì）統采用前饋控製與 非線性控製等方法；

 

b. 采用誤差補償技（jì）術：采用反向間隙補償（cháng）、絲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（hé）空間誤差進（jìn）行綜（zōng）合補償。

 

c. 采用網格解碼器檢查和提高加（jiā）工中（zhōng）心的運動軌（guǐ）跡精度: 通過仿真預測（cè）機床的加工精度，以保證機床（chuáng）的定位精度和重複定位（wèi）精度，使其性能長期穩定，能夠在不同運行條件下（xià）完成多種加工任務，並保證零件的加工（gōng）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（pǐn）的多種要（yào）素（sù）加工。根據其結構特點可分為（wéi）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、激光熱處理等多種工序，可完（wán）成複雜零件的全部加工。隨著現（xiàn）代機械加工（gōng）要求的不斷（duàn）提（tí）高，大量的多軸（zhóu）聯動數控機床越來越受（shòu）到各 大企業（yè）的歡迎（yíng）。  

 

4. 控製智能化

 

隨著人工智能技術的發展，為了滿足製造業生產柔性化（huà）、製造自動（dòng）化的（de）發展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現在以下（xià）幾個方麵：

a.  加工過程自適應控（kòng）製技術；  

b. 加工參數（shù）的智能（néng）優化與選擇；  

c. 智能故障自診斷與自修（xiū）複技術；

d. 智能故障回（huí）放和（hé）故障仿真技術；

e. 智能化交流伺服（fú）驅動裝置；  

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

 

5. 體係開放化

 

a. 向未來技（jì）術開放：由於軟硬件接口都遵循公認的（de）標準（zhǔn）協議，可采納、吸收和兼容新一代通用軟硬件。  

 

b. 向用戶特（tè）殊要求開放：更（gèng）新產品（pǐn）、擴充（chōng）功能（néng）、提供硬軟件產品（pǐn）的各種組合（hé）以滿足特殊應用要求；  

 

c. 數控標準的建立：標（biāo）準化的編程語言，既方便用戶 使用，又降低了（le）和操作效率直接有關（guān）的勞動消耗。

 

6. 驅動並聯化

    

可實現多坐標聯動數控（kòng）加工、裝配和測量多種（zhǒng）功能，更能（néng）滿足複（fù）雜特（tè）種零件（jiàn）的加工，並聯（lián）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（jìn）步”和“21世紀新一代數控加工設備”。

 

7.  極端化(大型化和微（wēi）型化（huà） )

 

國防、航空（kōng）、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而（ér）超精密加工技術和微納米技術是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藝和裝（zhuāng）備。

 

8.  信（xìn）息交互網絡化

 

既可以實現網絡資源共享，又能實現數控機床的遠程監視、控製（zhì）、遠程診（zhěn）斷、維（wéi）護。

 

9. 加工過程綠色化

 

 近（jìn）年來不用或少用冷卻（què）液、實現幹切削、半幹切削節能環保（bǎo）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發展（zhǎn）。

 

10. 多媒體技術的（de）應用

多媒（méi）體技術集計算機、聲像和通信技術於一體，使計算機具有綜合（hé）處理聲音、文字、圖（tú）像和視頻信息的（de）能力。可以做到（dào）信息處理綜合化、智（zhì）能化（huà），應用於實時監控 係統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等，因此（cǐ）有著重大（dà）的應用（yòng）價值。

 

目前，數控機床的發展日新月異，高速化、高精（jīng）度化、複（fù）合化、智能化、開放化、並（bìng）聯驅動化、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。