​高端精密製造（zào）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（qí）是（shì）近年來．微電子技術（shù）和計算機技術的發（fā）展（zhǎn）給數控技術帶來了新的活力。數（shù）控技術和數（shù）控裝備是各個國家（jiā）工業現代化的重（chóng）要基礎（chǔ）。

    數控（kòng）機床是現代製（zhì）造業的主流設（shè）備，精密加工的必備裝備（bèi），是體現現代機床技術水平、現代機械製造業工藝水平的（de）重（chóng）要標誌，是關係國計民生、國（guó）防尖端建設的戰略物資。因此世（shì）界上各工（gōng）業發達國家均采取重大措施來（lái）發展自己的（de）數控技術及其產業。

CNC數（shù）控加工

    CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計（jì）算機數據控製”，簡單地說就是“數控加工”，在珠江三角（jiǎo）洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

    數控加工是當今（jīn）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（fǎ）。它是將要加工（gōng）工件的數控程序輸（shū）入給（gěi）機床，機床在這些數據的控製下自動加工出符合（hé）人們意願的工件，以製造出美妙的產品。

    數控加工技術可有效解決像（xiàng）模具這樣複雜、精密、小批多變（biàn）的加工問（wèn）題，充（chōng）分適應了現代化生產（chǎn）的需要。大力發展數（shù）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（chóng）要途徑（jìng）。目前我國數控機床使用越來（lái）越普遍，能熟練掌（zhǎng）握數控機床編程，是充分（fèn）發揮其功能的重要途（tú）徑。

    數控機床是典型的機（jī）電一體化產品，它集（jí）微電子技術、計算機技術、測量技術、傳（chuán）感器技術（shù）、自動控製技術及人工（gōng）智能技術（shù）等多種先進技（jì）術於一（yī）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數控機床的組成

    數控機床集機床、計算機、電動機及拖動、動控製、檢（jiǎn）測等技術為一體的自動化設備。數控機床的基本（běn）組（zǔ）成包括控製介質、數控裝置、伺服係統、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動作刀（dāo）具相對於（yú）工件（jiàn）位置信息的（de）媒介（jiè）物，它記載著零件的加（jiā）工程序，因此，控製介質就是指將零件加工信息傳（chuán）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不同，常用的有穿孔（kǒng）帶、穿（chuān）孔（kǒng）卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔（kǒng）帶、穿孔卡趨於淘汰，而（ér）利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然（rán）後通過計算機與數控係統通信（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（guǎng）泛。

2、數控裝（zhuāng）置

  數控裝置是數控機（jī）床的核心，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央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝置能完成信息的輸入、存（cún）儲（chǔ）、變換、插補運算以及實現各種控製功能。

3、伺服係統

    伺服係統是接收數控裝置的指令、驅動機床執（zhí）行機構運動（dòng）的驅動（dòng）部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服係統（tǒng）接受數（shù）控係統的指令信息，並按照指令信息的（de）要求（qiú）與位置、速度（dù）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（fú）合圖（tú）紙要求的零件。

4、反饋裝置

    反饋裝（zhuāng）置是由測量元件和相應的電路組成，其作用是檢測速度和（hé）位移，並將信息反饋回來，構（gòu）成閉環控製（zhì）。一些精度要求不高的數控（kòng）機床，沒有反（fǎn）饋裝置，則稱為開環係統（tǒng）。

5、機床本體

    機床本體是（shì）數控機床的（de）實體，是完成實際切削加工的機械（xiè）部分（fèn），它包括（kuò）床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝的特點

    CNC數控加（jiā）工工藝也遵守（shǒu）機械加工切削規律（lǜ），與普通機床的（de）加工工藝大體相同（tóng）。由於它是把（bǎ）計算機（jī）控製技術應用於機（jī）械加工之中（zhōng）的一種自動化加工，因而具（jù）有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有（yǒu）其獨特之處，工序（xù）較為複（fù）雜，工步安排較為詳盡周密。

    CNC數（shù）控加（jiā）工工藝包括刀具的選擇、切削參數的（de）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（de）基礎及核（hé）心，隻有工藝合理，才能編出高（gāo）效率（lǜ）和高質量的（de）數控程序。衡量（liàng）數控程序（xù）好壞的標準是：最少的加工時間（jiān）、最小的刀具損耗及加工出最佳效果（guǒ）的工件。

    數（shù）控加工（gōng）工序是工件整體加工工藝的（de）一部分，甚至是（shì）一道工序。它要與其他前後工（gōng）序相（xiàng）互配合，才能最（zuì）終滿足（zú）整體機器（qì）或模具的裝配（pèi）要求，這樣才能加工出合格的零件。

    數控加工工序一（yī）般分（fèn）為粗加（jiā）工、中粗清角加工、半精（jīng）加（jiā）工及精加工等工步。

CNC的數控編程

  數（shù）控（kòng）編程是（shì）從零件圖紙（zhǐ）到獲得數控加工程序的全過程。它的（de）主要任務是計（jì）算加工走刀中的刀（dāo）位點（cutter locations point簡稱CL點（diǎn））。刀（dāo）位點一般取為刀具軸線與刀具表麵的交點，多軸加工中還（hái）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）、速度和動作先後順序、主軸（zhóu）轉速、主軸旋轉（zhuǎn）方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數控（kòng）代碼（mǎ）形式編成程序單，輸入到（dào）機（jī）床專用計算機（jī）中。然後，數控係統根據輸入的指令進行編譯、運算和邏輯處理後，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（xù）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（shù）控機床（chuáng）效能的發揮影響（xiǎng）極大。

    數控機床必須把代表各種不同功能的指令代碼以程序的（de）形式輸入數控裝置，由數控裝置進行運算處理（lǐ），然後發出脈衝信號來控製數控機床的（de）各個運動部件的操作，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和美國電子工業協會的EIA。我國采用ISO代碼。

  隨著技術的（de）進步，3D的數控編（biān）程一般很少采用手工編程，而使用（yòng）商品化的CAD/CAM軟件。

    CAD/CAM是（shì）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（de）計算及編輯、工藝參數設置、加工仿（fǎng）真、數控程序後處（chù）理（lǐ）和數據管理等。

  目前（qián），在我國（guó）深（shēn）受用戶（hù）喜歡的、數控（kòng）編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等（děng）。各（gè）軟件對於數控編（biān）程的原理（lǐ）、圖形處理方法及加工方法都大同小異，但各有（yǒu）特點。

CNC數控加工零件的步驟

    1、分析零件圖，了解工件（jiàn）的大致情況（幾何形狀（zhuàng），工件材料，工藝要（yào）求（qiú）等）

    2、確定零件的數控加工工藝（yì）（加工的內（nèi）容，加工的路線）

    3、進行必要（yào）的數值計算（基點、節點的坐標計算）

    4、編（biān）寫程序單（不同（tóng）機床會有所不同，遵守使用手（shǒu）冊）

    5、程序校驗（將程序輸入機床，並進行（háng）圖形模擬（nǐ），驗證編程的正確）

    6、對（duì）工件進行加工（好的（de）過程控製能很（hěn）好的節約時間和提高加工質量）

    7、工件驗收和質量誤差分析（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（xī）找出產生誤差原因和糾正方法）。

數控機床的（de）發展曆史

    二戰後，製造業的生產大部分是（shì）依靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作機床，加工零件，用這種方式生產產品，成本高，效率低，質量也得不到保證。

  在20世（shì）紀40年代（dài）末期，美國有一位（wèi）工程師帕森斯（John Parsons）構思了（le）一種（zhǒng）方（fāng）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（zhe）一張硬卡來控製機床的動作，在當時，這隻（zhī）是一（yī）種構（gòu）思。

    1948年，帕森斯（sī）向美國空軍展示（shì）了他的這種想法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因為美國空軍（jun1）正在（zài）尋找一種先進的加工方法，希望解決（jué）飛機外型樣板的加工（gōng）問題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一般（bān）的設備難以適應，美國空（kōng）軍立即委托及讚助美（měi）國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控製的機床（chuáng），終於在1952年，麻省理工學院和（hé）帕森（sēn）斯公司合作，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點位控（kòng）製鑽床，和（hé）直線控製數（shù）控銑床得到了較快的發展使數控機（jī）床在製造業各部門逐步獲（huò）得推廣。

    CNC加工的曆史已經（jīng）經曆（lì）了長達半個多（duō）世紀，NC數控係統也（yě）由最早的模擬信號電（diàn）路控製發展為極其（qí）複雜的集成加工係統，編程方式也有手工發展成為智能化、強（qiáng）大的CAD/CAM集成係統。

    就我國而言，數控技術（shù）的（de）發展（zhǎn）是比較緩（huǎn）慢的，對於國內的大（dà）多數車間來說。設備比較落後，人員的技術水平和觀念落後（hòu）表現為加工（gōng）質量和加工效率低下，經常拖延交貨（huò）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成的，1952年第（dì）一台數控機（jī）床（chuáng）誕生，已經從銑床或車床（chuáng）發展到加工中（zhōng）心，成為（wéi）現代製造業的關鍵設備。

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

    3、1965年引（yǐn）入了第三代NC係統，其首次采用集成電路板。

    4、實際上，在1964年已經研製出來了第四代NC係統，即我們非常熟悉的計算（suàn）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，這就是第五代（dài）NC係統。

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

數控機（jī）床的發展趨勢

1. 高（gāo）速化

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

a.主軸（zhóu）轉速：機（jī）床采用電主軸(內裝式主軸電機)，主軸（zhóu）最高轉速達200000r/min；  

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

c. 運算速度（dù）：微處理（lǐ）器的迅速發展為數控係（xì）統向高速、高精度方向（xiàng）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（dào）幾百兆赫、上千兆赫。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（de）進給速度；  

d. 換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交（jiāo）換（huàn）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（jì）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（jiān）僅（jǐn）0.9s。

2. 高精（jīng）度化

數控（kòng）機床精度的要求現在已經不局限（xiàn）於靜態的幾何精度，機床的運（yùn）動精度、熱變形以及對振動的監測和補償越來越（yuè）獲得重視。

a. 提高CNC係統控製精度：采用高速插補技（jì）術，以微小程（chéng）序段實現連續進給，使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位置檢（jiǎn）測（cè）裝置，提 高位置檢測精度，位置伺服係統采用前饋控製（zhì）與 非線性控製（zhì）等方法；

b. 采用誤差補償技術：采用反向間隙補（bǔ）償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設（shè）備的（de）熱變形誤差和（hé）空（kōng）間誤差進行綜合補（bǔ）償。

c. 采用（yòng）網格解碼器檢查（chá）和提高加（jiā）工（gōng）中心（xīn）的運動軌跡精度（dù）: 通過（guò）仿真（zhēn）預測（cè）機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重複定位精（jīng）度，使其性能長（zhǎng）期穩定，能夠在不同運（yùn）行條件下完成多種加工任（rèn）務，並保證零件的加工質量。

3. 功能複合化

複合機床的含義是指在一台機（jī）床上實現或盡可能完成從毛坯（pī）至成品的（de）多種要素加工。根據（jù）其結構特點可分為工（gōng）藝複合型和工序（xù）複合型兩類。 加工中心能夠完成 車削（xuē）、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成複雜零（líng）件的全部加工。隨著現代機械（xiè）加工要求（qiú）的不斷提（tí）高（gāo），大量的多軸（zhóu）聯動數控機床越來越（yuè）受到各 大企（qǐ）業的歡迎。  

4. 控製智能化（huà）

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

a.  加工過程自適應控（kòng）製技術；  

b. 加工參數的智能優化與選擇；  

c. 智能故障自診斷（duàn）與自修複技（jì）術；

d. 智能故障回（huí）放和故障仿真技術；

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、加工、機器操作四者（zhě）(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. 向用戶特殊要求（qiú）開放：更新產品、擴充功能、提供（gòng）硬軟（ruǎn）件產品的各種組合以滿足特殊（shū）應（yīng）用要求；  

c. 數（shù）控標準的建立：標準化的編程語言，既（jì）方（fāng）便用戶 使用，又（yòu）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（xiàn）多坐標聯動數（shù）控加工、裝配和（hé）測量多種功能，更（gèng）能滿足複雜特種零件的加工，並聯機床被認為是（shì）“自發明數控技術以來在機床（chuáng）行業（yè）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（hé）微（wēi）型化 )

國（guó）防、航空、航天事（shì）業（yè）的發（fā）展和能源等基礎產業（yè）裝（zhuāng）備的大（dà）型化需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微納米（mǐ）加工精度的新型製（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，又能實現數控機床的遠程監視、控製、遠（yuǎn）程診斷、維護。

9. 加工過（guò）程綠色化

 近（jìn）年來不用（yòng）或少用冷卻液、實（shí）現幹切削、半幹切削節能（néng）環保的機床不斷出現， 綠色製造的（de）大（dà）趨勢使各種節能環保機床加速發展。

10. 多媒體技術的應用（yòng）

多（duō）媒體技術集計算（suàn）機、聲像和通信技術於一體，使計算機具（jù）有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信（xìn）息（xī）的能（néng）力。可以做到信息處理綜合化、智能化，應用於實時監控 係統和生（shēng）產現（xiàn）場設備的故障診斷、生產過（guò）程參數監測等，因此有著重大（dà）的應用價值。

目前，數控機床的發展日新月異，高速化、高精（jīng）度（dù）化、複合化、智能（néng）化（huà）、開放化、並（bìng）聯驅動化、網絡化、極端（duān）化、綠色化（huà）已成為數控機床發展的趨勢和方向。