​高端精（jīng）密製（zhì）造的CNC數控加工（gōng）技術

    數控（kòng）技術（shù）的（de）應用使傳統（tǒng）的製造業發生了（le）質的變化（huà），尤其是（shì）近年來．微電子技術和計算機技術的發展（zhǎn）給數（shù）控技術帶來了新的活力。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（chuáng）是現代製造業的主流設備，精密加工的必備裝備，是體現現代機床技術水（shuǐ）平、現代機械製造業工（gōng）藝水平的重要標誌，是關係（xì）國計民生、國防尖端建設（shè）的（de）戰略物資。因此世界上各工業發達國家均采取重大措施（shī）來發展自己的數控技術及其產業。

CNC數（shù）控加工

    CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計算機數據控製”，簡單地說就是“數控（kòng）加工”，在（zài）珠江三角洲地區（qū），人們稱為“電腦鑼”。

    數控加工是（shì）當今（jīn）機械製造（zào）中的先進加工技術（shù），是一（yī）種具有高效率、高精度與高柔（róu）性特點的自動化加工方法。它是將要加（jiā）工工件的數控程序輸入給（gěi）機床（chuáng），機床在這些數據的控製下自動加工出符合人（rén）們意願的工件，以製造（zào）出美妙的產品。

    數控加工技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（chōng）分適應了現代化生產的需要（yào）。大力（lì）發展數控加工（gōng）技術已成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（chuáng）使用越來越普遍，能熟練掌握數控機床編程，是（shì）充分（fèn）發揮其功能的重要途徑。

    數控機床是典型的機電一體（tǐ）化產品，它集微電子技術、計算機技（jì）術、測量技術（shù）、傳感器技術（shù）、自動控製技術及人工智能技術等多種先進技術於一體，並（bìng）與機械加工工藝（yì）緊密結合，是新一代的機械製造技術裝備。

CNC數控機床的組（zǔ）成

    數控機床集機床、計算（suàn）機、電動機及拖動、動控製、檢（jiǎn）測等技術為一體的自動化設（shè）備（bèi）。數控機床的基本組成包括（kuò）控製介質、數控（kòng）裝置、伺服係統、反饋裝置及機床（chuáng）本體

1、控製介質（zhì）

  控製介質是儲存數控（kòng）加工所需要的全部動作刀具相對於（yú）工件（jiàn）位置信息的媒介物（wù），它記載（zǎi）著零件的（de）加工程（chéng）序，因此，控製介質就是指將零件加工信息傳送到數控裝（zhuāng）置去的信息載體。控製介（jiè）質有多種（zhǒng）形（xíng）式，它隨（suí）著數控裝置類型的不同（tóng）而不同，常用的有穿孔（kǒng）帶、穿孔卡、磁（cí）帶、磁盤等（děng）。隨著（zhe）數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，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“中樞（shū）係統”。現代數控機床都采用計算（suàn）機數控裝置CNC。數控裝置包（bāo）括（kuò）輸入裝置及中央處理器（qì）(CPU)和輸出裝置（zhì）等構（gòu）成（chéng）數控裝置能完成信（xìn）息的輸入、存儲、變（biàn）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（kòng）裝置的（de）指令、驅動機床執行機構（gòu）運動的驅動部件。包括主（zhǔ）軸驅動單元（yuán）、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。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（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，加工出符合圖紙（zhǐ）要求的零件。

4、反饋裝置（zhì）

    反饋裝置是由測量元件和相應的電路組成，其作用是檢（jiǎn）測速度和位移，並將信息反饋回來（lái），構成閉環控製。一些精度要求（qiú）不高的數控機床，沒有反（fǎn）饋裝置，則稱為開環（huán）係統。

5、機床本體

    機床本體是數控機床的實體，是完成實際切削加工的機（jī）械部（bù）分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝的特點

    CNC數控加工工藝（yì）也遵守（shǒu）機械加工切削規律，與普通機床的加（jiā）工（gōng）工藝大體相（xiàng）同。由於（yú）它是把計算機控製技術（shù）應用於機械加工之（zhī）中的一種自動化加工，因而具有加（jiā）工效率高、精度高等特點（diǎn），加工工藝有其獨特之處，工序較為複雜，工步安排較為（wéi）詳盡周密。

    CNC數控加工（gōng）工藝包括刀具的選擇、切削參數的確定（dìng）及走刀（dāo）工藝路線的設計等內容。CNC數控（kòng）加工工藝是數控編程的基礎及（jí）核心，隻（zhī）有（yǒu）工藝合（hé）理，才能編出高效率（lǜ）和高質量的（de）數控程序。衡（héng）量數控程序好壞的標準是（shì）：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加（jiā）工出最佳效果的工件。

    數控加（jiā）工工序是工件整體加工工藝的一部分，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，這樣才能加工（gōng）出合（hé）格的零件。

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

CNC的數控編程

  數控編程是（shì）從零件圖紙到獲得數控加工程序的全過程（chéng）。它的主（zhǔ）要任務是計算（suàn）加工走刀中的刀位點（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，多軸加工中還要給（gěi）出刀軸矢量。

    數控機床是根（gēn）據工件圖樣要求及加工工藝過程（chéng），將所用刀具及各部件的移動量、速（sù）度和動作先（xiān）後順序、主軸轉速、主軸（zhóu）旋轉（zhuǎn）方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編成程序單，輸入（rù）到機床專用計算機中。然後，數控係統根據輸（shū）入的指令進（jìn）行編譯、運算和邏輯處理（lǐ）後，輸（shū）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，加工出各種不同形狀的工件。因此，程序的（de）編製對於（yú）數控機床效（xiào）能的發揮（huī）影響（xiǎng）極大。

    數控機床必須把代表各種不同功（gōng）能（néng）的指令代（dài）碼以程序的形（xíng）式輸入數控裝置，由數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信號來控製數控機床（chuáng）的（de）各個運（yùn）動部件的操作，從（cóng）而完成零件（jiàn）的切削加工。

  目前數控（kòng）程序（xù）有兩個標準：國際標準（zhǔn）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的數控編程一般（bān）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（xì）統的核心，主要功（gōng）能（néng）有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工仿真（zhēn）、數控程序後處理和數據（jù）管理等。

  目前，在我國深受用戶（hù）喜歡的、數控編程功能強大（dà）的軟件有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法都大同小異，但各有特點。

CNC數控（kòng）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（háng）必要的數值計算（基點、節點的坐標計算）

    4、編寫程（chéng）序單（不同機（jī）床會有（yǒu）所不同，遵守（shǒu）使用手冊）

    5、程序校驗（將程序輸入機床，並進行圖（tú）形模擬，驗證編（biān）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（gāo）加工（gōng）質量（liàng））

    7、工件驗收和質量誤差分析（xī）（對工件進行檢驗，合格（gé）流（liú）入下一道（dào）。不合格則通過質量分析找（zhǎo）出產生誤差原因和（hé）糾（jiū）正方法）。

數控（kòng）機床的發展曆史

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

  在20世紀40年代末期，美國有一（yī）位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一種方法（fǎ），在一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀，利（lì）用著一張硬卡來控製機床的動作，在當時，這隻是一種構思。

    1948年，帕森斯向美國（guó）空軍展示了他的這種（zhǒng）想法，美國空軍看後，表示極大的興趣（qù），因為美國空軍正（zhèng）在（zài）尋找一種（zhǒng）先進的加工方法，希（xī）望解決飛（fēi）機外（wài）型樣板的加工問題，由（yóu）於樣（yàng）板形狀複（fù）雜，精度要求高，一般的設備難以適應，美國空軍立即委托及讚助美國麻省（shěng）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，麻省理工學院和帕森斯公司（sī）合作，成功的研製（zhì）出了（le）第一台示範機（jī），到了1960年較為簡單和經濟的點（diǎn）位控製鑽床，和直線控製數（shù）控銑床得到了較快（kuài）的發展使（shǐ）數控（kòng）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數控係統也由最（zuì）早的模（mó）擬信號電路控製（zhì）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（zhì）能（néng）化（huà）、強大的CAD/CAM集成係（xì）統。

    就我國而言，數控技術的發展是比較緩（huǎn）慢的，對於國（guó）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（luò）後表現為加工質量和加工效率低下（xià），經常拖延交貨期。

    1、第一代NC係統是在1951年引入的，其控製（zhì）單元主（zhǔ）要有各種閥門和（hé）模擬電路組（zǔ）成的（de），1952年（nián）第一台數控（kòng）機床誕生，已經從銑床或車床發展到加工中心，成為現代（dài）製造業的關鍵設備。

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

    3、1965年引入（rù）了第（dì）三代NC係統，其首次采用集成電路板。

    4、實際上，在1964年（nián）已經研製出來了第四代NC係統（tǒng），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（chù）理器，這就是第五代NC係統。

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

數控機床的發展趨勢

1. 高速化（huà）

隨著汽車、國防、航空、航天（tiān）等工業的（de）高速發（fā）展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機（jī）床加（jiā）工的高速化（huà）要求越來越（yuè）高。

a.主軸轉（zhuǎn）速：機床采（cǎi）用電主軸(內裝式主軸電機)，主軸最高轉速（sù）達200000r/min；  

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

c. 運算速度：微處理器的迅速發展為數控係統向高速、高精度方向發展提供了保障，開發出CPU已（yǐ）發（fā）展到32位以及64位的數控係統，頻率提高（gāo）到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速度的極大（dà）提高，使得當分辨率為0.1µm、0.01µm時（shí）仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；  

d. 換刀速度：目前國外先進加工中心（xīn）的（de）刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達（dá）0.5s。德國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僅0.9s。

2. 高精（jīng）度化

數（shù）控機床精度的要求現在（zài）已經不局（jú）限於靜態的幾何精度，機床的運動精度、熱變形（xíng）以及對振動的監測和補償越來越獲得重視。

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

b. 采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲杆（gǎn）螺距誤差（chà）補償和刀具誤差補償等技術，對設（shè）備的（de）熱（rè）變形誤差和空間誤差進行綜合補償。

c. 采用網（wǎng）格解碼（mǎ）器檢（jiǎn）查和提高加工中心的運動軌（guǐ）跡精度: 通過仿真預測機床的加工精度，以保證機（jī）床的定位精度和重複定位（wèi）精（jīng）度，使其性能長期穩定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，並保（bǎo）證零件的加（jiā）工質量。

3. 功能複合化

複合機床的（de）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（sù）加工。根據其結構特點（diǎn）可分（fèn）為工藝複合型和工序複合型兩類。 加工（gōng）中心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激（jī）光熱處理等多（duō）種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現代機械加工要求（qiú）的不斷提高，大量的多軸聯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，為了滿足製造業生產柔（róu）性化（huà）、製造自動化的發展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高。具體（tǐ）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（gōng）參數的智能（néng）優化與選擇；  

c. 智能故障自診（zhěn）斷（duàn）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（dòng）裝置；  

 f. 智能4M數控係（xì）統：在製造過程中， 將測量 、建模、加工、機器（qì）操作四者(即（jí）4M)融合（hé）在一個係統（tǒng）中 。

5. 體係開放化

a. 向未來技術開放：由於軟硬件接口都（dōu）遵（zūn）循公認的（de）標準協議，可采納、吸收和兼容新一（yī）代通用軟硬（yìng）件。  

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

c. 數控標（biāo）準的建（jiàn）立：標準化的編程語言，既方便用戶（hù） 使（shǐ）用（yòng），又降低了和操作效率直接（jiē）有關的勞動消耗。

6. 驅動並（bìng）聯化

可實現多坐標（biāo）聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足複雜特（tè）種零件的加工，並聯機床被認為是“自發明數控技（jì）術以來（lái）在機床行業中最有意義的進步”和“21世紀新一代數控（kòng）加工設備”。

7.  極端（duān）化(大型化和微型化 )

國防、航空、航天事業的發展和能源（yuán）等基（jī）礎產業裝備的大型化需（xū）要大（dà）型且性能良好的數控機床的（de）支（zhī）撐。而超精密加工（gōng）技術和微納米技術是21世（shì）紀的戰略技 術（shù），需發（fā）展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型製造工藝和裝備（bèi）。

8.  信息（xī）交互網絡化

既可以（yǐ）實現網絡資源共享，又能實（shí）現數控機（jī）床的遠程監視、控製、遠程（chéng）診（zhěn）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（xiàn）幹切（qiē）削、半幹切削節能環保的機床（chuáng）不斷出現， 綠色製造的大趨勢使各種節能環保機床（chuáng）加速發展。

10. 多媒體技術的應用（yòng）

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一體，使計算機具有綜合（hé）處（chù）理聲音、文字、圖像和視頻信息的（de）能力。可以做（zuò）到信息處理綜合化、智能化，應用於實時監控 係統和生產現（xiàn）場設備的故障診斷、生產過程（chéng）參數監（jiān）測等，因此有著重大的應用價值。

目前，數控機床的發展日新月異，高速化、高精度化（huà）、複（fù）合化、智能化（huà）、開放化、並聯驅動化、網（wǎng）絡化、極端化、綠色化已成為數控機（jī）床（chuáng）發（fā）展的趨（qū）勢和方向。