​高端精密製造的CNC數控加工技術

數控（kòng）技術的應用使傳（chuán）統的製造業發生（shēng）了（le）質的變化，尤其是（shì）近年來．微電子技術和計算機技術的發展（zhǎn）給數控（kòng）技術（shù）帶來了新的活（huó）力。數控技術和（hé）數控裝備是各個國家工業現代化的重要基礎（chǔ）。

數控機床是現代製造（zào）業的主流設（shè）備，精密加工的必備裝備，是體現現代機床（chuáng）技術水平、現代機械製造業工藝水平的（de）重要（yào）標誌（zhì），是關係國計民生、國防尖端建設的戰略物資。因此世界上各（gè）工業（yè）發達（dá）國家均采取重大措施來發展自己（jǐ）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”，簡單地說就是“數控加工”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

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

數控加工技（jì）術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小批（pī）多變的加工問題，充分適應了現代化生產的需（xū）要。大力發展（zhǎn）數（shù）控加（jiā）工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（kòng）機床使用越來越普遍，能熟練掌握（wò）數控機床編（biān）程，是充分發揮其功能的重要途徑。

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

CNC數控機床的（de）組（zǔ）成

數控機床集機床、計算機、電動機及（jí）拖動、動控製、檢測等（děng）技術為一體的自動化設備。數控機（jī）床的基本組成包括控製介（jiè）質、數控（kòng）裝置、伺服係統、反饋裝置及機床本體，如圖

1、控製介質

控製介質是儲存數控加（jiā）工所需（xū）要的全部動作刀具相對於工件位置信息的（de）媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控製介質就是指將零件加工信息傳送到數控裝置去的信息（xī）載體。控製介質有多種形式，它（tā）隨著數控裝置類型的（de）不同而不同，常用的（de）有穿孔帶、穿孔（kǒng）卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔帶（dài）、穿孔卡趨於淘汰，而利（lì）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（de）方法應（yīng）用（yòng）越來越廣泛。

2、數控裝置

數控裝（zhuāng）置是（shì）數控機床的核心，人們喻為“中樞係統”。現代數控（kòng）機床（chuáng）都（dōu）采用計算機數控裝置（zhì）CNC。數控裝置包括輸入裝置及中央（yāng）處理器(CPU)和輸出裝置（zhì）等構成數控裝（zhuāng）置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製功能。

3、伺服係統

伺服（fú）係（xì）統是接收數控裝置的（de）指令、驅動機床執行機構運動的驅動部件。包括主軸（zhóu）驅動單（dān）元、進給驅動單（dān）元、主軸電（diàn）機和進給（gěi）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（xī）的要求與位置、速度反饋信號相比較後，帶動機床的移動（dòng）部件或執行部件（jiàn）動作，加工出符合圖紙要求（qiú）的零件。

4、反饋裝置

反饋裝置（zhì）是由測量元件和相應的電路（lù）組成，其作用是檢測速度和位移，並將信息反饋回來（lái），構成閉環控製。一（yī）些精度要求（qiú）不高的數控機床，沒有反饋（kuì）裝置，則稱為（wéi）開環係統。

5、機床本體

機床本體是（shì）數控機床的實體，是完成實際切削加（jiā）工的機械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主軸（zhóu）等。

CNC加工工藝的特點

CNC數控（kòng）加工工（gōng）藝也遵守機械加工切削規律，與普通機床的加工工（gōng）藝大體相同。由於它是把計算機（jī）控製技術應（yīng）用於機（jī）械（xiè）加工之中的一（yī）種自動化加工，因而具有加（jiā）工效率（lǜ）高、精度高等特點，加工工藝有其（qí）獨特之（zhī）處（chù），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、切削參數的確定及走刀工藝路線（xiàn）的設計等內容。CNC數控加工（gōng）工藝是數控編程的基（jī）礎及（jí）核心，隻（zhī）有工藝合理（lǐ），才能（néng）編出高效率和高質量的數控程序。衡量數控（kòng）程序（xù）好壞的標準（zhǔn）是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工件。

數控加工工序是工件整體加工工藝的一部分，甚（shèn）至是一道工序。它要與其（qí）他（tā）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（zhè）樣才能加工（gōng）出合格的零件。

數控加工工序一般（bān）分為粗加工、中粗清角（jiǎo）加工、半（bàn）精加工及精加工等工步。

CNC的數控（kòng）編程

數控編程是從零件圖紙（zhǐ）到獲得數控加工（gōng）程序的全過程。它的主要任務是計算加工走（zǒu）刀中的（de）刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位（wèi）點一般取為刀具軸線與刀具表（biǎo）麵的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢量。

數控機床是根（gēn）據工件圖樣要求及加工工藝過程，將所（suǒ）用刀（dāo）具及各部件的移動量、速度和動作先（xiān）後順序、主軸轉（zhuǎn）速、主軸旋（xuán）轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操（cāo）作，以規（guī）定的數控代碼形式編成程序單（dān），輸入到機床專（zhuān）用（yòng）計算機中。然後，數控係統根據輸入（rù）的（de）指令進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各（gè）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（cǐ），程序（xù）的編製對於（yú）數控機床效能的發揮（huī）影（yǐng）響極大。

數控（kòng）機床必（bì）須把代（dài）表各種不同功能（néng）的指令代碼以程序的形式輸入數控裝置，由數控裝置（zhì）進行（háng）運算處理，然後發出脈衝信（xìn）號來控製（zhì）數控機床的各個運動部件的操作，從（cóng）而完成零件的切削加工。

目前數控（kòng）程序有兩個標準：國際（jì）標準（zhǔn）化組織的ISO和美（měi）國電子工業協會的EIA。我國采用ISO代碼。

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

CAD/CAM是計算機輔助編程（chéng）係（xì）統的核（hé）心（xīn），主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計（jì）算及編輯、工藝參（cān）數設置、加（jiā）工仿真、數控程序後處理和數據管理等。

目前，在我國深受用戶喜歡的、數控編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等（děng）。各軟件對於數（shù）控編程的（de）原理、圖形處理方法及加工方（fāng）法都大（dà）同（tóng）小異，但各有特點。

CNC數控加工（gōng）零件的步驟

1、分析（xī）零件圖（tú），了解工件的大致情況（kuàng）（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（xiàn））

3、進（jìn）行必要（yào）的數值（zhí）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（yòng）手（shǒu）冊）

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

6、對工件進行（háng）加工（好的過程控製能很好（hǎo）的節約時間（jiān）和提（tí）高加工質量）

7、工件驗收和質量誤差分析（xī）（對工件進行檢（jiǎn）驗，合格流入下一道。不合格（gé）則通過質量分析找出產生誤差原因和糾正方法（fǎ））。

數控機床的（de）發展曆史

二戰後，製造業的生產大部分是依靠人工操（cāo）作，工人看懂圖紙後（hòu），手工操作機床（chuáng），加工零件，用這種（zhǒng）方式生產產（chǎn）品，成本高，效率低，質量也得不到（dào）保證。

在20世紀40年代末期，美國有一位工（gōng）程師帕（pà）森斯（John Parsons）構思了一種方法，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（xiàng）美（měi）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，因為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問題，由於樣板形（xíng）狀複雜，精度要求高，一般的設備難以適應，美（měi）國空（kōng）軍立即委托及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻省理工學院和帕森斯（sī）公司合作，成功的研製（zhì）出了（le）第一台示範機，到了1960年較為（wéi）簡（jiǎn）單和經濟的點（diǎn）位控製鑽床，和直線控製數（shù）控銑床得到了較快的發展使數控機床在製造（zào）業各（gè）部門（mén）逐步獲得推廣。

CNC加工的曆（lì）史已經經（jīng）曆了長達半個多世紀，NC數控係統（tǒng）也由最早的模擬信號電（diàn）路控製（zhì）發展為（wéi）極其複雜的集（jí）成加工係統，編程方式也有手工發展（zhǎn）成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢的，對（duì）於國內的（de）大多數車間來說。設備（bèi）比較落後（hòu），人（rén）員的技術水平和觀念落後表（biǎo）現為加工質量和加工（gōng）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（zhì）單元（yuán）主要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一台數控機床誕生，已（yǐ）經從銑（xǐ）床或車床發展到加工中心，成為現（xiàn）代製造業的關鍵設備。

2、第二代NC係統於1959年（nián）產（chǎn）生的，其主要有單個的晶體管和其他部件組成。

3、1965年（nián）引入了第三代NC係統，其首次采用集成電路（lù）板。

4、實際上，在（zài）1964年已經（jīng）研製出來了第四代NC係統，即我（wǒ）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（xì）統采用了強大的微（wēi）處理器，這就（jiù）是第五代NC係統（tǒng）。

6、第六代NC係統采用了現行的（de）集成製造係統（MIS）+DNC+柔性加（jiā）工（gōng）係統（FMS）

數控機（jī）床的（de）發展（zhǎn）趨勢（shì）

1.高速化

隨著汽車、國防、航空、航天等（děng）工業的高速（sù）發展以及鋁合金等新（xīn）材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越（yuè）高。

a.主軸轉（zhuǎn）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（xíng）的精確加工；  

c.運算（suàn）速度：微處理器的迅速發展為數控係統向高（gāo）速、高精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。由於運算速度的極大提高（gāo），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（huàn）刀速度：目前國（guó）外先進加工中心的刀（dāo）具交換時間普遍已在1s左右，高的已達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（yuán）周布置（zhì），其刀到刀的換刀（dāo）時間僅0.9s。

2.高精度化

數控機床精度的（de）要求現在已經不局限於靜態的（de）幾何精度（dù），機床的運動精度、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（dù）：采（cǎi）用高速插補技術，以微小程序段實現連續（xù）進給，使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位（wèi）置檢測（cè）裝（zhuāng）置，提 高位置檢測精度，位置伺服係（xì）統采用（yòng）前饋控製與 非線性控（kòng）製等方法；

b.采（cǎi）用誤差補償技術：采用反向（xiàng）間隙（xì）補（bǔ）償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設備的熱（rè）變形（xíng）誤差和空間誤差進行綜（zōng）合補償。

c.采（cǎi）用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度:通過仿真預測（cè）機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重複定位精度，使其性能長期穩（wěn）定，能夠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（hé）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（pǐn）的多種要素加工。根據其結（jié）構（gòu）特點可分為工藝複合型（xíng）和工序複合型兩類。加工中心能（néng）夠完成車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成複雜零件的全部加工（gōng）。隨著現代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯動數（shù）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（le）滿足製造業生產柔性化、製造自動化的發展需求，數（shù）控機床的智能化程（chéng）度在不（bú）斷提高。具體體現在以下幾個方麵：

a.  加工（gōng）過程自適應控製技術；  

b.加工參數的智能優化與選擇；  

c.智能故障自診斷（duàn）與自修複技術；

d.智能故障回放和故障仿真技術；

e.智（zhì）能化交流伺服驅動裝置；  

f.智能4M數（shù）控（kòng）係（xì）統（tǒng）：在製造過程中， 將測量 、建模、加工、機器操作四者（zhě）(即（jí）4M)融合在一個係統中 。

5.體係（xì）開放化

a.向未來技術開放：由於軟硬件接口都遵循公認的標準協議（yì），可采納（nà）、吸收和兼容新一代（dài）通用軟硬件（jiàn）。  

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

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

6.驅動並（bìng）聯化

可實（shí）現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能（néng），更能滿（mǎn）足複雜特種零件的加（jiā）工，並聯機（jī）床（chuáng）被認為是“自發明數控技術以（yǐ）來在機床行業中最有意義（yì）的進步”和“21世（shì）紀新一代數控加工設（shè）備”。

7.  極端化(大型化和（hé）微型化)

國防、航空、航天事業的（de）發（fā）展和能源（yuán）等基礎產業裝備的大型化需要大型且性（xìng）能（néng）良好的數控機床的支（zhī）撐（chēng）。而超（chāo）精密加工（gōng）技（jì）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尺（chǐ）寸（cùn）和微納米加工精度的新型製造工藝和裝備。

8.  信息交互網絡化（huà）

既可以實現網絡（luò）資源共享，又能實現（xiàn）數控機（jī）床的遠程監視、控製、遠程診斷、維護。

9.加工過程（chéng）綠色化

近年（nián）來不（bú）用或（huò）少用冷卻液（yè）、實現幹切削、半幹切削節能（néng）環保的機（jī）床不斷出現，綠色（sè）製造的大趨勢使各種節能環保（bǎo）機床加速發展。

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（jì）算機具有（yǒu）綜合處理（lǐ）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（huà）、智（zhì）能化，應用於實（shí）時監（jiān）控係統和生產（chǎn）現場設備的故障診斷、生產過程（chéng）參數監測等，因此有著重（chóng）大的應用價（jià）值（zhí）。

目前，數控機床的發（fā）展日新月異，高速化、高精度化、複（fù）合化、智能（néng）化、開放化、並聯驅動化、網絡化、極端化（huà）、綠色化已成為數控（kòng）機床發（fā）展的趨勢和方向。