​高端精密製造的CNC數控加（jiā）工（gōng）技術（shù）

數控技術的應用使傳統的（de）製造業發生了質的變化，尤其是近年來．微電（diàn）子技術和計（jì）算機技術的發展給數控技術（shù）帶來（lái）了新的活力。數控技術和數（shù）控裝備是各個國家工業現代化的（de）重要基礎。

數控機床是現代製造業的主流設備，精密加工的必（bì）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（biāo）誌，是關係國計民生、國防尖端建設的戰（zhàn）略（luè）物資。因此世界上各（gè）工業發達國家均采取重大措施來發展自（zì）己的數（shù）控技術及其產業。

CNC數（shù）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（jiā）工”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

數控（kòng）加工是當今機械製造中的（de）先進加工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔性（xìng）特點的自動（dòng）化加工（gōng）方法。它是將要加（jiā）工工件的數控（kòng）程序輸入給機床，機床在這（zhè）些（xiē）數據的（de）控製下自動加工出（chū）符合人們意願的工件，以製（zhì）造出（chū）美妙的產品。

數控加（jiā）工技術可有效解（jiě）決像模具這樣複雜、精密、小（xiǎo）批（pī）多變的加工問題，充分適（shì）應了（le）現代化生（shēng）產的（de）需要（yào）。大力發展數控加（jiā）工技術已成為我國（guó）加（jiā）速（sù）發展經濟、提高自主創新（xīn）能力的重要途徑。目前（qián）我國數控機床使用越來越普遍，能（néng）熟練掌（zhǎng）握數控機床編程，是充分發揮其功能的重要途徑。

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

CNC數控機床的組成（chéng）

數控機床集機（jī）床（chuáng）、計算機、電動機及拖動、動控製、檢測等技術為一體的（de）自動化（huà）設備（bèi）。數控機床的基本組成包括（kuò）控製介質、數控裝置、伺服（fú）係統、反饋裝置及機床本體，如圖

1、控（kòng）製介質

控製介質是儲存數控加（jiā）工所需要的全部動作刀具相對於工件位置信息的媒介（jiè）物，它記載著（zhe）零件的加工程序，因此，控製介質（zhì）就是指將零件加工信息傳送到數控裝置去的（de）信息載體。控製介質有多（duō）種形式，它隨著數（shù）控裝置類型的（de）不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡（kǎ）、磁帶、磁（cí）盤等。隨（suí）著數控技術的發展，穿孔（kǒng）帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用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（xìn），將程序和數據直接傳送給數控裝置的方法（fǎ）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“中樞係統”。現代數控機床都采用計算機數控裝置CNC。數控裝置包（bāo）括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構（gòu）成（chéng）數控裝置能完成信（xìn）息（xī）的輸入、存儲、變換、插（chā）補運（yùn）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、驅動機床執行機構運動的驅動部件。包括（kuò）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（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）部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要（yào）求（qiú）的零件。

4、反饋裝置

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

5、機床本體

機（jī）床本體是數（shù）控機床的實體（tǐ），是（shì）完成實（shí）際切削加工的機械部分（fèn），它包（bāo）括床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加工（gōng）工藝（yì）的特點

CNC數控加工工藝也遵守（shǒu）機械加工切削規律，與普通機床的加工工藝大體（tǐ）相（xiàng）同。由於它是把計算機控製（zhì）技（jì）術應用於（yú）機械加工之中的一（yī）種自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工（gōng）序較（jiào）為複雜，工（gōng）步安排較為詳盡周密。

CNC數控加工（gōng）工藝包括刀（dāo）具的選擇（zé）、切削參數的確定及走刀（dāo）工藝路線的設計等內容（róng）。CNC數控加工工藝是數控編程的基礎及核心，隻有（yǒu）工藝合理（lǐ），才能（néng）編出高效率和高質（zhì）量的數控程序。衡量數控程序好壞的標準是：最少的加工（gōng）時間、最小的刀具損耗及加工（gōng）出（chū）最佳效果的工件。

數控（kòng）加工工序是工件整體加工工藝（yì）的一部分，甚至是一道工序。它（tā）要與（yǔ）其他前（qián）後工序相（xiàng）互配合，才能最（zuì）終滿足整體機（jī）器或模具（jù）的（de）裝配要（yào）求，這樣才能加工出（chū）合（hé）格的零件。

數（shù）控加工工序一般分為粗加工、中粗清（qīng）角加工、半精加工及精加工等工步。

CNC的數控編程

數控編程是從零件圖紙到獲得數控加工程序（xù）的全過程。它的主要任（rèn）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，多軸加工中還要給出（chū）刀軸矢量。

數控機床是根據工件圖樣要求及加工工藝過程（chéng），將所用（yòng）刀具及各部件（jiàn）的移動量、速度和動作（zuò）先後（hòu）順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷（lěng）卻等操作，以規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（kòng）係統根據輸入（rù）的指令進行編（biān）譯、運算和邏輯處理（lǐ）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的動作，加（jiā）工出各種不同形狀的工（gōng）件。因此，程序的編製對於數（shù）控機床效能的發（fā）揮影響極大。

數控機床必須把代表各種（zhǒng）不同（tóng）功能的（de）指（zhǐ）令代碼（mǎ）以程序（xù）的形式輸（shū）入數（shù）控裝置，由數控裝置進行運算（suàn）處（chù）理，然後發（fā）出脈衝信號來控製數控機床的各個運動部件的（de）操作，從而完成零（líng）件的切（qiē）削加工。

目前數控程序有兩個標準：國（guó）際標準化組（zǔ）織的ISO和美國電子工業協會的EIA。我（wǒ）國采用ISO代碼。

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

CAD/CAM是計算機輔助編（biān）程係（xì）統的核心（xīn），主要（yào）功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、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。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（yì），但各有特點。

CNC數控加工零件的步驟

1、分析零件圖，了解工件的大致情況（kuàng）（幾何形狀，工件材料，工藝要求（qiú）等）

2、確定零件的數控加工工藝（加工的內容，加工的路線）

3、進行必要的數值計算（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）手冊）

5、程（chéng）序校驗（將程序（xù）輸入機（jī）床，並進行圖形模擬，驗證編（biān）程的正確）

6、對工件進行加工（好的過程（chéng）控製（zhì）能很好（hǎo）的節約時間和提高加工質（zhì）量（liàng））

7、工（gōng）件驗收和質量誤差分析（對工件進行（háng）檢驗，合格流（liú）入下一道。不合格則通過質量分析找出產生誤差原因和糾正方法）。

數控機床的發展曆史

二戰後，製造業的生產大部分是依靠人工操作，工人（rén）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世紀40年代末期，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一種方法，在一張硬（yìng）紙卡上打孔來表示需要加工的零（líng）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（gòu）思。

1948年，帕森斯向美國空軍展示了他的這種想法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因為美國（guó）空軍正在尋找一種先進的（de）加工（gōng）方法，希望解決（jué）飛機外型樣板的加工問題（tí），由於樣板（bǎn）形狀複雜，精度（dù）要求高（gāo），一般的設備難以適應，美國空軍立即委（wěi）托及讚助美國（guó）麻省理工學院（MIT）進行（háng）研究，開發這部硬卡紙來（lái）控製的機床，終（zhōng）於在1952年，麻省理工學院和帕森斯公司合作，成功的研製出了第一台示範機，到了1960年較為簡（jiǎn）單和（hé）經濟的點位控製鑽床，和直線控製數控銑床得到了較快（kuài）的發展使數（shù）控機床在製造業各部門逐步獲得推廣。

CNC加（jiā）工的曆史已經（jīng）經曆了長達半個多世紀（jì），NC數控係統也由最早的模擬信號電路（lù）控製發展為極其複雜的集成加工係統（tǒng），編（biān）程方式也有手工發展成為智能化（huà）、強大的CAD/CAM集成（chéng）係統。

就我國而言，數控（kòng）技術的發展是比較緩慢的（de），對於國內（nèi）的大多數車間來（lái）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（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，其控製單元主要有各種閥（fá）門和模擬電（diàn）路組成的，1952年第一台數控機床誕生，已（yǐ）經從銑床或車床發展（zhǎn）到加工中心，成為現代製造業的關鍵設備。

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

3、1965年引入（rù）了第三代NC係（xì）統，其首次采用集成電路板。

4、實際上，在（zài）1964年已（yǐ）經研製出來了第四代NC係統，即我們（men）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，這就是第五代NC係統。

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

數控機床的發展趨勢

1.高速化

隨（suí）著汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等新（xīn）材料的應用，對數控機床加（jiā）工的高速化要求越來越高。

a.主（zhǔ）軸轉速：機床采用（yòng）電主軸(內裝式主軸電機)，主（zhǔ）軸（zhóu）最高轉速（sù）達200000r/min；  

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

c.運算速度：微處理器的迅速發展為數（shù）控係統向高速、高精度方（fāng）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（kòng）係統，頻率提（tí）高到幾百兆赫、上千兆赫（hè）。由於運算速度的極（jí）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（sù）度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德（dé）國Chiron公司將刀庫設計（jì）成籃（lán）子樣式，以主軸（zhóu）為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的（de）換刀時間僅0.9s。

2.高精（jīng）度化

數控（kòng）機床精（jīng）度的要求現在已經不局限於靜態的幾何精度，機（jī）床的運動精度、熱變形以及對振動的監測和補（bǔ）償越來（lái）越獲得重視（shì）。

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

b.采用誤差補償技術：采用反向間（jiān）隙補償、絲杆螺距（jù）誤差（chà）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（wù）差進行綜合補償。

c.采用網（wǎng）格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌（guǐ）跡精度:通過仿真（zhēn）預測機床的加工精度，以保證（zhèng）機（jī）床（chuáng）的定位精度和重複定位精度，使其性能長期（qī）穩定，能夠在不同運行條件（jiàn）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（shì）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（gòu）特點（diǎn）可分為工藝複合型和工序複合型兩類。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。隨著現代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯動數控（kòng）機床越來越受到各大企業（yè）的歡迎。

4.控製智能化

隨（suí）著人工智能技術（shù）的發展，為了滿足製造（zào）業生產柔性化、製造自動化的發展需（xū）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.  加工過程自適應控製技術；  

b.加工（gōng）參數的智能優（yōu）化與選擇；  

c.智能故障自診（zhěn）斷與自修複（fù）技術；

d.智能故（gù）障回放和故障仿真技術；

e.智能（néng）化交流伺服驅動裝置；  

f.智能（néng）4M數控係統：在製造過程中， 將測量 、建模（mó）、加工、機（jī）器（qì）操作四者(即4M)融合在一個係統中 。

5.體係開放化

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

b.向用戶特（tè）殊（shū）要求（qiú）開放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合以滿足特殊應（yīng）用要（yào）求；  

c.數控（kòng）標準的建立：標準（zhǔn）化的編程語言，既方便用戶 使用，又降（jiàng）低了和操作效率直接有關的勞動消耗。

6.驅動並聯化

可實（shí）現多坐標聯動數控加工（gōng）、裝配和（hé）測量多種功能，更能滿足複雜特種零件（jiàn）的加工，並聯機床被認為是（shì）“自發明數控技術以來在機床行業中（zhōng）最有意義（yì）的（de）進步”和（hé）“21世紀新（xīn）一代數控加（jiā）工設備（bèi）”。

7.  極端化(大（dà）型（xíng）化和微型化)

國防、航空、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。而超精（jīng）密（mì）加工技術和微納米技（jì）術是21世紀的戰略技 術（shù），需發（fā）展能適應微小型尺寸和微納米加工（gōng）精度的新型製造工（gōng）藝和裝備。

8.  信息交互網絡化

既可以實現（xiàn）網絡資源共享，又能實現數控機床的遠（yuǎn）程（chéng）監視、控製、遠程診斷、維護。

9.加工過程綠色（sè）化

近年來（lái）不用或（huò）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，綠色製造的大趨勢使各種節能環保機床加速發展。

10.多媒體技術（shù）的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一體（tǐ），使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像（xiàng）和視頻（pín）信息的能力。可以做到信（xìn）息處（chù）理綜合化、智能化（huà），應用（yòng）於實（shí）時監控係統和生產現場設備的故（gù）障診斷、生產過程參數（shù）監測等，因此有著重大的應用價值。

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