高端精密制造的CNC数控加工技术

　　

 

    数控技术的应用（yòng）使传统（tǒng）的制造业发生了质的（de）变化，尤其是近年来．微电子技术和（hé）计算机技术的发展给数控（kòng）技术带来了新的活力。数控技术和数（shù）控装备是各个国家工业现代化（huà）的重要基础。

 

    数控机床是现（xiàn）代制造业的主流设（shè）备，精（jīng）密加工的（de）必备装备，是体现（xiàn）现代机床技术水平、现代机械制（zhì）造业工艺水平的重要（yào）标志，是关（guān）系国计民生、国（guó）防尖（jiān）端建设的战略物资。因此世界上各工业（yè）发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其（qí）产业。

 

CNC数控加工

 

    CNC是英文Computer Numberical Control的缩写（xiě），意思是“计算机数（shù）据（jù）控制”，简（jiǎn）单地说就是（shì）“数控加工”，在珠江三角洲地区，人们称为“电脑锣”。

 

    数控加（jiā）工是当今机械制造中的先进加工（gōng）技（jì）术，是一种具有高效率、高精度与高柔性特点的（de）自动化加工方法。它是将要加工工件（jiàn）的数控程序（xù）输入给机床，机床在（zài）这些数据（jù）的控制下自动加工出符合人们意愿的工件，以制造出美妙的产品（pǐn）。

 

    数控加工技（jì）术可有效解决像模具这样复杂、精密、小批多变的加工问题，充分适应了现代化生产的需要。大力发展数控加工（gōng）技术已成为我国加速发展经济、提高自主创新能力的重要途径。目前我国数控机床使用越来（lái）越普遍，能熟练掌握数控机床编程，是充分发挥其功能的重要途径。

 

    数控机（jī）床是（shì）典型（xíng）的机电（diàn）一体化产（chǎn）品，它集微（wēi）电子技术、计算机技术、测量技术、传感器（qì）技术、自动控制技术及人工智能技术等（děng）多种（zhǒng）先进技术于（yú）一体，并与机械加（jiā）工工艺紧密结合，是新一代的机械制造技术装备。

 

CNC数控机床的组成

 

    数控（kòng）机床集机（jī）床、计算机、电动机及拖动、动控（kòng）制（zhì）、检测等技（jì）术为一体的自动化设备。数控机床的基本组成包括控制介质、数控（kòng）装置、伺服系统、反馈装置及机床本体

 

1、控制介质

 

  控制介质是储存数（shù）控加工所需要的全部动（dòng）作刀具相（xiàng）对于工件位置信（xìn）息的媒介物，它记载着零件的加（jiā）工程序，因此，控制（zhì）介质就是指将零件加（jiā）工信（xìn）息传送到数控（kòng）装（zhuāng）置去（qù）的信息载（zǎi）体。控制介质有多种形式，它随着数控装置（zhì）类型的不（bú）同而（ér）不同，常用的有穿孔带、穿孔卡（kǎ）、磁带、磁盘等。随着（zhe）数控技术的发展，穿孔带、穿孔卡趋于淘汰，而利用CAD/CAM软件在（zài）计算机编程，然后通过计算机与数控（kòng）系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置的方法应用越来越广泛。

 

2、数控（kòng）装置（zhì）

 

  数控装置是数控机床（chuáng）的核心，人们喻为（wéi）“中枢（shū）系统（tǒng）”。现代数控机床都采用计算机数控装置CNC。数控装置包括输入装置及中央（yāng）处理器（qì）(CPU)和输（shū）出装置等构成数控装置能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。

 

3、伺服系统

 

    伺服系统是接收数控装置的指令、驱动机床执（zhí）行机构（gòu）运动的驱动部件。包括主（zhǔ）轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机和进给（gěi）电机等。工作时，伺服系统接受数控系统的指令信息（xī），并按照指（zhǐ）令信息的要求与位置、速（sù）度反馈信号相比较后，带动机床的移动部件或（huò）执行部件动作，加工出符合图纸要求的零件。

 

4、反馈装置

 

    反馈（kuì）装置是由测量元件和相应的电路组成，其作用（yòng）是检测（cè）速度和位移，并将信息反馈（kuì）回来，构成闭环（huán）控制。一些精度要求不高（gāo）的（de）数控机床，没有反馈装置，则称为开（kāi）环系统。

 

5、机床本体

 

    机床本体是数控机床的实体，是完成实（shí）际切削加工的机械部（bù）分，它包括床身、底座（zuò）、工作（zuò）台、床鞍、主轴（zhóu）等。

 

CNC加工工艺的（de）特点

 

    CNC数控加工工艺也遵守机械加工切削规律，与普通机床的加工（gōng）工艺大体相同。由于它（tā）是把（bǎ）计算机控制技术（shù）应用于机械加工之中的一种自动化加工，因而具有加工效率高、精度高等特点，加工工艺有其独特之处，工序较为复杂，工步（bù）安排较为详（xiáng）尽周密。

 

    CNC数控加工工艺包括刀具的选择、切（qiē）削参数的确定及走刀工艺路线的（de）设计等内容。CNC数（shù）控加工工艺是数控编程的基础及核心，只（zhī）有工艺合理，才能编出高效率和高质（zhì）量的数控程序。衡量数控（kòng）程序好坏的标准是：最（zuì）少的（de）加工时间、最小（xiǎo）的刀具损耗及加工出最佳效果的工件。

 

    数控加工工序是工件整体加工工艺的一部分，甚至（zhì）是一道工序。它要与其他前后工序相互配合，才能最终满足整体机器（qì）或模具的装配要求（qiú），这样才能加（jiā）工出合格的零（líng）件（jiàn）。

 

    数控加工工序一般分为粗（cū）加工、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步。

 

CNC的数控（kòng）编程

 

  数（shù）控编（biān）程是从零件图纸到获得（dé）数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位（wèi）点（cutter locations point简称CL点）。刀（dāo）位点一般（bān）取为刀具轴线与（yǔ）刀具表面的交点，多轴加工中还要（yào）给出刀轴矢量。

 

    数控（kòng）机床是根据工件图样要求及加工工艺过程，将所（suǒ）用刀具及各部件的移（yí）动量、速度和动作先后顺序、主轴转速（sù）、主（zhǔ）轴旋转（zhuǎn）方向、刀头夹紧、刀头松开及冷却等操作，以规定的数控代码形式编成程序单，输入（rù）到机床专用计算机中。然后，数控（kòng）系统根据输入的指令（lìng）进行编译、运算（suàn）和逻辑处理后，输（shū）出各种信号和指令，控制（zhì）各部（bù）分根据规定的位移和有顺序（xù）的动作，加工出各种不同（tóng）形状的工件。因此，程序的编制对于数控机床效能（néng）的发挥影响极大。

 

    数控机床必须把代表各种不同功能的指令代码以程序（xù）的形（xíng）式输入数控装置（zhì），由数控装置进行运算处理，然后发（fā）出（chū）脉冲信号来（lái）控制数（shù）控机床的各（gè）个（gè）运动部件（jiàn）的操作，从而完成零件的切（qiē）削加工。

 

  目前数控程（chéng）序有两个标准：国际标准化组织的ISO和美国（guó）电子工业协会的EIA。我国（guó）采用ISO代码。

 

  随着技术的（de）进步，3D的数控编程一般很少采用手工编程，而使用商品化的CAD/CAM软（ruǎn）件。

 

    CAD/CAM是计算机辅助编程系统的核心，主要功能有数据（jù）的输入/输出（chū）、加工轨（guǐ）迹的计算及编辑、工艺参数设（shè）置、加工仿真、数控程序后处（chù）理和数据管理等。

 

  目前，在我国深受用（yòng）户喜欢的、数控编程功能强大的软件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各软件对于数（shù）控编程的原理、图形处理方法（fǎ）及加工方法都大（dà）同小异，但（dàn）各（gè）有特点（diǎn）。

 

CNC数控加工（gōng）零件的步骤

 

    1、分析零件图，了解工件的大致情况（几何形状，工件材料，工艺（yì）要求等）

 

    2、确定零件（jiàn）的数控加（jiā）工工艺（加工的内容，加（jiā）工的（de）路线）

 

    3、进行必要的数值计（jì）算（基点、节点（diǎn）的（de）坐标计算）

 

    4、编写程序单（不同机床会有所（suǒ）不同，遵守使（shǐ）用手册）

 

    5、程序（xù）校（xiào）验（将程序输入机床（chuáng），并进行图形模拟，验证编程的正确）

 

    6、对工件进行加工（好的过程控制能很好的节约时间和提高加工质量）

 

    7、工件验收和质（zhì）量误差分析（对工（gōng）件进行检验，合格流入下一（yī）道。不（bú）合格（gé）则通过质量分析（xī）找出产（chǎn）生误差原因和纠正方法）。

 

数控机床的发展历史

 

    二战后，制造业的生产大部分是（shì）依靠人工操作，工人看懂图纸后，手工操作机床，加工零件，用（yòng）这种方式生产产品，成（chéng）本高，效率低，质量也得不到保证。

 

  在20世纪40年代末期，美国有一位工程师帕森斯（sī）（John Parsons）构思了一种方法，在一张（zhāng）硬纸卡上（shàng）打孔来表示需要加工的零件（jiàn）几何形状，利用着一张硬卡来控制机床（chuáng）的动作，在当时，这只是一种（zhǒng）构思。

 

    1948年，帕森斯向美国空军展示了他（tā）的（de）这种想法，美国空军（jun1）看（kàn）后，表示极大的兴趣，因为美（měi）国空军正在寻找（zhǎo）一种先进的（de）加工方法，希望解决飞机外型样板的加工问题，由于（yú）样板形状（zhuàng）复杂，精度要求高，一般的设备难以适应，美（měi）国空军立即委托及赞助美国麻省理工学（xué）院（MIT）进行研究，开发这部硬卡纸来控（kòng）制的机（jī）床，终于在1952年，麻省理工（gōng）学院和帕森斯（sī）公司合作，成（chéng）功的研制出（chū）了（le）第一（yī）台示范机，到了1960年较为简单和经济的点位（wèi）控（kòng）制（zhì）钻床，和直线控制数控铣床得到了较快的发展使数控机床在制（zhì）造业各部门逐步获得推广。

 

    CNC加工的历史已经经历了长达半（bàn）个多世纪，NC数控系统也由（yóu）最早的模拟信号电路控制发展为极其复杂的集（jí）成加工系统，编程方式也有手工发展成为智能化、强大的CAD/CAM集成（chéng）系统（tǒng）。

 

    就我国而言，数控技术的发（fā）展是比较缓慢的（de），对（duì）于国（guó）内的大多数车间来说。设备比较（jiào）落后，人员的技（jì）术水平和观（guān）念落后表现为加工质量和加工效率低下，经常（cháng）拖延（yán）交货期。

 

    1、第（dì）一代NC系统是在1951年引入的，其控制单元主要有各种阀门和模拟电路组成的，1952年第一台（tái）数控机床诞生，已经从铣床（chuáng）或车（chē）床发展到（dào）加工中心，成为现代制造业的关键设备。

 

    2、第二（èr）代NC系统于1959年产生的，其主要有单个的晶体管和（hé）其他部（bù）件组成。

 

    3、1965年引入（rù）了第三代（dài）NC系统，其首次采用集成电路（lù）板。

 

    4、实际上（shàng），在1964年已经研制出来（lái）了第四代NC系（xì）统，即（jí）我们非常熟悉的计算机数字控制（zhì）系统（CNC控制系统）。

 

    5、1975年，NC系统采用了强大的微（wēi）处理器，这就是第五代NC系（xì）统。

 

    6、第六代NC系统采用了现行的集成制造系统（MIS）+DNC+柔性加工系统（FMS）

 

数控机床的发展趋势

 

1. 高速化

 

随着汽车（chē）、国防、航空、航天（tiān）等工业的高（gāo）速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越（yuè）来越高。

 

a.主轴转速：机床采（cǎi）用电主轴(内装式主轴电机)，主轴最高转速达200000r/min；  

 

b. 进给率：在分辨率（lǜ）为0.01µm时，最大进给率（lǜ）达到240m/min且可获得复杂型的精确加工；  

 

c. 运算速度：微处理器的迅速发展为（wéi）数控（kòng）系统向高速、高精度方向发展（zhǎn）提供了保障，开发出CPU已发展到32位（wèi）以及64位的数控系统，频率提高（gāo）到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为（wéi）0.1µm、0.01µm时仍能获得（dé）高达24～240m/min的进给速度；  

 

d. 换刀速度：目前国外先（xiān）进加工中心的刀具交换时间普遍已（yǐ）在1s左右，高的（de）已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设（shè）计成篮子样（yàng）式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的（de）换刀时间仅0.9s。

 

2. 高精度化

 

数控机床精度的要求现在已（yǐ）经（jīng）不局限于静（jìng）态的几何精度，机床的运动精度、热（rè）变形以及对（duì）振动的监测和补偿越来（lái）越获得重视。

 

a. 提（tí）高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化（huà），并采用高分辨率位置检测装置，提 高位置检测精度，位（wèi）置伺（sì）服系（xì）统采用前馈控制与 非线性控制（zhì）等方法；

 

b. 采用误差补偿（cháng）技术：采用反向间隙补偿（cháng）、丝杆螺距误差补偿和刀具误差（chà）补偿等（děng）技术，对设备（bèi）的热变形误差和空间误差进行综合补偿。

 

c. 采用网格解码器检查和（hé）提高加工中心的（de）运动轨迹精度: 通过仿真预测机床（chuáng）的（de）加工精度，以保证机床的定位精度和（hé）重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任（rèn）务，并保证零件的加工质量。

 

3. 功能复合化

    

复（fù）合机床（chuáng）的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种（zhǒng）要素加工。根据其结构（gòu）特（tè）点可分为工艺复合型和工（gōng）序（xù）复合型两类（lèi）。 加工中心能够完成 车削、铣削、钻削、滚（gǔn）齿、磨削（xuē）、激光（guāng）热处理等多（duō）种工序，可完成复杂零（líng）件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高（gāo），大量的多轴联动（dòng）数控机床越来越受到各 大企业的欢迎。  

 

4. 控制智能化

 

随着人工智能技术的发（fā）展，为（wéi）了满足制造业生产（chǎn）柔（róu）性（xìng）化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在（zài）以下几个方面：

a.  加工过程自适应控制技术；  

b. 加（jiā）工（gōng）参数的智（zhì）能优化与（yǔ）选择；  

c. 智能故障（zhàng）自诊断与自修复技术；

d. 智（zhì）能故障（zhàng）回放和故障仿真技术；

e. 智能化交流伺服驱（qū）动装置（zhì）；  

 f. 智能4M数控系统：在制造过程中， 将测量 、建（jiàn）模、加工、机器操作四者(即4M)融合在一个系统中 。

 

5. 体系开放化

 

a. 向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，可采纳、吸收和兼容新一代通用软硬件。  

 

b. 向用户（hù）特殊（shū）要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软（ruǎn）件产品的各种（zhǒng）组合以满足特殊应用（yòng）要求；  

 

c. 数控标准的建立：标准化的（de）编程语言，既方便用户 使（shǐ）用，又降低了和操（cāo）作效率直（zhí）接有关的劳动消（xiāo）耗。

 

6. 驱动（dòng）并联化

    

可实现多坐标联（lián）动数控加工、装配和测量多种功能，更（gèng）能满足复杂特种零件的加工，并联（lián）机床被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。

 

7.  极端化(大型化和微型化 )

 

国防、航空、航天事业的发展和（hé）能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术（shù）和微纳米技术是21世纪的战略技（jì） 术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度（dù）的（de）新型制造工（gōng）艺和装备。

 

8.  信息交互网络化（huà）

 

既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床（chuáng）的远程监视（shì）、控制、远程诊断、维护。

 

9. 加工过程绿色化（huà）

 

 近年来（lái）不用或少用冷（lěng）却液、实现干切削（xuē）、半干（gàn）切削节能环保的机床不断出现， 绿色制造的大趋势使各种节（jiē）能环保机（jī）床加速发展。

 

10. 多媒体技术的应用（yòng）

多媒体技术集计算机、声像和通信技（jì）术于一体（tǐ），使计算机具有综合处理声（shēng）音、文字、图（tú）像和视频信息的能力。可以做到（dào）信息处理综合化、智能化，应用（yòng）于实时监控 系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监（jiān）测等，因此有（yǒu）着重大的（de）应用价值。

 

目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网（wǎng）络（luò）化、极端化、绿（lǜ）色化（huà）已成为数控机床发展的（de）趋（qū）势和方向。