​高（gāo）端精密製造的CNC數控（kòng）加工技術

    數控技術的應用使傳統（tǒng）的製造業發生了（le）質的變化，尤其是近年（nián）來．微電子技術和計算機技術的發（fā）展給數控技術帶來（lái）了新（xīn）的活力。數（shù）控技術和數控裝（zhuāng）備是各個國家工業現代化的重要基礎。

    數控機床是現代製造業的主流（liú）設備，精密加工的必備裝備，是體現（xiàn）現代機（jī）床技術水平、現代機械製造業工藝水平（píng）的重要標（biāo）誌，是關係國計民生、國防尖端建設的戰略（luè）物資。因此世界（jiè）上各工業發達國家均采取重大措施來發（fā）展（zhǎn）自己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（zhì）”，簡單（dān）地說（shuō）就是“數（shù）控加工”，在珠江（jiāng）三角洲地區，人們稱為“電腦鑼（luó）”。

    數控（kòng）加工是當今機械製造中的先進加（jiā）工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點（diǎn）的（de）自（zì）動化加工方法。它是將要加工工件的（de）數控程序輸入（rù）給機床，機（jī）床在這些數據（jù）的控製下（xià）自動加工出符合人們意願的工件（jiàn），以製造出美妙的產品。

    數控加（jiā）工技術可有效解決像模具這樣複雜、精（jīng）密、小批多變的加工問題，充（chōng）分適（shì）應了現代化生產的（de）需要。大力發（fā）展數控加工（gōng）技術已成為我國加（jiā）速發展經（jīng）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，能熟練掌握數控機床編（biān）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（chǎn）品，它集微電子技術、計算機技術、測量技術、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，並與機械加工（gōng）工藝緊密（mì）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（dòng）機及拖（tuō）動、動控製、檢測等技術為一體的自動化設備。數控機床的基本組成包括控製介質、數控裝置、伺服係統、反饋裝置及機床本體

1、控（kòng）製介質

  控製介質（zhì）是儲存數控加工所需要的全部動作刀具相對於工件位置信（xìn）息（xī）的媒介物，它（tā）記（jì）載著零件（jiàn）的加工程序，因此（cǐ），控製介質就（jiù）是指（zhǐ）將零件加工信（xìn）息傳送到數（shù）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，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶（dài）、磁盤等。隨著數（shù）控技術的發展，穿孔帶、穿（chuān）孔卡（kǎ）趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編（biān）程（chéng），然後通過（guò）計（jì）算機與數控係統通信，將程（chéng）序和數據直接（jiē）傳送給數控裝置的方法應用越來越廣泛。

2、數控（kòng）裝置

  數控裝置是數（shù）控機床的（de）核心，人們喻為“中樞係統”。現代數（shù）控（kòng）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（lǐ）器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝置能完成信息的輸入、存儲、變（biàn）換、插補運算以及實現各種控（kòng）製功（gōng）能。

3、伺（sì）服係統（tǒng）

    伺服（fú）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。包括主軸驅動單元（yuán）、進給驅動單元、主軸電機和進給電機（jī）等（děng）。工作時（shí），伺服係統接受數（shù）控係（xì）統的指令（lìng）信息，並按照指（zhǐ）令信（xìn）息的要求與位置（zhì）、速度（dù）反（fǎn）饋信號（hào）相比（bǐ）較後，帶動機（jī）床的移（yí）動部件或執行部件動作，加工出（chū）符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置（zhì）

    反饋裝置是由測量元件和（hé）相應的電路組成，其作用是（shì）檢（jiǎn）測速度和位移（yí），並將（jiāng）信息反饋回來（lái），構成閉環控製。一些精（jīng）度要求不高的數控機床，沒有反饋裝置（zhì），則稱為開（kāi）環（huán）係統。

5、機（jī）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械部分，它（tā）包括床身、底座、工作台、床鞍（ān）、主軸等。

CNC加工（gōng）工藝的特點

    CNC數控加工工藝也遵守（shǒu）機械加工切削規律（lǜ），與（yǔ）普通（tōng）機（jī）床的（de）加工工藝大體相同。由於它是把計算機控製技術應用於機械加工之中（zhōng）的一種自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加工工（gōng）藝有其（qí）獨特之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡周密。

    CNC數控加（jiā）工工藝包括刀具的選（xuǎn）擇、切削參數的確（què）定及走刀（dāo）工藝路線的設計（jì）等內容。CNC數控加工工藝是數控編程的基礎及核心，隻有工藝合理，才（cái）能編出高效率和高質量的數控程序。衡量數控程序好（hǎo）壞的標準是：最少的加（jiā）工時（shí）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（yī）部分，甚（shèn）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（néng）加工出合格的零件。

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

CNC的數控編程

  數控編（biān）程是從零件圖紙到獲得數控加工程序的全過（guò）程。它的主要任（rèn）務是計算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刀軸矢量。

    數控機床是根據工件圖（tú）樣要求及（jí）加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度和動（dòng）作（zuò）先後順序、主軸轉速、主（zhǔ）軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作（zuò），以規定的數控代（dài）碼形式編成程序（xù）單（dān），輸入到機床專用計算機中。然後，數控係統根（gēn）據輸入的指令（lìng）進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信號和指令，控（kòng）製各部（bù）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，程序的編製對於數控機床效能的發揮（huī）影（yǐng）響極大。

    數控機床必須把代表各種不同功能的指令代碼以程序的形（xíng）式輸入（rù）數控裝（zhuāng）置，由數控裝置進行運算（suàn）處理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個運動部件的操作，從而完成零件的切削加工。

  目前（qián）數（shù）控程序（xù）有兩個標準：國際標準化組織的ISO和美國電子工業協會的（de）EIA。我國采用ISO代碼（mǎ）。

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

    CAD/CAM是計算機輔助編程係（xì）統的核心，主要功能有數（shù）據的輸入/輸出（chū）、加工軌跡的計算（suàn）及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程序後處理和數據（jù）管理等。

  目前，在我國深（shēn）受用戶喜歡的、數控（kòng）編（biān）程功能強（qiáng）大的軟件有（yǒu）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數控加工（gōng）零件的步驟（zhòu）

    1、分析（xī）零件（jiàn）圖（tú），了解工件的大致情況（幾何（hé）形狀，工（gōng）件材料，工藝要求（qiú）等）

    2、確定零件的數（shù）控加工工藝（加工的內容，加工的（de）路線）

    3、進行必要的數值（zhí）計算（基點（diǎn）、節點的坐標計算）

    4、編寫程序單（不同（tóng）機床會有所不同，遵守使用手冊）

    5、程序校（xiào）驗（yàn）（將程序輸入機（jī）床（chuáng），並（bìng）進行圖形模擬，驗證（zhèng）編程的（de）正確）

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

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

數控機床的發展曆（lì）史

    二戰後（hòu），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（gōng）操（cāo）作機床，加工（gōng）零件，用這種方式生產（chǎn）產品，成本高，效率低，質量也得不到（dào）保證。

  在20世紀40年代末期，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一種方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需（xū）要加工的零件幾（jǐ）何形（xíng）狀，利用著一張硬卡來控製機床的（de）動作，在當時，這隻是（shì）一種構思。

    1948年，帕森（sēn）斯（sī）向美國空軍展示了他的（de）這種想法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因（yīn）為美國空軍正（zhèng）在尋找一種先進的加工方法，希（xī）望解決飛機外型樣板的加工問題，由於樣板形狀複雜，精度要（yào）求高，一般的（de）設備難以適應，美國空軍立即委托及讚助美國（guó）麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬（yìng）卡紙來控製的（de）機床，終於在1952年（nián），麻省理工學院和帕森斯公司合作（zuò），成功的研製出了第一台示範機，到了1960年較為簡（jiǎn）單和經濟（jì）的（de）點位控製鑽床（chuáng），和直線（xiàn）控製數控銑床得（dé）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加工的曆史已經經曆了長達半個多世紀，NC數控係統也（yě）由最早的模擬信號電路控製發展為極其複雜（zá）的集成加工係統，編程方式也有（yǒu）手（shǒu）工發展（zhǎn）成為智能化（huà）、強大的CAD/CAM集成係統。

    就我國而言，數控技術的發（fā）展是比較緩慢的，對於國內的大多數車間來說。設備比較落後，人員的技（jì）術水平和觀念落後（hòu）表現為加工質量和加工效率低下，經常拖延交貨期。

    1、第一代NC係（xì）統是在1951年引入的，其控製單元（yuán）主（zhǔ）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，已經從銑床或車床發展到加工中心（xīn），成為現代製造業的關鍵設備。

    2、第（dì）二代NC係統於1959年產生（shēng）的，其（qí）主要有單個的晶體（tǐ）管（guǎn）和其他部件組成。

    3、1965年引入了第三代NC係統，其首次（cì）采用集成電（diàn）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（fēi）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（de）微處理器，這（zhè）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（zào）係統（MIS）+DNC+柔性加工係統（tǒng）（FMS）

數控機床的發展趨勢

1. 高速化

隨著汽車、國防、航空、航天等工（gōng）業的高速發（fā）展以及鋁合金等新材料的應（yīng）用，對數控機床加工的高速化要（yào）求越來越高。

a.主軸轉速（sù）：機床采用電主軸(內裝式主軸（zhóu）電機)，主軸最高轉速達200000r/min；  

b. 進給率：在分辨率為0.01µm時，最大進給（gěi）率達到240m/min且可獲得複雜型（xíng）的精確加工；  

c. 運算速度（dù）：微處理器的迅速（sù）發展為（wéi）數控係統向高速、高精度方向發展提（tí）供（gòng）了保障，開發出CPU已發展（zhǎn）到32位以（yǐ）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，使得當分辨率為0.1µm、0.01µm時仍能獲得高達24～240m/min的進（jìn）給速度；  

d. 換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍（biàn）已在1s左右，高的已達（dá）0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃（lán）子樣式，以主軸為（wéi）軸心，刀具在圓周布（bù）置，其刀到刀的換刀時間（jiān）僅0.9s。

2. 高精度化

數控機床精度的要求現在已經不局限於靜態的幾何精度，機床的運動精度、熱（rè）變形以及對振動的監測和補償越來（lái）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（lián）續進給，使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位置檢測裝置（zhì），提 高位置檢測精度，位置（zhì）伺服係統采（cǎi）用前饋控製與 非線性控製（zhì）等方法（fǎ）；

b. 采用誤差補償技術：采（cǎi）用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設備的熱變（biàn）形誤（wù）差和空（kōng）間誤差進行綜合補償。

c. 采用網格解碼器檢查和提（tí）高加工中（zhōng）心的運動軌跡精度: 通過（guò）仿真預測機床（chuáng）的（de）加（jiā）工精度，以保證機床的定位精（jīng）度和重複定位精度，使其（qí）性（xìng）能（néng）長期穩定，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

複合機床的含義是指在一台（tái）機床（chuáng）上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加（jiā）工。根據其結構特（tè）點可分為工（gōng）藝複合型和（hé）工序複合型（xíng）兩類。 加（jiā）工中心能夠完成 車削（xuē）、銑（xǐ）削、鑽削、滾齒（chǐ）、磨削、激光熱處理等（děng）多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現（xiàn）代機械加工要求的不斷提高，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（huà）

隨著人工（gōng）智（zhì）能技術的發展，為了滿足製造業生產柔（róu）性化、製造（zào）自動化（huà）的發展需求，數（shù）控機床的智（zhì）能化（huà）程（chéng）度在不斷（duàn）提高。具體體現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b. 加工參數的智能優化（huà）與選擇；  

c. 智能故障自診斷與自修複（fù）技術；

d. 智能故障（zhàng）回放和故障仿真技術（shù）；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智（zhì）能4M數控（kòng）係統：在製造過（guò）程（chéng）中， 將測量 、建模、加工、機器操作四者(即4M)融合在一個係統中 。

5. 體係開放化

a. 向未（wèi）來（lái）技術開放：由於軟硬件（jiàn）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（yào）求開放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產品（pǐn）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（huà）的編程語（yǔ）言，既方便用戶 使用，又降低了和操作效率直接有關的勞動消耗。

6. 驅動並聯化

可實現多（duō）坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功（gōng）能，更能（néng）滿（mǎn）足複雜特種零件的加工，並聯機床（chuáng）被認為是（shì）“自（zì）發明數控技術以來在機床行業中最有意義的進步”和“21世紀新一代數（shù）控加（jiā）工設備”。

7.  極端化(大型（xíng）化和（hé）微型化 )

國防、航空、航天事業的發展和（hé）能源等基礎產業裝備的大型化需要大型且性（xìng）能良好的數控機床的支撐。而超精密（mì）加工技術（shù）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加工精度的新型（xíng）製造工藝和裝備。

8.  信息（xī）交互網絡（luò）化

既可以實現網絡資源共（gòng）享，又能實現數控機床的遠程監視、控製、遠程診斷、維護。

9. 加工過程綠色化

 近年來不用或少用冷卻液、實現幹切（qiē）削、半幹（gàn）切削節能環保的機床不斷出（chū）現， 綠色製（zhì）造（zào）的大趨勢使各種節能環保機床加速發（fā）展（zhǎn）。

10. 多媒體技術的應用

多媒體（tǐ）技術集計（jì）算機、聲像和通信（xìn）技術於一（yī）體，使計算機具（jù）有綜合處理聲音、文字（zì）、圖像和（hé）視頻信息的能力。可以做到信息（xī）處理綜合（hé）化、智能化，應用於實時監控 係統和生產現場設備（bèi）的故（gù）障（zhàng）診斷、生產過程參數監測等，因此有著重大（dà）的應用價值。

目前，數控機床的（de）發展日新月異，高速化、高精度化、複合化、智（zhì）能（néng）化、開放化（huà）、並（bìng）聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化（huà）已成為數控（kòng）機床發展的趨勢（shì）和方向。