​高端精密製造的CNC數控加工技術

數控技術的應用使傳統的製造業發生了質的變（biàn）化，尤其是近年來．微電（diàn）子技術和（hé）計算機技術的發展給（gěi）數控技術帶來了新的活力。數控技術和數控裝備是各（gè）個國（guó）家工（gōng）業現代化的重要基礎（chǔ）。

數控機床是（shì）現代製造業（yè）的主流設備，精密加工的（de）必備（bèi）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。因此世界上各工業發達國家均采取重大措施來發展自己的數（shù）控技術及其產業。

CNC數（shù）控加工

CNC是英文Computer Numberical Control的（de）縮寫，意思是“計算機（jī）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（diàn）腦鑼”。

數控加工是當今機械（xiè）製造中的（de）先進（jìn）加（jiā）工技術，是一種具有（yǒu）高效率、高精度與高柔性特點的自動化加工方法。它是（shì）將要加工工件的數控程序輸入給機床，機床在這（zhè）些數據的控製（zhì）下自動加工（gōng）出符合人們意願的（de）工（gōng）件，以製造出美妙（miào）的產（chǎn）品。

數控加工技術（shù）可有效（xiào）解決像（xiàng）模具這樣複雜、精密（mì）、小批多變的加工問題，充分適應了現代化生產的需要。大力發（fā）展數控加工技術已成為我國（guó）加速發展經濟、提高自主（zhǔ）創新能力的（de）重（chóng）要途（tú）徑。目前我國數控機床使用越來越普遍（biàn），能熟練掌握（wò）數控機床（chuáng）編程，是充分發揮其（qí）功能的重（chóng）要途徑。

數控（kòng）機床是典（diǎn）型的機電一體化產品，它集微電（diàn）子技術、計算機技術、測量技術、傳感器技術、自動控製技術及人工智（zhì）能技術等（děng）多種先進技術於一體，並與機械加（jiā）工工藝緊密結合，是新一代的機（jī）械製造（zào）技術裝備。

CNC數（shù）控機床的組成

數控機床（chuáng）集機床、計算機、電動機及拖動、動控製、檢測等技術為一體的自動化（huà）設備。數控機（jī）床（chuáng）的基本組成包（bāo）括控製介質（zhì）、數控裝置、伺（sì）服係（xì）統、反饋裝置及（jí）機床本體，如圖

1、控製介質

控製介質是儲存數控（kòng）加工所需要的全部動作刀具相（xiàng）對於工件位置信息的媒介物（wù），它記載著零件的加（jiā）工程序，因此，控製介質就是指將零件加工（gōng）信息（xī）傳送到數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（kǒng）帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿（chuān）孔卡趨於（yú）淘汰，而利用CAD/CAM軟件（jiàn）在計算機編程，然後通過計算機與數控（kòng）係統通信，將程序和（hé）數據直接傳送給數控裝（zhuāng）置的方法應用（yòng）越（yuè）來越廣泛。

2、數（shù）控裝置

數控裝置是數控機床的核心，人們喻為“中樞係統”。現（xiàn）代數控機床都采用計算（suàn）機數控裝置CNC。數控裝置包括輸入裝置及（jí）中央處理器（qì）(CPU)和輸（shū）出裝（zhuāng）置等構成數控（kòng）裝置能完成信息（xī）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

伺服係統是接收數控裝置（zhì）的指令、驅動機床執行機構運動的驅動部件。包括主軸驅動（dòng）單元（yuán）、進給驅（qū）動單（dān）元、主軸（zhóu）電機和進給電機等。工作時，伺服係統接受數控係（xì）統的指令（lìng）信息，並按（àn）照（zhào）指令信息的要求與位（wèi）置、速度（dù）反饋信號相比較後，帶動機床的移（yí）動部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

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

5、機床本體

機床本體是數控機床的實體，是完成實際（jì）切削加工的機械部分，它包括床身、底座、工（gōng）作台、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝的（de）特點

CNC數控加工工（gōng）藝也遵守機械（xiè）加（jiā）工切削規律，與普通機床的加工工藝大體相同。由於它是把計算機控製技術（shù）應用於機械加工之中的一種自動化加工，因而具有加工效率（lǜ）高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工序（xù）較為複雜，工步（bù）安排（pái）較為詳盡周密。

CNC數控加工工藝（yì）包括刀具的選擇、切削參數的（de）確定及走刀（dāo）工藝路線的設計（jì）等內（nèi）容。CNC數控加工工藝是數控編程的基礎及核心，隻有工（gōng）藝（yì）合理（lǐ），才能編出高效率和高質量（liàng）的數控程序。衡量數（shù）控程序（xù）好壞的標準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加工（gōng）出最佳效果的工件。

數控加工工（gōng）序是工件整體加工（gōng）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（néng）最終滿足整（zhěng）體機（jī）器或模具的（de）裝配要求，這樣才能加工出合格的零（líng）件。

數控加工工序一般分為粗加工、中粗（cū）清角加工、半精加工及精加工等工步。

CNC的（de）數控編程

數控編程是從零件圖紙到獲（huò）得數控加工程序的全（quán）過程。它的主要任務（wù）是（shì）計算加工走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點（diǎn））。刀位點一般取為刀具軸（zhóu）線與刀具表麵的交點，多軸加工中還要給出刀（dāo）軸矢量（liàng）。

數控機床是根據工件圖樣要（yào）求及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度和動作（zuò）先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方（fāng）向、刀頭夾緊、刀頭鬆開（kāi）及冷卻等操（cāo）作，以規（guī）定的數控代碼形式編成程序單，輸入到機床專（zhuān）用（yòng）計算機中。然後，數控係統根據輸入（rù）的指令進行編譯（yì）、運算和邏輯處理後，輸出各種信號和指令，控製各（gè）部分根據（jù）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（zhì）對於數控機床（chuáng）效能的發揮影響極大。

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（kòng）製數（shù）控機床的各個運動部件（jiàn）的操作，從而完成零件的切削加（jiā）工。

目前數控程序有兩個（gè）標準：國際標準化組織的ISO和美國電子（zǐ）工業協會的（de）EIA。我（wǒ）國（guó）采用ISO代（dài）碼。

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

CAD/CAM是計算機輔助編程係統的核（hé）心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工（gōng）軌跡（jì）的計算及編輯、工藝參數設置、加（jiā）工仿真、數（shù）控程序後處理和數據（jù）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（jiàn）對於數控編（biān）程（chéng）的（de）原理（lǐ）、圖形處理方法及加工方法都大同小異，但各（gè）有特點。

CNC數（shù）控加工零件的步驟

1、分析零件圖，了解工件（jiàn）的大致情況（幾何形狀（zhuàng），工件（jiàn）材料，工藝要求等）

2、確定零件的數控加工工藝（yì）（加工的內容，加工的路（lù）線）

3、進行必要的數值計算（基點、節點的坐標（biāo）計算）

4、編寫程序單（dān）（不同機床會有所（suǒ）不同，遵守使用手冊）

5、程（chéng）序校驗（將程序輸入機床，並進行圖形模擬，驗（yàn）證編程的正確（què））

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

7、工件驗收和（hé）質量誤差分析（對工件進行檢驗，合格流入下一道。不（bú）合（hé）格則通過質量分析找出產生誤差原（yuán）因和糾正方法）。

數控（kòng）機床的發展曆史

二戰後，製造（zào）業的生產大部分（fèn）是依靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作機床（chuáng），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（jì）40年代末期，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一（yī）種（zhǒng）方（fāng）法，在一張硬（yìng）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（shì）一（yī）種構思。

1948年，帕森斯向美國空軍展示了他的這種想法（fǎ），美國空軍（jun1）看後（hòu），表示極大的興趣，因為美國空軍正在（zài）尋找一種先進（jìn）的加工方（fāng）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，精度要求高（gāo），一般的設備難（nán）以適應，美國空軍立即（jí）委托及（jí）讚助（zhù）美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發（fā）這部（bù）硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻省理工（gōng）學院（yuàn）和帕森斯公司合作，成功的研製出了第一台示範機，到了1960年較為簡單和經濟的點位控製鑽床，和直線控製數控銑床得到了較快（kuài）的發展使數控機床在製造業各部門逐步獲得推廣（guǎng）。

CNC加工的曆史已（yǐ）經經曆了長達半個（gè）多世紀，NC數控係統也由最早的模擬信號電路控製發展（zhǎn）為極其複雜的（de）集（jí）成加工係統，編（biān）程方式也有手工發（fā）展成為智能化（huà）、強大的CAD/CAM集成（chéng）係統。

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

1、第一代（dài）NC係統是在1951年引入的，其控製單元（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，已經從銑床或車床發（fā）展到加工（gōng）中心（xīn），成為現代製造業（yè）的關鍵設備。

2、第二（èr）代NC係統於1959年產（chǎn）生的，其主要有單（dān）個的晶體管和其他部件組成。

3、1965年引入了第三代NC係統，其首次采用集成電路板。

4、實際上，在1964年已經研製出來了第四代NC係統，即（jí）我們非常熟悉的計算機數字控製係統（CNC控製（zhì）係統）。

5、1975年（nián），NC係統采用了（le）強大的微處理（lǐ）器，這（zhè）就是（shì）第五代NC係統。

6、第（dì）六代NC係統采用了現行的集（jí）成製造係統（tǒng）（MIS）+DNC+柔性加工（gōng）係統（FMS）

數控機（jī）床的發展趨勢

1.高速（sù）化（huà）

隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合（hé）金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越（yuè）來越高。

a.主軸轉速（sù）：機床采用（yòng）電主軸(內裝式（shì）主軸電機)，主軸（zhóu）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240m/min且可獲得複雜型的精確加工（gōng）；  

c.運（yùn）算速度：微處理器（qì）的迅速發展（zhǎn）為數控係統向高速（sù）、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（bǎi）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已在1s左右，高的已（yǐ）達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以（yǐ）主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換（huàn）刀時間（jiān）僅0.9s。

2.高精度化（huà）

數（shù）控機床精度的要求現在已經不局限於靜態的幾何精度，機（jī）床（chuáng）的（de）運動精度、熱變形以及對振動的監測（cè）和（hé）補償越來越獲得重視。

a.提高CNC係統控製精（jīng）度（dù）：采用高速插補技術，以微小程序段實（shí）現連續進給，使（shǐ）CNC控製單位精（jīng）細化，並采用高分辨率位置檢測裝置，提 高位置檢測（cè）精度，位置伺（sì）服係統采用前饋控製與 非線性控製等方（fāng）法；

b.采用誤（wù）差補償技術：采用反向間隙補（bǔ）償、絲（sī）杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設備的熱變形誤差和（hé）空間誤差進行綜合補（bǔ）償。

c.采用網格解碼器檢查和提高（gāo）加工（gōng）中心的運動軌跡精度:通過仿真預測機床（chuáng）的加工精度，以保證機床的定位精度和重複定（dìng）位精度，使其性能長期穩定，能夠在不同（tóng）運行條件下完（wán）成多種加工任務，並保證零件的加工質量。

3.功能（néng）複合化

複合機床的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（de）多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝複（fù）合型和工序複合（hé）型兩類。加工中心能夠（gòu）完成車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削（xuē）、激光熱處理等多（duō）種工序，可完成複雜零（líng）件的全部加工。隨著現代機械加工要求的不斷（duàn）提（tí）高，大量的多（duō）軸聯動數控機床越來越受到各大企業的歡迎。

4.控（kòng）製智能化（huà）

隨著人工智能技術的發展，為了滿足製造業生產柔性化、製（zhì）造自動化的發（fā）展需求（qiú），數控機床的智能化程度在（zài）不斷提高。具體體（tǐ）現在以下（xià）幾個方麵：

a.  加工過（guò）程（chéng）自適應控（kòng）製技術；  

b.加工參數的（de）智（zhì）能優化與選擇；  

c.智能（néng）故障（zhàng）自診（zhěn）斷與自修複技術；

d.智能（néng）故障回放和（hé）故障仿真技術；

e.智能化交流伺服驅動裝置；  

f.智能4M數控係統：在製造過程中， 將測量（liàng） 、建模、加工、機（jī）器操作四者(即4M)融合在（zài）一個係統（tǒng）中 。

5.體係（xì）開（kāi）放化

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

b.向用戶特殊要求開放：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（shū）應用要求；  

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

6.驅動並聯（lián）化

可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能（néng）滿足複雜特種零件（jiàn）的加工，並聯機床被認為是“自發明數控技術以來在機床行業中（zhōng）最有意義的進步”和“21世紀新一（yī）代數控加（jiā）工（gōng）設備”。

7.  極端化(大型化和微型化)

國防、航空、航天（tiān）事業的發展和能（néng）源等基礎產業裝備的大型化需要大型且（qiě）性能良好的（de）數控機床的（de）支撐。而（ér）超精密加工技（jì）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（xiǎo）型尺寸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

既可（kě）以實現網絡資源共享，又能實現數控（kòng）機床的遠程監視、控製、遠（yuǎn）程診斷、維護（hù）。

9.加工過程綠色化

近年來不用或少用（yòng）冷卻液（yè）、實現幹切削、半幹切（qiē）削節能環保的機（jī）床（chuáng）不斷出現，綠色製造的（de）大（dà）趨勢使各種節能環保機床加速發展。

10.多媒體技術的（de）應用

多媒體技術集計算機、聲像和通（tōng）信技術於（yú）一體，使計算機具有綜（zōng）合（hé）處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以（yǐ）做到（dào）信息處理綜合化、智能化，應用於實（shí）時監控係統和生產（chǎn）現場（chǎng）設備的故障診斷、生產過程參（cān）數監測等，因此有著重大的應用價值。

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