高端精密製造的（de）CNC數控加工技術

　　

 

    數控技術的（de）應用使傳統的製造（zào）業發生了質的變化，尤其是近年來．微電子（zǐ）技術和計算機技術的發展給數控技術（shù）帶來（lái）了新的活力。數（shù）控技術和數控裝（zhuāng）備是各（gè）個（gè）國家工業現代化的重要基礎。

 

    數控機床是現代（dài）製造業的主（zhǔ）流設備，精密加工的（de）必備（bèi）裝備，是體（tǐ）現現代機床技術水平、現代（dài）機械製（zhì）造（zào）業工藝水平（píng）的重（chóng）要標（biāo）誌，是關係國計民生（shēng）、國防尖端建設的戰略物（wù）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（jiǎo）洲地區，人們稱為“電腦（nǎo）鑼（luó）”。

 

    數（shù）控加工是當今機械（xiè）製造中的先進加工技術，是一種具有（yǒu）高效率、高精度與（yǔ）高柔性特點的自動化加工方法。它是將要加工工（gōng）件（jiàn）的數控程（chéng）序輸入給機床，機床在（zài）這些數據的控製下自動加工出符合人們意願的工件，以製造出美妙的（de）產品。

 

    數控加工技術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小批多變的加工問題，充分適應了（le）現代化生（shēng）產的需要。大力發展數控加工技術已成為我國加速發展經濟、提高自主創新（xīn）能力的重要途徑。目前我國數控機床使用（yòng）越來越普遍，能熟練掌握數控機床編程，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（tā）集微電子技術、計算機技術、測量（liàng）技術（shù）、傳感器技術、自動控製技術（shù）及人工智能技術等多種先進技術於一體，並與機械加工（gōng）工藝緊密結合，是新一代的機械製（zhì）造技術裝備（bèi）。

 

CNC數控機床的組成

 

    數控機床集機床、計算機、電動（dòng）機及拖動、動（dòng）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（zhì）介質（zhì）、數（shù）控（kòng）裝置、伺服係統、反饋裝（zhuāng）置及機床本體

 

1、控製介質

 

  控製（zhì）介（jiè）質是儲存數控加（jiā）工所需要的全部動作刀具相對（duì）於（yú）工（gōng）件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控製介質就是指（zhǐ）將零件加工信息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（ér）不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁（cí）盤等。隨著數控技術的發展（zhǎn），穿孔帶、穿（chuān）孔卡趨於淘汰，而利（lì）用（yòng）CAD/CAM軟件（jiàn）在計算機編程，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（kòng）裝置是數控機床的核心，人們喻（yù）為“中樞係統”。現代數控（kòng）機床都采用計算機數控裝置CNC。數（shù）控裝置包括（kuò）輸入（rù）裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製功（gōng）能。

 

3、伺（sì）服係統

 

    伺服係統是接收數控（kòng）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、進給驅動（dòng）單元（yuán）、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服（fú）係統接受數控係統的指（zhǐ）令信息，並按（àn）照指令（lìng）信息的要求（qiú）與位置、速度反饋信號相比較後，帶動機床的移動部件或執行（háng）部件動作，加工出（chū）符合圖紙要求的零件。

 

4、反饋裝置

 

    反饋裝置是由測量元件和相應的電路組成，其作用是檢測速度和位（wèi）移（yí），並將信（xìn）息反饋回來，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，則稱（chēng）為開環係統（tǒng）。

 

5、機床本體

 

    機床本體是數控機床的實體，是完成實際切（qiē）削加工的機械（xiè）部（bù）分，它包括床身、底座、工作台、床（chuáng）鞍、主軸等。

 

CNC加工（gōng）工藝的特點

 

    CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律，與普通機床的加工工藝大體相同。由於它（tā）是把計算（suàn）機控製技術應用（yòng）於機械加工之中的一種（zhǒng）自（zì）動化加工，因而具有加工效（xiào）率高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工序（xù）較為複雜，工（gōng）步安排較為詳盡周（zhōu）密。

 

    CNC數控加工工（gōng）藝包括刀（dāo）具的選擇、切削參數的確定及走刀工藝路線的設計等內容。CNC數控加工工藝是數控編程的基礎及核（hé）心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量的數控（kòng）程序。衡量（liàng）數控程序好壞的標準是：最少的加工時間、最小（xiǎo）的刀具損耗及加工（gōng）出最佳效果（guǒ）的工件。

 

    數控加工工序是工件整體加工工藝的一部分，甚至是一道工序。它要與其他（tā）前後工序（xù）相（xiàng）互配合，才能最終滿足整體機器或模具的裝配要求，這樣才（cái）能（néng）加工出合格的零件。

 

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

 

CNC的數控編程

 

  數控編程是從零件圖紙（zhǐ）到獲得數（shù）控（kòng）加（jiā）工程序的全過程。它的主要任（rèn）務是計算加工走刀（dāo）中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具（jù）軸線與刀具表麵的交點，多軸（zhóu）加（jiā）工中還要給（gěi）出刀軸矢量。

 

    數控機床是根據工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用（yòng）刀具及各部件的移動量、速度和動作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編成程序（xù）單，輸入到機床專用計算機中。然後，數控係統根據輸入（rù）的指令進行（háng）編譯、運（yùn）算和邏輯處理後，輸出各種信號和指令，控製（zhì）各部分根據規定的位移和有順序（xù）的動作，加工出各種不同形狀的工（gōng）件。因（yīn）此，程序的編製（zhì）對於數控機床效能的發揮影響極大。

 

    數控機床必須把（bǎ）代表各種不同功能的指令代碼以程序的形式（shì）輸入數（shù）控裝置，由數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個運動（dòng）部件（jiàn）的操作，從（cóng）而完（wán）成（chéng）零件的切削加工。

 

  目前數控程序有（yǒu）兩個標準：國際標準化組織的ISO和美國電子工業協會的EIA。我國采用ISO代碼。

 

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

 

    CAD/CAM是計算機輔助編程係統的核心，主（zhǔ）要功能有數（shù）據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及（jí）編輯、工藝參數設置、加工（gōng）仿真、數控程序後處理和數據管理等。

 

  目前，在我國深受（shòu）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（duì）於數控編程的原理、圖形處（chù）理方（fāng）法及加工方法都大同小異，但各有特點。

 

CNC數控加工零件的步驟

 

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

 

    2、確定零件的（de）數控（kòng）加（jiā）工工藝（加工的內容，加工的路線）

 

    3、進（jìn）行必要的數值計算（基點、節點（diǎn）的坐（zuò）標計（jì）算）

 

    4、編寫程序單（dān）（不同機床會有所不同，遵守使用手冊）

 

    5、程序校（xiào）驗（將程序輸入機床，並進行圖形（xíng）模擬（nǐ），驗證編程的正確）

 

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

 

    7、工件驗（yàn）收和質量誤差分析（對（duì）工件進行檢（jiǎn）驗，合格流入下一道（dào）。不合格（gé）則通過質量分析（xī）找出產生誤（wù）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（dà）部分是依靠人（rén）工操作，工人看懂（dǒng）圖紙後，手（shǒu）工操（cāo）作機床，加工零件，用這種方式（shì）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（wèi）工程師帕森斯（John Parsons）構思了一種（zhǒng）方（fāng）法（fǎ），在一張硬紙（zhǐ）卡上打孔來表示需要加（jiā）工（gōng）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）一種（zhǒng）構思。

 

    1948年，帕（pà）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，因為美國空軍正在尋找一種（zhǒng）先進（jìn）的（de）加工方法，希望解決飛機外型樣（yàng）板的加工問題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設備難以適應（yīng），美國空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（chuáng），終於在1952年，麻省理工學院和帕森（sēn）斯（sī）公司合（hé）作，成功的研製出了第一台示範機，到了1960年較（jiào）為簡單和經濟的（de）點位控製鑽床，和直線控製數控銑床得到了較快的發展使數控機床在製造業各部門逐步獲得推廣（guǎng）。

 

    CNC加工的曆史已經經曆了長達半個多世紀，NC數（shù）控係統也由最早的（de）模擬信號電路控製發展為極其複（fù）雜的集成加工係統，編程方式也有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統（tǒng）。

 

    就我國而言，數控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（luò）後，人（rén）員的（de）技術水平和觀（guān）念落後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係統是在1951年引入的，其控（kòng）製單元主要有各種閥門和模擬電路組成的（de），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，成為現（xiàn）代製造業（yè）的關鍵設（shè）備。

 

    2、第二（èr）代NC係統於1959年（nián）產生的，其主要有單個的晶體管和（hé）其他部件組成（chéng）。

 

    3、1965年引（yǐn）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（jīng）研製出來了第四（sì）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（qiáng）大的微（wēi）處理器，這就是第五代NC係統。

 

    6、第六代NC係統采用了現（xiàn）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（zhǎn）趨勢

 

1. 高速化

 

隨著汽車、國防、航空、航天等（děng）工業（yè）的高速發（fā）展以及鋁合金等（děng）新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。

 

a.主軸轉速（sù）：機床（chuáng）采用（yòng）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且可獲得複雜型的精確加（jiā）工；  

 

c. 運算速度（dù）：微（wēi）處理器的迅速發展為數控係統向高速、高精度方向（xiàng）發展提供了保障，開（kāi）發出CPU已發展到32位以及64位的數控係統，頻（pín）率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速度的極大提高，使（shǐ）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（jiā）工中心的刀（dāo）具交換時（shí）間普遍已在1s左右（yòu），高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子（zǐ）樣式，以主（zhǔ）軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅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（de）監（jiān）測和補償越來越獲得重視。

 

a. 提高CNC係（xì）統控製精度：采（cǎi）用高速插補技術，以微小程序段（duàn）實現連續進（jìn）給，使CNC控製單位精細化，並采用高分（fèn）辨率位置檢測裝置，提 高位置檢測（cè）精度，位置伺服係統采用前饋控製與 非線性控製等方法（fǎ）；

 

b. 采用誤差補償技術：采用（yòng）反向間（jiān）隙補償、絲杆螺距（jù）誤差補償和刀具誤差補償等技（jì）術，對設備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償（cháng）。

 

c. 采用網格（gé）解（jiě）碼器檢查和提高加工（gōng）中心的運動軌跡精度: 通過仿（fǎng）真預測機床的加工精度，以保證機床（chuáng）的定位精度和重複定位精度，使其（qí）性能長期穩定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，並（bìng）保證零件的加（jiā）工質量。

 

3. 功能複合化

    

複合機床的含義是指在一台機床上實現或盡可能完（wán）成從毛坯至成品的多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝複（fù）合型和工序複合型兩類。 加工中心能夠完成 車削（xuē）、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處（chù）理等多種工序，可完成複（fù）雜零（líng）件的全部加工。隨著現代機械加工（gōng）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（qǐ）業的（de）歡迎。  

 

4. 控製智能化

 

隨著人工智能技術的發展，為了滿足製造業生產（chǎn）柔性化（huà）、製造自動化的發展（zhǎn）需（xū）求，數控機床的智能化程度在不斷（duàn）提高。具體（tǐ）體（tǐ）現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b. 加工參（cān）數的（de）智（zhì）能優化與選擇；  

c. 智能故障自診斷與自修複技（jì）術；

d. 智能故障回放和故障仿真技術；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係統（tǒng）：在製造過程中， 將測量 、建模、加（jiā）工、機器操作四者(即4M)融合在一個係統中 。

 

5. 體係開放化

 

a. 向未來技術開放：由於軟硬（yìng）件接口都遵循公認的標準協議，可采（cǎi）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（tí）供硬軟件產品的各種組合以滿足特殊應用要（yào）求；  

 

c. 數控標準的建立：標準（zhǔn）化的編程語言，既方便用（yòng）戶 使用，又降低（dī）了和操作效率直接（jiē）有關（guān）的勞動消耗。

 

6. 驅動並聯化

    

可實現多坐（zuò）標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿（mǎn）足複雜特種零件的加工（gōng），並聯機床被認為是“自發明數控技術以來在機（jī）床行業中最有意義的（de）進步（bù）”和“21世紀新一代數控加工設（shè）備”。

 

7.  極端化(大型化和微型化 )

 

國防、航空、航天事業的發展和能源等基礎產（chǎn）業（yè）裝備的大型化需要大型且性（xìng）能良好的（de）數控機床的支撐。而超精密加工（gōng）技術（shù）和微納（nà）米技術是21世紀的戰略技 術，需（xū）發展能適（shì）應微小型尺寸和微納米（mǐ）加工精度的新（xīn）型製造工藝和裝備。

 

8.  信息交互網絡化

 

既可以實現網絡資源共享，又能實現數控機床的遠程監視、控製、遠程診斷、維護。

 

9. 加工（gōng）過程（chéng）綠色化

 

 近年（nián）來不用或少用冷卻液、實現幹切削、半幹切削（xuē）節（jiē）能環保的機床不斷出現， 綠色製造的大趨勢（shì）使各種節能環保（bǎo）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（xìn）技術於一體（tǐ），使計算機具有綜合處（chù）理聲音、文字、圖像和視頻信息（xī）的能力（lì）。可以做到信息處理綜合化、智能化，應（yīng）用於實時（shí）監控 係統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

 

目前，數控機床（chuáng）的發展日新月異，高速化、高精度化、複合化、智能化、開放化、並聯驅動化、網絡化、極端（duān）化、綠色化已成為數（shù）控機床發展的趨（qū）勢（shì）和方向。