​高端精密製造的CNC數控加工技術

數控技術的應用（yòng）使傳統（tǒng）的製造業（yè）發生了質的變化，尤其是近年來．微電子技術和計算機技術的發（fā）展給數控技術帶來了新的（de）活力。數控技術（shù）和數控（kòng）裝備是各個國家工業現代化（huà）的重要基礎（chǔ）。

數（shù）控（kòng）機床是現代（dài）製造業的（de）主流設備，精密加工的必備裝備，是體現現代機床技術水平、現代機械製造業工藝（yì）水平（píng）的重要標（biāo）誌，是關係國計民生、國防（fáng）尖端建（jiàn）設的（de）戰略物資。因此世界上各（gè）工業發達國家均（jun1）采取重大措施來發（fā）展自（zì）己的數控技術及其（qí）產業。

CNC數控加工

CNC是英文Computer Numberical Control的（de）縮寫，意思（sī）是“計算機數據控製”，簡單地說就（jiù）是“數（shù）控加工”，在（zài）珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

數控加工是當（dāng）今機械製造中的先進加工技術，是一種具有（yǒu）高效率、高精度與高（gāo）柔性特點（diǎn）的自動化加工方法（fǎ）。它是（shì）將要加工（gōng）工件的數控程序輸入給機床，機床在這些數據的控製下自動加工出符合（hé）人們意願的工件，以製造（zào）出美妙的產品。

數控加工（gōng）技術可（kě）有效解決像模具這樣複雜、精（jīng）密、小批多變的加工問題，充分適應了現代化生產的需要。大力發展數控加工技術已成為我國加速發展經濟、提高自主創（chuàng）新（xīn）能力的重要途徑。目前我國數控機（jī）床使用越（yuè）來越普遍，能熟練掌（zhǎng）握數控機床編程，是充分發揮其功能的重要途徑。

數控（kòng）機床是典型的機電一體化產品，它集微電子技術、計算機技術、測量技術、傳感器技術、自動控製技術及人工智能（néng）技術等多（duō）種先進技術於一體，並（bìng）與機械加工工藝緊密結合，是（shì）新一代的機械製造技術裝備。

CNC數控機床的（de）組成

數控機床集機床、計算機、電動機及拖（tuō）動、動控製、檢測等技術為（wéi）一體的自動化設備。數控機床的基本組成包括（kuò）控製介質、數控裝置、伺服係（xì）統、反饋裝置及機床本體，如圖

1、控製介（jiè）質

控製介質是儲存數控加工（gōng）所需要的（de）全部動作（zuò）刀具相（xiàng）對於（yú）工件位置信息的（de）媒介物，它記載著零件的加工（gōng）程序（xù），因此，控製介質就（jiù）是指將零件加工（gōng）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（zhuāng）置類型的不同而不（bú）同，常（cháng）用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數（shù）控技（jì）術的發展，穿孔（kǒng）帶、穿孔卡趨於淘汰，而利（lì）用CAD/CAM軟件在計算機編（biān）程，然（rán）後通過計算機與（yǔ）數控係統通信，將程序和數據直接傳送給數控（kòng）裝置的方法應用越來越廣泛。

2、數控裝置

數控裝置是數控機床的核（hé）心，人們喻為“中樞（shū）係統”。現代數控（kòng）機床都采用計算機數控裝置CNC。數控裝置包括輸（shū）入（rù）裝置及中央處（chù）理器(CPU)和輸出裝置等構成數（shù）控裝置能完成信息的輸（shū）入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製功能。

3、伺（sì）服係統

伺（sì）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。包括主軸驅動單元、進（jìn）給（gěi）驅動單元、主軸電機和進給電機等。工（gōng）作時，伺服係統接受數控係統的指令信（xìn）息，並（bìng）按照指令信息的要求與位置、速（sù）度反（fǎn）饋信號相比較後，帶動機床的移動（dòng）部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝（zhuāng）置

反饋裝置是由（yóu）測量元件和相應的電路組成，其作用（yòng）是檢測速度和位移，並將（jiāng）信（xìn）息反饋回來，構成閉環控製。一些精度要（yào）求不（bú）高的數控機床，沒有反（fǎn）饋裝置，則稱（chēng）為開環係統。

5、機床本體

機床本（běn）體是數控機床的實體，是完成實際切削加工的機械（xiè）部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝的特點

CNC數（shù）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（xiàng）同。由於它是把計算機控製技術應用於機械加工之中的一種自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡周密。

CNC數控加工工藝包括刀具的選擇、切削參數（shù）的確定及走刀工藝路線（xiàn）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程序。衡（héng）量數（shù）控程序好壞的標準是：最少的加工時（shí）間、最小的刀具損耗（hào）及加工出最佳效果的工（gōng）件。

數控（kòng）加工工（gōng）序是工件整體加工工藝的一部分，甚至是一（yī）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（kòng）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的數控編程

數控編程是（shì）從零件圖紙到獲得數控加工程序的全過程。它的主要任務是計算加（jiā）工走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點（diǎn））。刀位點一般（bān）取為刀具軸線與刀具（jù）表麵的（de）交點，多（duō）軸加工中還要（yào）給出刀軸矢量。

數控機床是根據工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度和動作先後順序、主軸轉速（sù）、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（dài）碼形式編成程序單，輸入到機床專用計算機中。然後（hòu），數控係（xì）統根據輸入的指令進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信號和指令，控製各部分（fèn）根據規定的位移（yí）和有順（shùn）序（xù）的動作，加工出各種不同形狀的工件。因此，程序的編製對於（yú）數控機床效能的發揮影響極大。

數控機床必（bì）須把代表（biǎo）各種（zhǒng）不同功能的指令代碼以程序的（de）形式輸入數控裝置，由數控（kòng）裝置進行運算處理，然（rán）後（hòu）發出脈衝信號（hào）來控製（zhì）數控（kòng）機床的各個運（yùn）動部件的操作，從而完成零件的（de）切削加工。

目前數控程序有兩個標準：國際標準化組織的ISO和美國電子（zǐ）工業協會的EIA。我國采用ISO代碼（mǎ）。

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

CAD/CAM是計算機輔（fǔ）助編程係統的核心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌（guǐ）跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程（chéng）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（jiàn）有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控編程的原理、圖（tú）形處理方法及（jí）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（fèn）析零件圖，了解工件的大致情況（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）

2、確定零件的數控（kòng）加工工（gōng）藝（加工的（de）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，遵守使用手冊）

5、程序校驗（將程序輸入機床，並進行圖形模擬，驗證編程的（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、工件驗收和（hé）質量誤（wù）差分析（對工件進行檢驗，合格流（liú）入下一道。不合格則通過質量分析找出產生誤（wù）差原因（yīn）和糾正方法）。

數控機床的發展曆（lì）史

二戰後，製造業的生（shēng）產大部分是（shì）依靠人工操作，工（gōng）人看懂圖紙後，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（qī），美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一（yī）種方法（fǎ），在一張硬紙卡上（shàng）打孔來表示需要加工的零件幾何（hé）形狀（zhuàng），利用（yòng）著一張硬卡來控製機（jī）床的動作（zuò），在當時，這隻是一種構思。

1948年，帕森斯向美國空軍展示了他（tā）的這種想法，美國空軍（jun1）看後，表示極大的興趣（qù），因為美國空軍正在尋找一種（zhǒng）先進的加工方（fāng）法，希望解決飛機外型樣板的加工問題，由（yóu）於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的（de）設備難以（yǐ）適應，美國空軍立即委托及讚助美國（guó）麻省理（lǐ）工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻省（shěng）理工學院和帕（pà）森斯公司合作（zuò），成功的研製出了第（dì）一台示範（fàn）機，到了1960年較為簡單和（hé）經（jīng）濟的點位控製鑽床，和直線控製數控銑床得到了較快的發展使（shǐ）數控機床在製造業各部門逐步獲得（dé）推廣。

CNC加工的曆史已經經曆（lì）了長達半個多世紀，NC數控係統也由（yóu）最早的模擬信號電（diàn）路控（kòng）製發展（zhǎn）為極（jí）其複雜的集（jí）成加工係統，編程方式也有（yǒu）手工發展成為智能（néng）化、強大的CAD/CAM集成係統。

就我國而言，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（lái）說。設備比較落後，人員的技（jì）術水平和（hé）觀念落後表現為加工質量和加工效（xiào）率（lǜ）低下（xià），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門和模（mó）擬電路組成的（de），1952年第一台（tái）數控機床誕生，已經從銑床或車床發展到加工中心，成為現代（dài）製造業的關鍵設備。

2、第二代NC係統於1959年產生的，其主要有單個的晶體管和其他部件組成。

3、1965年引入（rù）了第三代NC係統，其首（shǒu）次采用集成電路板。

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

5、1975年，NC係（xì）統采用了強大的微處理器，這就是第五代NC係統。

6、第（dì）六代（dài）NC係統采用了現（xiàn）行的集（jí）成製造係統（MIS）+DNC+柔性加工（gōng）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（kōng）、航天等（děng）工（gōng）業的高速發展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。

a.主軸（zhóu）轉速：機床采用電（diàn）主軸(內裝式主軸電機)，主（zhǔ）軸最高轉速達200000r/min；  

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

c.運算速度：微處理器的迅速發展為數控係統向高速（sù）、高（gāo）精度方向發展提供（gòng）了保障，開發出CPU已發展到32位以及64位的數控係統，頻率提高到幾百兆赫、上（shàng）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（wài）先進加工（gōng）中心（xīn）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（lán）子樣（yàng）式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置（zhì），其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

2.高精度化

數控機床精（jīng）度的要求現在已經（jīng）不局限於靜態的幾何精度，機床的（de）運動精度、熱變形（xíng）以及對振動（dòng）的監測和補償（cháng）越來越獲得重（chóng）視（shì）。

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

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

c.采用網格（gé）解碼器檢查（chá）和提高加工（gōng）中（zhōng）心的運動軌跡精度:通過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重複定位精度，使（shǐ）其性能長期穩定，能夠在不同運（yùn）行條件（jiàn）下（xià）完成多（duō）種加工任務，並保證零件的（de）加工質量。

3.功能複合化

複合機床的含義是指在（zài）一台機床上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種（zhǒng）要素加工。根據其結構特點（diǎn）可分為（wéi）工藝複（fù）合型和工序複合型兩類（lèi）。加工中心能夠完成車（chē）削、銑削、鑽削、滾（gǔn）齒、磨削、激光（guāng）熱處理等多種工序，可完成複（fù）雜零件的全部加工。隨著現代機械加工要求的不斷提（tí）高，大量的多軸聯動數（shù）控機床越來越受到各大（dà）企（qǐ）業的歡迎。

4.控製智能（néng）化

隨著（zhe）人工智能技術的發展，為了滿足製造業生產柔性化、製造自動（dòng）化的發展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現（xiàn）在以下幾個方（fāng）麵（miàn）：

a.  加工過程自（zì）適應控製技術；  

b.加工參數的智能（néng）優化與選擇；  

c.智能故障自診斷與自修複技術；

d.智能故障回放和故障仿真（zhēn）技術；

e.智能化交流伺服驅（qū）動裝置；  

f.智能4M數（shù）控係統：在製造過程中， 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（huà）

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

b.向用戶特殊要求（qiú）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（mǎn）足特殊應用要求；  

c.數控標準的建立：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消耗。

6.驅動並聯化

可實現多坐標聯動數（shù）控加工、裝配和測量多（duō）種功（gōng）能，更能滿足複雜（zá）特種零件的加工，並（bìng）聯機床被認為是“自發明數控技術以來在機床行業（yè）中最有意義（yì）的（de）進步”和“21世紀新一代數控加工設備”。

7.  極（jí）端（duān）化(大型化和微型化)

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（dà）型且性能良好的數（shù）控機床的支撐。而超精密加（jiā）工技術和微（wēi）納米技術是21世紀的戰略技（jì） 術，需發展能（néng）適應微小型尺寸和微納米加工（gōng）精度的新型製造工藝和裝備。

8.  信（xìn）息交互網絡化（huà）

既可以實現網絡資源共享，又能實現數控機床（chuáng）的遠程監視、控（kòng）製、遠程診斷、維護。

9.加工過程綠（lǜ）色化（huà）

近年來不用（yòng）或少用冷卻液、實現幹（gàn）切削、半幹切削節能環保的機床不斷出現，綠色製造的大趨勢使各種節能環保機床加速發展。

10.多（duō）媒體技術的應用

多媒體技術集計（jì）算機、聲（shēng）像和通（tōng）信技（jì）術於一體，使計（jì）算機（jī）具有綜合處理聲音、文（wén）字、圖像和視頻信息（xī）的能力。可以做到信息處理綜合化、智能化，應（yīng）用於實時監控係統和生產現場設備的故障診（zhěn）斷、生產（chǎn）過程參數監測等，因此有著重大（dà）的應用價值。

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