​高端精密製造的CNC數控加工技術

數控技術的應用使（shǐ）傳（chuán）統的製造（zào）業發生了（le）質（zhì）的變化，尤其是近（jìn）年（nián）來．微電子技（jì）術和計算機（jī）技術的發展給數控技術帶來了新的活力。數控技術（shù）和數（shù）控（kòng）裝備是各個國家工業現代化（huà）的重要基（jī）礎。

數（shù）控機床是現代製造業的主流設備，精密加工的必備（bèi）裝備，是體現現（xiàn）代機床（chuáng）技術水平、現代機械製造（zào）業工藝水平的重要標誌，是關係（xì）國計民生、國防尖端建設的（de）戰略物資。因（yīn）此世界上各工（gōng）業發達國家均采取重（chóng）大措施來發展自己的數控技術及其（qí）產業。

CNC數控加（jiā）工（gōng）

CNC是（shì）英文Computer Numberical Control的縮寫，意思（sī）是“計（jì）算機數據（jù）控製”，簡單地說就是“數（shù）控加工（gōng）”，在（zài）珠江三（sān）角（jiǎo）洲地區，人（rén）們稱為“電腦鑼”。

數控加工是當今機械製造中（zhōng）的先進（jìn）加工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔（róu）性特點的自（zì）動化加工方法。它是（shì）將要加工工（gōng）件的數控程序輸（shū）入給（gěi）機（jī）床，機床在這些數據的控製下自（zì）動加工出符合人們意願的工件，以製造（zào）出美（měi）妙（miào）的產品。

數控加工技術可有效解決像模具這樣複雜、精（jīng）密、小批多變的（de）加工問題，充分適應了現代化生（shēng）產的需要。大（dà）力發（fā）展數控加工技術已成為我國（guó）加速發展經濟、提（tí）高自主（zhǔ）創新能力的重要途徑。目前我國數控機床使用越來越普遍，能熟練掌握數控機床編程，是充分（fèn）發揮其功能的重要（yào）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、測量技術、傳感器技術、自動控製技術及人工智能（néng）技術等多種先進技術於一體，並與機械加（jiā）工工（gōng）藝緊密結合，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（jí）拖動、動控（kòng）製、檢測等技術為一體的自動化設備。數控（kòng）機床的基本組成包括控製介（jiè）質、數控裝置、伺服係統、反（fǎn）饋裝置及機床本體，如圖

1、控（kòng）製介質

控製介質是儲存數控加工所需（xū）要的全部動作刀具相對（duì）於工件位置信息的媒介物（wù），它記載著（zhe）零件的加工程序，因此，控製介質就是（shì）指將（jiāng）零件加工信息傳送（sòng）到數控裝置（zhì）去的信息載體。控製介質有多種形式（shì），它隨著數（shù）控（kòng）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（děng）。隨著數控技術的發展（zhǎn），穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利（lì）用CAD/CAM軟件在計算機編（biān）程（chéng），然（rán）後通（tōng）過計算機（jī）與數控係統通信，將程序和數據直接傳（chuán）送給數控裝置的方法應（yīng）用越來越廣泛。

2、數控裝置

數控裝置是數控機床的（de）核心，人們喻為“中樞係（xì）統”。現代數控機床都采用（yòng）計算機（jī）數控裝置CNC。數控裝置包括輸（shū）入（rù）裝置（zhì）及中央處理（lǐ）器(CPU)和輸出裝置等（děng）構成數（shù）控裝置能（néng）完成信息的輸入（rù）、存儲、變換（huàn）、插補運算以及實現各種控製功能。

3、伺服係統

伺服係統（tǒng）是接收數控裝（zhuāng）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、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服係統接受（shòu）數（shù）控係統的指令信（xìn）息，並按（àn）照指令（lìng）信（xìn）息的要求與位（wèi）置（zhì）、速度反饋信號相比較後，帶動機床的移動部件（jiàn）或執行部件動作，加（jiā）工出符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

反饋裝置是由測（cè）量（liàng）元件和相應的電路組成，其作用是檢測速度和（hé）位（wèi）移，並將信息反（fǎn）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（xì）統。

5、機床本體

機床（chuáng）本體（tǐ）是數（shù）控機床（chuáng）的實體，是完成實際切削加工的機械部分，它包括床身（shēn）、底座、工作（zuò）台、床鞍、主軸等。

CNC加工工（gōng）藝的（de）特點

CNC數控（kòng）加（jiā）工工藝也遵守機械加工（gōng）切削規律，與普通機床的加工（gōng）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的一種自動化加工，因而（ér）具有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有（yǒu）其獨特之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡（jìn）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（jí）走刀（dāo）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心，隻有工藝合理，才能（néng）編出高效率和高質量的數控程序。衡量數控程序好壞的（de）標準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的（de）工件。

數（shù）控加（jiā）工工序是工件整體（tǐ）加工（gōng）工藝的一部分，甚至是一道工序。它（tā）要與其他（tā）前後工序相互配合，才（cái）能最終滿足整體機器或模具的裝配要求，這樣才能加工出合格的（de）零件。

數控加工工（gōng）序一般分為粗加工、中（zhōng）粗（cū）清角加工、半精加（jiā）工及（jí）精加工等工步。

CNC的數控編程

數控編程是從零件圖紙（zhǐ）到獲得數控加工程序的全過程。它的主要任務是（shì）計算加（jiā）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（chuáng）是根據工件圖樣要求及加工工藝過程，將（jiāng）所用刀具及（jí）各部件的移動（dòng）量、速度和動（dòng）作先後順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾（jiá）緊、刀頭（tóu）鬆開及冷卻等操（cāo）作，以規定的數控代碼形式編成程序單，輸入到（dào）機床專用計算機中。然後，數控係統根據輸入的指令進（jìn）行編譯、運算（suàn）和邏輯處理後，輸出（chū）各種信號（hào）和指令，控製各部（bù）分根據規定的位移和有順序的動作，加工出各種不（bú）同（tóng）形狀的工件。因此，程序的編（biān）製對於數控機床效能的發揮影響極大。

數控（kòng）機床必須把代表各（gè）種不同功能的指令代碼（mǎ）以程序的（de）形式輸入數控裝置，由數控裝（zhuāng）置進行運算處（chù）理，然後發出（chū）脈（mò）衝信（xìn）號來控製數控機（jī）床的各（gè）個運動部件的操作，從而完成零件的切削加工。

目前數控程序有兩個標準：國際標準化組織的ISO和美國電子工業協（xié）會的EIA。我國（guó）采用ISO代（dài）碼（mǎ）。

隨著技術（shù）的進步，3D的數控（kòng）編（biān）程一般很少采用手工編（biān）程（chéng），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，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參（cān）數設置、加工仿真、數（shù）控程序後處理和數（shù）據管理等。

目前，在（zài）我國（guó）深受用戶喜歡（huān）的、數控編程功能（néng）強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控編程的（de）原理（lǐ）、圖形處理方法（fǎ）及加工方法都大同小（xiǎo）異，但（dàn）各有特點。

CNC數控加工零（líng）件的步驟

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

2、確定零件的數控加工工藝（加工的內容（róng），加工的路線）

3、進行必（bì）要的數（shù）值計（jì）算（suàn）（基點、節點的坐標（biāo）計算）

4、編寫程序單（不同機床會有所不同，遵（zūn）守使（shǐ）用手冊）

5、程序校驗（將程序輸入機床，並（bìng）進行圖形（xíng）模擬，驗證編程的正確）

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

7、工件驗收和質量誤差分析（xī）（對工件進（jìn）行檢驗，合格流入（rù）下一道。不合（hé）格則通過質量分析找出產生誤差原（yuán）因和糾正方法（fǎ））。

數控機床的發展曆史（shǐ）

二戰（zhàn）後，製造業的生產大部（bù）分是依靠人工操作，工人看（kàn）懂圖紙後，手工操作機（jī）床，加工零件，用這種方式生產產品，成本高（gāo），效率低，質量也得不到保證。

在20世紀40年代末期，美國有一位工程師（shī）帕森斯（John Parsons）構思（sī）了一種方法，在一張硬紙（zhǐ）卡上打孔來表示（shì）需要加（jiā）工的零件幾何形（xíng）狀，利用著一張硬卡來控製機床的動作，在當（dāng）時，這（zhè）隻是（shì）一種（zhǒng）構思。

1948年，帕森斯（sī）向美國空軍展示了他的這種想法，美國（guó）空軍看後，表示極大的（de）興趣，因為美國空軍正在（zài）尋（xún）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（zhuàng）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（shěng）理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡（kǎ）紙來控製的機床，終於在1952年，麻省理工學院和（hé）帕森斯公司合作，成（chéng）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（zhí）線控製數控銑（xǐ）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。

CNC加工的曆史已經經曆了長達半（bàn）個多世紀，NC數控係統也由最早的模擬信號電路（lù）控製發展為（wéi）極（jí）其複雜的集成加工係統，編程方式也有手工發展成為（wéi）智能化（huà）、強大的CAD/CAM集成係統。

就（jiù）我（wǒ）國而言，數控技術的發展是比較緩（huǎn）慢的，對於國內的大多數車間來說。設（shè）備（bèi）比較落後，人員的技術水平和觀（guān）念（niàn）落後表現為加工質量和加工效率低下，經常拖延交（jiāo）貨期。

1、第一（yī）代NC係統是在1951年引入的，其控製（zhì）單元主要有各種閥門和模擬電路組成的（de），1952年（nián）第一台數控機床誕生，已經從銑床或車床發（fā）展到加（jiā）工（gōng）中心，成為現代製造業（yè）的關鍵設備。

2、第（dì）二代NC係統於1959年產生的，其主（zhǔ）要有單個（gè）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（zhì）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控製係統）。

5、1975年，NC係統（tǒng）采用了（le）強大的（de）微處理器，這就是第五代NC係統。

6、第六代NC係統采用了現行的集成製造係統（MIS）+DNC+柔性加工係統（FMS）

數控機床的發展趨勢

1.高速化

隨著汽車（chē）、國防（fáng）、航空、航天等工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（yào）求越來越高。

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

b.進給率：在分辨率（lǜ）為0.01μm時，最大進給率達到240m/min且可（kě）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、高精（jīng）度方向發展提供了保障，開（kāi）發（fā）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、上千兆赫。由於運算速度的極大提高（gāo），使得當分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能（néng）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（gāo）的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸（zhóu）為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換（huàn）刀（dāo）時間僅0.9s。

2.高精度化

數控（kòng）機床（chuáng）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、熱變形（xíng）以及對振動的監測和補償越來越獲得重視。

a.提高CNC係統（tǒng）控製精度（dù）：采用高速插補技術，以微小程（chéng）序段實現連續（xù）進給（gěi），使CNC控製單位精細（xì）化，並采用（yòng）高分辨率位置檢測裝置，提 高位置檢測精度，位（wèi）置伺服係統采用前饋控（kòng）製與 非線性控製等方法；

b.采用誤差補（bǔ）償（cháng）技術：采用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設（shè）備（bèi）的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。

c.采用網格解碼器檢查和提高加工中（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（de）定位精（jīng）度和重複定位精度，使其性能長期穩定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，並保證零件（jiàn）的（de）加工質量。

3.功能複合化

複合機床的含義是指在一台機床上（shàng）實現或盡可能（néng）完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合型和工序複合型兩類。加工中心能夠完成車削、銑削（xuē）、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等（děng）多種工（gōng）序，可（kě）完成複雜零（líng）件的全（quán）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（lái）越受到各大企業的歡迎。

4.控製智能化

隨著人工智能技術的發展，為了滿足製造（zào）業生產柔性化（huà）、製造自（zì）動化（huà）的發展需求，數控機床（chuáng）的智能化程度在不斷提高。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（yōu）化與選擇；  

c.智能故障自診斷與自修複（fù）技術；

d.智能故障回放和故障仿真（zhēn）技術；

e.智能化交流伺服驅動裝置；  

f.智能4M數控係統：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（kāi）放化

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

b.向用（yòng）戶特殊要求開（kāi）放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種（zhǒng）組合以滿足特殊應用要求；  

c.數（shù）控標準的建立：標準化（huà）的編程（chéng）語言，既方便用戶 使用，又降低了和（hé）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（zuò）標聯動數（shù）控加工（gōng）、裝配和測（cè）量多種（zhǒng）功能，更能滿足（zú）複雜特種零件的加（jiā）工，並聯機床被（bèi）認為是“自發明數（shù）控技術以來在機床行業中最有意義的進步”和“21世紀新一代數控（kòng）加（jiā）工設備”。

7.  極端（duān）化(大型化和微型化)

國防、航空、航天事（shì）業的發展和能（néng）源等基礎產（chǎn）業裝備的大（dà）型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微（wēi）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（dù）的新型製造（zào）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（jiān）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（bǎo）機床加速發展。

10.多媒（méi）體技術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通（tōng）信技術於一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像（xiàng）和視頻信（xìn）息的能力。可以做到信息處理綜合化、智能化（huà），應用於實時監控係統和生產現場設備的故障診（zhěn）斷、生產過程參數監測等，因此有著重大的應用價值（zhí）。

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