高端精密製造的CNC數控加工技術（shù）

　　

 

    數控技術的應用使傳統（tǒng）的製造業發生了質的變化，尤其是（shì）近年來．微電子技術（shù）和計算機（jī）技術的發展給數控技術帶（dài）來了新的活力。數控技（jì）術和數控裝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設備，精密加工的必備裝備（bèi），是體現現代機床技術水平、現代機械製造業工藝（yì）水平的重要標誌，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（yè）發達國（guó）家均采取重大措施來發展自己的數控（kòng）技術及（jí）其產業（yè）。

 

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（kòng）加工”，在珠江（jiāng）三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

 

    數控加工是當今機械製造（zào）中的先進加工技術，是一種具有高效率、高精度與高（gāo）柔性特點的自（zì）動化加工方法。它是（shì）將要加工工件的數控程序輸（shū）入給機床，機床在這些數據的控製（zhì）下自動加工出符合人們意願（yuàn）的工件，以製造出美妙的產品。

 

    數控加工技術可有效解決像模具這樣複雜（zá）、精密、小批多變的加工問題，充分適應（yīng）了現代化生產（chǎn）的需要。大力發展數控加工技術已成為我國加速發（fā）展（zhǎn）經濟、提高自主創新能（néng）力的重要（yào）途（tú）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（chéng），是充分發揮其功能的重（chóng）要途徑。

 

    數（shù）控機床（chuáng）是（shì）典型的機電一體化（huà）產品，它集微電子（zǐ）技術（shù）、計算機技（jì）術（shù）、測量技術、傳（chuán）感器技術、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（jī）械加工工藝緊密結合，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（jì）算機、電動機及（jí）拖（tuō）動、動控製、檢測等技術為（wéi）一體（tǐ）的自動化設備。數控機床的基本組成包括控製介質、數控（kòng）裝置、伺服係統、反饋裝置及機床本體

 

1、控製介質

 

  控製介質是儲存數控加工所需要的全部動作（zuò）刀具相對於工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程（chéng）序，因此，控製介質就是指將零件加（jiā）工（gōng）信息傳送到數控裝置去的信息載體。控（kòng）製介質有多（duō）種形式，它隨著數控裝置類（lèi）型的不同而不同，常用的有穿孔帶（dài）、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘（táo）汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過（guò）計算機與數控係統通信，將程序和數據直接傳送給數控裝置的方法應用（yòng）越來越廣泛。

 

2、數控裝置

 

  數控裝置是數（shù）控機（jī）床的核心，人們喻為（wéi）“中（zhōng）樞係統”。現代（dài）數控機床都采用計算機數控裝置CNC。數控裝置包（bāo）括輸入裝置及中央（yāng）處理器(CPU)和輸出裝置（zhì）等構成數控裝置能完成信息的輸（shū）入、存儲、變換（huàn）、插補運算以及實現各（gè）種控製功能。

 

3、伺服係統

 

    伺服係統是接收數控裝置的指令、驅（qū）動機床執行（háng）機構運動的（de）驅動部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元（yuán）、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服係統接（jiē）受數控係統的指令信息，並按照指令信息（xī）的要求與位置、速度反饋信號相比較後，帶動（dòng）機床的移動部件或執行部件（jiàn）動作，加（jiā）工出符合圖紙要求的零（líng）件。

 

4、反饋裝置（zhì）

 

    反饋裝置是由測量（liàng）元件和相應的電路組成，其（qí）作（zuò）用是檢測（cè）速度（dù）和位移，並將信息反（fǎn）饋回來，構（gòu）成閉環（huán）控製。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

 

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

 

CNC加工工（gōng）藝的特點

 

    CNC數控加工工（gōng）藝也遵守機（jī）械加工切削規律，與（yǔ）普通機（jī）床的加工工藝大體（tǐ）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，工序較為複雜，工步安排較為詳盡周密。

 

    CNC數控加工工（gōng）藝包括刀具（jù）的選擇、切削參數的確（què）定及走刀工藝路（lù）線（xiàn）的設計等（děng）內容。CNC數控加工工藝是數控（kòng）編程的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出（chū）高效率和高質量的數控程序。衡量數控程序好壞的標準是：最少的（de）加工時間（jiān）、最小的刀具損耗及加工出（chū）最佳效果的工件。

 

    數控加工工序是工件整（zhěng）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（tǐ）機器或模具的裝配要（yào）求，這（zhè）樣才能加工出合格的零件。

 

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

 

CNC的數控編（biān）程

 

  數控編程是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（suàn）加（jiā）工走（zǒu）刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點（diǎn）一般取為刀具軸線與刀具表麵的交點，多軸加（jiā）工中還要給（gěi）出刀軸矢量。

 

    數控機床是根據工件圖（tú）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、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀（dāo）頭（tóu）鬆開及冷卻等（děng）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（yòng）計算機中。然後，數（shù）控係統根據（jù）輸（shū）入的指（zhǐ）令進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信號和指令，控製各部分根據（jù）規（guī）定的位移和有順（shùn）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（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（zhǐ）令代碼以程序的形式（shì）輸入數控裝置，由數控裝置（zhì）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的操作，從而完成零件的切削加工（gōng）。

 

  目前數控程序有兩個標（biāo）準：國（guó）際標準化組（zǔ）織的ISO和美國電子工業協會的EIA。我國采（cǎi）用ISO代碼。

 

  隨著技術的進步，3D的數（shù）控編程一（yī）般很少（shǎo）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、工藝參數設置、加工仿真、數控（kòng）程序後處理和數據管（guǎn）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。各軟件對於數控編程的原（yuán）理、圖形處理方法（fǎ）及加工方法都大同小異，但各有特點（diǎn）。

 

CNC數控加工零件的步驟

 

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

 

    2、確定零件（jiàn）的數控加工工藝（加（jiā）工的內容，加工的路線）

 

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

 

    4、編寫程序單（不（bú）同機床（chuáng）會有所（suǒ）不同，遵守使（shǐ）用手冊）

 

    5、程序校驗（將程序輸入機床，並（bìng）進（jìn）行（háng）圖形模擬，驗證編程（chéng）的正確）

 

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

 

    7、工件驗（yàn）收和質量誤差分析（對工件進行檢驗（yàn），合格流入下一道。不合格則通過質量分析找出（chū）產（chǎn）生誤差原因和糾正方法）。

 

數控機床的發展曆史

 

    二戰後（hòu），製造業的生產大部分是依靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作機床，加工零件，用這種（zhǒng）方式生產產（chǎn）品，成本高，效率低，質量（liàng）也得不到保證。

 

  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（zhǒng）方法，在一張硬紙（zhǐ）卡上打孔（kǒng）來表示需要加工的零件幾何形狀，利用著一張硬（yìng）卡來控製機床的動作，在當時，這隻（zhī）是一種（zhǒng）構思。

 

    1948年，帕森斯向美（měi）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（wéi）美國空軍正在尋找一種先進（jìn）的加工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問（wèn）題，由於樣板形狀複雜，精度（dù）要求高，一般的設備難以適應，美國空軍立即（jí）委托及讚助美國麻省理工（gōng）學院（yuàn）（MIT）進行研（yán）究，開發這部硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻省理工學院和帕森斯公司合作，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（zhì）數（shù）控銑床得到了較快的發展使數控機床在製（zhì）造（zào）業各部門逐步獲得（dé）推廣。

 

    CNC加工的曆史（shǐ）已經經曆了（le）長達（dá）半個多世紀，NC數控係統也由最早的模擬信號電路控製發展為極其複雜的集（jí）成加工係統（tǒng），編程方式也（yě）有手工（gōng）發展成為智（zhì）能化、強大（dà）的CAD/CAM集成係統。

 

    就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢的，對於國內（nèi）的（de）大多數車間（jiān）來說。設備比較落後，人員的技術水平和（hé）觀念（niàn）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，其控製單元主要有各種（zhǒng）閥門和模擬電路組成的（de），1952年第一台數（shù）控機床誕生，已經從銑床（chuáng）或車床發展到加工中心，成為現代製造業的（de）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（guǎn）和其他部件組成。

 

    3、1965年引入了第三代NC係統，其首次（cì）采用集成電路（lù）板。

 

    4、實際上（shàng），在（zài）1964年（nián）已經研（yán）製出來了第（dì）四代NC係統，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（dà）的微處理器，這（zhè）就是第五代（dài）NC係統。

 

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

 

數控機床的發展趨勢

 

1. 高速化

 

隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速發（fā）展以及鋁合（hé）金（jīn）等新材料的應用，對數控機床（chuáng）加工的高速化要求越來（lái）越高。

 

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

 

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

 

c. 運算速度：微處理器的迅速發（fā）展為數控係統（tǒng）向高速、高精度（dù）方向發展提供了保障（zhàng），開發出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（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：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時（shí）間僅（jǐn）0.9s。

 

2. 高（gāo）精度化

 

數控機床精（jīng）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（yuè）來越獲得（dé）重視。

 

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

 

b. 采用（yòng）誤差補償技術：采用反（fǎn）向間隙補（bǔ）償、絲杆螺距誤差（chà）補償和刀具誤差補償等技術，對設（shè）備的熱變形誤差和空間誤差進行（háng）綜合補償。

 

c. 采用網格解碼器檢查和提高加（jiā）工中（zhōng）心的運動軌跡精度: 通過（guò）仿真（zhēn）預測（cè）機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重複定位精度，使其性（xìng）能長期穩（wěn）定，能夠在不（bú）同運行條件下完成（chéng）多種加工任務，並保（bǎo）證（zhèng）零件的加工質量。

 

3. 功能複合化

    

複合機床的含（hán）義是（shì）指在一台（tái）機床上（shàng）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（kě）分為工藝複合型和工序複（fù）合型兩類。 加工（gōng）中心能夠完成（chéng） 車削、銑削、鑽削、滾齒（chǐ）、磨削、激（jī）光（guāng）熱處理（lǐ）等多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨（suí）著現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

 

隨著人工智能技術的發展，為了滿足製造業生產柔性（xìng）化（huà）、製造自動（dòng）化的（de）發展需求，數控機床的智（zhì）能化程度在不斷提高。具體體（tǐ）現在以下幾（jǐ）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技術；

e. 智能化交流伺服（fú）驅動裝置（zhì）；  

 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（xì）開放化

 

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

 

b. 向用戶特殊要求開（kāi）放：更（gèng）新產品、擴充功（gōng）能、提供硬軟件產品的各種組合以滿足特殊應用要求；  

 

c. 數控標準的建立：標準化的編程語（yǔ）言，既方便用戶 使用，又降（jiàng）低了和操作效（xiào）率直接有關的勞動消耗。

 

6. 驅動並聯化

    

可（kě）實現多坐標聯動數控加工（gōng）、裝配和測量多種功能，更能滿足複（fù）雜特種零件的加（jiā）工，並聯機床被認（rèn）為是“自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（yī）代數（shù）控加工（gōng）設備”。

 

7.  極端化(大型化和微型化 )

 

國防、航空、航（háng）天（tiān）事業的發展（zhǎn）和能（néng）源等基礎產業裝備的大型化需（xū）要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工（gōng）技術和微（wēi）納米技（jì）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.  信息交（jiāo）互網絡化

 

既可（kě）以（yǐ）實現網絡（luò）資源共（gòng）享，又能實現數控機床的遠程監視、控製、遠程（chéng）診斷、維護。

 

9. 加工過程綠色化

 

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

 

10. 多媒體技術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一體，使計算機具（jù）有綜合處理聲音、文字、圖像和（hé）視（shì）頻信息（xī）的能力。可（kě）以做到信息處理綜合化、智（zhì）能（néng）化，應用於實時監（jiān）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（zhe）重大的應（yīng）用價值（zhí）。

 

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