​高端精密（mì）製（zhì）造的CNC數控加工技術（shù）

    數控技術的應用使傳統的製造業發生了質的變化，尤其是近年（nián）來．微電子技術和計算機技術（shù）的發（fā）展給數控技術帶（dài）來了新的活力。數控技術和數控裝備是各（gè）個國家工業現代（dài）化的重要基礎。

    數控機床是現代製造業（yè）的主流設備（bèi），精密加（jiā）工（gōng）的必備裝備，是體現（xiàn）現代（dài）機床技術水平（píng）、現代機械製（zhì）造業工藝水平（píng）的重要（yào）標誌，是關係國計民生、國防尖端建設的戰略物資（zī）。因（yīn）此世界上各工業發達國家均（jun1）采取重大措施（shī）來發展（zhǎn）自己的數控（kòng）技術及其產業。

CNC數控加工

    CNC是英（yīng）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”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼（luó）”。

    數控加工是當今機械製造中的先進（jìn）加工技術，是一種（zhǒng）具有高效（xiào）率、高精度與高柔性特點的自動化（huà）加工方法。它是（shì）將要加工工件的數控程序輸入給機床，機床在這些（xiē）數據的控製下自動加（jiā）工出符合人們意（yì）願的工件，以製（zhì）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、精密（mì）、小批（pī）多變的加工問題，充（chōng）分適應了現代化生產的（de）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（zhǔ）創新能（néng）力的重要途徑。目前我國數控機床使（shǐ）用（yòng）越來越普遍，能熟練掌握（wò）數控（kòng）機床（chuáng）編程，是充分發揮其功能的重要途徑。

    數控機床是（shì）典型（xíng）的機電一體化產品，它集微電子（zǐ）技術、計算機技術、測量技術、傳感器技術、自動控製（zhì）技術（shù）及人工智能（néng）技術等（děng）多種（zhǒng）先進技術於一體，並與機（jī）械加工工藝緊（jǐn）密（mì）結合，是新一代的機械製造技術裝備。

CNC數（shù）控機（jī）床的組成

    數控機床集（jí）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設備。數控機床的基本組成包括控製介質、數控裝置、伺服係（xì）統、反饋裝置及機（jī）床本體

1、控製介（jiè）質

  控製介質是儲（chǔ）存（cún）數控加工所需要的全（quán）部動作刀具相對於工件位置（zhì）信息的媒介物，它記載著零件的加工程序（xù），因此，控製介質就是指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（tā）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（pán）等（děng）。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後（hòu）通過計算機與數控係統（tǒng）通信，將程（chéng）序和數據直接傳送給數控裝置的方法應用越來越廣（guǎng）泛。

2、數控裝置（zhì）

  數控裝置是數控（kòng）機床的核心，人們喻為“中樞係統”。現代數控機床都采用計算機數控裝置CNC。數控裝置包括輸入裝置及（jí）中（zhōng）央處理器(CPU)和輸（shū）出裝置等構成數控裝置（zhì）能完成信息的輸入、存儲、變（biàn）換、插補運算（suàn）以及實（shí）現各種控製功能。

3、伺服係統

    伺服係統是接（jiē）收數控裝置的指令、驅動機床執行機構運動（dòng）的驅（qū）動部件（jiàn）。包括主軸驅動單元、進（jìn）給（gěi）驅動單元、主軸電機（jī）和（hé）進給電機等。工作時（shí），伺服係統接受數控係統（tǒng）的（de）指令信息，並按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較後（hòu），帶動機床的移動部件（jiàn）或執行部件動作，加工出符合（hé）圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

    反饋裝置是由測量（liàng）元件和相應的電（diàn）路組成，其作用是檢測速度和位移，並將信息反饋（kuì）回來，構成閉環控（kòng）製。一些精度要求不高的（de）數控機床（chuáng），沒有反饋裝置，則（zé）稱為（wéi）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（xuē）加工的（de）機（jī）械部分，它包括床身（shēn）、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加（jiā）工工藝的特點

    CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律，與普通機床（chuáng）的加工工藝大體相同。由於它是把計算機控（kòng）製技術（shù）應用於機械加工之中的一種自（zì）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（dú）特之處，工序較為複雜，工步（bù）安排較為詳盡周密。

    CNC數控加工工藝包（bāo）括刀具的（de）選擇（zé）、切（qiē）削參數的確定（dìng）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程序。衡量數控程序好壞的標準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加工出最（zuì）佳效果的工件。

    數控加工工序是工件整（zhěng）體加（jiā）工（gōng）工藝的一部分，甚至（zhì）是一道工序。它要與其他前後工序相互配合，才能最終（zhōng）滿足整體機器或模（mó）具的裝配要求（qiú），這樣才能加工出合格的零件。

    數控加工（gōng）工序一（yī）般（bān）分為粗加工、中粗清角加工、半精加工及精（jīng）加工等工步（bù）。

CNC的數控編程（chéng）

  數控（kòng）編程是從零件（jiàn）圖紙到獲得數控（kòng）加工（gōng）程序的全過程。它的主要任務是計（jì）算加工走刀中的刀位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位（wèi）點一般取為刀具軸線與刀具表麵的交（jiāo）點，多（duō）軸加（jiā）工中還要給出刀軸矢量。

    數控機床是根據工件圖（tú）樣要求及加工工藝過程，將（jiāng）所用（yòng）刀具及各部件的移動量（liàng）、速度（dù）和動作先後（hòu）順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻（què）等操作（zuò），以規定的數控代碼形式（shì）編成程序單，輸入到機床專用計算機中。然後，數控係統根據輸入的指令進行編（biān）譯、運算（suàn）和邏輯處理（lǐ）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效能的發揮影響極大。

    數控機床必須把代表各種不同功（gōng）能的指令代碼以程序的形式輸入數（shù）控裝置，由數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝（chōng）信號來控製數控機床的各個運動部件的操作，從而完成零件的切削加工。

  目前數控程序有兩個標（biāo）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的數控編程一般很少（shǎo）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，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計（jì）算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程序後處理和數據管理等。

  目（mù）前，在我國深受用（yòng）戶喜歡（huān）的、數控編（biān）程（chéng）功（gōng）能強（qiáng）大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控編程的原理、圖形處理方法及加工方法都（dōu）大同小異，但各有特點。

CNC數控（kòng）加工零件（jiàn）的步驟

    1、分析零件圖，了解工件的大致情況（幾何形（xíng）狀，工件材料，工藝要（yào）求（qiú）等）

    2、確定零件的數控（kòng）加工工（gōng）藝（加工的內容，加工的路線）

    3、進行必（bì）要的數值計算（基點、節（jiē）點的坐標（biāo）計算）

    4、編寫（xiě）程序單（不同（tóng）機床（chuáng）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，並進行圖形模擬，驗（yàn）證編程的正確）

    6、對工件進行加工（好的過程（chéng）控（kòng）製能很好的節約時間和（hé）提高加工質（zhì）量）

    7、工件驗收和質量誤差分析（xī）（對工（gōng）件進行檢驗，合（hé）格（gé）流（liú）入下一（yī）道（dào）。不合格則（zé）通過質量分析找出產生誤差（chà）原因和（hé）糾正方法）。

數控機床的發展曆史

    二戰後（hòu），製（zhì）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（cāo）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40年代末期，美國有一位工（gōng）程師帕森斯（John Parsons）構思了一種方法，在一張硬紙卡上打（dǎ）孔（kǒng）來表（biǎo）示需要加工（gōng）的零件幾（jǐ）何形狀（zhuàng），利用著一張硬卡來控製機床的動作，在當時，這隻是一種構思。

    1948年，帕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（jun1）正在尋找一種先進的加（jiā）工方法，希望解決飛機外型樣（yàng）板的加（jiā）工問（wèn）題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一（yī）般的設（shè）備難（nán）以適應，美國空軍立即委托及（jí）讚助美（měi）國麻省理工學院（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（sēn）斯公（gōng）司合作（zuò），成功的研製出了第一台（tái）示範機，到了1960年較為簡單（dān）和經（jīng）濟的點位（wèi）控製鑽床，和直線控製數控（kòng）銑床得到了較快的（de）發展使數控機床在製造業（yè）各部門逐步（bù）獲得推廣。

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

    就（jiù）我國而言，數控技術的發展（zhǎn）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（rén）員的技術水平和觀念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，其控製單元主要（yào）有（yǒu）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（chuáng）或車床發展到加（jiā）工中心，成為現代製造業的關鍵設備。

    2、第二代NC係統於1959年產生的，其主（zhǔ）要有單個的晶體管和其（qí）他（tā）部件組成。

    3、1965年引入（rù）了第三（sān）代NC係統（tǒng），其首次采用集成電路板。

    4、實際上，在1964年已經研製出來（lái）了第四代NC係統，即我們非常熟悉的計算機（jī）數（shù）字控製係統（CNC控製係統）。

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

    6、第六代NC係（xì）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（zhǎn）趨勢

1. 高速化

隨著汽車、國防、航空、航（háng）天等工業的高速發展以及（jí）鋁合金等新材料的應用（yòng），對數控機床加工的高速化要求越（yuè）來越（yuè）高（gāo）。

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

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

c. 運算速度：微處理器的迅速發展為數控係統向高速、高精度方向（xiàng）發展提供了保（bǎo）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（dào）幾（jǐ）百兆赫、上千兆赫。由於運算速度（dù）的極大（dà）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（xīn）的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德（dé）國Chiron公司將刀庫設計成籃（lán）子樣式，以主軸為軸心，刀（dāo）具在圓周（zhōu）布置，其（qí）刀到刀的換刀時間僅0.9s。

2. 高精度（dù）化

數控機床精度的要求現（xiàn）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係統控製精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現（xiàn）連續進給，使CNC控製單位精細化，並采（cǎi）用高分辨率位置（zhì）檢測裝置（zhì），提 高位置（zhì）檢測精度，位置伺服係統采（cǎi）用前饋控製與 非線性控製等方法（fǎ）；

b. 采用誤（wù）差補償技術：采用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差（chà）補償（cháng）等技術，對（duì）設備的（de）熱變形誤差和空間誤（wù）差進行綜合（hé）補償。

c. 采用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度: 通過（guò）仿真預測機（jī）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，並保證零件的加工質量。

3. 功能複合化

複（fù）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（fù）合型兩類。 加工中心能夠（gòu）完成（chéng） 車削、銑削、鑽削、滾（gǔn）齒、磨削、激光熱處理等多（duō）種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現代（dài）機械加工要求的（de）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（de）歡迎（yíng）。  

4. 控製（zhì）智能化

隨著人（rén）工智能技術的發展，為了滿足製造業生（shēng）產柔性化、製造（zào）自動化（huà）的發（fā）展需求，數控機床的智能化程（chéng）度在不斷提高。具（jù）體體（tǐ）現在以下幾個方麵（miàn）：

a.  加工過程自適（shì）應（yīng）控（kòng）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（jiāo）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（tǒng）中 。

5. 體係開放化

a. 向未來技術（shù）開（kāi）放：由於（yú）軟硬件接口都遵循公認的標準協議，可采納、吸（xī）收和兼（jiān）容新一代通用軟硬件。  

b. 向（xiàng）用（yòng）戶（hù）特（tè）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求；  

c. 數控標準的建立：標準化的編程語言，既方便用戶（hù） 使用，又降低了和操作效率直接有關的勞（láo）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，更能滿足複雜特種零（líng）件的加（jiā）工，並聯機床被認為（wéi）是“自發（fā）明數控技術以來（lái）在機床行業中最有意義的進步”和“21世紀新一代數控加工設備”。

7.  極端化(大型（xíng）化和微型化 )

國（guó）防、航空、航天事業的（de）發展和能源（yuán）等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床（chuáng）的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略技（jì） 術，需發展能（néng）適應（yīng）微小型尺寸和微納米加工精度的新（xīn）型製造工藝（yì）和裝備。

8.  信息交互網絡化（huà）

既可以實現網絡資（zī）源共享，又能實現數控機床的遠程監視、控（kòng）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（què）液、實現幹切削、半幹切削節能環保的機床（chuáng）不斷（duàn）出（chū）現， 綠（lǜ）色製造的大趨（qū）勢使各種節能（néng）環保機床加（jiā）速發展。

10. 多媒體技術的應（yīng）用

多媒體技術集計（jì）算機、聲像和通信技術（shù）於一體，使計算機具（jù）有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息（xī）的（de）能力。可以做到信息處理綜合化、智能化，應用於（yú）實時監控 係統和生（shēng）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（de）應用價值。

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