​高端精密（mì）製（zhì）造的（de）CNC數控加工技術

數控技術（shù）的應用使傳統（tǒng）的（de）製造業發生了質（zhì）的變（biàn）化，尤其是近年來．微電子技術和計算（suàn）機技術的發展給（gěi）數控技術帶來了新的活力。數控技（jì）術和數控裝備（bèi）是各個國家工業現代化（huà）的重要基礎（chǔ）。

數控機床是現代製造業的主流設備，精密加工（gōng）的必備裝備（bèi），是（shì）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（mín）生、國防尖端（duān）建設的戰（zhàn）略物資。因此世界上各工業發達國家均采取（qǔ）重大措施來（lái）發展自己的數控技（jì）術及其產業。

CNC數控加工

CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫，意思是“計（jì）算（suàn）機數據控製（zhì）”，簡單地說就是“數控加工”，在珠江三角洲地區，人（rén）們稱為“電腦鑼”。

數控加工是當今機械製（zhì）造中的先進加工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點的（de）自動化加工方法。它是將要加工工件（jiàn）的數控（kòng）程序輸入給機床，機床在這些數據（jù）的控製下自動加工出符合人（rén）們意願的工件，以（yǐ）製造（zào）出美（měi）妙的產品。

數控（kòng）加工技術可有效解決像模具（jù）這（zhè）樣複雜、精密、小批多變的加工問（wèn）題，充分適應了現代化生產的需要（yào）。大力發展數（shù）控加工技術已成為我國加（jiā）速發展經（jīng）濟、提高自主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，是充分發揮（huī）其功（gōng）能的重要（yào）途（tú）徑。

數（shù）控（kòng）機床是典型的機電一體化產品（pǐn），它集微電子技術、計算（suàn）機技術、測量技術、傳感器技術、自（zì）動控（kòng）製技（jì）術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（gōng）藝緊密結合，是新一代的機械製造技術裝（zhuāng）備。

CNC數（shù）控（kòng）機床的組成

數控機床集機床、計算機、電動機及拖動、動控製、檢測等技術為一體的自動化（huà）設備（bèi）。數控機床的基本組成（chéng）包（bāo）括控製介質、數控裝置、伺服係統、反饋裝置（zhì）及機床本體（tǐ），如圖

1、控製介質（zhì）

控（kòng）製介質是儲存數（shù）控加工所需要的全部（bù）動作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序，因（yīn）此，控（kòng）製介（jiè）質就（jiù）是指將零件加工信息傳送到數控裝置（zhì）去的信息載體。控製介（jiè）質有多種形（xíng）式，它隨著數控（kòng）裝置類型的（de）不同而不同，常（cháng）用的有穿孔（kǒng）帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等（děng）。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨（qū）於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過計算機與數（shù）控係統通信，將程（chéng）序和數據直接傳送（sòng）給數（shù）控裝置的（de）方法應用（yòng）越來越（yuè）廣泛。

2、數控裝置

數控裝置是（shì）數控機（jī）床的（de）核心，人們喻為（wéi）“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（zhì）包括輸入裝置及中央處理器(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（bǔ）運算以及實現各種控製功能。

3、伺服係統

伺服係統是接收數控裝置的指令、驅動機床執行機構運動的驅動部件。包（bāo）括主軸驅動單元、進（jìn）給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服係統接（jiē）受數（shù）控係統的指令信息，並按照指令信（xìn）息的要求與位置、速度反饋信號相（xiàng）比較後，帶動機床的移動部件或（huò）執行部件動作（zuò），加工出符（fú）合圖紙（zhǐ）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（lù）組成，其作用是檢測速度和（hé）位移，並將信息反饋回來，構成閉（bì）環控製。一些精度要求不高的數控（kòng）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（shì）數控機床的（de）實體，是完成實際（jì）切削加工的機械（xiè）部分（fèn），它包括床身、底座、工作台、床鞍（ān）、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（tōng）機床的加工工藝大體相同。由於它是把計算機控製技術應用於機（jī）械加（jiā）工（gōng）之中的一種自動化（huà）加工，因而具有（yǒu）加工效率高、精度高等（děng）特點，加工工藝有（yǒu）其獨特之處，工序較為複雜，工步安排（pái）較為詳盡周密。

CNC數控加工（gōng）工藝包括刀（dāo）具的選擇、切削參數的確定（dìng）及走刀（dāo）工藝路線的設計等內（nèi）容。CNC數控加工工藝是數（shù）控編程的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高（gāo）效（xiào）率和高質量的（de）數控程序（xù）。衡量數控程序（xù）好壞的標準是：最少的加（jiā）工時間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工件（jiàn）。

數控加工工序是工件整（zhěng）體加工工藝的（de）一部分，甚至是一道工序。它（tā）要與其他前後工序相互配合（hé），才能最終滿足整體機器或（huò）模具的裝配要求（qiú），這樣才能加工出合（hé）格的（de）零件。

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

CNC的數控編程（chéng）

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（shì）計算加工走刀中的刀位（wèi）點（diǎn）（cutter locations point簡稱CL點（diǎn））。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表（biǎo）麵的交（jiāo）點（diǎn），多軸加工中還要給出刀軸矢量。

數控機床是根（gēn）據工件圖樣（yàng）要求及加工工藝過程，將所用刀具及（jí）各部件的移動量、速度和（hé）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單，輸入（rù）到機床（chuáng）專用計算機（jī）中。然（rán）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（hào）和指令，控製各部分根據規定的位移和有順序的動作，加工出各種不同形狀的工（gōng）件。因此，程序的編製對（duì）於數控機床效能（néng）的發揮影響極大。

數控機床必須把代表各種不同功能的（de）指令代碼以程序（xù）的形式輸入（rù）數控（kòng）裝（zhuāng）置，由數控裝置進行運算（suàn）處理，然後（hòu）發出脈衝信號來控製數控機床的（de）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（zǔ）織的ISO和美國電子（zǐ）工業協（xié）會的（de）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采用（yòng）手工編程，而使用（yòng）商品化的CAD/CAM軟件。

CAD/CAM是計算機（jī）輔助編程係統的核心，主要功能有數據的輸入/輸（shū）出、加工軌跡的計算及（jí）編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控（kòng）程序（xù）後處理和數據管理等。

目前，在我國深受用（yòng）戶喜歡的、數控編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟（ruǎn）件對於數控編程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同（tóng）小異，但（dàn）各有特點。

CNC數（shù）控加工零件的（de）步驟

1、分析零件圖，了（le）解工件的大致情（qíng）況（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）

2、確定零件的數控加工工藝（加工的內容，加工的路線）

3、進行（háng）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（bú）同，遵守使用手冊）

5、程序校（xiào）驗（將（jiāng）程序輸入機床（chuáng），並進行圖形模擬，驗證編程（chéng）的（de）正確）

6、對工件進行加工（好的過程控製能很好的節約時間和提高加工質量）

7、工件驗收和質量誤差分析（對（duì）工件進行（háng）檢驗，合（hé）格流入下一道。不合格則（zé）通過質量分析找出產生誤差原因和（hé）糾正（zhèng）方法）。

數控機（jī）床的發展曆史

二（èr）戰後，製造業的生產大部（bù）分是依靠（kào）人工操作，工人看懂圖紙後（hòu），手工操作機床，加工零件，用這種方式生（shēng）產產品，成本高，效（xiào）率低，質量也得不到保證。

在（zài）20世紀40年代末期，美國有一位工程師（shī）帕森斯（John Parsons）構思了一種方法，在一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀，利用著（zhe）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（zhè）種想法，美（měi）國空軍看後，表示極大的興趣（qù），因為美國空軍正在尋（xún）找一種先進的加工方法（fǎ），希望解決飛（fēi）機外型樣板的加工問題，由於樣板形狀複雜，精（jīng）度要求高，一般的設備難以適應，美國空軍立即委托及讚助美國麻省（shěng）理工學（xué）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斯公司合作，成（chéng）功的研製出了第一台示範機，到（dào）了1960年較為簡單和經濟的點位控製（zhì）鑽床，和直線控製數控銑床得到了較快的發展使數控機床（chuáng）在製造業各部門逐步獲得推廣。

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

就我國而言，數（shù）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（bèi）比較落後，人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，經常拖延交貨期。

1、第（dì）一代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，1952年（nián）第一台數控機床誕（dàn）生，已經從銑床或車床發展到加工中心（xīn），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（qí）主要有單（dān）個的晶體管（guǎn）和其（qí）他（tā）部件（jiàn）組成。

3、1965年引入了第（dì）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（zhì）出（chū）來了第四代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（nián），NC係（xì）統采用了強大的微處理器，這就是第五代（dài）NC係統。

6、第（dì）六代（dài）NC係統采用了現行的集成製（zhì）造係統（MIS）+DNC+柔性加工係（xì）統（tǒng）（FMS）

數控機床（chuáng）的發展（zhǎn）趨勢

1.高速化

隨著汽車、國防（fáng）、航空、航（háng）天等工業（yè）的高速發展（zhǎn）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（qiú）越來越高。

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

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

c.運算速度：微處理器的迅（xùn）速發展為數控係統（tǒng）向高速、高精（jīng）度方向發展提供了保障，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、上千（qiān）兆赫（hè）。由於運算速度（dù）的極大提高，使得當分辨率為0.1μm、0.01μm時仍（réng）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（jìn）加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右（yòu），高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計（jì）成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓（yuán）周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

2.高精（jīng）度化

數控機床精度的要求現在已經不局（jú）限（xiàn）於靜態的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動（dòng）的監測和補償（cháng）越來越獲得（dé）重視。

a.提（tí）高（gāo）CNC係統控製精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續進（jìn）給，使CNC控製單位精細化，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（tǒng）采用前饋控製與 非線性控製等（děng）方法；

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

c.采用網格解碼（mǎ）器檢查和提高加工中心的運（yùn）動軌跡精度:通過仿真（zhēn）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，使其性能長（zhǎng）期穩定，能夠在不同（tóng）運行條件下完成多種加工任務，並保（bǎo）證（zhèng）零（líng）件的加工質量。

3.功能複合化

複合機床的含義是指在一（yī）台機床（chuáng）上實現或盡可能完成從毛（máo）坯至成品（pǐn）的多種要素加工。根據其結構特點可分為工（gōng）藝複合型和（hé）工序複合型兩類。加（jiā）工中心能（néng）夠完（wán）成車削、銑（xǐ）削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成複雜零件（jiàn）的全部加工。隨著現（xiàn）代機械加工（gōng）要求的不斷提高，大量的（de）多軸聯動（dòng）數控機床越來越受到（dào）各大企業的歡迎。

4.控製智能化

隨著人工智（zhì）能（néng）技術的發展，為了（le）滿足製造業生產柔性化、製造自動化的發展需求，數控機床的（de）智能化程（chéng）度在（zài）不斷提高。具體體現在以下幾個方麵：

a.  加（jiā）工過程自適（shì）應控製技術；  

b.加工參數的智能優化與選（xuǎn）擇；  

c.智能故障自診斷與自修複技術；

d.智能故（gù）障回放（fàng）和故障仿真（zhēn）技術；

e.智能化交流伺服驅動裝（zhuāng）置；  

f.智能4M數控係（xì）統：在製造過程中， 將測量 、建模、加工、機器操作（zuò）四者(即（jí）4M)融（róng）合在（zài）一個係統中 。

5.體係開放化（huà）

a.向未（wèi）來技術開放：由於軟硬（yìng）件接口（kǒu）都遵循公認的標準協議，可（kě）采納、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、提供硬（yìng）軟件產品的各種組合以滿足（zú）特殊應（yīng）用要求；  

c.數控標準的建立：標準（zhǔn）化的（de）編程語言，既（jì）方便用戶 使用，又降低了和操作（zuò）效率直接有關的勞動消耗。

6.驅動並聯化（huà）

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

7.  極端化(大型化和微型化)

國（guó）防、航空、航天事業（yè）的發展和能源等基礎產業裝（zhuāng）備的大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納（nà）米（mǐ）技術是21世（shì）紀（jì）的戰略技 術，需發展能適應微小型尺寸和微納（nà）米加工精度的新型製造工藝和裝（zhuāng）備（bèi）。

8.  信息交互（hù）網絡化

既可以實現網絡資源共享，又能實現數控（kòng）機床的遠程監視、控製、遠程診斷、維（wéi）護。

9.加工過（guò）程綠色化

近年來不用或少用冷（lěng）卻液、實現幹切削、半幹切削節能環（huán）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.多媒體技術的應（yīng）用

多媒體技術集計算機、聲（shēng）像和通（tōng）信技術於一體，使計（jì）算機具有綜合處理（lǐ）聲音、文字、圖像和視頻信息的能（néng）力（lì）。可以做到信息處理綜（zōng）合化（huà）、智能化，應用於實時監控係統和生產現場設備的故障診（zhěn）斷、生（shēng）產（chǎn）過程參數監測等，因此（cǐ）有著重大的應用價（jià）值。

目前，數控機床的（de）發展日新月異，高速（sù）化、高精（jīng）度化、複合化、智能化（huà）、開（kāi）放化、並聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成為數控機床發展的趨勢和方向。