高端精密製造的（de）CNC數控加工（gōng）技術

　　

 

    數控技術的應用使傳（chuán）統的製造業發生了質的變化，尤（yóu）其是近年來．微電子技術和計算機技術的發展（zhǎn）給數控技術帶來了新的活力。數控（kòng）技術和數控裝備（bèi）是各個國家工業現代化的重（chóng）要基礎。

 

    數控（kòng）機床是現代製造業的主流設（shè）備（bèi），精密（mì）加工（gōng）的必（bì）備裝備，是體現現代機床技（jì）術水平（píng）、現代機械製造業工藝水平的重要標誌，是關係國計民生、國防尖端（duān）建設的戰略（luè）物資。因此世界（jiè）上各工業發達（dá）國家均采取重大措施來發展自己的（de）數控技（jì）術及其產業。

 

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”，簡單地說就是（shì）“數控加工”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

 

    數控加工是當今機械製造中的先進加工技（jì）術，是一種具有高效（xiào）率、高精度與高柔性特點的自動化加工方法。它是將（jiāng）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（chū）符合人們意願的工件，以製（zhì）造出美妙的（de）產品。

 

    數控加工技術可有（yǒu）效解決像（xiàng）模具這樣複雜、精密、小批多變的（de）加工問題，充分適應了現代（dài）化生產的需要（yào）。大力發展（zhǎn）數控加工技術已成為我國加速發展經（jīng）濟、提高自（zì）主創新能力的重要（yào）途徑。目前我國數控機床使用越來越普遍，能熟練掌握數控（kòng）機床編（biān）程，是充分發揮其功能的重要途徑。

 

    數控機床是典型的機電一體化產品，它集微電（diàn）子技術、計（jì）算機技術、測量技術、傳感器技術、自（zì）動（dòng）控製技術及人工智能技術等多種先進技術於一體，並與機械加工工藝緊密結合，是新一（yī）代的機（jī）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、電動機及拖動、動（dòng）控製、檢測等技術為一（yī）體的自動化設備。數控機床的基本（běn）組成（chéng）包括控製介質、數控裝置、伺服係統、反饋裝置及機床本體

 

1、控製介質（zhì）

 

  控製介質（zhì）是儲存數控加工所需要的全（quán）部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（gōng）程序，因此，控製介（jiè）質就是指將零（líng）件加工信息傳送（sòng）到數控裝置去（qù）的信息載體。控製介質有多種形式，它隨著數控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔（kǒng）卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展（zhǎn），穿孔帶、穿孔卡趨（qū）於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計（jì）算機編程，然後通過計算機與數控係統通信，將（jiāng）程序和（hé）數據直接傳送給數控裝置的方法應用越來越廣泛。

 

2、數控裝置

 

  數控裝置（zhì）是數控機床的核心，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（zhì）的指令、驅動機床執行（háng）機構運（yùn）動的驅動部件（jiàn）。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（jiē）受數控係統的指令信息，並按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較後，帶動機床的（de）移動部件或執行部（bù）件動（dòng）作（zuò），加工出符合圖紙要求的零（líng）件。

 

4、反饋（kuì）裝置（zhì）

 

    反（fǎn）饋裝置是由測量（liàng）元（yuán）件和相應的電（diàn）路組成，其作用是檢測速度和位移，並將信息反饋回來，構成閉環控製。一些精度要求不高的數控（kòng）機床，沒有（yǒu）反饋裝置，則稱為開環係統。

 

5、機床本體

 

    機床本體是數控機床的實體，是完成實際切削加工的機械部分，它包括床身、底座、工（gōng）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（pǔ）通機床的加工工藝大體相同。由於它是把計算機控（kòng）製技術應（yīng）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（lǜ）高、精（jīng）度高等特點（diǎn），加工工藝有其獨特之處，工序較為複雜，工步安排較（jiào）為（wéi）詳盡周密（mì）。

 

    CNC數控加工工藝包（bāo）括刀（dāo）具的選擇、切削參數（shù）的確定及走刀（dāo）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（jī）礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量的數（shù）控程序。衡（héng）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工件。

 

    數控加工工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（zhuāng）配要求，這樣才能加工（gōng）出合格（gé）的（de）零件。

 

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

 

CNC的數控編程

 

  數控編程（chéng）是從零件圖紙到獲（huò）得數控加工程序的全過（guò）程。它（tā）的主要任務是計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（zhóu）線與（yǔ）刀具表麵的交點，多軸加工中（zhōng）還要給出刀軸矢量。

 

    數控機床是根據工件圖樣（yàng）要求（qiú）及加（jiā）工工藝過程，將所用刀具（jù）及各部件的（de）移動量（liàng）、速度和動作先（xiān）後順序、主軸（zhóu）轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆（sōng）開及（jí）冷卻等操作，以（yǐ）規定的數控代碼形式編成程序單，輸入到（dào）機（jī）床專（zhuān）用計算機中。然後，數控係統根（gēn）據輸入（rù）的指令進行編譯、運算和（hé）邏輯處理後，輸出（chū）各種信（xìn）號和指（zhǐ）令，控（kòng）製各部（bù）分根據規定的位移和有順序（xù）的動（dòng）作，加工出各種不（bú）同形狀的工件。因此，程序的編製（zhì）對於數控機床效能的發揮影響極大。

 

    數控機床必（bì）須把代表各種不同功能的指令（lìng）代碼以程序的形式輸入數控裝置，由數控裝置進行運算處理，然後發出脈衝信（xìn）號來控製數控機床的各個運動部件（jiàn）的操（cāo）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（měi）國電子工業協會的（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手工編（biān）程（chéng），而使用商品化的CAD/CAM軟件。

 

    CAD/CAM是計（jì）算機輔助編（biān）程係統的核心，主要功能有數據的輸入/輸（shū）出、加工軌跡的（de）計算及編輯、工藝（yì）參數設（shè）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（xǐ）歡的、數控編程功能強（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（lǐ）方法及加工方法都大同小異，但（dàn）各有特點。

 

CNC數控加工零件的（de）步驟

 

    1、分析零件圖，了解工件的大致情況（幾何形狀，工件材料，工（gōng）藝要（yào）求等）

 

    2、確定零件的數控加工工藝（加工的內容，加（jiā）工的路線）

 

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

 

    4、編寫程序（xù）單（不（bú）同機（jī）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，驗證編程的正確）

 

    6、對工（gōng）件進行加工（好的過程（chéng）控製能很好的（de）節（jiē）約時間和提高（gāo）加工質量（liàng））

 

    7、工（gōng）件驗收和質量誤差分析（對工件進行檢驗，合格（gé）流（liú）入下一道（dào）。不合格則通過質量分析找出（chū）產生誤差原因和糾正方法）。

 

數控機床的發展曆史

 

    二戰後，製（zhì）造業（yè）的生產大部分是依靠人工操作，工人看懂圖紙後（hòu），手工操（cāo）作機床，加工零件，用這種方式生產產品，成本高，效率（lǜ）低，質量也得不到（dào）保證。

 

  在20世紀40年代（dài）末期，美（měi）國有一位工程師帕森斯（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，利用著一張硬卡來控製機（jī）床的動作，在當時，這隻是一種構思。

 

    1948年，帕森斯（sī）向（xiàng）美國空軍展示了他的這種（zhǒng）想法，美國空軍看（kàn）後，表示極大的興趣，因為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（bǎn）的加工問題，由於樣板形（xíng）狀複雜，精度要求高，一般的設備難（nán）以適應，美國空軍立即委托及讚助美國麻省理工（gōng）學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控製的機床（chuáng），終於在1952年，麻省（shěng）理工學院和帕森斯公司合作，成功的研（yán）製出了第一台示範機，到（dào）了1960年較為簡單和經（jīng）濟的點位控（kòng）製鑽床，和直線（xiàn）控製數控銑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個多世紀，NC數控係（xì）統也由最早的模擬信號（hào）電路控製發展為極其複雜的集成加工係（xì）統，編程方式也有手工（gōng）發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成（chéng）係（xì）統。

 

    就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢的（de），對（duì）於國內的（de）大多數車間來說。設（shè）備比較落後，人員的技術水平和觀念落後表（biǎo）現為加工質量和加工效（xiào）率（lǜ）低下，經常（cháng）拖延交貨期。

 

    1、第一代（dài）NC係統是在1951年引入的，其控製單元主要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一台數控機床誕生，已（yǐ）經從銑床或車（chē）床發（fā）展到加工中（zhōng）心，成為現代製造業的關鍵設備。

 

    2、第二代NC係統於1959年（nián）產生的，其主要有單個的晶體管和其（qí）他部件（jiàn）組成。

 

    3、1965年（nián）引入了第三代NC係統，其首次采用集成電路板。

 

    4、實際上（shàng），在1964年已經研製出來了第四代（dài）NC係統（tǒng），即我們非（fēi）常熟悉的計算機數字控製係統（CNC控（kòng）製係統）。

 

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

 

    6、第六代NC係統采用了現行的集成製造係（xì）統（MIS）+DNC+柔性（xìng）加（jiā）工係統（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（sù）發展以及鋁合金等新材料的應用，對數（shù）控（kòng）機床加工的高速（sù）化要求（qiú）越來越高。

 

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

 

b. 進給率：在（zài）分辨率為（wéi）0.01µm時，最大進給率達到240m/min且可獲得複雜型的精確加工；  

 

c. 運算速度：微處理器的（de）迅速發展為數（shù）控係統向高速、高精度方向發展提供了保障，開發出CPU已發展到32位以及（jí）64位的數控係統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫（hè）。由於運算速度的極大提高，使得（dé）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）先進加工中（zhōng）心的刀具交（jiāo）換時間普遍已在1s左右（yòu），高（gāo）的（de）已達0.5s。德國Chiron公司將刀（dāo）庫設計成籃子樣式，以（yǐ）主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀（dāo）到刀的（de）換刀時間僅0.9s。

 

2. 高精度化

 

數控機床精度的要求現在已經不局限於靜態的幾何（hé）精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的監測和補償越來越獲得（dé）重（chóng）視。

 

a. 提高CNC係統控製精度：采（cǎi）用高速（sù）插（chā）補技術，以微小程序段實（shí）現連續進給，使CNC控（kòng）製單位精（jīng）細化，並采（cǎi）用高分辨率位置（zhì）檢測裝置，提 高位置檢測（cè）精度（dù），位置伺服係統采用前饋控製與 非線性控製等方法；

 

b. 采用誤差補（bǔ）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償等技術，對設備的熱變形誤差和（hé）空間誤差進行綜合補償。

 

c. 采用網格解碼器檢（jiǎn）查和提高（gāo）加工中心的運動軌跡精度: 通過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和（hé）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（zhǒng）加工任務，並保證零件的加工質量。

 

3. 功能複合化（huà）

    

複合（hé）機床（chuáng）的含義是指（zhǐ）在一台機床上實現或盡可能完成從毛坯至成（chéng）品的多（duō）種要素加工。根據其結構特點可分為工藝複合（hé）型和工序複合型兩類（lèi）。 加工中心能夠（gòu）完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成複雜零件的全（quán）部加工。隨著現代機械加工要求的不（bú）斷提高，大（dà）量的多軸聯動數（shù）控機床越來越受到各 大企業的歡迎。  

 

4. 控製智能化

 

隨（suí）著人工智能技術的發展，為了滿（mǎn）足製造業（yè）生產柔性化、製造自動化的發展需求，數（shù）控機床的智能化（huà）程度在不斷提高。具體體現在以（yǐ）下幾個方麵（miàn）：

a.  加工過程（chéng）自適應控製（zhì）技（jì）術；  

b. 加工參數的智（zhì）能優（yōu）化與選擇；  

c. 智能故障自（zì）診斷與自修複技術；

d. 智能故障回放和故障仿真技術；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係統：在製造過程中（zhōng）， 將測量 、建模、加工、機器操作四（sì）者(即4M)融合在一個（gè）係統中 。

 

5. 體（tǐ）係開放化（huà）

 

a. 向未來技術（shù）開放：由於軟（ruǎn）硬（yìng）件接（jiē）口都遵循公認的標（biāo）準協議，可采納、吸收和兼容新一代（dài）通用軟硬件。  

 

b. 向用戶（hù）特殊（shū）要求開放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各（gè）種組合以滿足特殊應用要求（qiú）；  

 

c. 數控標準的建立：標（biāo）準化的編程（chéng）語言，既方便（biàn）用戶 使用，又降低了和操作效率直接有關（guān）的勞動消耗。

 

6. 驅動並聯化

    

可實現多坐標聯（lián）動數控加工（gōng）、裝配和（hé）測量多（duō）種功能，更能滿足複雜（zá）特（tè）種零件的加工，並聯機床被認為是“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）代數控（kòng）加工設備”。

 

7.  極端化（huà）(大型化和微型化 )

 

國防、航空、航天事業的（de）發展和能源等基礎產業裝備的大型（xíng）化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超（chāo）精密加工技術（shù）和微（wēi）納米技（jì）術是21世紀的戰（zhàn）略技（jì） 術，需發展能適應微小型（xíng）尺寸和微納米（mǐ）加工精度的新型製造工藝和裝備（bèi）。

 

8.  信息交互網（wǎng）絡（luò）化

 

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、控製（zhì）、遠程診斷、維護。

 

9. 加工過程綠色化

 

 近年來不（bú）用或少用冷卻液、實現幹切（qiē）削（xuē）、半幹切削節能環保（bǎo）的機床不斷（duàn）出現， 綠色製造的大（dà）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（méi）體技術集（jí）計算機、聲像和通信技術於一體，使計算（suàn）機具有綜合處理聲音（yīn）、文字、圖像和視頻信息的能力。可以做到信（xìn）息處理綜合化、智能化，應用於實時監控 係統（tǒng）和生產現場設備的（de）故障診斷、生產過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

 

目前，數控機床的（de）發展日新月（yuè）異，高速化、高精度化、複合化、智能化、開放（fàng）化、並聯（lián）驅動化、網絡化、極端化、綠色（sè）化已成為數控機床發展的趨（qū）勢和方向。