​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的製造業發生了質的變化（huà），尤其是近（jìn）年來．微電子技（jì）術和計算機技術的發展（zhǎn）給數控技術帶來了新的活（huó）力。數（shù）控技術和數控裝（zhuāng）備是各個（gè）國家工業現代（dài）化的重要基礎。

數控機床是現代製造業的主流設（shè）備，精密加工的必備裝備，是（shì）體現現代機床技術水平、現代機械製造業工藝水平的重（chóng）要標誌，是關係國計民生（shēng）、國防尖端建設的戰略物資。因（yīn）此世界上（shàng）各工業發達國家均采（cǎi）取重大措施來發（fā）展自己的（de）數控技（jì）術及其產業。

CNC數控加（jiā）工

CNC是英文Computer Numberical Control的（de）縮寫，意思是“計算機數據控製”，簡單地說就是“數（shù）控加工”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

數控加工是當（dāng）今機械（xiè）製造中的先進加工技（jì）術，是一種具有高（gāo）效（xiào）率、高精度與高柔性（xìng）特點（diǎn）的自動化加工方法（fǎ）。它是將要加工工件的數控（kòng）程序輸入給（gěi）機（jī）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，以製造出美妙的產品。

數（shù）控加工技術可有效解決像模具這樣複（fù）雜、精密、小批多變的加工（gōng）問題，充分適應了現代化生產的需要。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（jī）床編程（chéng），是充分發（fā）揮其功（gōng）能的重要（yào）途徑。

數控機床是典型的機電一體化產品，它集微電子技術、計（jì）算機（jī）技術、測量技術、傳感器技術、自動控製（zhì）技術及人工智能技術（shù）等多（duō）種先進技術於一體，並與機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（jí）機床、計算機、電動機及拖動（dòng）、動控製、檢測等技術為一體的自動化（huà）設備。數控機床的基本（běn）組成包括控製介質、數控裝置、伺服係統、反（fǎn）饋（kuì）裝置及機床本體，如圖

1、控製介質

控製介質（zhì）是儲存數控加工所需要的全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（kòng）製介質就是指將零件（jiàn）加工信息傳送到數控裝置去的（de）信息（xī）載（zǎi）體。控製介（jiè）質有多（duō）種形式，它隨著數（shù）控裝置類型（xíng）的不同而不同，常用的有穿孔（kǒng）帶、穿孔卡（kǎ）、磁帶、磁盤等。隨著數控技（jì）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，然後通過計算機與數控係統通（tōng）信，將程序和（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

數控裝置是數控機床的核心（xīn），人（rén）們喻為（wéi）“中（zhōng）樞係統”。現代數控機床都采用計算機（jī）數控裝置CNC。數控裝置包括輸（shū）入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成數控裝（zhuāng）置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現（xiàn）各種控製功能。

3、伺服係統

伺服係統是接收數（shù）控裝置的指令、驅動機（jī）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（gěi）電機等。工作（zuò）時，伺服係（xì）統接受數控係統的指令信（xìn）息，並按照（zhào）指令信（xìn）息的（de）要求與（yǔ）位置、速度（dù）反饋信號相比較後，帶動機床的移動部件或執行部件動作，加工出符合圖（tú）紙要求的零（líng）件。

4、反饋裝置

反饋裝置是由測量元件和相應（yīng）的電路組（zǔ）成，其作（zuò）用是檢測速度和（hé）位移，並將信息反饋回來，構成（chéng）閉環控製。一些精度要求（qiú）不高的數控機床（chuáng），沒有反饋裝置（zhì），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（shēn）、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝的特點

CNC數控（kòng）加工工藝也遵守機械加工切削規律（lǜ），與普通機床的加工工（gōng）藝大體相同（tóng）。由於它（tā）是把計算機控製技術應用於機械加工（gōng）之中的一（yī）種自動化（huà）加工，因而具有（yǒu）加工效率高、精度高等特點，加工（gōng）工藝有其獨特之處，工序較為複雜，工步安排較為（wéi）詳盡周密。

CNC數控加（jiā）工工藝包括（kuò）刀具（jù）的選擇、切削參數的確定（dìng）及走刀工藝路（lù）線的設計（jì）等（děng）內容。CNC數控加工工藝是數控編程的基（jī）礎（chǔ）及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率（lǜ）和高（gāo）質量的數（shù）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（sǔn）耗及加工出最佳效果（guǒ）的工件。

數控加工（gōng）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配要求，這樣才能加工出合格的（de）零件。

數控加工工序一般（bān）分為粗加工、中粗清角（jiǎo）加工、半精加工及（jí）精加工等工步。

CNC的數（shù）控編（biān）程

數控（kòng）編程是從零件圖紙到獲得數控加工程序的全過程。它（tā）的主（zhǔ）要任務是計算加工走刀中的刀位（wèi）點（diǎn）（cutter locations point簡稱CL點）。刀（dāo）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（chū）刀軸（zhóu）矢量。

數控機床是根據工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及各部件（jiàn）的移（yí）動量、速度（dù）和動作（zuò）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（shì）編成程序單，輸入到機床專用計算機中。然後（hòu），數控係統根據輸（shū）入的指令進行編譯（yì）、運算和邏輯處（chù）理後，輸出各種信號和指令，控製各部分根據規定的位移（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（xiào）能的發（fā）揮影響極大（dà）。

數控（kòng）機床必須把代表各種（zhǒng）不同功能（néng）的指令代碼以程序的形式輸入數控裝置，由數控裝置進行（háng）運算處理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個運（yùn）動部件的操（cāo）作，從而完成零件的切削加工。

目前數控程序（xù）有兩個標準（zhǔn）：國際（jì）標準化組織的ISO和美（měi）國（guó）電（diàn）子工業協會的EIA。我國采用ISO代（dài）碼。

隨著技術（shù）的進步，3D的數控編程一般很（hěn）少采用手（shǒu）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（xì）統的核（hé）心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編（biān）輯、工藝參數設置（zhì）、加（jiā）工仿真、數控（kòng）程（chéng）序後（hòu）處理和數據管理等。

目（mù）前（qián），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理、圖形處理方法及加工方（fāng）法都大（dà）同小異，但（dàn）各有特點。

CNC數控加工零件的步驟

1、分析零件圖，了解工件的（de）大致情（qíng）況（幾何（hé）形狀，工（gōng）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、進行必（bì）要（yào）的數值計算（基點（diǎn）、節點的（de）坐標計算）

4、編寫程序單（不同機床會（huì）有所不同，遵守（shǒu）使用手（shǒu）冊）

5、程序校（xiào）驗（yàn）（將程序輸入機床，並進行圖形模擬，驗證編程的正確）

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（對工（gōng）件進（jìn）行（háng）檢驗（yàn），合（hé）格流入下一道。不合格則通過質量（liàng）分（fèn）析（xī）找出產生誤差原因和糾正方法）。

數（shù）控機床的發展曆史（shǐ）

二戰（zhàn）後，製（zhì）造業的（de）生（shēng）產大部分是（shì）依靠人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作機床，加工零件，用這種方（fāng）式生產（chǎn）產品，成（chéng）本高（gāo），效（xiào）率（lǜ）低，質量也得不到保證。

在20世紀40年代末期，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了一（yī）種方法，在一張硬（yìng）紙卡上打孔來表示需要加工（gōng）的零件幾何形狀，利用著一張硬卡來控製機床的動作（zuò），在當時，這隻是一種構思。

1948年，帕森斯向美國空軍展（zhǎn）示了他的這種想法，美國空軍看後，表示極大（dà）的興趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的加（jiā）工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問題，由（yóu）於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設（shè）備難以（yǐ）適應，美國（guó）空軍立即委托及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻（má）省理工學院和帕森斯公司合作，成功的研製出（chū）了第一（yī）台示範機，到了1960年較為簡（jiǎn）單和（hé）經濟的點位控製鑽床，和直線控製數控銑床得（dé）到了較快的發展使數（shù）控機床在製造（zào）業各部門逐步獲（huò）得推廣。

CNC加工的（de）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（hào）電路控製發展（zhǎn）為極其複雜的（de）集成（chéng）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（tǒng）。

就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢的，對於國內的大多數車間來說。設備比（bǐ）較落後，人員的技術水平和觀念落後表現為（wéi）加工質量和加工效率低（dī）下，經常拖延交貨期。

1、第一代（dài）NC係統是（shì）在1951年引入（rù）的，其（qí）控製單（dān）元主要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第（dì）一台數控機（jī）床誕生，已經從（cóng）銑床或車床發展到加工（gōng）中（zhōng）心，成為現代製造業的關鍵設備。

2、第二代NC係（xì）統於1959年產生的，其主要有單個的晶體管和其他部（bù）件組（zǔ）成。

3、1965年引入了第三（sān）代（dài）NC係統，其首次采用集成（chéng）電路板。

4、實際上，在1964年已經（jīng）研製出來了第四代NC係統，即我（wǒ）們非常熟悉的計（jì）算機（jī）數字（zì）控製係統（CNC控製係統）。

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

6、第六（liù）代NC係統采用了現行的集成製造係統（MIS）+DNC+柔（róu）性加（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（kōng）、航（háng）天（tiān）等工業的高速發展（zhǎn）以及（jí）鋁合金等新材料（liào）的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越（yuè）高。

a.主軸轉速：機床采用電（diàn）主（zhǔ）軸(內裝式主軸電（diàn）機（jī）)，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（gěi）率（lǜ）達到（dào）240m/min且可獲得複雜型的精確加工；  

c.運算速度：微處理器的迅速發（fā）展為數控係統向（xiàng）高速（sù）、高精度方向（xiàng）發展提供（gòng）了保障，開發出CPU已發展到32位（wèi）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（yùn）算速度的極大提（tí）高（gāo），使得當分辨率為（wéi）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（shí）間普遍已在1s左右（yòu），高的（de）已達0.5s。德國Chiron公（gōng）司將刀庫設計成籃子（zǐ）樣式，以主軸為軸心，刀具在（zài）圓周布置，其刀到（dào）刀的換刀（dāo）時間僅0.9s。

2.高精度化

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

a.提高CNC係統控（kòng）製精度：采用高速插補技術（shù），以微小程序段實現連（lián）續（xù）進給，使（shǐ）CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位置檢（jiǎn）測（cè）裝置，提（tí） 高位置檢測（cè）精度，位置伺服係統采用前饋控製與 非線性控製等方法；

b.采用誤差補償技（jì）術：采（cǎi）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，對設備的熱變形（xíng）誤差和空間誤差（chà）進行綜合補償。

c.采用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精（jīng）度（dù）:通過仿真預測機床的加工（gōng）精度，以保證（zhèng）機床的（de）定位（wèi）精（jīng）度和重複定位精度，使其性能長期穩定，能夠在（zài）不同運（yùn）行條件下完（wán）成（chéng）多（duō）種（zhǒng）加工任務，並保證零件的加工質（zhì）量（liàng）。

3.功能複合化

複合機（jī）床的（de）含義是指在一台機床上（shàng）實現（xiàn）或盡（jìn）可能完成從毛坯至成品（pǐn）的多種要素加工。根據其結構（gòu）特點可分為工藝複合型和工序複合型兩類。加工中心（xīn）能夠完成車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光（guāng）熱（rè）處理等多種工序，可（kě）完成複雜零件的全部（bù）加工。隨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（gè）大企業的歡迎。

4.控製智能化

隨著人工智能技（jì）術的發展，為了滿足製造（zào）業生產柔性化、製造自動化的發展需求，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（chéng）自適應控製技術；  

b.加工參數（shù）的智能優化與（yǔ）選擇；  

c.智能故障自診斷與自修複技（jì）術；

d.智（zhì）能故障回放和故障仿真技術；

e.智能化交流伺服驅（qū）動裝置；  

f.智（zhì）能4M數控係統：在製造過（guò）程中， 將測量 、建模、加工、機器操作四者（zhě）(即4M)融合在一個係統中 。

5.體係開放化

a.向未來技術開放：由於軟硬件接口都遵循（xún）公認的標準協議，可采納、吸收和兼（jiān）容（róng）新一代通用軟硬件。  

b.向用（yòng）戶特殊要求開放：更新產品、擴充功能、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：標準化的編程語言，既（jì）方便用戶（hù） 使用，又降低了和操作效率直接有（yǒu）關的勞動消耗。

6.驅動並聯化

可實現（xiàn）多坐標聯動數控（kòng）加工、裝配和測量多種功能，更能滿足複雜（zá）特種零件的加（jiā）工，並聯機（jī）床被認為是“自發明（míng）數控技術以來在機（jī）床行業中最有（yǒu）意義（yì）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)

國防、航空、航天事業的（de）發展和能源等基礎產業裝備的大型化需要大（dà）型且性能良好的數控機床的（de）支撐（chēng）。而超精密加工技術（shù）和微納米技術是21世紀的戰略技 術，需發展能適應（yīng）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.  信息交互網絡化

既可以實（shí）現網絡資源共享，又能實現數（shù）控機床的遠程監視、控製、遠程（chéng）診斷、維護。

9.加工過（guò）程綠色化

近年來不用或少用冷卻液、實（shí）現幹切削、半（bàn）幹切削（xuē）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（tōng）信技（jì）術（shù）於一體，使（shǐ）計算機具有綜合處理聲（shēng）音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以做到信息（xī）處理綜合（hé）化、智能化，應（yīng）用於實時監控係統和生產現場設備的（de）故障（zhàng）診斷、生產過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

目前，數控機床的發（fā）展日新月異，高速化、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（lǜ）色化已成為數控機床發展的趨（qū）勢和方（fāng）向（xiàng）。