高端精（jīng）密（mì）製造的CNC數（shù）控加工技術

　　

 

    數控技術的應用（yòng）使傳統的製造業發生了質的變化，尤其是近年來．微電（diàn）子技術和計（jì）算機技術的發展給數控技術帶來了新的活力。數控技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（zhì）造業的主流設備，精密加工的必備裝備，是體現現代機床技術水平、現代機械（xiè）製造業工藝水平（píng）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）發達國家（jiā）均采取（qǔ）重大措施來發展自己的數控（kòng）技術及其產業。

 

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造中的先進（jìn）加工技術，是一種具有（yǒu）高效（xiào）率、高精度（dù）與高柔性特點的自（zì）動化加工方法（fǎ）。它是將要（yào）加工工件的數（shù）控程序輸入給機床，機床在這些（xiē）數據的控製下自（zì）動加工出符合人們意願的（de）工件，以製（zhì）造出美妙的產品。

 

    數控（kòng）加工（gōng）技術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小批多變的加工問題（tí），充分適應了現代化生產（chǎn）的需要。大（dà）力發展數控加工（gōng）技（jì）術已成為我國加速發展經濟、提高自主創（chuàng）新能力的重（chóng）要途徑。目（mù）前我國數控機床使用越來（lái）越普遍（biàn），能熟練掌握數控機床編程（chéng），是充分發揮其功能的重要途徑。

 

    數控（kòng）機（jī）床是典型的機電一體化產品，它集（jí）微電子技術、計（jì）算機技術、測（cè）量技術、傳感器技（jì）術、自動控（kòng）製技術及人工智能技術等多種先進技術於一體，並與（yǔ）機械加工工藝緊密結合，是新一代的（de）機械製造（zào）技術裝備（bèi）。

 

CNC數（shù）控機床的組成

 

    數控機床集機床、計（jì）算機、電動機（jī）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（zhì）、數控裝置（zhì）、伺服係統、反饋裝置及機床本體

 

1、控製介（jiè）質

 

  控製介質是儲存數控加工所需要的全部動（dòng）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（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（qù）的信息（xī）載（zǎi）體（tǐ）。控製介質有多種形式，它隨（suí）著數控裝置類型的不同而（ér）不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤（pán）等。隨著數控技術（shù）的發展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而（ér）利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後（hòu）通過計算機與數控係（xì）統通信，將程序和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（kòng）裝置是數控機床的核（hé）心，人們喻為“中樞係（xì）統”。現（xiàn）代數控機床都（dōu）采用計算（suàn）機（jī）數控裝（zhuāng）置CNC。數控裝置包括輸入裝置及中央處理器（qì）(CPU)和輸出（chū）裝置等構成數控裝置能完成信息的（de）輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製功能（néng）。

 

3、伺服係（xì）統

 

    伺服係統是接（jiē）收數控裝置的指令、驅動機床執行（háng）機構運動的驅（qū）動部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和（hé）進給電機等。工作時，伺服（fú）係統接受數控係統的指令信息，並按照指令信息的要求與位置、速（sù）度反饋（kuì）信號相比較後，帶動機床的移動部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。

 

4、反饋裝置

 

    反饋裝置是由測量元件和相應的電路組成，其作用是檢測速度和位移，並將信息反（fǎn）饋回來，構成閉環控製。一些精（jīng）度要求不高的（de）數控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環係統。

 

5、機床本體

 

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

 

CNC加工工藝的特點

 

    CNC數控加工工藝也遵守（shǒu）機械加工切削規律，與普通機（jī）床的加工工（gōng）藝大體相同。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（jù）有加工效率（lǜ）高、精度高等（děng）特點，加工工藝（yì）有其獨特之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡（jìn）周（zhōu）密。

 

    CNC數控（kòng）加工工藝（yì）包括刀（dāo）具（jù）的選擇、切（qiē）削參數的確定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心，隻有工藝合理，才能編出高（gāo）效率和高質（zhì）量的數控程序。衡量數（shù）控程序好壞（huài）的標（biāo）準是：最少的加工時間、最小的刀具（jù）損耗及加工（gōng）出最（zuì）佳效果的工件。

 

    數控加工工序是（shì）工件整（zhěng）體加工工（gōng）藝的一部分，甚至是一道工序。它要與其（qí）他前（qián）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求，這樣才能加工出（chū）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工（gōng）步。

 

CNC的數控編程

 

  數控編程是（shì）從零件圖紙到獲得數控加工程序（xù）的全過程。它的主要（yào）任務（wù）是計算（suàn）加工走（zǒu）刀中的刀位點（diǎn）（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表麵的交點，多軸加（jiā）工中還要給出刀軸矢量。

 

    數控機床是（shì）根據工（gōng）件圖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（dòng）作先後順序、主軸轉（zhuǎn）速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭鬆（sōng）開及（jí）冷（lěng）卻等操作（zuò），以規定的數控（kòng）代碼形式編成程序單，輸入到機床專用計算機中。然後，數（shù）控係統根據輸入的（de）指令進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信號和指令，控製各部分根據規定的位移和有順序的動（dòng）作，加（jiā）工出（chū）各種不同（tóng）形狀的工件。因此，程序的編製對於數控機床效能的發（fā）揮影響極大。

 

    數控機床（chuáng）必須把代表各種不同功能的指令代（dài）碼以程序的形式（shì）輸入數控裝置，由數控裝置進行運算處理，然後發出脈（mò）衝信（xìn）號來（lái）控製數（shù）控（kòng）機床（chuáng）的各個運動部件的操作，從而完成零件（jiàn）的切削加工。

 

  目前數（shù）控程序有兩個標準（zhǔn）：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（jìn）步，3D的數控編程一（yī）般很少采用手工編程，而使用商品化的（de）CAD/CAM軟件。

 

    CAD/CAM是計算機（jī）輔助編程係統的核心（xīn），主要功能有數據的（de）輸入/輸出、加工（gōng）軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程序後處理和數據管（guǎn）理等。

 

  目前，在我國深受用戶喜歡（huān）的、數控編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各（gè）軟件對於數控編（biān）程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小異，但各有特點。

 

CNC數控加工零件的步驟

 

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

 

    2、確定零件的數控（kòng）加工工藝（加工的內容，加工的路線）

 

    3、進（jìn）行必（bì）要的數值（zhí）計算（基點、節點的（de）坐標計算）

 

    4、編寫程序單（dān）（不同機床（chuáng）會有所不同（tóng），遵守使用手冊）

 

    5、程序校驗（將程（chéng）序（xù）輸（shū）入機床，並進行圖形模擬，驗證編程的正確（què））

 

    6、對工件進行加工（好（hǎo）的過程控製（zhì）能很好（hǎo）的節約時間和提高加工質量）

 

    7、工件驗收和質量（liàng）誤差分（fèn）析（對工件進行檢驗（yàn），合格（gé）流入（rù）下一道（dào）。不合格則（zé）通過質量分析找出產生誤差原因和糾正方法）。

 

數控（kòng）機床（chuáng）的發展曆史

 

    二戰後，製造業的生產（chǎn）大部（bù）分是（shì）依靠人工操（cāo）作，工人看懂圖紙後，手工操作機床（chuáng），加工零件，用這種方式生產（chǎn）產品（pǐn），成本（běn）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（kǎ）來（lái）控製機床的動作，在當時，這隻是一種構思。

 

    1948年，帕森（sēn）斯向（xiàng）美國空軍展示了他的這種（zhǒng）想法，美（měi）國空軍看後，表示極大的興趣，因為（wéi）美國空（kōng）軍正在尋找一（yī）種先（xiān）進的加工方法，希望（wàng）解決飛機外型樣板的加工問題（tí），由於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設備難以適應，美國空軍立即委托（tuō）及讚助（zhù）美國麻省理工學院（MIT）進行研（yán）究（jiū），開發這部硬卡紙來控製的機床，終（zhōng）於在1952年，麻（má）省理工學院和帕森（sēn）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（chuáng），和直線控製數控銑床得到了較快的發展使數控（kòng）機床在製造業各部門逐步獲得（dé）推廣。

 

    CNC加（jiā）工的曆史已經經（jīng）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）發展為極其複雜的集（jí）成加（jiā）工係（xì）統，編程方式（shì）也有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

 

    就我國（guó）而言，數控技術的發展是比（bǐ）較緩慢的，對於（yú）國內的大多數車間來說。設備比（bǐ）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（xià），經常拖（tuō）延交貨期。

 

    1、第一代NC係統（tǒng）是在（zài）1951年引入的，其控製單元主（zhǔ）要有各種閥門（mén）和模擬（nǐ）電路組成的，1952年第一台數控機床誕生，已經從銑床（chuáng）或車床發展到加工中心，成為現代製（zhì）造業的關鍵設備。

 

    2、第二代NC係統（tǒng）於1959年產生的，其（qí）主要有單個的晶體管和其他部件組成（chéng）。

 

    3、1965年引入（rù）了第三代NC係統，其首次采用集（jí）成電路板。

 

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

 

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

 

    6、第六代NC係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（fā）展趨勢

 

1. 高速化

 

隨著汽（qì）車、國防、航空、航天等（děng）工業的高速發展以及（jí）鋁合金等新材料的應（yīng）用，對數控（kòng）機床加工的高速化要求越來越高。

 

a.主軸轉速（sù）：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（wéi）0.01µm時，最（zuì）大進給率達到240m/min且可獲得複雜型的精確加工；  

 

c. 運（yùn）算速度：微處理器的（de）迅速發展為數控（kòng）係統向高速、高精度方向發展（zhǎn）提供了保障，開發出CPU已發展到32位以及64位的數控係（xì）統，頻率提高到（dào）幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速度的極大提高（gāo），使得當（dāng）分辨率為（wéi）0.1µm、0.01µm時仍能獲得高達24～240m/min的（de）進給速度；  

 

d. 換刀（dāo）速度：目前國（guó）外先進加工中心的（de）刀具交換時間（jiān）普遍已在1s左右，高的（de）已（yǐ）達0.5s。德國Chiron公司將刀（dāo）庫（kù）設計成（chéng）籃子樣式，以主（zhǔ）軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

 

2. 高精度化

 

數控機床精度（dù）的（de）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（yǐ）及對振（zhèn）動的監測和補償越來越獲得重視。

 

a. 提高CNC係統控製（zhì）精度：采用高速（sù）插補技術，以微小程序段實現連（lián）續進給，使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位置檢（jiǎn）測裝置，提（tí） 高位置檢測精度，位置伺服（fú）係統采用前饋控（kòng）製（zhì）與 非線性控製等方法；

 

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

 

c. 采用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動（dòng）軌跡精度: 通過（guò）仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重複定位（wèi）精度，使其性能長期穩定，能夠（gòu）在不同運行條件下完成（chéng）多種加工任務，並保證零件（jiàn）的加工質量。

 

3. 功能複合化

    

複合機床（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）品的多種要素加工。根（gēn）據其結構特點可分為工藝複合型和工序複合型兩類。 加工中心能夠完成 車削（xuē）、銑（xǐ）削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成複雜零件的全（quán）部加工（gōng）。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（chuáng）越來越受到各 大企業的歡迎。  

 

4. 控製智能化

 

隨（suí）著人工（gōng）智能技術的發展，為了滿足製造業生產柔性化、製造自動（dòng）化的（de）發展需求，數控機（jī）床的智能化程度在（zài）不斷（duàn）提高。具體體現在以下幾（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（zhàng）自（zì）診斷與自修複技術；

d. 智能故障回放和（hé）故障仿真（zhēn）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， 將（jiāng）測量 、建模、加工（gōng）、機器操作四者(即4M)融合在一個係統中 。

 

5. 體係開放化

 

a. 向未來技術開（kāi）放：由（yóu）於（yú）軟（ruǎn）硬件接（jiē）口都遵循公認的標準協（xié）議（yì），可（kě）采納、吸收和（hé）兼容新一代通用軟硬件。  

 

b. 向用戶特殊要求開放（fàng）：更新產（chǎn）品、擴充（chōng）功能、提（tí）供（gòng）硬（yìng）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（huà）的編程語言，既方便用戶 使用，又降低了和（hé）操作效率直接有關的勞動消耗。

 

6. 驅動並聯化

    

可實現多坐標聯動數控加工（gōng）、裝配和測量多種功能，更能滿足複雜特種零件的加（jiā）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世紀新一代數控加工設備”。

 

7.  極端化(大型化和微型（xíng）化 )

 

國防、航空（kōng）、航天事業的發展和（hé）能源等基礎產（chǎn）業裝（zhuāng）備（bèi）的大型（xíng）化（huà）需要（yào）大型且性能良好的數控機床（chuáng）的支撐。而超精密（mì）加工技術（shù）和微納米技術是21世紀的戰略技 術，需發（fā）展能適應微小型尺（chǐ）寸和微納米加工精度的新型製（zhì）造工藝和裝備。

 

8.  信息交互網絡化

 

既（jì）可以實現網絡資源共享，又能實現數控機床的遠程監視、控製、遠程診斷、維護。

 

9. 加工過程綠色化

 

 近年（nián）來不用或少用冷卻液、實現幹（gàn）切削、半幹切（qiē）削節能環保的機（jī）床不（bú）斷出（chū）現， 綠色製造的大趨勢使各種節（jiē）能（néng）環保機床加速發展。

 

10. 多（duō）媒體技（jì）術的應用（yòng）

多媒體技術集計算機（jī）、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）視頻（pín）信息的能力。可以做到（dào）信息處理綜合化、智能化，應用於實時（shí）監控 係統和生產現場（chǎng）設備的故障診斷、生（shēng）產過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

 

目（mù）前，數（shù）控機床（chuáng）的發展（zhǎn）日新月異，高速化、高精度化、複合化、智能化、開放化、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。