​高端（duān）精（jīng）密製造的CNC數控加工技（jì）術

    數控技術的應用使傳統的製造業發生了質的變化（huà），尤其是近年來．微電子技（jì）術和計算機技術的（de）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（gè）個國（guó）家工業現代化的重要基礎。

    數控（kòng）機床是現（xiàn）代製造業的主流設備，精密加工的必備裝備（bèi），是（shì）體現現代機床技術水平、現（xiàn）代機械製造業工藝水平的重要標誌，是關係（xì）國計民生、國防尖（jiān）端建設的（de）戰略物資。因此世界上各工業發達國家均采取重大措施來發展自己的數控技術及其產業。

CNC數控加（jiā）工

    CNC是英文（wén）Computer Numberical Control的縮寫（xiě），意思是“計算機數（shù）據控製”，簡單地（dì）說就是“數控（kòng）加工”，在珠江三角（jiǎo）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（jìn）加工技術，是一種具有高效率、高精度（dù）與高柔性特點的自動化加工方法。它（tā）是將要加工工件的（de）數控程序輸入給機床（chuáng），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，以製造出美（měi）妙的產品。

    數控加工技術可有效解決像模具這樣複雜（zá）、精密、小批多變（biàn）的加工問（wèn）題，充分適應了現代化生產的需要。大力發展數（shù）控加（jiā）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（yuè）來越普遍（biàn），能熟練掌握數控機床編程，是充分發揮其功能的（de）重要途徑。

    數控機床是典（diǎn）型的（de）機電一體化產品，它集（jí）微電子技術、計算機技術、測量技（jì）術、傳感器技術、自動（dòng）控製（zhì）技術及人工智能技術等（děng）多（duō）種先進技術於一（yī）體，並與機械加工（gōng）工藝緊密結合，是新一代的機械製造技術（shù）裝備。

CNC數控機床的組成

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

1、控製（zhì）介質

  控製（zhì）介質是儲存數控加（jiā）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程序，因此，控製介質就是指將零件加工信息傳送到數控（kòng）裝置去的信息載體。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、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡（kǎ）趨於淘（táo）汰，而利用CAD/CAM軟件（jiàn）在計（jì）算機編程，然後（hòu）通過計算機與數控係統通信，將程序和數據（jù）直接傳送給數控裝置的方法應用（yòng）越來越廣泛。

2、數控裝置（zhì）

  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（shù）控裝置CNC。數控（kòng）裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸（shū）出裝置等構成數控裝置能完成信息的輸入、存儲、變（biàn）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的指令、驅動機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（yuán）、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服係統接受（shòu）數控係統的指令信（xìn）息，並按照指令信息的要（yào）求與位（wèi）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（jiàn）動作，加工出符合圖紙要求的零件。

4、反（fǎn）饋（kuì）裝置

    反饋裝（zhuāng）置是由測量元件和（hé）相應的電路組成，其作用是檢測速度和位移，並（bìng）將信息反饋回來，構成閉環控製。一些精度要求不高的數控機床，沒有反饋裝置，則（zé）稱為開（kāi）環（huán）係（xì）統。

5、機床本體

    機床本體（tǐ）是數控機床（chuáng）的實體，是完成實際切削加工（gōng）的機械部分，它包括（kuò）床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加工工（gōng）藝的特點

    CNC數（shù）控加工（gōng）工藝（yì）也遵守機械加工切（qiē）削規律，與普通機床的加工工藝大體相同。由於它是（shì）把（bǎ）計算機控製技術應用於機械加工之中的一種（zhǒng）自動化加工，因而具有加工效率高、精度高等特點，加工工藝有其獨特之處（chù），工（gōng）序較為複雜，工步安排較（jiào）為詳盡周密。

    CNC數控加工（gōng）工藝包（bāo）括刀具的選擇、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（gōng）藝合理，才能編出高效率和高質量的數控程（chéng）序。衡量數控程序好壞的標準是：最少的加工時間（jiān）、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工件。

    數控（kòng）加工工序是工件整體加工工藝的一部分，甚至是一道工序。它要與（yǔ）其他前後工序相（xiàng）互配合，才能最終滿（mǎn）足整體機器或模具的裝配要求，這樣才能加工出合格的零件。

    數控加工工序（xù）一般分為粗加工、中粗清角加工、半精加工（gōng）及（jí）精加工等（děng）工（gōng）步。

CNC的數控編程

  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（yào）任務是計算加工（gōng）走刀中的刀位點（cutter locations point簡（jiǎn）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（gōng）中還要給出刀軸（zhóu）矢量。

    數控（kòng）機床是根據工件圖樣要（yào）求及加工工藝過程，將所用刀具及各（gè）部件的移（yí）動量、速度和動作先後（hòu）順序、主（zhǔ）軸轉速、主軸（zhóu）旋轉方向（xiàng）、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻（què）等操作，以規定的數控代碼形式編成程序單，輸入（rù）到（dào）機床專用計（jì）算機中。然後，數控係統根據輸入的指令進行編譯、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和有順序的（de）動作（zuò），加工出各（gè）種不同形狀的工件。因此，程序的編製（zhì）對於數控機床效能的發（fā）揮影（yǐng）響極大。

    數控機床必須把代表各種不同功能的指令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（rán）後發出（chū）脈衝信號來控製數控機床的各個運動部（bù）件的操作，從而完成零（líng）件的切削加工。

  目前數控程序有兩個標準：國際（jì）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（biān）程一般很少采用手工編程，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（hé）心（xīn），主要功（gōng）能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程序後處理和數據管理等。

  目前，在（zài）我國深受（shòu）用戶喜歡的、數控編程功能強大的軟件有（yǒu）Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於（yú）數控編程的原理、圖形處理方法及加工方法都大同小（xiǎo）異，但各有特點。

CNC數控加工（gōng）零件的步驟

    1、分析零件圖，了（le）解工（gōng）件的大致情況（幾何形狀，工件材（cái）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、進行必要的數值計算（基點、節點（diǎn）的坐標計算）

    4、編寫程序單（不（bú）同機床會有所不同，遵守使用手冊）

    5、程序校驗（將程序（xù）輸入機床，並進行圖（tú）形模（mó）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（jiān）和提高加工質量）

    7、工件驗收（shōu）和質量誤（wù）差分析（對工件進（jìn）行檢驗，合格流（liú）入下一道。不合格則通過質量分析找（zhǎo）出產生誤差原因和糾正（zhèng）方法）。

數控（kòng）機（jī）床的發展曆史

    二戰後，製造（zào）業的生產大部分是依靠（kào）人工操作，工人看懂圖紙後，手工操作（zuò）機床，加（jiā）工零件，用（yòng）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（shì）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（shì）需要加工的零件幾何形狀，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（sī）。

    1948年，帕森斯向（xiàng）美國空軍展示了他的這種想法，美國空軍看後（hòu），表示極大的興趣，因為美國空（kōng）軍正在尋（xún）找（zhǎo）一種先進的（de）加工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問題，由於樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設備難以適應（yīng），美國（guó）空軍立即委托及讚助美國麻省（shěng）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，麻省理工學院和帕森（sēn）斯公司合作（zuò），成功的（de）研製（zhì）出了（le）第一台示範機，到了1960年較為簡單和經濟的點位控（kòng）製（zhì）鑽床，和直線（xiàn）控製數（shù）控銑床得到（dào）了較快的發展使（shǐ）數（shù）控機床在製造業（yè）各（gè）部門逐步獲得推（tuī）廣。

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

    就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢的，對（duì）於（yú）國內的大多數車間來說。設備（bèi）比較落（luò）後（hòu），人員的技術水平和觀念落（luò）後表現為加工質量和加工效率低下，經常拖（tuō）延交貨期。

    1、第（dì）一代NC係統是在1951年引（yǐn）入的，其控製單（dān）元主要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一台數控機（jī）床誕生（shēng），已經從銑床或（huò）車床發展到加工中心，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，其主要有單個的晶體管和其他部件組成。

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

    4、實際上，在1964年已（yǐ）經研製出來了第（dì）四代（dài）NC係統，即我們非常熟悉的計（jì）算機數（shù）字控製係統（CNC控製係統）。

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

    6、第（dì）六代NC係統采用了現行的集成（chéng）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（sù）化（huà）

隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速（sù）發展以及鋁合金（jīn）等新材料的應用，對數控機床加（jiā）工的高速化要求越來越高。

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

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

c. 運算速（sù）度：微處理（lǐ）器的迅速（sù）發（fā）展為數控係統向高（gāo）速（sù）、高精度方向（xiàng）發展提供了（le）保障，開（kāi）發出CPU已發展到32位以及64位的數（shù）控（kòng）係統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速度的極（jí）大提高，使得當分辨率為0.1µm、0.01µm時仍能（néng）獲得高達24～240m/min的進給速度；  

d. 換刀速（sù）度：目前國外先進加工中心的刀具交（jiāo）換時間普遍已在1s左右，高（gāo）的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主（zhǔ）軸為（wéi）軸心，刀具在圓周布置，其刀到（dào）刀（dāo）的換刀時間僅0.9s。

2. 高精度（dù）化

數控機床精度的要求現在已經不局限於靜態的幾何精（jīng）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重視。

a. 提高CNC係統控製精度：采用高（gāo）速插補技術，以微小程序段實現連續進給，使CNC控製單位精細化，並（bìng）采用高分辨（biàn）率位置檢測裝置，提 高位置檢測精度，位置伺服係統采用（yòng）前饋控製與 非（fēi）線性控製等方法；

b. 采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補償和刀（dāo）具誤差補償（cháng）等技術，對設備的熱（rè）變形誤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: 通過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重（chóng）複定位精度，使其性能長期穩定，能夠在不同運行（háng）條件下完成多種加工任務，並保證零件（jiàn）的加工質量。

3. 功（gōng）能複合化

複合機床的含義是指在一台機床（chuáng）上實現或盡可（kě）能（néng）完成從（cóng）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合型和工序複合型兩類。 加（jiā）工中心能夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒（chǐ）、磨削、激光熱處理（lǐ）等多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現代機械（xiè）加工要求的不斷提高，大量（liàng）的多軸聯動（dòng）數控（kòng）機床越來越受到各 大企業的歡迎。  

4. 控製智能（néng）化

隨著人工智能（néng）技術的發（fā）展，為了（le）滿足製造業（yè）生（shēng）產柔性化、製（zhì）造自動化的（de）發展需求，數控（kòng）機床的智能化程度（dù）在不斷提高。具體體現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應（yīng）控製技術；  

b. 加工參數的智能優化（huà）與選擇；  

c. 智能（néng）故障自診斷與（yǔ）自修複技（jì）術；

d. 智能故障回放和故障（zhàng）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（chéng）中， 將測量（liàng） 、建模、加工、機器操作四者(即4M)融（róng）合在一個係統中 。

5. 體係開放化

a. 向未來技術開（kāi）放（fàng）：由於軟硬件接口都遵循公認的標準協議，可采納、吸收和（hé）兼容（róng）新（xīn）一（yī）代通用軟硬件。  

b. 向用戶特殊要求開（kāi）放（fàng）：更新（xīn）產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種（zhǒng）組合以滿足特殊（shū）應用要求；  

c. 數（shù）控（kòng）標準的建立：標準化（huà）的編程語言，既方便用戶 使用，又降（jiàng）低（dī）了和操作效率直接有關的勞動消耗。

6. 驅（qū）動並聯化

可實現多坐標聯動數控加工、裝配（pèi）和測量多（duō）種功能（néng），更能（néng）滿足複（fù）雜特種零件的加工，並聯機床被認（rèn）為是“自發明數控技術以來在機（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（xíng）化 )

國防、航空、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的大型化需（xū）要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加（jiā）工技術和微納米技術是（shì）21世（shì）紀的戰略技 術，需發展能適應微小型尺寸和微納（nà）米加工精度（dù）的新型製（zhì）造工藝和裝備。

8.  信息交互網絡化

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

9. 加（jiā）工過程綠色化

 近年來不用或少用（yòng）冷卻液、實現幹切削、半幹切削節能（néng）環保的機床（chuáng）不斷出現， 綠色製（zhì）造的大趨勢使各種節能環保機床加速發展。

10. 多媒（méi）體技術的應用

多媒體技術集計（jì）算機、聲像和通信技術於一體，使計算機（jī）具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以做到信息處理綜合化、智能化，應用於實時監（jiān）控 係統和（hé）生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等（děng），因此有著重大的應用價值。

目前，數控機床的發展日新月異（yì），高（gāo）速化、高精度化、複合化、智能化、開（kāi）放化、並聯驅動化、網絡（luò）化、極端化、綠色（sè）化已成為數控機床發展的趨（qū）勢和（hé）方向。