​高端（duān）精密製造（zào）的CNC數控加工技術

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（jì）術的發展給數控技術帶來了新的活力。數控技術和數控（kòng）裝備是各個國家工業（yè）現代化的重要基礎。

數控機床（chuáng）是現代製造業的（de）主流設備，精密加工的必備裝備，是體現（xiàn）現代機床技術水平、現代機械（xiè）製造業（yè）工藝水平的重要（yào）標誌（zhì），是（shì）關（guān）係國計民（mín）生、國防尖端建設的戰略物資。因此世界上各工業發達國家均采取重大措（cuò）施來發展自己的數（shù）控技術及其產業。

CNC數控加（jiā）工

CNC是英（yīng）文（wén）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（zhū）江三角洲地區，人們（men）稱為“電（diàn）腦（nǎo）鑼”。

數控加工是當今機（jī）械製造中的先進加工技術，是一種具有高效（xiào）率、高精度與高柔性特點的（de）自動化加工方法。它是將要加工工件的數控程序輸入給（gěi）機床，機床在這些數據的控製下自動加工（gōng）出符合人們意（yì）願的工件，以製造出美妙的產品。

數控加工技術可（kě）有（yǒu）效解決像模具這樣複雜、精密、小（xiǎo）批（pī）多變的加工問（wèn）題，充分（fèn）適應了現（xiàn）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，能熟練掌握數控機床編程，是充分發揮其功能的重要途徑。

數控機床是典型（xíng）的機電一體化產品（pǐn），它集微電子（zǐ）技術、計算機技術、測量技（jì）術、傳感器技術（shù）、自動控（kòng）製技術及人工智（zhì）能技術等（děng）多種先（xiān）進技術於（yú）一體，並與機械加工（gōng）工藝緊（jǐn）密結合，是新一代的機械製造技術裝備。

CNC數控機床的組成（chéng）

數控機床集機床、計算機、電動（dòng）機及拖（tuō）動、動控製、檢測等（děng）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、伺服係統、反（fǎn）饋裝置及機床本體，如圖

1、控製介質（zhì）

控（kòng）製介質是儲存數控加工所需要的全部動作刀具相對於（yú）工件位置信（xìn）息的媒介物，它記（jì）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裝（zhuāng）置去的（de）信息載體。控製介質有多種形式（shì），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（pán）等。隨著數控技術的發展（zhǎn），穿孔帶、穿孔卡趨於淘（táo）汰，而利用CAD/CAM軟件（jiàn）在計算機編程，然後通過計（jì）算機與數控係統通信，將程（chéng）序和數據直接傳送（sòng）給數（shù）控裝（zhuāng）置的方法應用越來越廣泛。

2、數控裝置（zhì）

數控裝置是數控機床的（de）核心，人們（men）喻為“中樞係統”。現（xiàn）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（hé）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（xiàn）各種控製功能。

3、伺服（fú）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（zhǔ）軸驅動單元（yuán）、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工（gōng）作時，伺（sì）服係統接受數控係統的指令信息，並按照指令信息（xī）的要求與位置、速度反饋信號（hào）相比（bǐ）較後，帶動機床（chuáng）的移動部件或（huò）執行部件動作，加工出符合（hé）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（zuò）用是檢（jiǎn）測速度和位移，並將信息反（fǎn）饋回來，構成閉環控製。一些精度（dù）要求不高的數控機床，沒有反（fǎn）饋裝置，則稱為開環係統。

5、機床本體

機床（chuáng）本體是數控機床的實體，是完成（chéng）實際切削加工的機械部（bù）分，它包（bāo）括床身、底座、工作（zuò）台、床鞍（ān）、主軸等。

CNC加工（gōng）工藝（yì）的特點

CNC數控加工工藝（yì）也遵守機械加工切削規律，與普通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）械加工之（zhī）中的一種自動化加工，因而具有加工效率高、精度（dù）高等特點，加工工藝有其（qí）獨特之處，工序較為複雜，工步安排較為詳盡周密（mì）。

CNC數控加工工藝包括刀具的選擇、切削參數的確定（dìng）及（jí）走刀工（gōng）藝路線的設計等內容。CNC數控加工工藝是數控編程（chéng）的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率（lǜ）和高質量的數控（kòng）程序。衡量數控程序好壞的（de）標準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加工出（chū）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，甚至是一道工序。它（tā）要與其他前後工序相互配（pèi）合，才能最終滿足整體（tǐ）機器或模具的裝配要求，這樣才能加工出合（hé）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（jīng）加工等工（gōng）步。

CNC的數（shù）控編程

數控編程是從零件圖紙（zhǐ）到獲得數控加工程序的全過程。它的主要任務是計算加工走（zǒu）刀中的刀位（wèi）點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表麵（miàn）的交點（diǎn），多軸加工中還要給出刀軸矢量（liàng）。

數控機床是根據工件圖樣要求及加工（gōng）工藝過（guò）程，將所用刀具（jù）及各部件的移動量、速度和動作先後順序、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（dìng）的數控代碼形式編成程序單，輸（shū）入到機床專用計算機中。然後，數控係統根據輸入（rù）的指令進行編譯、運算（suàn）和邏輯處理後，輸出各種信號和指令，控製各部（bù）分根據規定的位移和有順序的動（dòng）作，加工出各種不同形（xíng）狀的工件（jiàn）。因此，程序的（de）編製對於數控機床效能的發揮影（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（shù）控裝置進（jìn）行運算處理，然後發出脈衝信號來控製數控機床的各個運動部件的（de）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：國際標準化組（zǔ）織的ISO和美（měi）國電子工業協會（huì）的EIA。我國采用ISO代碼（mǎ）。

隨著技術的進步，3D的數（shù）控編程一般很少采用（yòng）手工編程，而使用商品化的CAD/CAM軟件（jiàn）。

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

目前，在我國深受用戶喜（xǐ）歡的、數（shù）控編程（chéng）功能強大的（de）軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對於數控編程（chéng）的原（yuán）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（tú），了解工件（jiàn）的大致（zhì）情況（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）

2、確（què）定零件的（de）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（jì）算（基點、節點的坐標計算）

4、編寫程序單（不同機床會有（yǒu）所不同，遵守使用手冊）

5、程序（xù）校驗（將程序輸（shū）入機床，並（bìng）進行（háng）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（de）節約時間和提（tí）高加工質量）

7、工件驗收和（hé）質量誤差分析（對工件進行（háng）檢驗，合（hé）格流入下一道。不（bú）合格則通過質量分析找出產生誤差原因和糾正方法（fǎ））。

數控機床的發展（zhǎn）曆史

二戰後，製造業的生產大部分是依靠人工操（cāo）作，工人看（kàn）懂圖紙後，手工操作機床，加工零件，用（yòng）這種方式生產產品，成本高，效率低（dī），質量（liàng）也得（dé）不到保證。

在20世紀40年（nián）代末期，美國有一位工程師帕森斯（John Parsons）構（gòu）思了一種方（fāng）法（fǎ），在（zài）一張硬紙（zhǐ）卡上（shàng）打孔來表示需要（yào）加（jiā）工的零件幾何形狀，利用著一張硬（yìng）卡（kǎ）來控製（zhì）機床的動作，在（zài）當時，這隻是一種構思。

1948年，帕（pà）森斯向美國空軍展示了他的這種想法，美國空軍看後，表示極大的興趣，因為美國空軍正在（zài）尋找一種先進的加工方法，希望解決飛機外（wài）型樣板（bǎn）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，美國（guó）空軍立即委托及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行（háng）研究，開發這部硬卡（kǎ）紙來（lái）控製的機床，終於（yú）在1952年，麻省理工學（xué）院和帕森斯公司合作，成功的研（yán）製（zhì）出了第一台示範機，到了1960年較（jiào）為簡單和經濟（jì）的（de）點位控製鑽（zuàn）床，和直線控製數控銑床得到了較快的發（fā）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（shǐ）已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）為極其複雜的集（jí）成加工（gōng）係統，編程方式也有手工發展成為智能（néng）化、強大的（de）CAD/CAM集成（chéng）係統。

就我國而言，數控技術（shù）的發展是比較緩慢的，對於國內（nèi）的大多數車間來說。設備比較（jiào）落後，人員的技術水平和觀（guān）念落後表現為加工質量和（hé）加工效（xiào）率低下，經常拖延交貨期。

1、第一代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（yī）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（dài）製（zhì）造業的關鍵設備。

2、第二代NC係（xì）統於1959年（nián）產生的，其主要有單個的晶體管和其他（tā）部件組成。

3、1965年引入了第三代NC係統，其首次采用集成電（diàn）路板。

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

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

6、第六代（dài）NC係統采用了現行的（de）集成製造係統（MIS）+DNC+柔性加工係統（FMS）

數控機床（chuáng）的發展趨勢

1.高速化

隨著汽車（chē）、國（guó）防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金（jīn）等新材料（liào）的應用，對數控機床加工的高速化（huà）要求越來越高。

a.主軸轉（zhuǎn）速：機床采用電（diàn）主軸(內裝式主軸電機)，主（zhǔ）軸最高轉（zhuǎn）速達200000r/min；  

b.進給率：在分（fèn）辨率為0.01μm時，最大進給率達到240m/min且（qiě）可獲（huò）得複雜型的精確加工；  

c.運算速度：微處理器的迅速發展為數（shù）控係統向高速、高精度（dù）方向發（fā）展提供了保障，開發出CPU已（yǐ）發展到（dào）32位以及64位的數控係統，頻率（lǜ）提高到幾百兆赫、上千（qiān）兆赫。由於運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能（néng）獲得高（gāo）達24～240m/min的進給速度；  

d.換刀速度：目前國外先進加工中（zhōng）心的刀具交換時間普（pǔ）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（jīng）度化

數控機床精度的要（yào）求現在已經不局限於（yú）靜態的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及（jí）對（duì）振動的（de）監測（cè）和補償越來越獲得重視。

a.提高CNC係統控製精（jīng）度：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續進（jìn）給（gěi），使CNC控製單（dān）位（wèi）精（jīng）細化（huà），並（bìng）采用高分辨率位置（zhì）檢測裝置，提 高位置檢測精度，位置伺服係統（tǒng）采用前（qián）饋控製與 非線性控製等方（fāng）法；

b.采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲杆（gǎn）螺距誤差補償（cháng）和刀具誤差補償等（děng）技術，對（duì）設（shè）備的熱變形誤差和空間誤差進行綜（zōng）合（hé）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複定位精度，使其性（xìng）能長期（qī）穩定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，並保證零件的加工質量。

3.功能複合化（huà）

複合機床的含義是指在一台機床上實現或盡（jìn）可能完（wán）成從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（fù）合型兩類。加工中心能夠（gòu）完成車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理（lǐ）等（děng）多種工序，可完成複雜零件的全部加工（gōng）。隨著（zhe）現代機械加工要（yào）求的不斷提高，大量的多軸聯動數控機床越（yuè）來越受到各大企業的歡（huān）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（zào）自動化的發展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現（xiàn）在以下幾個方麵：

a.  加工過程自（zì）適應控製技術；  

b.加工參數的智能（néng）優化與選擇；  

c.智能故（gù）障自診斷與自修複技術；

d.智能故障回放和（hé）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（zào）過（guò）程中， 將測量 、建模、加工、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（shù）開放：由（yóu）於軟硬件接口（kǒu）都遵（zūn）循公認（rèn）的標準協議，可采納、吸收和兼容新一代通用軟硬件。  

b.向用（yòng）戶特殊要求開放：更新產品、擴充（chōng）功能、提供（gòng）硬軟件產品的各種組合以滿足特殊應用要求（qiú）；  

c.數控標準的（de）建立：標準（zhǔn）化的編（biān）程語言，既方（fāng）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、裝配和測量多種功能，更能滿足複雜特種（zhǒng）零件的加工，並聯機床被認為是“自發明數控技術以來（lái）在機床行業中最有意義的進步”和“21世紀（jì）新一代數控加（jiā）工設備”。

7.  極端化(大型化和微型化)

國防、航空、航天事業的發展（zhǎn）和能源等（děng）基礎產業裝備的大型化需要大型（xíng）且性能良（liáng）好的數控機床的支撐（chēng）。而（ér）超精（jīng）密加工技術和微納米技（jì）術（shù）是21世（shì）紀的（de）戰（zhàn）略技 術，需發展能適（shì）應微小型尺（chǐ）寸和微納米加工精度的新型製造工藝和（hé）裝備。

8.  信息交互網絡化

既（jì）可以實現網（wǎng）絡（luò）資源（yuán）共享，又能實現（xiàn）數控機床的遠程監視、控（kòng）製、遠程診斷、維護。

9.加工過程綠色化

近年來（lái）不用或少用冷卻液、實現幹切削、半幹切（qiē）削節能環保的機床不斷出現，綠色製造的大趨勢使各種節能環保機（jī）床加速發展。

10.多媒體技術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一體，使計算機具（jù）有綜合處理（lǐ）聲音、文字、圖像和視頻信息的（de）能力。可以（yǐ）做到信息處理綜合化、智能化，應用於實時監控係統和生產（chǎn）現場設備的（de）故障診斷、生（shēng）產過（guò）程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

目前，數（shù）控機床的發展（zhǎn）日（rì）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（sè）化已成為數控機床發展的趨勢和方向。