高端精密製造的CNC數控（kòng）加工技術

　　

 

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

 

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

 

CNC數控加工

 

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

 

    數控加工（gōng）是當今機械製造中的先進加工技術，是一種具有高效率、高（gāo）精度與（yǔ）高（gāo）柔性特點的自動化加工方（fāng）法。它是將要加工（gōng）工件的數控程序輸入給機床，機（jī）床在這（zhè）些（xiē）數據的控製下自動加工出符合人們意願的工件，以製造出美妙（miào）的產（chǎn）品。

 

    數控加工技術可有效解決像模具這樣複雜、精密、小（xiǎo）批多（duō）變的加工問題，充分適應了現代化生產的需要。大力發展（zhǎn）數控加工技術已成為我國加速發展經濟（jì）、提高自主創新能力的重要途徑。目前我國（guó）數控機床使（shǐ）用越來越普（pǔ）遍，能熟練掌握數控機（jī）床編程，是充分發揮（huī）其功能的重要途徑。

 

    數控機床是典型的機電（diàn）一體化產品，它集微電子技術、計算機技術、測量技（jì）術、傳感器技術、自動控製技術及（jí）人工智能技術等多種先進技術於一體，並與機械加工工（gōng）藝緊密結合，是（shì）新一代的機械製造技術裝（zhuāng）備。

 

CNC數控機（jī）床的組成

 

    數控（kòng）機（jī）床（chuáng）集（jí）機床、計（jì）算機、電動（dòng）機及拖動、動控製、檢測等技（jì）術為一體的自（zì）動化設備（bèi）。數控機床的基本組（zǔ）成包括（kuò）控（kòng）製介質、數控裝置、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（cún）數控加工所需要的全部動作（zuò）刀具相對於工件位置信息的媒介（jiè）物，它記載著零件的加（jiā）工程序，因此，控製介質（zhì）就是指將零件加工信息傳送到數控裝置去的信息載體。控製介質有多種形（xíng）式，它隨著數控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔帶（dài）、穿孔卡、磁帶、磁盤等（děng）。隨著數控技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編（biān）程，然後通過計算機與數（shù）控係（xì）統通信，將程序和數據直接傳送給數（shù）控裝置的方法應用（yòng）越來越廣泛。

 

2、數控（kòng）裝置

 

  數控（kòng）裝置是數控機床的核心（xīn），人們喻為“中樞係統”。現代數控機床都采用計算機數控（kòng）裝置CNC。數控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝（zhuāng）置等構成數控裝置能完成信息的輸入（rù）、存儲、變換、插補運（yùn）算以及實現各種（zhǒng）控（kòng）製功（gōng）能。

 

3、伺服係統

 

    伺服係統是接收數控（kòng）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（qū）動單元、進給驅（qū）動單元（yuán）、主軸電機和進給電機等。工作時，伺（sì）服係統接受數控係（xì）統的指令信息，並（bìng）按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較後，帶動機床的移動部件或執行部件動作，加工出符合圖紙要求的零（líng）件。

 

4、反饋裝置

 

    反饋裝置是由測量元件和相應的電路組成，其作（zuò）用是檢測速（sù）度和位移，並（bìng）將信息反饋回（huí）來，構成閉環控製。一些精度要求不高的數（shù）控機床，沒有反（fǎn）饋裝置，則稱為開環（huán）係統（tǒng）。

 

5、機床本體

 

    機床本體是數控機床的（de）實體，是完（wán）成實際切削加（jiā）工的機（jī）械部分，它包括床（chuáng）身、底座（zuò）、工作台、床鞍、主軸等。

 

CNC加工工藝的（de）特點

 

    CNC數控加工工藝也遵守機械加工切削規律，與普通機床的加工工（gōng）藝大體相同。由於（yú）它是（shì）把計算機控（kòng）製技術（shù）應用於機械加工之（zhī）中的一種自動化（huà）加工，因而具有加工效（xiào）率高、精度高等（děng）特點，加工工藝有其獨特之處（chù），工序較為複雜，工步安排較（jiào）為詳盡周密。

 

    CNC數控加工工藝包括刀（dāo）具的選擇、切削（xuē）參數的確定（dìng）及走刀工藝路（lù）線的（de）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（chū）高效率和高質量的數控（kòng）程序。衡量數控程序好壞（huài）的標準是：最少（shǎo）的加工時間、最小的刀（dāo）具損耗及（jí）加工出最佳效果的工件。

 

    數控加工工序是工件（jiàn）整體（tǐ）加工工藝的一部分，甚至是一道工序。它要（yào）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（yàng）才能加工出合格的零（líng）件。

 

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

 

CNC的數控編程

 

  數控編（biān）程是從零件圖紙到獲得數控加（jiā）工程序的（de）全過程。它的主要任（rèn）務是計算（suàn）加工走刀中的刀（dāo）位點（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸線與刀（dāo）具表麵的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢量（liàng）。

 

    數控機床是根（gēn）據工件圖樣要求及加工工藝（yì）過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度和動（dòng）作先後（hòu）順序、主軸轉速、主軸旋轉（zhuǎn）方向、刀頭夾緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數控（kòng）代碼（mǎ）形式（shì）編（biān）成（chéng）程序單，輸入（rù）到機床專用計（jì）算機中。然後，數（shù）控係統根據輸入的指令進行編譯、運算和邏輯處理後（hòu），輸出各種（zhǒng）信號和指令（lìng），控製各部分根據規定的位移和有順序的動作，加工出各種不同形狀的工（gōng）件。因（yīn）此，程序的編製對於數（shù）控機床效能的發揮影響極大。

 

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

 

  目前數控（kòng）程序有兩（liǎng）個標準：國際標準化組織的ISO和美國電子（zǐ）工業協會的EIA。我國（guó）采用ISO代碼。

 

  隨著技術的進步，3D的（de）數控編程一般很（hěn）少采用（yòng）手工編程（chéng），而使用商品化的CAD/CAM軟件。

 

    CAD/CAM是計算（suàn）機輔助編（biān）程係統（tǒng）的核心，主要功能有數據的輸入/輸出（chū）、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數（shù）設置、加工仿（fǎng）真、數（shù）控（kòng）程序後處理和數據（jù）管理等。

 

  目前，在我國深受用（yòng）戶喜歡的、數控編程功能強大的（de）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（qíng）況（幾（jǐ）何形狀，工件材（cái）料（liào），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（de）數值計算（基點、節點的坐標計算）

 

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

 

    5、程序校驗（將程序（xù）輸入機床，並進行圖形（xíng）模擬，驗證編程的正確）

 

    6、對（duì）工件進（jìn）行加（jiā）工（好的（de）過程控製（zhì）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（對工件進行檢驗，合格流入下一（yī）道。不合格則通過質量分析找出產生誤差原因和（hé）糾正方法）。

 

數控機床的發（fā）展曆史

 

    二戰後，製造業的生產大部分是依靠人工（gōng）操作，工人（rén）看懂圖紙後（hòu），手工操作機床，加工零件，用這種方式生產產品，成本高，效率低（dī），質量也得不到保證。

 

  在20世紀40年代（dài）末期，美國（guó）有一位工程師帕森斯（John Parsons）構思了（le）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（yìng）卡來控製機床的動作，在當時，這隻是一種構思。

 

    1948年，帕森斯（sī）向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（wéi）美國空軍正在尋找一種先進的加工方法，希望解決飛機（jī）外型樣板的加工問題，由於樣板形（xíng）狀複雜，精度要求高，一般的設備（bèi）難以適應，美國空（kōng）軍（jun1）立即委托及讚助美國麻（má）省理（lǐ）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斯公（gōng）司合作，成功的研（yán）製出了第一台示（shì）範機（jī），到了1960年較為簡單和經濟的（de）點位控製鑽床，和直線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（huò）得（dé）推廣。

 

    CNC加（jiā）工的（de）曆史已經經曆了長（zhǎng）達半個（gè）多世紀，NC數控係統也由（yóu）最（zuì）早的模擬信號電路控製發（fā）展為極（jí）其複雜的（de）集成加工係統，編程方式也（yě）有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

 

    就我（wǒ）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（bèi）比較落後（hòu），人員的技術水平和觀念落後表（biǎo）現為加（jiā）工（gōng）質量和加（jiā）工效率低下，經常拖延交貨期。

 

    1、第一代NC係統是在1951年（nián）引入的，其控製單元主要有各（gè）種閥門和模擬電路組成的，1952年第一台數控機床（chuáng）誕（dàn）生，已經從銑床或車床（chuáng）發展（zhǎn）到加工中心（xīn），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（zhǔ）要有單個的晶體管（guǎn）和其他（tā）部件組成。

 

    3、1965年引入了第三代NC係統，其首次采用集成電路板。

 

    4、實際上，在（zài）1964年已經研製出來了第四（sì）代NC係統，即我（wǒ）們非常熟悉的計算機（jī）數字控製係統（tǒng）（CNC控製（zhì）係統）。

 

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

 

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

 

數（shù）控機床的發展趨勢（shì）

 

1. 高速（sù）化（huà）

 

隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速（sù）發展以及鋁合金等（děng）新（xīn）材料的應用，對數控機床（chuáng）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(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0.01µm時，最大進給率達（dá）到240m/min且可獲得複雜（zá）型的精確加工；  

 

c. 運算速度：微處理器的迅速發展為數控係統向高（gāo）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64位的數控係統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1µm、0.01µm時仍能獲得高達24～240m/min的進給（gěi）速度；  

 

d. 換刀速（sù）度：目前國外（wài）先進（jìn）加工中心的刀具交換時（shí）間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃（lán）子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周（zhōu）布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

 

2. 高精度化

 

數控（kòng）機床精度的要求（qiú）現在（zài）已經不局限於靜態（tài）的幾何精度，機床的運動精度（dù）、熱變形以及對振動的監（jiān）測和補償越來越獲得重視（shì）。

 

a. 提高CNC係統控製精度：采用高速插補技術，以微小程序段實（shí）現連續進給，使CNC控製單位精細化，並采用高分辨率位置檢測裝置，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（bǔ）償技術：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（jì）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（yòng）網格解碼器檢查和提（tí）高加工中心的運（yùn）動軌跡精度: 通過仿真預測機床的加工（gōng）精度，以保證機床的定位精度和重複定位精度，使其性能長期穩定，能夠在不同運（yùn）行條件下（xià）完成多種加工任務，並保證零件的加工質量。

 

3. 功能複合化

    

複合機床的含義是指在（zài）一台機床（chuáng）上實現或盡可（kě）能完（wán）成從毛（máo）坯至成品的多種要素加工。根據其結構特點可（kě）分為（wéi）工藝複（fù）合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（jiàn）的全部（bù）加工。隨著現代機械加工要求的不斷提（tí）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

 

隨著人工（gōng）智（zhì）能技術的發展，為了滿足（zú）製（zhì）造業生產（chǎn）柔（róu）性化、製造自（zì）動化的發展需求，數控機床的智能化程度在不（bú）斷提高。具體體現在以下幾個方麵：

a.  加工過程自適應控製技術；  

b. 加工參數的智能優化（huà）與選擇；  

c. 智能故障自診斷與自修複技術；

d. 智能故障回放和故障仿真技術；

e. 智能化（huà）交流伺（sì）服驅動裝置（zhì）；  

 f. 智能4M數控係統：在製造過程中， 將測量 、建模、加工、機器操作四者(即4M)融合在（zài）一個係統中 。

 

5. 體係（xì）開放化

 

a. 向（xiàng）未來技術開放：由於軟硬件接口都遵循公認的標準協議（yì），可采納、吸收（shōu）和兼容新一代通用軟硬（yìng）件。  

 

b. 向用戶特殊要求開放：更新產（chǎn）品、擴充功能、提供（gòng）硬軟（ruǎn）件產品（pǐn）的各種組合以滿足特殊應用要求；  

 

c. 數控標準的建立：標（biāo）準化的編程語言，既方便用戶 使用，又（yòu）降低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、裝配和測量多種功能，更能滿足複雜特種零件的（de）加工（gōng），並聯（lián）機床被認為是“自發明數控技術以來在（zài）機床行業中最有意義的（de）進（jìn）步”和“21世紀新一代數控加（jiā）工設備”。

 

7.  極端化(大型化和微型化 )

 

國防、航空（kōng）、航天事業的發展和能源（yuán）等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良（liáng）好的數（shù）控機床（chuáng）的支撐（chēng）。而超（chāo）精密加工技術和微納米技術是（shì）21世紀（jì）的（de）戰略技 術，需發展（zhǎn）能適應微小型（xíng）尺寸和微納米加工精度（dù）的（de）新型製造工藝和裝備。

 

8.  信息交互網絡化

 

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

 

9. 加工過程綠色化

 

 近年來不（bú）用或（huò）少用冷（lěng）卻液、實現幹切削、半幹切削節能環保的機床不斷（duàn）出現（xiàn）， 綠色製造的大趨（qū）勢使各種節能環保機（jī）床加速發（fā）展。

 

10. 多媒體技術（shù）的應用

多媒體（tǐ）技術集計算機、聲像和通信技術於一體，使計算機具有綜（zōng）合處理（lǐ）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，應用於實時監控 係統和生產現場設備的故障診（zhěn）斷、生產過程參數監測等，因（yīn）此（cǐ）有著重大的應（yīng）用價值。

 

目前，數控機床的發展日新月異，高速化、高精度化、複（fù）合化、智能（néng）化、開放化（huà）、並（bìng）聯（lián）驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成（chéng）為數控機床發展的趨勢和方（fāng）向。