高端精密製造的CNC數控加工技術

　　

 

    數控技術的應用使傳（chuán）統（tǒng）的製造業發生了質的變（biàn）化，尤其是（shì）近年（nián）來．微電子技術和計（jì）算機技術的發展給數控技術帶來（lái）了新的活力。數控技（jì）術和數控裝備是各（gè）個國家（jiā）工業現代化的重（chóng）要基礎。

 

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

 

CNC數控加工

 

    CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫，意思是（shì）“計算機數據控製”，簡（jiǎn）單地說就（jiù）是“數控加（jiā）工”，在珠江三角洲（zhōu）地區，人們稱為“電（diàn）腦鑼”。

 

    數控加工是當今機械製造中的先（xiān）進加工技術（shù），是一種具有高效率、高精度與高柔性特點的自動化加（jiā）工方法。它是（shì）將要加工工件的（de）數控程（chéng）序輸入給機床（chuáng），機床在這些（xiē）數據的控製下自動加工出符（fú）合人們意願的工件，以製造出美妙的產品。

 

    數控加工（gōng）技術可有效（xiào）解決像模具這樣複雜、精密（mì）、小批多變的加（jiā）工問題，充分適應了現代化（huà）生產的需要（yào）。大力發展數控加工技術已成為我國加速發展經濟、提高自（zì）主創新能力（lì）的重要途徑。目前（qián）我國（guó）數控機床使用越來越普遍，能熟練掌握數控機床編程，是（shì）充分發揮其功能的重要（yào）途徑。

 

    數控機床是典型的機電一體（tǐ）化產（chǎn）品，它集微電（diàn）子技術、計算機技（jì）術、測量（liàng）技術、傳感器技術、自動控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（hé），是新一代的機械製（zhì）造技術裝備。

 

CNC數控（kòng）機床（chuáng）的（de）組成（chéng）

 

    數控機床集（jí）機床、計算機、電動機及拖動、動控製、檢測等技術為（wéi）一（yī）體的自動化設備。數控機床的（de）基本組成包括控製介質、數控裝置（zhì）、伺服（fú）係（xì）統、反饋裝置（zhì）及機（jī）床本體

 

1、控製介質

 

  控（kòng）製介質是儲存數控加工（gōng）所需要的全部動作刀具相對於工（gōng）件位置信息的媒介（jiè）物，它記載著零件的加工程序，因此（cǐ），控製介質就是指將零件加工信息傳送到數控裝置去的信息載體。控製介質有多種形式，它隨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、磁盤等。隨著數控（kòng）技術的發展，穿孔帶、穿孔卡趨（qū）於淘汰，而利（lì）用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後（hòu）通過計算機與（yǔ）數控係統（tǒng）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（kòng）裝（zhuāng）置

 

  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控裝置（zhì）CNC。數（shù）控裝置（zhì）包括輸入裝置及中央處（chù）理器(CPU)和輸出裝（zhuāng）置（zhì）等構成數（shù）控裝置能完成信息的輸入（rù）、存儲、變換、插補運（yùn）算以及實現各種控製功能。

 

3、伺服係統

 

    伺服係統是接收數控裝置（zhì）的（de）指（zhǐ）令、驅動機床執行機構運動的驅動部件。包括（kuò）主軸驅動單元、進給驅動單元（yuán）、主軸電機和進（jìn）給電機等。工作時，伺服係（xì）統接受數控係統的（de）指令信息（xī），並按照指令信息的要求與位置（zhì）、速度反（fǎn）饋信（xìn）號相比較後，帶動機床的移動部件或執行部件（jiàn）動作，加工（gōng）出符合圖紙要求的零件。

 

4、反饋裝置

 

    反饋裝置（zhì）是由測量元件（jiàn）和相（xiàng）應的電路組成，其作用是檢測速度和位移（yí），並將信息反饋回（huí）來，構成閉（bì）環控製。一些精度要求不高的數控機床，沒（méi）有反饋裝置，則稱為開環係統。

 

5、機床（chuáng）本體

 

    機床本（běn）體是數控機床的實體，是完成實際切削加工的機（jī）械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主軸等。

 

CNC加工工藝的特點

 

    CNC數控加工工藝也遵守機械加（jiā）工切削規（guī）律，與普通機床的加工工藝（yì）大體相同。由於（yú）它是把計算（suàn）機控製技術應用於機械（xiè）加工之中的一種自動（dòng）化加工，因而具有加工效率（lǜ）高、精度高等（děng）特點，加工工藝有其（qí）獨特之（zhī）處，工序較為複雜（zá），工步安排較為詳盡周密。

 

    CNC數控加（jiā）工工（gōng）藝包括刀具的選擇、切削參數（shù）的確定（dìng）及走刀工藝（yì）路線的設計等內容。CNC數控（kòng）加工工藝是數（shù）控編程的基礎及核（hé）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。衡量數控程序好壞的標準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及加工出最佳效果的工件（jiàn）。

 

    數控加（jiā）工工序是工件整體加工工藝的一部分（fèn），甚至是一（yī）道工序。它要（yào）與其（qí）他前後工序相互配合，才能（néng）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零件。

 

    數控（kòng）加工工序一般分為粗（cū）加工、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步。

 

CNC的數控編程

 

  數控編（biān）程（chéng）是從零件（jiàn）圖紙到（dào）獲得數控加工程序的全過程。它的主要任務（wù）是計算加工走刀中的刀（dāo）位點（diǎn）（cutter locations point簡稱CL點）。刀位點（diǎn）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刀軸矢量。

 

    數控機（jī）床是根據工件圖樣要求及（jí）加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度（dù）和動作先（xiān）後順序（xù）、主軸轉（zhuǎn）速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭（tóu）鬆開及冷卻等操作，以規定的數控代（dài）碼形式（shì）編成程序單，輸入到機床專（zhuān）用計（jì）算機中。然後，數控（kòng）係統根據輸入的指令進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信號和指（zhǐ）令，控製各部分根（gēn）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能的發揮影響極大。

 

    數（shù）控機床必須（xū）把代表各種不（bú）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（hòu）發出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（qiē）削加工。

 

  目前數控程序有兩個（gè）標（biāo）準：國際標準（zhǔn）化組織的ISO和美國電（diàn）子工業（yè）協會（huì）的EIA。我國采（cǎi）用ISO代碼。

 

  隨著技術的進步，3D的數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。

 

    CAD/CAM是計算機輔助編（biān）程係統的核心，主要功能有（yǒu）數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及（jí）編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程序（xù）後處理（lǐ）和數據管理等。

 

  目前，在我（wǒ）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（ruǎn）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（gè）有特點。

 

CNC數控加工零件的步驟

 

    1、分析（xī）零件圖，了（le）解工件的大致情況（幾何形（xíng）狀，工件（jiàn）材料，工（gōng）藝要求等）

 

    2、確定零（líng）件的數控加工工藝（加工的（de）內容，加工的路線）

 

    3、進行必要的數值計算（基點、節（jiē）點的坐標計算）

 

    4、編寫（xiě）程序單（不同機床會有所不同，遵守使用手冊）

 

    5、程序校驗（將程（chéng）序輸入機床，並進行圖形模擬，驗證編程的（de）正確（què））

 

    6、對工件進行（háng）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（jiàn）驗收（shōu）和質量誤差分析（對工件進行檢驗，合格（gé）流（liú）入下一道。不合格則通（tōng）過質量分析（xī）找出產（chǎn）生誤差原因和糾正方法）。

 

數控機（jī）床的發展曆史

 

    二戰後，製造業的生產大部分是依（yī）靠人工操作（zuò），工人（rén）看懂圖（tú）紙後，手（shǒu）工操作機（jī）床，加工零件，用這（zhè）種方式生產產品（pǐn），成本高，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（le）一種方法，在一張（zhāng）硬紙卡上打孔來表示（shì）需要加工的零件幾（jǐ）何形狀，利（lì）用著一（yī）張硬卡來控製機床的動作，在當（dāng）時，這隻（zhī）是一種構思。

 

    1948年，帕森斯向美國空軍展示（shì）了他的這種想（xiǎng）法，美國空軍看後，表示極（jí）大的興趣，因為美（měi）國（guó）空（kōng）軍正（zhèng）在尋找一（yī）種先進的加工方法，希望解決（jué）飛機外型樣板（bǎn）的加工問（wèn）題，由於樣板形狀複雜，精（jīng）度要求高，一般的設備難（nán）以適應，美國空軍立即委托及讚助美國麻（má）省理工學（xué）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（hé）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（jīng）濟的點（diǎn）位控製鑽床，和直線控製數控銑床得（dé）到了較快的發（fā）展使（shǐ）數（shù）控（kòng）機床在製造（zào）業各部門逐步獲（huò）得推廣（guǎng）。

 

    CNC加工的曆史已經經曆（lì）了長（zhǎng）達半（bàn）個多世紀，NC數控係統也由最早的模擬信號電路控製發展為極其複（fù）雜的集成（chéng）加工係統，編（biān）程方式也有手工發展成為智能化、強（qiáng）大的CAD/CAM集成係統。

 

    就我國而言，數控技術的（de）發展（zhǎn）是比較緩慢的（de），對於國內的大多數車間（jiān）來說。設備比較落後，人（rén）員的技術水平和觀念落後表現為加工（gōng）質量和加工效率低下，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年第一台數控機床誕生，已經從銑床或（huò）車床（chuáng）發展到加工（gōng）中心，成為（wéi）現代製造業的關鍵設備。

 

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

 

    3、1965年引入了第三代NC係（xì）統，其首次采（cǎi）用集成電路（lù）板。

 

    4、實際上，在1964年已經研製出來了（le）第四代NC係統，即（jí）我們非常熟悉的（de）計（jì）算（suàn）機數字控製係統（CNC控製（zhì）係統）。

 

    5、1975年，NC係（xì）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（dài）NC係統采用了現行（háng）的（de）集成製造係統（MIS）+DNC+柔性加（jiā）工（gōng）係統（FMS）

 

數控機床的發展趨勢

 

1. 高速化

 

隨著汽車、國防、航空、航（háng）天等（děng）工業（yè）的高速發展以及鋁合金等新材料的應（yīng）用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。

 

a.主軸轉（zhuǎn）速：機床采用電主軸(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速、高（gāo）精度方向發展提供了保障（zhàng），開發出CPU已發展到32位以及64位的（de）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（dà）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（zuǒ）右，高（gāo）的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣（yàng）式，以主軸為軸心，刀具在（zài）圓周布置，其（qí）刀到刀的換（huàn）刀時間僅0.9s。

 

2. 高精度化

 

數（shù）控機床精度的要求現在已經不局限於靜態的幾何（hé）精度，機床的運動精度、熱變形以及（jí）對振動的監（jiān）測和補償越來越獲得重視。

 

a. 提高CNC係統控製精（jīng）度（dù）：采用（yòng）高速插補技術，以微小（xiǎo）程序段實現連（lián）續進（jìn）給（gěi），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（xì）統采（cǎi）用前饋控製與 非線性控製等方（fāng）法；

 

b. 采（cǎi）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具誤差補償等技術，對設備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。

 

c. 采用網格解碼（mǎ）器檢查（chá）和提（tí）高加工中心的運動軌跡精度（dù）: 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，使其性能長期穩定，能夠在不同運行條件下完成多種加（jiā）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一台機床上實現或盡可能完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合（hé）型兩類。 加工中心能（néng）夠完成 車削、銑削、鑽（zuàn）削、滾齒、磨（mó）削、激光熱處理等多種工序，可完成複雜零件的全部（bù）加工。隨著現（xiàn）代機械加工要求的不斷提高，大量的多（duō）軸聯動數控（kòng）機床越來越受到各（gè） 大企業的歡迎（yíng）。  

 

4. 控製智能化

 

隨著人工智（zhì）能技術的發展，為了（le）滿足製（zhì）造業生產（chǎn）柔性化、製（zhì）造自動化的發展需求，數控機床（chuáng）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（zì）適應控製技術；  

b. 加工參數的智（zhì）能優（yōu）化與選擇；  

c. 智能故障（zhàng）自診斷與自修複技術；

d. 智（zhì）能故障回放和故障仿真技術；

e. 智能（néng）化（huà）交（jiāo）流伺服驅動裝置；  

 f. 智能4M數控係（xì）統：在製（zhì）造過程中， 將測（cè）量 、建模、加工、機器操作四者(即（jí）4M)融合在一（yī）個（gè）係統中 。

 

5. 體係開放化

 

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

 

b. 向用戶特殊要求開放：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，既方（fāng）便用戶 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加工，並聯機床被認為是“自發明數控技（jì）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（hé）微型化 )

 

國防、航空、航（háng）天事業的發展和能源等（děng）基礎產業裝備的大（dà）型化需要大型（xíng）且性能良（liáng）好的數控機床的支撐。而超精密加工技術（shù）和微納米技術是21世紀的戰略（luè）技 術，需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型製造（zào）工藝和裝備。

 

8.  信息交互網絡（luò）化

 

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

 

9. 加工過程綠色化

 

 近年來不用或少用冷卻液（yè）、實現幹切削、半幹切（qiē）削節能環保的（de）機床不斷出現， 綠色（sè）製造的大（dà）趨勢（shì）使各種節能環保機床加速發（fā）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（yī）體，使計算機具有綜合處理聲（shēng）音（yīn）、文字（zì）、圖像和視頻信息的能（néng）力。可（kě）以做到信（xìn）息處理綜合化、智能化，應用（yòng）於實時監控 係統和生產現場設備（bèi）的故障（zhàng）診斷、生產過程（chéng）參數監測等，因此（cǐ）有著（zhe）重大的應用價值。

 

目（mù）前，數控機床的發展日新月異，高速（sù）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（zhǎn）的趨勢和方向。