​高端精密製造的CNC數控加工技術（shù）

數控技術（shù）的應用使傳統的製造業發生（shēng）了質的變化，尤其是近年來．微電子技術和計算機技術的發展給數控（kòng）技術帶來了新的活力。數控技（jì）術和數控裝備是各個國（guó）家（jiā）工業現代化的重要基礎。

數控機床是現代製造業的主流設備，精（jīng）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（yì）水平的重要標誌，是關（guān）係國計（jì）民（mín）生（shēng）、國防尖端建（jiàn）設的戰略物資（zī）。因此世界上各工業（yè）發達國家均采取重（chóng）大措施來（lái）發展自己的數控技術及其產業。

CNC數控加（jiā）工

CNC是英文Computer Numberical Control的縮寫（xiě），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（jiǎo）洲地區，人（rén）們（men）稱為“電腦鑼（luó）”。

數控加工是當今機械製（zhì）造（zào）中的先進加工技術，是一種具有高效率、高精度與（yǔ）高柔性特點的自動化加工方法。它是將要加工工（gōng）件的數控程序輸入給機床，機床在這些數據的控製（zhì）下自動加工出符合人們意（yì）願的工（gōng）件，以製造出美妙的產（chǎn）品（pǐn）。

數控加工技術可（kě）有效解決像模具這樣複雜、精密、小批多變的加工問題，充分適應了現代化生產的需（xū）要。大力發展數控加工技術已成為我國（guó）加速發展經濟、提（tí）高（gāo）自主創新能力的重要途徑。目前（qián）我國數控機床使用越來越普遍，能熟練掌握數控機床編（biān）程，是（shì）充（chōng）分發揮其功（gōng）能的重（chóng）要途徑。

數（shù）控機床是典型的機電一體化（huà）產品，它集微電子（zǐ）技術、計算機（jī）技術、測（cè）量技術、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（bìng）與機械加工工藝緊密結合，是新一（yī）代的機械製造技術裝（zhuāng）備。

CNC數控機床的組成

數控機床集機床、計算機（jī）、電動（dòng）機及拖動、動控製、檢測等技術為一體的（de）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

控製介（jiè）質（zhì）是儲（chǔ）存數控加工所需要的全（quán）部動作刀（dāo）具相對（duì）於工件位置信息的媒介（jiè）物，它記載著（zhe）零件的（de）加工程序，因此，控（kòng）製介質就是（shì）指將零件加工（gōng）信息傳送（sòng）到數（shù）控裝置去的信（xìn）息載體。控製介質有多種形式，它隨著數控（kòng）裝置類型的不同而不同，常用的有穿（chuān）孔帶、穿（chuān）孔卡（kǎ）、磁帶、磁盤等。隨著數控技術的發（fā）展，穿孔帶、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後（hòu）通（tōng）過計算機與數控係統通信，將程序和數據直接（jiē）傳送給數控裝置的方法應用越（yuè）來越廣泛。

2、數控裝置

數控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裝置（zhì）CNC。數控裝置包括輸（shū）入裝置及中央處理（lǐ）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（huàn）、插補運算以及實（shí）現各種控製功能。

3、伺服係統

伺服係統（tǒng）是接收數控裝置的指令、驅動（dòng）機床執行機構運動的驅動（dòng）部件（jiàn）。包括主軸（zhóu）驅動單元、進給驅動單元、主軸電（diàn）機（jī）和進給電機等。工作時，伺服係統接（jiē）受數控係統（tǒng）的（de）指令（lìng）信息，並按照指令信（xìn）息的要求與（yǔ）位置、速（sù）度反饋信（xìn）號相比（bǐ）較後，帶動（dòng）機床的移動部件或執（zhí）行部件動作（zuò），加工出符合圖紙要求的零件。

4、反饋（kuì）裝置

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

5、機床本（běn）體

機床本體是數控機床的實體，是（shì）完成實際切（qiē）削（xuē）加工的（de）機械部分，它包括床身（shēn）、底座、工作台、床鞍、主軸等。

CNC加工工藝的特點

CNC數控加工（gōng）工藝（yì）也遵（zūn）守機（jī）械加工切削（xuē）規律，與普通機床的加工工（gōng）藝大體相同。由於它是把計算機控製技術應用（yòng）於機械加工之中的一種自動化加工，因而（ér）具有加工效率高（gāo）、精（jīng）度高等特（tè）點，加工工（gōng）藝有其獨特之（zhī）處，工序較（jiào）為複雜（zá），工步安排較為詳盡周密。

CNC數（shù）控加工工藝包括刀具的選擇、切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（gōng）藝（yì）是（shì）數控編程的基礎及核（hé）心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量的數控程（chéng）序。衡量數控（kòng）程序（xù）好壞（huài）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（xiào）果的工（gōng）件。

數控加（jiā）工工序（xù）是工件整（zhěng）體加工工藝的一部分（fèn），甚至是（shì）一道工序。它要與其他前後工序相互配合，才能最終（zhōng）滿足整體機器或模具的裝配要求，這樣才能加工出合格的（de）零件。

數（shù）控加工工序一般（bān）分為粗加工、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步（bù）。

CNC的數控編程（chéng）

數控編程是從零件圖紙到獲得數控加工程序的全過程（chéng）。它的主要任務是計算加工走刀中（zhōng）的刀位點（cutter locations point簡稱（chēng）CL點）。刀位點一（yī）般取為刀具軸線（xiàn）與（yǔ）刀具表麵的交點，多軸加工中還要給出刀（dāo）軸矢量。

數控機床是根據工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀（dāo）具及各部件的移動量、速度和動作（zuò）先後順（shùn）序、主軸轉速（sù）、主軸旋轉方向、刀頭夾（jiá）緊、刀頭鬆開及冷卻等（děng）操作，以（yǐ）規定的數控代碼形式編成程序單，輸入（rù）到（dào）機床專用計算（suàn）機中。然後，數控係統（tǒng）根據輸入（rù）的指令進行編（biān）譯、運算（suàn）和（hé）邏輯處理後，輸出各種信（xìn）號（hào）和指令，控製各部（bù）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件。因此，程序的編製對於數控（kòng）機床效能的發揮影響極大。

數控機床必須把代（dài）表（biǎo）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（lǐ），然後發出脈衝信（xìn）號來控製數控機床的各個（gè）運動部（bù）件的操作，從而完成（chéng）零件的切削加工（gōng）。

目前數控程序有兩個標準：國際標（biāo）準化組（zǔ）織的ISO和美國電子工業協（xié）會的EIA。我國采用ISO代碼。

隨著技術的進步，3D的數控編程一般很少采用手工編（biān）程，而使用商（shāng）品化（huà）的CAD/CAM軟件。

CAD/CAM是計算機輔助編程係統的核心，主要功能有數據的（de）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，在我國深受用戶（hù）喜歡的、數控編程功能強大（dà）的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各（gè）軟件對於（yú）數控編程的原理、圖形處理方（fāng）法及加工（gōng）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（幾何形狀，工件材料，工藝要求等）

2、確定零（líng）件的數控（kòng）加工工藝（yì）（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（suàn））

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

5、程序校驗（將程序（xù）輸入（rù）機床，並進行圖形模擬（nǐ），驗（yàn）證編程的正確）

6、對工件進（jìn）行加工（好的過程（chéng）控製能很好的節約時間和提高加工質量）

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

數控機床的發展曆史

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

在20世紀40年（nián）代末期，美國有一位工程（chéng）師帕森斯（John Parsons）構思了（le）一種方法，在一張硬（yìng）紙卡上打孔來表示需要加工的零件幾何形狀，利用著一張硬卡來控製機床的動（dòng）作，在當時，這隻（zhī）是一種構思。

1948年，帕森斯向美（měi）國空軍展示了他的這種想法，美（měi）國空軍看後，表（biǎo）示極大的興趣，因（yīn）為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法，希（xī）望解決飛機外型樣板的加工（gōng）問題，由於樣板形狀複雜，精度要（yào）求高，一般的設備難以適（shì）應，美國空軍立即委托及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部（bù）硬卡紙來控製的機床，終於（yú）在（zài）1952年，麻省理工學院（yuàn）和帕森斯公司合作，成功的研製出了第一台示範機（jī），到（dào）了1960年較為（wéi）簡單和經濟的點位控製鑽（zuàn）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（bù）門（mén）逐步獲得推廣。

CNC加工的曆史已（yǐ）經經曆（lì）了長達半個多世紀（jì），NC數控係統也（yě）由（yóu）最早的模擬信號電路（lù）控製發展為極其複雜（zá）的集成加工係統，編程方式也有手（shǒu）工發展成為（wéi）智能化、強（qiáng）大的CAD/CAM集成係統。

就我國而言，數控技術的發展是（shì）比較緩慢的，對於國（guó）內的大多數車間來說（shuō）。設備比（bǐ）較落後，人員的技（jì）術水平和觀念落後表現為（wéi）加工質量和加工效率低下，經常（cháng）拖延交貨（huò）期。

1、第一代NC係（xì）統是（shì）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，已經從銑床或車床發展到加工中心，成為現代（dài）製造業的關鍵設備。

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

3、1965年引入了第三代NC係統（tǒng），其首次采用集成電路板。

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

5、1975年，NC係統采用了強大的微處理器，這就是第五代NC係統。

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

數控機床的發展趨勢

1.高速（sù）化

隨著汽車（chē）、國防（fáng）、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等新材料的應（yīng）用（yòng），對數控機床加工的高速化（huà）要求越來越高。

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

b.進給率：在分辨率為0.01μm時（shí），最（zuì）大進（jìn）給率達到240m/min且可獲得複雜型的精確加工（gōng）；  

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（tí）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（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時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；  

d.換刀速度：目前國（guó）外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在（zài）1s左右，高的已（yǐ）達0.5s。德國Chiron公司將（jiāng）刀庫設計成籃子樣式，以主（zhǔ）軸為軸（zhóu）心，刀具在圓周（zhōu）布置，其刀到（dào）刀（dāo）的換刀時間僅0.9s。

2.高精度化

數控機床精度的要（yào）求現在已經不局限於靜（jìng）態的（de）幾何精度，機床（chuáng）的運動精度、熱變形以及（jí）對振動的監測和補償越來越（yuè）獲得重視。

a.提高CNC係統控製精度：采（cǎi）用高速插補技術（shù），以微小程序段（duàn）實（shí）現連續進給，使CNC控（kòng）製單位精（jīng）細化，並采用高分辨率位置檢（jiǎn）測（cè）裝（zhuāng）置，提 高（gāo）位置檢測精度，位置伺服（fú）係統采用前饋控製與 非線性（xìng）控製等方法；

b.采（cǎi）用誤差補償技術：采用反向（xiàng）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（chà）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軌跡精度:通過仿真（zhēn）預測機床的加工精度，以保證機床（chuáng）的定位精度和重複定位精度，使其（qí）性能（néng）長期穩定，能夠在不同運行條件下完成（chéng）多（duō）種加工任務，並保證零件的加工（gōng）質量。

3.功能（néng）複合化

複合機床的含義（yì）是指在一台機（jī）床上實現或盡可（kě）能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據（jù）其結構特點可分為工藝複合型和工序複（fù）合型兩（liǎng）類。加工中心能夠完成（chéng）車削、銑削、鑽（zuàn）削、滾（gǔn）齒、磨削（xuē）、激（jī）光熱處理等多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著（zhe）現代機械加（jiā）工要求的不斷提高，大量的（de）多軸聯動數控機床越來越受到各大企業的歡迎。

4.控製智能化

隨著人工智能（néng）技術的發展，為了滿足製造業生產柔性化（huà）、製造自動化的發展需（xū）求，數控機床的智（zhì）能（néng）化程度在不斷提高。具體體現在以下幾個（gè）方麵：

a.  加工過程自適應控製技（jì）術；  

b.加工參數的智（zhì）能優化與選擇；  

c.智能故障自（zì）診斷與（yǔ）自修複技術（shù）；

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（zhì）能（néng）4M數控係統：在（zài）製造過程中， 將測量 、建模、加工、機器操作四者(即（jí）4M)融合在一個係統中 。

5.體係開放（fàng）化

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

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（de）各（gè）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，既方便用戶 使用，又降低了和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（pèi）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（fā）明數控技術以來（lái）在機床（chuáng）行業中最有意義的進步”和（hé）“21世紀新一代數控（kòng）加工設備（bèi）”。

7.  極端化(大型化和微型化)

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

8.  信息（xī）交互（hù）網絡化

既（jì）可以實（shí）現網絡資（zī）源共享，又能實（shí）現數控機床的遠程監視、控製、遠（yuǎn）程（chéng）診斷、維護。

9.加工過程綠色化

近（jìn）年來不（bú）用或（huò）少用冷卻液、實現幹切削、半幹切削節能環保的機床不（bú）斷出現，綠色（sè）製造的大趨勢使各種節能環（huán）保機床加速發（fā）展。

10.多媒（méi）體技術的（de）應用

多媒體（tǐ）技術集計（jì）算機、聲像和通信技術於一體，使計算機具有綜合處理聲（shēng）音、文字、圖像和視頻信息的能力（lì）。可（kě）以做到信息處理綜合化、智能（néng）化，應用於實時監（jiān）控係統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測（cè）等，因（yīn）此（cǐ）有著重大的應用價值。

目前，數控機床的發展日新月異，高速化、高精度化、複合化、智能（néng）化、開放化、並聯驅動化、網絡化（huà）、極端化（huà）、綠（lǜ）色化已成為數控機床發展的趨勢和方向（xiàng）。