高端精密制造的CNC數控加工技術

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

數控機床是現代制造業的主流設備，精密加工的必備裝備，是體現現代機床技術水平、現代機械制造業工藝水平的重要標志，是關系國計民生、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施來發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“計算機數據控制”，簡單地說就是“數控加工”，在珠江三角洲地區，人們稱為“電腦鑼”。

數控加工是當今機械制造中的先進加工技術，是一種具有高效率、高精度與高柔性特點的自動化加工方法。它是將要加工工件的數控程序輸入給機床，機床在這些數據的控制下自動加工出符合人們意愿的工件，以制造出美妙的產品。

數控加工技術可有效解決像模具這樣復雜、精密、小批多變的加工問題，充分適應了現代化生產的需要。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。

數控機床是典型的機電一體化產品，它集微電子技術、計算機技術、測量技術、傳感器技術、自動控制技術及人工智能技術等多種先進技術于一體，并與機械加工工藝緊密結合，是新一代的機械制造技術裝備。

CNC數控機床的組成

數控機床集機床、計算機、電動機及拖動、動控制、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制介質、數控裝置、伺服系統、反饋裝置及機床本體，如圖

1、控制介質

控制介質是儲存數控加工所需要的全部動作刀具相對于工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控制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?？刂平橘|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、穿孔卡趨于淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然后通過計算機與數控系統通信，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、數控裝置

數控裝置是數控機床的核心，人們喻為“中樞系統”?，F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、插補運算以及實現各種控制功能。

3、伺服系統

伺服系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、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服系統接受數控系統的指令信息，并按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較后，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，其作用是檢測速度和位移，并將信息反饋回來，構成閉環控制。一些精度要求不高的數控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環系統。

5、機床本體

機床本體是數控機床的實體，是完成實際切削加工的機械部分，它包括床身、底座、工作臺、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工切削規律，與普通機床的加工工藝大體相同。由于它是把計算機控制技術應用于機械加工之中的一種自動化加工，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，工序較為復雜，工步安排較為詳盡周密。

CNC數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數控加工工藝是數控編程的基礎及核心，只有工藝合理，才能編出高效率和高質量的數控程序。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。

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。它要與其他前后工序相互配合，才能最終滿足整體機器或模具的裝配要求，這樣才能加工出合格的零件。

數控加工工序一般分為粗加工、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步。

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。它的主要任務是計算加工走刀中的刀位點（cutter location point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表面的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢量。

數控機床是根據工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及各部件的移動量、速度和動作先后順序、主軸轉速、主軸旋轉方向、刀頭夾緊、刀頭松開及冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編成程序單，輸入到機床專用計算機中。然后，數控系統根據輸入的指令進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令，控制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件。因此，程序的編制對于數控機床效能的發揮影響極大。

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，然后發出脈沖信號來控制數控機床的各個運動部件的操作，從而完成零件的切削加工。

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

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

CAD/CAM是計算機輔助編程系統的核心，主要功能有數據的輸入/輸出、加工軌跡的計算及編輯、工藝參數設置、加工仿真、數控程序后處理和數據管理等。

目前，在我國深受用戶喜歡的、數控編程功能強大的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各軟件對于數控編程的原理、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，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、節點的坐標計算）

4、編寫程序單（不同機床會有所不同，遵守使用手冊）

5、程序校驗（將程序輸入機床，并進行圖形模擬，驗證編程的正確）

6、對工件進行加工（好的過程控制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）。

數控機床的發展歷史

二戰后，制造業的生產大部分是依靠人工操作，工人看懂圖紙后，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，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）構思了一種方法，在一張硬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制機床的動作，在當時，這只是一種構思。

1948年，帕森斯向美國空軍展示了他的這種想法，美國空軍看后，表示極大的興趣，因為美國空軍正在尋找一種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問題，由于樣板形狀復雜，精度要求高，一般的設備難以適應，美國空軍立即委托及贊助美國麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這部硬卡紙來控制的機床，終于在1952年，麻省理工學院和帕森斯公司合作，成功的研制出了第一臺示范機，到了1960年較為簡單和經濟的點位控制鉆床，和直線控制數控銑床得到了較快的發展使數控機床在制造業各部門逐步獲得推廣。

CNC加工的歷史已經經歷了長達半個多世紀，NC數控系統也由最早的模擬信號電路控制發展為極其復雜的集成加工系統，編程方式也有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成系統。

就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢的，對于國內的大多數車間來說。設備比較落后，人員的技術水平和觀念落后表現為加工質量和加工效率低下，經常拖延交貨期。

1、第一代NC系統是在1951年引入的，其控制單元主要有各種閥門和模擬電路組成的，1952年第一臺數控機床誕生，已經從銑床或車床發展到加工中心，成為現代制造業的關鍵設備。

2、第二代NC系統于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系統，其首次采用集成電路板。

4、實際上，在1964年已經研制出來了第四代NC系統，即我們非常熟悉的計算機數字控制系統（CNC控制系統）。

5、1975年，NC系統采用了強大的微處理器，這就是第五代NC系統。

6、第六代NC系統采用了現行的集成制造系統（MIS）+DNC+柔性加工系統（FMS）

數控機床的發展趨勢

1. 高速化

隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機床加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，最大進給率達到240m/min且可獲得復雜型的精確加工；

c. 運算速度：微處理器的迅速發展為數控系統向高速、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位的數控系統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由于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：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在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.高精度化

數控機床精度的要求現在已經不局限于靜態的幾何精度，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系統控制精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續進給，使CNC控制單位精細化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度，位置伺服系統采用前饋控制與非線性控制等方法；

b. 采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲桿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復定位精度，使其性能長期穩定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，并保證零件的加工質量。

3. 功能復合化

復合機床的含義是指在一臺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復合型和工序復合型兩類。加工中心能夠完成 車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復雜零件的全部加工。隨著現代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯動數控機床越來越受到各 大企業的歡迎。

4. 控制智能化

隨著人工智能技術的發展，為了滿足制造業生產柔性化、制造自動化的發展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現在以下幾個方面：

a. 加工過程自適應控制技術；

b. 加工參數的智能優化與選擇；

c. 智能故障自診斷與自修復技術；

d. 智能故障回放和故障仿真技術；

e. 智能化交流伺服驅動裝置；

f. 智能4M數控系統：在制造過程中， 將測量 、建模、加工、機器操作四者(即4M)融合在一個系統中 。

5.體系開放化

a. 向未來技術開放：由于軟硬件接口都遵循公認的標準協議，可采納、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.驅動并聯化

可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工，并聯機床被認為是“自發明數控技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(大型化和微型化)

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要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略技術，需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備。

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、控制、遠程診斷、維護。

9. 加工過程綠色化

近年來不用或少用冷卻液、實現干切削、半干切削節能環保的機床不斷出現， 綠色制造的大趨勢使各種節能環保機床加速發展。

10. 多媒體技術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力?？梢宰龅叫畔⑻幚砭C合化、智能化，應用于實時監控 系統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

審核編輯 ：李倩