高端精密製（zhì）造的CNC數控加工技術（shù）

　　

 

    數控技（jì）術的應用（yòng）使傳統的製造業發生了質的變化，尤其是近年來（lái）．微電子技術和計算機技術的發展給數控技術帶（dài）來了新的活力。數（shù）控技術和數控裝備是各個（gè）國家工（gōng）業現（xiàn）代化的重要基礎。

 

    數控機床是現代製（zhì）造業的主流設備，精密加（jiā）工的必備裝備，是（shì）體現現代機（jī）床技術水平、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（fáng）尖端（duān）建設的戰略物資。因此世界上各（gè）工業發達（dá）國（guó）家均采取重大措施來發展（zhǎn）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（shù）據控製”，簡單地說就是“數控加工”，在珠江（jiāng）三角洲地區，人們稱為“電腦鑼（luó）”。

 

    數（shù）控（kòng）加工是當今機械（xiè）製造（zào）中的先進加（jiā）工技術，是一（yī）種具（jù）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（shū）入給機床，機床在這些數據（jù）的控製下自動加工出符合（hé）人們意願的工件，以製造出（chū）美（měi）妙的產品。

 

    數控加工技術可有（yǒu）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（huà）生產的需要。大力發（fā）展數控加工技術已成為我國加（jiā）速發展經濟、提高自主創新能力的重要途徑。目前我（wǒ）國數（shù）控機床使用越來越普遍，能熟練掌（zhǎng）握數控機床編程（chéng），是充分（fèn）發揮其功能的重要途徑。

 

    數控（kòng）機床是典型的機電一體化產品，它集微（wēi）電子技術、計算機（jī）技術、測量技術、傳感器技術、自動控（kòng）製技術及人工智能技術等多種先進技術於一（yī）體，並與機械加工（gōng）工藝緊密結合，是新一代的機械製（zhì）造（zào）技術裝備。

 

CNC數（shù）控（kòng）機床的（de）組成

 

    數控機床集機床、計算（suàn）機、電動機及拖動、動控製、檢測等技術為一體的自動化設備。數控（kòng）機床（chuáng）的基本組成包括控製介（jiè）質、數控裝置、伺服係統、反饋裝（zhuāng）置及機床本體

 

1、控製介質

 

  控製介質是儲存數控加工所需要的全（quán）部動作刀具相對於工件（jiàn）位置信息的媒（méi）介物，它記載著零件的（de）加工程序，因此，控製介質就是指將零件（jiàn）加工信（xìn）息傳（chuán）送到數（shù）控裝置（zhì）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（tóng）而不同，常用的有穿孔帶、穿（chuān）孔（kǒng）卡、磁（cí）帶、磁盤等。隨著數控技術的發展，穿孔（kǒng）帶、穿孔（kǒng）卡趨於淘（táo）汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然後通過計算機與（yǔ）數（shù）控係統通信，將程序和數據直（zhí）接傳送給數控裝置的方法應用越來越廣泛。

 

2、數控裝置

 

  數（shù）控裝置是（shì）數控機床的核心，人們喻為“中（zhōng）樞係統”。現代數控機床都采用（yòng）計算機（jī）數控裝置CNC。數控裝（zhuāng）置包括輸入裝置及（jí）中央處理器(CPU)和輸出裝置等構成（chéng）數（shù）控裝置能完成信息（xī）的輸入（rù）、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製功能。

 

3、伺服係統（tǒng）

 

    伺服係統是接收數控裝置的指令、驅動機床執行（háng）機構運動（dòng）的驅動部件。包括主（zhǔ）軸（zhóu）驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服係統接受數控係統的指令信息，並按照指令（lìng）信（xìn）息的要求與位置、速度反饋信號相比較（jiào）後，帶動（dòng）機床（chuáng）的移（yí）動部件或執（zhí）行部件動作，加工出符（fú）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（diàn）路（lù）組成，其作用是（shì）檢測速度和位移，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（jī）床，沒有（yǒu）反饋裝置，則稱為開環係統。

 

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（de）機械（xiè）部分，它包括床身、底（dǐ）座、工作台（tái）、床鞍、主軸等。

 

CNC加工工藝的特（tè）點

 

    CNC數控加工（gōng）工藝也遵守機械加工切削規律（lǜ），與普通機床的加工工藝（yì）大體相同。由於它是把計算機控製技術應用於機械加工（gōng）之中的（de）一種自動化加工，因而具有加工效率高、精度（dù）高等特點，加工工藝有其獨特之（zhī）處（chù），工序較為複雜，工（gōng）步安排較為詳盡周密。

 

    CNC數控加工工（gōng）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（děng）內容。CNC數控加工工藝是數控編程的基礎及（jí）核心，隻有工藝合（hé）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（huài）的標（biāo）準是：最少的加工時間、最小的刀具損耗及（jí）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。它要與其他前後工序相互配合，才能最終滿足整體機器或模具（jù）的裝配要（yào）求，這樣（yàng）才能加工出合格的零件。

 

    數（shù）控加（jiā）工工序一般分為粗加工、中粗清角加工（gōng）、半精加工及精（jīng）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 locations point簡稱CL點）。刀位點（diǎn）一般取為刀具軸線與刀具（jù）表（biǎo）麵的（de）交點，多軸加工中還（hái）要給出刀（dāo）軸矢量。

 

    數（shù）控（kòng）機床是根據工（gōng）件圖樣要求及加工工藝過程，將（jiāng）所用刀具及各部件的移動（dòng）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（tóu）鬆開及冷卻等（děng）操作，以規（guī）定的數控代碼形式（shì）編成程序單，輸入到機床專用計算機中。然後，數控係統（tǒng）根據輸入的指令進（jìn）行編譯、運算和邏輯處理（lǐ）後，輸出各種信號和指令（lìng），控製（zhì）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，程序的編製對於數（shù）控（kòng）機床效能的發揮影響極大。

 

    數控機（jī）床必須把代（dài）表各種不同功能的指令代碼以程序的形式輸入數控（kòng）裝置，由數控裝置進行運算處理，然後發出脈（mò）衝信（xìn）號（hào）來控製數控（kòng）機床的各個運動部件的操作，從（cóng）而完成零件（jiàn）的（de）切削加工。

 

  目前數控程序有兩個標準：國際標準化組織的（de）ISO和美國電子工（gōng）業協會的EIA。我國（guó）采用ISO代（dài）碼（mǎ）。

 

  隨著技（jì）術的進（jìn）步，3D的（de）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（jiàn）。

 

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

 

  目前（qián），在我（wǒ）國深受用戶喜歡的、數控編程功能強大（dà）的軟件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等（děng）。各（gè）軟件對於數控（kòng）編程的原理、圖形處理方（fāng）法及加工（gōng）方（fāng）法都大同小（xiǎo）異，但各有特點。

 

CNC數控（kòng）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（dìng）零件的數控加工工藝（加工的內容，加工的路線）

 

    3、進行（háng）必要（yào）的數值計算（基點、節（jiē）點的（de）坐標計算）

 

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

 

    5、程序校驗（將（jiāng）程（chéng）序輸入機床，並進行圖形（xíng）模擬（nǐ），驗證編程的正確）

 

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

 

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

 

數控機床的發展曆史

 

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

 

  在20世紀40年代末（mò）期，美（měi）國有一位工（gōng）程師帕森斯（John Parsons）構思了一（yī）種方法，在一（yī）張硬（yìng）紙卡上打孔來表（biǎo）示需要加工的零件幾何形狀，利用（yòng）著一張硬卡來控製機（jī）床的動作，在當（dāng）時，這隻是一種構思。

 

    1948年，帕森斯向（xiàng）美國空軍展示了他的這種想法，美國（guó）空軍看後，表示（shì）極大的興趣，因（yīn）為美（měi）國空軍正在尋找（zhǎo）一種先進的（de）加工方法，希望解決飛機外型樣板的加工（gōng）問題，由於（yú）樣板形狀複雜，精度要求高，一般的設備難以適應（yīng），美國空軍立即委托及讚助美國麻省理工學院（MIT）進行研究（jiū），開發這部硬卡紙來控製（zhì）的機床，終於在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，到了1960年較為簡單和經（jīng）濟的點位（wèi）控製鑽床，和直線控製數控銑床得（dé）到了較快（kuài）的發展使數控機床在製造業各部門逐步獲得推廣。

 

    CNC加工的（de）曆史已（yǐ）經經曆了長達半個多世紀，NC數控係統也（yě）由最早的模擬（nǐ）信號電路控製發展為極其複雜的集成加工係統，編程方式也有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成係統。

 

    就我國而言，數控技術的發展是比較緩慢（màn）的，對於國內的大多數車間來說。設備比較落後（hòu），人員（yuán）的（de）技術水平和觀念落後表現為加工質量和加工效率低下，經常（cháng）拖延交貨期（qī）。

 

    1、第一代NC係統是在（zài）1951年引入的（de），其控製單元主要有各種閥門（mén）和模擬電路組成的，1952年（nián）第一台數控機床誕生，已（yǐ）經從銑床或車床發展到加工中心，成為現代製造業的關鍵設備。

 

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

 

    3、1965年引（yǐn）入了第三代NC係統，其首次采用集成（chéng）電路板（bǎn）。

 

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

 

    5、1975年，NC係統采（cǎi）用（yòng）了強大的（de）微處理器，這就是第（dì）五代NC係統（tǒng）。

 

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

 

數控機床的發展趨勢

 

1. 高速（sù）化

 

隨著汽車（chē）、國防、航空、航（háng）天等工業的高速（sù）發展以及鋁合金等新材料的應用，對數控（kòng）機床加工的高速化要求越來越（yuè）高。

 

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

 

b. 進給（gěi）率：在分辨（biàn）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（sù）度：微（wēi）處理器的迅速發展為數控係統向高速、高精度方向發展（zhǎn）提供了保障，開發出CPU已發展到32位以及64位的數控係（xì）統，頻率提高到幾百兆赫、上（shàng）千兆赫。由於運算速（sù）度的極（jí）大提高，使得當分辨率為（wéi）0.1µm、0.01µm時仍能獲得高達24～240m/min的進（jìn）給（gěi）速（sù）度；  

 

d. 換刀速度（dù）：目前國外先進加工中心的刀具（jù）交換時間普（pǔ）遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將（jiāng）刀庫設計成（chéng）籃子樣式，以主軸為（wéi）軸心，刀具在（zài）圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

 

2. 高精度化

 

數（shù）控機床精度（dù）的要（yào）求現在已（yǐ）經（jīng）不局限於靜態的幾何精度，機床的運動精（jīng）度、熱變形以及對振動（dòng）的監測和補償越來越獲得重視。

 

a. 提高CNC係統控製（zhì）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（cè）精度，位置伺服係統采（cǎi）用前（qián）饋控製與 非線性控製等方法；

 

b. 采用誤差補償（cháng）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. 采用網格解碼器檢查和提高加工（gōng）中心的運動軌跡精度: 通過仿真預測機床的（de）加工精度，以保證機床的定位精度和重（chóng）複定位精度，使其性能（néng）長期穩定，能（néng）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

    

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（pī）至成品（pǐn）的（de）多種要素加（jiā）工。根據其結構特點可分為工藝複合型和工序複合型兩類。 加工中心能（néng）夠完成 車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現代機械（xiè）加工要求的不斷提高，大量的多軸聯動數控機床（chuáng）越來越受（shòu）到（dào）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（zhì）造業生產柔性化、製造自動化的發展需求，數控（kòng）機床的智能化程度在不斷提高。具體體現（xiàn）在以下（xià）幾個方麵：

a.  加工過（guò）程（chéng）自適應控製技術；  

b. 加工參（cān）數的智能優化與選擇；  

c. 智能故障自診斷與（yǔ）自修複技術；

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)融合在一個係統中 。

 

5. 體係開放化

 

a. 向未來技術開放：由（yóu）於軟硬件（jiàn）接口都遵循公認的標準協議，可采納、吸收和兼容新（xīn）一代（dài）通用（yòng）軟硬件。  

 

b. 向用戶特殊（shū）要（yào）求開放：更新產品、擴（kuò）充功能（néng）、提供（gòng）硬軟件產品的各種組合以滿（mǎn）足特殊應用要求；  

 

c. 數控標準（zhǔn）的建立：標準化的編程（chéng）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（láo）動消耗。

 

6. 驅動並聯化（huà）

    

可實現多坐標聯（lián）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（bìng）聯機床被認為是“自發（fā）明數控技術以來在機（jī）床行業中最有意義的進步”和“21世紀新（xīn）一代數（shù）控加工（gōng）設備（bèi）”。

 

7.  極端化（huà）(大型化和微型化 )

 

國（guó）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（xíng）且性能良（liáng）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（jì） 術，需發（fā）展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新（xīn）型製造工藝和裝備。

 

8.  信息交互網絡化

 

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

 

9. 加工過程綠（lǜ）色化

 

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

 

10. 多媒體技（jì）術（shù）的應用

多媒體技術集計（jì）算機、聲像（xiàng）和通信技術（shù）於一體，使計算機（jī）具有綜合（hé）處理聲音、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（yú）實時監控（kòng） 係統和生產現場設備（bèi）的故障診斷、生產過程參數監測（cè）等，因此有著重（chóng）大的應用價值。

 

目前，數控機床（chuáng）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（luò）化、極端化、綠色化已成為數控機（jī）床發展的趨勢和方向。