​高端精密製造的CNC數控加工（gōng）技術（shù）

數控技術的（de）應用使（shǐ）傳統的製造（zào）業發生了質（zhì）的變化（huà），尤其是（shì）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（le）新的（de）活力。數控技術和數控裝備是各個國家（jiā）工業（yè）現代化的重要基礎。

數控機（jī）床（chuáng）是現代製造業（yè）的主（zhǔ）流（liú）設備，精密加工的必備裝備，是體（tǐ）現現代機床技術水平、現（xiàn）代（dài）機（jī）械製造業工藝水（shuǐ）平的重（chóng）要標誌（zhì），是關係國（guó）計民生、國防尖端（duān）建設的戰略物資（zī）。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（shù）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“計算機數據控製（zhì）”，簡單地說就（jiù）是“數（shù）控加工”，在珠江三角洲（zhōu）地區，人們稱為“電腦鑼”。

數（shù）控（kòng）加工（gōng）是當今機械（xiè）製造（zào）中（zhōng）的先進加工（gōng）技（jì）術，是一種具有高效（xiào）率、高精度與高柔性特點的自動化（huà）加工方（fāng）法。它是將要加工工件的數（shù）控程序輸入給機床，機床在這些數據的控製下自動加工出符合人們意願的工件，以製造出美妙的產品。

數控加工技術可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（shì）應了現代化生產（chǎn）的需要。大力發展數控加工技術已（yǐ）成為我（wǒ）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（chuáng）使用越（yuè）來越普遍，能熟練掌握數控機床編程，是充（chōng）分發揮其功能的重要（yào）途徑。

數控機床是（shì）典型的機電一體化產品，它集微電子技術、計算機技術、測（cè）量技術、傳（chuán）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，並與機械加工（gōng）工藝緊密結合（hé），是新一代的機械製造技術裝備。

CNC數控機床的組成

數控機床集機床、計算機、電動機及拖動（dòng）、動控製（zhì）、檢測等技術（shù）為一體的自動（dòng）化（huà）設備。數控機床（chuáng）的基本組成包括控製介質（zhì）、數控（kòng）裝置、伺（sì）服係統、反饋裝置及機床本體，如圖

1、控製介質

控製介質是儲存數控（kòng）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，控製介質就是指（zhǐ）將零件（jiàn）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、穿孔卡趨於淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計（jì）算機（jī）編程，然後通過計算機與（yǔ）數控係統通信，將程序和數據直接傳送給數控裝（zhuāng）置的方法應用越來越廣泛。

2、數控裝（zhuāng）置

數控裝置是數控機床的核心，人們喻為“中樞係統”。現代數控（kòng）機床都采用計算機（jī）數控裝置（zhì）CNC。數控裝（zhuāng）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（zhuāng）置（zhì）能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控製功（gōng）能。

3、伺（sì）服係統

伺服係統是接收數控裝置（zhì）的指（zhǐ）令、驅動機床執行機構運（yùn）動的驅動部件。包括主軸（zhóu）驅動單元、進給驅動單（dān）元（yuán）、主軸電機和進給電機等（děng）。工作時，伺（sì）服係統接受數控係統的指令（lìng）信息，並按照指令信息（xī）的要求與位置（zhì）、速度反饋信號（hào）相比較後，帶動（dòng）機床的移動部件或執行部件動作（zuò），加工出符合圖紙要求的零件。

4、反饋裝置

反饋裝（zhuāng）置是由測量（liàng）元件和相應的電路組成，其作用是檢測速度和位移，並將信息反饋回來，構成閉環控製。一些精度要求不高（gāo）的（de）數控機床，沒有反饋裝置，則（zé）稱為開環係統。

5、機床本體

機床本（běn）體是（shì）數控機床的實體，是完成實際（jì）切削加工的機械部分，它包括床身（shēn）、底座、工作台、床（chuáng）鞍、主軸等。

CNC加工工藝的特點

CNC數（shù）控加（jiā）工工藝也（yě）遵守機械加（jiā）工切削規律，與普通機床的（de）加工工藝大（dà）體相同。由於它是把計算機控（kòng）製技術應用於機械加工之中的（de）一種自動化加工，因而（ér）具有（yǒu）加工效率高、精度高等特點，加工工藝（yì）有其獨特之處，工（gōng）序較為複雜，工步安排較為詳（xiáng）盡周密。

CNC數控加工工藝包括刀（dāo）具的選擇、切削（xuē）參數的確定及走刀工藝路線的設計等內容。CNC數（shù）控加（jiā）工工藝是數控編程的基礎及核心，隻有工藝合理，才能編出高效率和高質量（liàng）的數控程（chéng）序。衡量數（shù）控程序好壞的標準是：最少的加工時間、最小（xiǎo）的刀具損耗及加工出最佳效果的工件。

數控加工（gōng）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（tā）前後工序相互配合，才能最（zuì）終滿足整體機器或（huò）模具的裝配要求，這樣（yàng）才能加工出合格（gé）的零（líng）件。

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

CNC的數（shù）控編程

數控編程是從零件圖紙到獲（huò）得數控加工（gōng）程序的全過程。它（tā）的主要任務是計算加工走刀（dāo）中的刀位點（cutter locations point簡稱（chēng）CL點）。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表麵的交點，多軸加工中（zhōng）還要給出刀軸矢量。

數（shù）控機床是根據工件圖樣要（yào）求及加工工藝過程（chéng），將所用刀具及（jí）各（gè）部件的移動（dòng）量、速度和動作先後順序、主軸轉速（sù）、主軸旋（xuán）轉（zhuǎn）方向、刀頭夾（jiá）緊、刀頭鬆開及冷卻等操作，以規定的數控代碼形式編（biān）成程序單，輸入到機床專用計算機中。然後，數控係統根據輸入的指令進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種信號和指令，控製各部分根據規定的位移和有順序的動作，加工出各種（zhǒng）不同形狀的工件。因此，程序的編（biān）製對於數控機床效能的發揮（huī）影響極大。

數控（kòng）機床必須把（bǎ）代表各種不同功能的指令代碼以程序的形式輸（shū）入數控（kòng）裝置，由數控裝置進行運算（suàn）處理，然後發出（chū）脈衝信號來控製數控機床的各個運動部件的（de）操作，從（cóng）而完成零件的切削加工。

目前數控程序（xù）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（zhe）技術的進步，3D的數控編程一般（bān）很少采用手工編（biān）程，而使用商品化（huà）的CAD/CAM軟件。

CAD/CAM是計算（suàn）機輔助編程係統（tǒng）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（yì）參數設置、加工仿真、數控程序後處理和數據管理（lǐ）等。

目前，在（zài）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（ruǎn）件對於數控編程的原理、圖形處理（lǐ）方法及加工（gōng）方法（fǎ）都大同（tóng）小異，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、確定零件的數控加工工藝（加工的內容，加（jiā）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（biān）寫（xiě）程序單（dān）（不同機床會有所不同，遵守使（shǐ）用手冊）

5、程序（xù）校驗（yàn）（將程序輸入機床，並進行圖形模擬，驗證編程（chéng）的正確）

6、對工件（jiàn）進行加工（好的過程控製能很好的節約時（shí）間和提高加（jiā）工質量）

7、工件驗收和（hé）質量誤差分析（對工（gōng）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（hé）糾正方法）。

數控機床的（de）發展曆史

二戰後，製造業（yè）的生（shēng）產大（dà）部分是依靠（kào）人工操作，工人看懂圖紙後，手工（gōng）操作機床，加工零件，用這種（zhǒng）方式生產產品，成本高，效率低，質量也（yě）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（zhǐ）卡上打孔來表示需要加（jiā）工的零件幾何（hé）形狀，利用著一張硬卡來控製機（jī）床的動作（zuò），在當時，這隻是一種構（gòu）思。

1948年，帕森斯向美國空軍（jun1）展示了他的這種想法，美國空軍看後，表示極大（dà）的興趣，因（yīn）為美國空軍正在尋找（zhǎo）一種先進的加工方法，希望解決飛機外型樣板的加工問題，由於樣板形狀複（fù）雜，精度要求高，一般的（de）設備難以適應，美（měi）國空軍立即委（wěi）托及讚助美國（guó）麻省理工學院（MIT）進行研究，開發這（zhè）部硬卡紙來控製的機床，終於在1952年，麻省理工學（xué）院和帕森（sēn）斯公司合（hé）作，成功的研製出了第一台示範機，到了（le）1960年較為簡單和（hé）經濟的點（diǎn）位控製鑽床，和直線控製數控（kòng）銑床得到了較快的（de）發展使（shǐ）數控機床在製造業各部門逐步獲得推（tuī）廣。

CNC加工（gōng）的曆史已經經曆了長達半個多世紀，NC數控係（xì）統也由最（zuì）早的模擬信號電路控製發展為（wéi）極其複雜的集成加工係統，編程方式也（yě）有手工發展成為智能化、強大的CAD/CAM集成（chéng）係統。

就我國而言，數控技術的發展（zhǎn）是比（bǐ）較緩慢的，對於國（guó）內的大多數車間來說。設備比較落（luò）後，人員的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。

1、第一代NC係統是在1951年引入的，其控製單元主要有（yǒu）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（chéng）為現代製造業的關鍵設（shè）備。

2、第二代NC係統於1959年產生的，其（qí）主要有單個的晶（jīng）體管和（hé）其他（tā）部件組成。

3、1965年引入了第三代NC係統，其（qí）首次采用集成電（diàn）路板。

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

5、1975年，NC係統采用了強大的（de）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造係統（MIS）+DNC+柔性加工係統（FMS）

數控機床的發展趨勢

1.高速化（huà）

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

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

b.進（jìn）給率：在分辨率為0.01μm時，最大進給率達到240m/min且可獲得複（fù）雜型的精（jīng）確加工；  

c.運算速度：微處理器的迅速發展為數控（kòng）係統向高速（sù）、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（wèi）的數控係統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速（sù）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（dá）0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀（dāo）具在（zài）圓周布置（zhì），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（xiàn）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（de）監測和補償越來越獲得（dé）重視。

a.提高CNC係（xì）統控製精度：采用高速插補技術，以微小（xiǎo）程序段實現連續進給，使CNC控製單位精（jīng）細化（huà），並采用高分辨率位置檢測裝（zhuāng）置，提 高位置檢測精（jīng）度，位置伺服（fú）係統采用（yòng）前饋控製與 非線性控製等方法；

b.采（cǎi）用誤（wù）差補（bǔ）償技術：采用反向（xiàng）間（jiān）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（chà）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工任務，並保證零件（jiàn）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（xiàn）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型兩（liǎng）類。加工中心能夠完成（chéng）車（chē）削、銑削（xuē）、鑽削、滾齒、磨削（xuē）、激光熱處理等多種工序，可完（wán）成複雜零件的全（quán）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（lái）越受到（dào）各大企業的歡迎。

4.控製智能（néng）化

隨著人工智（zhì）能技術的發（fā）展（zhǎn），為了滿足製造（zào）業（yè）生產柔（róu）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（tǐ）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（zhì）能優化與選擇；  

c.智（zhì）能故障（zhàng）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（néng）化交流伺服驅動裝置；  

f.智能4M數控係統：在（zài）製造過（guò）程中， 將測量 、建模、加工、機器操作四者(即4M)融合（hé）在一個係統中 。

5.體係開放化

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，可采納、吸（xī）收和兼容（róng）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（gōng）能、提供硬（yìng）軟件產（chǎn）品的各（gè）種組（zǔ）合以滿足特殊應用要求；  

c.數控標準的建立（lì）：標準化（huà）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（guān）的勞動消耗。

6.驅動並聯（lián）化

可實現（xiàn）多坐標聯動數控加工、裝配（pèi）和（hé）測量多種功能（néng），更能滿足複雜特種零（líng）件的加工，並聯機床被認為是“自發（fā）明數控技術以來在機床行業中最有意義的進步”和“21世（shì）紀新一代數控加工（gōng）設（shè）備”。

7.  極端化(大型化和微型化)

國防、航空、航（háng）天事業的發展和能源等基（jī）礎產業裝備（bèi）的大型（xíng）化需要大型且性能良好的數控機床（chuáng）的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是（shì）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（dù）的新型製造工藝和（hé）裝備。

8.  信息交互（hù）網絡化

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

9.加（jiā）工過程綠色（sè）化

近年來不用或少用冷卻（què）液、實現幹切削、半幹切削（xuē）節（jiē）能環保的機床不斷出現，綠色製造的大趨勢使各種節能環保（bǎo）機床加速發（fā）展。

10.多媒體技（jì）術的應用

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一體，使計算（suàn）機具有綜（zōng）合處理聲（shēng）音、文字、圖像和視頻信息的能力。可以做到信（xìn）息處理綜合（hé）化、智能化，應用於（yú）實時監（jiān）控係統和生產現場（chǎng）設備的故障診斷、生產（chǎn）過程參數監測等，因此有著重（chóng）大的應（yīng）用價值（zhí）。

目前，數控（kòng）機床的發展日新月異，高速化、高（gāo）精（jīng）度化、複合化、智能化、開（kāi）放化、並聯驅動化、網絡化、極端（duān）化、綠色化已成為數控機床發展的趨勢和方向。